交流电动机的软启动器的设计.docx

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交流电动机的软启动器的设计

第1章绪论

笼式异步电动机是工业企业应用最广泛的用电设备。

对于容量较大的电动机，如果采用直接启动，则启动时冲击电流很大，将会对电网及其他负载造成干扰甚至危害电网的安全运行。

因此，对大容量的笼式异步电动机，不能采用直接启动方式。

以往采用降压启动方式，减少启动电流，早期的启动方式有：

串联电抗或电阻，星——三角转换，串联自耦变压器等。

作为异步电动机的启动设备——软启动器，利用晶闸管交流调压技术制作，从20世纪70年代开始推广应用，同时,由单片机作为控制电路的软启动器还可以将软启动、软制动、轻载节能技术和缺相、过载、短路、漏电等保护措施融于一体,因而具有广阔的应用前景。

1.1　对电机软启动技术的要求

异步电动机在直接启动过程中,自电源流入定子绕组的电流可达其额定电流的7倍以上,这种大的冲击电流容易造成电网电压显著下降,这不仅使电动机起动转矩减小（起动转矩与电源电压的平方成正比）而启动困难,还会影响接在同一电网的其它用电设备,如使附近照明灯变暗,附近正在工作的其他异步电动机的转矩减少,转速下降等,尤其是大容量电动机,由于其起动电流较大,起动时间较长,对同一电网的其它用电设备影响更大。

传统的电机软启动技术主要是为了缓解或消除由于电机启动力矩过大对电气系统、机械设备和工艺系统所造成的影响和损害，使其能够安全稳定运行。

随着工业科学技术的发展和社会需求的增加，人们对转动设备的启动和运行以及到停止全程的平稳性、机械稳定性、工艺上的精密性要求更高，同时对设备的节能和操作控制上的现代化水平要求的更高，人们希望电机的启动和停止要柔软，运行安全、经济、可靠，适应性强、配置灵活，实现电机驱动的精密控制、精密调整目前的电机软启动器、变频器、串级调速等技术，从根本上改变了传统的单一的降压或限流的电气接线方式和控制原理，实现了对电机启动到停止的全过程的电压、电流、相位和频率的控制和调整。

使启动过程中的电机得到有效控制，特别是，变频调速和串级调速实现了对电机运行速度根据负荷要求进行调整，实现了人们对电机软启动的各项要求。

1.2软起动在交流电机起动中的应用 

现代社会中，电动机的应用遍及各个行业，并起着十分重要的作用，为了更好地使用和发挥其作用，对电动机的启动开发了电子软启动器，大大提高了其使用的安全性，减少了故障率，提高了效率。

 随着电力电子技术及微电子技术的快速发展，国内交流电机软启动器的应用已非常广泛。

由于直接启动过大的冲击电流和突跳转矩易造成电机、电气及机械设备较大的损害，而传统的降压启动方式仍存在较大的启动冲击电流，所以一般情况下对中大容量电机，在经济条件允许的情况下尽量使用软启动器，而且一般情况下应采用一台软启动器拖动一台电机的控制方案，这样软启动器不仅作为软启动器件，还可以作为一个完善的电动机综合保护器使用。

对负载等级要求一般的使用场合，也可采用一台软启动器循环拖动多台电机负载的方案。

短期展望，电机起动将仍然以各种形式的降压（限流）软起动为它的主要形式。

从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大的市场份额。

但是，在各种应用场合，人们对于各种性能的侧重面不同，使各类起动产品（包括传统的星三角起动）都可能会赢得自己的市场。

长期展望，随着软启动价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，未来将成为主流产品的软起动装置。

第2章交流电机起动

本章介绍异步电动机的几种启动方式，分析传统启动的优缺点，同时与晶闸管软启动器进行比较，最后简介软启动的应用。

2.1　异步电动机的起动转矩分析 

根据电机学原理，启动时，S=1，因此启动电流和启动转矩分别为

式（1-1）

式（1-2）

由式（1-1）、式（1-2）可知，在转速或转差率一定时，动转矩与定子两端电压平方成正比，启动电流与定子两端电压成正比。

同时在电动机启动时，由于定子、转子电流比额定电流大很多，使得漏磁路中的铁磁部分发生饱和，Xσ1和Xσ2变小，启动转矩Tst与启动电流Ist变大。

因此电机启动时，如果将电压直接加到定子两端，将产生极大的冲击转矩和冲击电流，对设备很不利。

所以采取降低定子两端电压的方法，此时启动电流按比例减小，启动转矩按平方减小。

软启动器就是根据该原理进行设计的，采用的是晶闸管交流调压电路，降低加在定子两端的电压，从而减小启动电流。

然后逐渐升高电压值，使异步电动机平稳启动。

2.2　电动机的直接启动

通常电动机的启动方式有两种：

一种是在额定电压下的直接启动方式，又被叫做硬启动，另一种是调整电机的启动电压或电流的启动方式，也被称为软启动。

在实际应用中多数电气设备是采用直接启动，这种方式系统接线简单，操作和维护方便，启动速度快，是一种最简单，最常用的启动方式。

但是直接启动存在一定的危害和局限性如：

（1）直接启动的电机的启动电流很大对电网冲击大。

一般电机空载启动电流可达额定电流的4～7倍，带载启动时可达8～10倍或更大，并由此会造成电网电流瞬间增加，导致电压下降，对其他运行中电设备造成影响，还可能使低电压保护动作，影响相关设备的安全运行，使电机本身及系统的继电保护的整定和配合增加难度，降低了保护的灵敏度。

（2）直接启动的电机由于过大的启动电流会使电机绕组发热，导致绝缘老化加速，影响电机寿命，同时机械冲击过大往往会造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损，导致击穿烧机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。

（3）直接启动的电机在启动时，其机械系统容易由于电气系统的突变而对机械系统造成冲击，如：

风机、水泵等受电机启动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命；影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。

根据以上这些情况为了保证安全和可靠性、经济性、在对电动机直接起方式的选择上制定了一些限制条件。

一是根据生产机械特性和工艺要求，确定是否允许拖动电动机直接启动；二是，根据电动机的容量与供电系统的变压器容量的比值来确定，要求电机容量要小于变压器容量的10%～15%；三是，要求电机启动过程中的电网电压降不大于额定电压的15%。

对于中、大功率的电动机一般都不允许直接启动，而要求采用一定的启动设备，通过降低电机启动时的电压方式完成正常的启动工作，被称为降压（限流）软启动。

2.3　传统软启动方式及适用场合

降压启动的目的是减小启动电流，但它同时也使启动转矩下降。

对于重载启动，带有大的峰值负载的生产机械，就不能用这种方式启动。

传统的降压启动有以下几种方法：

（1）星形/三角形转换器：

这种方法适用于正常运行时定子绕组采用△接法的电动机。

定子有6个接头引出，接到转换开关上，启动时采用星形接法，启动完毕后再切换成△接法。

启动电压较运行电压降低了3倍。

这种启动设备的优点是启动设备简单，启动过程中消耗能量少。

（2）自耦变压器降压启动：

自耦变压器高压边接电网，低压边接电动机，一般有几个分接头，可选择不同的电压比，相对于不同启动转矩的负载，在电动机启动后再将其切除。

其优点是启动电压可以选择，如0.65，0.8或0.9UN，以适应不同负载的要求。

缺点是体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。

（3）磁控软启动器：

磁控软启动器是利用控磁限幅调压的原理，在电动机启动过程中电压可由一个较低的值平滑地上升到全压，使电动机轴上的转矩匀速增加，启动特性变软，并可实现软停车。

但其起控电压在200V左右，用户不可调整，会有较大的电流冲击，且体积较大。

（4）串联电抗器：

对于高压电机，可在定子线路中串联电抗器或水电阻实现降压启动，待启动完成后再将其切除。

但电抗器成本高。

（5）串接频敏变阻器：

对于绕线式异步电动机，可在转子绕组串接频敏变阻器启动，待启动完成后再将其切除。

但频敏变阻器成本高。

（6）电解液液阻限流的软启动：

液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。

其阻值正比于二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制，且液阻的热容量大。

液阻的这两大特点（阻值可以无级控制和热容量大），恰恰是软启动所需要的，加上另一个十分重要的优势即低成本，使液阻软启动得到了广泛的应用。

但基于液阻限流，液阻箱容积大，且一次软启动后电解液通常会有10℃～30℃的温升，使软启动的重复性差；移动极板需要有一套伺服机构，移动速度较慢，难以实现启动方式的多样化；液阻软启动装置液箱中的水，需要定期补充。

电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要作表面处理（一般2～3次/年）；液阻软启动装置不适合放置在易结冰或颠簸的环境中。

2.4　传统启动方式存在的问题

以上几种加压启动方式，不论是采取星形/三角形转换器、自耦变压器降压、自耦变压器降压和串联电抗器或水电阻，都是在原电机系统中增加一个降压或限流设备，这样就使系统变得复杂了，其缺点是：

一是设备系统复杂不便于操作和管理，增加了故障点，特别是有二次电流冲击，使设备故障率高，需要经常维护，所以不宜使用在频繁启动的设备上；二是设备的体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，耗电量增加，维修成本高；三是，调整不灵活，会有较大的电流冲击，且不利于安全运行。

值得指出的是：

尽管各种老式软启动方法各有其优缺点，但它们有一个共同的优点：

就是没有谐波污染。

2.5　晶闸管软启动器的性能

（1）晶闸管软启动装置采用电力电子集成电路，由PLC或单片机数字控制的调压（电流）节能的电机软启动设备。

它主要是串接在电机电源回路中，实时控制电动机的启动电压或电流，由此起到调整电机的启动力矩，实现电机的软启动。

电子软启动可以满足电动机软启动、软停机及运行过程中功率因数自动调节。

一般的电子软启动器都适用于三相220V～660V电压等级，具有比较完善的故障检测功能，能在运行过程中检测任何异常状态，并通过不同的指示灯显示各类故障，配套相应的晶闸管主回路及RC吸收单元可组成一高性能的电动机软启动控制器，并能适用于任何负载场合的电动机的控制。

它是接在三相交流电源与三相交流电动机之间的电力电子装置。

（2）晶闸管软启动的技术性能主要包括：

一是根据电机的硬性特性的要求，可分别独立设定电机的软启动、软停机时间；二是实现运行过程中的功率因数自动追踪调节功能，使

；三是适用主回路电压：

三相220V～690VAC50/60HZ自动选择相序自动检测；四是一次系统的电压和电流及功率因数的控制是采用数字脉冲，二次控制系统为集成数字控制设备，耗电低。

（3）晶闸管软启动的启动方式：

根据电机不同负载的要求晶闸管启动器一般都具备以下三种启动方式：

电压控制启动方式、限流启动方式、转矩加脉冲突跳启动方式。

（4）晶闸管软启动系统的运行方式分为：

节能运行方式、全压运行方式、接触器旁路运行方式。

电抗器、液阻、晶闸管、磁控的性能比较表格

电抗器

液阻

晶闸管

磁控

软启动的基本性能

一级降压启动，无法实现恒流软启动，对负载个性适应性差，易损坏。

靠电极板移动实现无级降压软启动，调节快速性差，属于开环控制，有一定的维护工作。

用微电子通过晶闸管实现软启动，调节快速性好，是毫秒级的，闭环控制，启动方式简单化。

有微电子通过磁控实现软启动，调节快速性好，闭环控制，启动方式简单。

是否易于实现软停止

不能

难

易

较易

电动机综合保护功能

无

具有初级工能

完善

完善

高次谐波

较小

小

大

较大

体积比

0.4~0.6

1

0.2

0.3~0.5

噪音

中

小

较小

较大

启动完成二层电流冲击

较大

小

小

小

可否串在电机转子绕组

不可以

可以

不可以

不可以

维护工作量

小

较大

小

小

启动完成后是否被旁路

是

是

不一定

是

对环境温度的要求

较低

较高

较高

较低

恶劣环境的耐受力

较强

较弱

较弱

较弱

2.6软启动器的运行方式及选型

（1）在线运行软启动。

软启动器产品刚上市时，主要是国外的品牌，如施奈德，西门子等，但他们都是在线运行方式。

在应用过程中，人们发现在线运行有7个方面的优缺点：

①晶闸管长期在线运行功耗太大造成能源浪费：

②晶闸管的散热量太大需要机械冷风，给成套带来很大的困难：

③晶闸管长期在线运行给电网带来高次谐波污染：

④晶闸管作为开关元件长期工作其可靠性远低于机械开关：

⑤造价昂贵用户难以接受：

⑥由于晶闸管造型和考虑散热，因此体积大。

软启动的优点：

电动机的启动与保护及控制集于一体，强大的智能控制器全部发挥作用，由于采用机械冷风能够适用频繁启动场合，电路简单便于维护和检修。

（2）旁路运行软启动器。

旁路型软启动器克服了在线运行的缺点和技术难度，即电动机启动完成后旁路到接触器上运行。

回避了晶闸管在线运行的缺点，尤其不需要机械风冷。

但是，同时也带来四个方面的缺点：

①电路复杂，系统可靠性降低：

②强大的智能控制器不能充分利用，有的不能对电动机保护：

③增加成套装置的体积和成本：

④增加维护与检修的难度。

应用中大多数采用了旁路运行方形，即便选用了在线运行方式的软起器，有许多还是加载一套旁路运行接触器，回避了晶闸管在线运行的缺点。

（图1）

图1在线运行软启动器电路图

（3）内置晶闸管旁路型在线运行软启动器。

内置晶闸管旁路型在线运行软启动器（简称内置旁路型软启动器），是在线运行软启动器内部设计了一套机械触头与晶闸管并联，在电机软启动和软停车过程中由晶闸管运行，机械触头断开，当电机正常运行时晶闸管断开，机械触头闭合。

这套动作过程是通过内部控制自动完成的，对外部接线来讲是一个装置，以称为在线运行。

它的优点是具备上述两种类型的所有优点同时回避它们各自的缺点。

优点：

电路简单；自然风冷；晶闸管只管启动停车，回避晶闸管在线运行所带来的功耗和散热；体积小；强大智能控制器得以全面发挥，能对电动机起到启停与保护控制；节省成套空间；由于晶闸管和机械触头组合一体的设计，通过智能控制器实现了机械

触头无电弧，使得机械触头的电寿命等于机械寿命，与旁路型相比大大提高了系统的可靠性。

节能：

相比较旁路型而言的，由于内部旁路型的机械触头采用了无电弧控制，其银点的硬度降低，因此触点的接触电阻也降低；从而使机械触头的闭合压力大大降低，机械触头的吸合磁力减小，降低了能耗和触头的能耗降低，与旁路型相比综合起来能省50%以上。

（4）软启动的选型

在此有必要区分的是频繁启动还是不频繁启动，对于软启动器来讲，一般情况下如果启动时间不超过2min，不超过30次/小时，即可定为不频繁启动，大于次数应按频繁启动考虑。

频繁场合要按电动机的启动电流选取，因此软启动器一般选取管子的电流是电动机的2~4.5倍。

不频繁下充分利用管子的短时过载能力，所以在不频繁启动的条件下，应加大软启动器的容量，根据频繁度的不同取在1.2~1.5倍即可。

软启动要有过载保护、断相保护和温度补偿功能的热过载继电器。

具体选用时，要使电动机的工作电流在热元件整定电流范围以内。

工作时容易过载的设备，要使电动机的额定电流值靠近热元件整定电流范围的下限。

第3章三相交流异步电动机软起动

本章介绍交流调压的原理，软启动的设计主电路及几种启动方式。

最后应用Matlab简单仿真。

3.1晶闸管交流调压电路

用晶闸管对单相交流电压进行调压的电路有多种形式，以应用最广泛的反并联电路为例分析，晶闸管控制采用相位控制方式。

（1）电阻性负载的情形

0

U

t

α

α+π

VTT1

VT2

~Us

R

单项交流反并联电路如图2示。

当电源电压Us为正半周，控制角为α时，触发晶闸管VT1使之导通。

电源通过VT1向负载R供电，Us过零时，VT1自行关断。

Us负半周时在同一控制角α触发VT2使之导通，电压通过VT2向负载供电。

不断重复上述过程，在负载R上就得到正负对称的交流电压，如图3示。

显然，改变控制角α就可改变负载R上交流电压和电流的大小。

图2单项交流反并联电路图3单项交流调压原理图

（2）电阻—电感性负载的情形

当交流调压电路的负载是像交流电动机那样的电阻—电感性负载时，晶闸管的工作情况与电阻性负载时就不相同了，此时晶闸管的工作不只与触发控制角α有关，还与负载电路的阻抗角φ参数有关。

在单项交流调压电路中，当以阻抗角φ来表征电阻—电感性负载的参数情况时，通过一系列，得到如下结论：

对电阻—电感性负载的，晶闸管调压电路应采用宽脉冲或脉冲列方式触发，晶闸管控制角的正常移相范围范围为φ≤α≤180°。

3.2软启动器的主电路

同步电压采集

触发相角控制

三相电源

SCRS

启动控制

保护控制

信号采集

M

~

~

图5软启动器的系统框图

VT1

VT4

VT3

VT6

VT5

VT2

M

~

A

B

C

图4晶闸管组成的软启动

图4以晶闸管组成的软启动器的主电路图。

图中VT1—VT4、VT3—VT6、VT2—VT5三个反并联普通晶闸管模块串接在电动机的三相电路中；M为电动机。

图5在电动机启动过程中通过控制电路中触发相角控制模块（宽脉冲或双窄脉冲）来控制晶闸管的导通角θ的大小，使电动机的启动电压根据所设定的规律进行变化。

这样，电动机启动电流大小、启动方式及启动时间均可任意调整与选择，使电动机处于最佳启动状态。

开始

开始

开始

开始

触发角α输出

开始

开始

开始

按线调整α

开始

开始

开始

A/D采样

开始

开始

开始

到初始电压?

启动完毕？

Y

N

N

Y

结束

开始

开始

开始

图6斜坡电压起动程序流程图

以斜坡电压起动方式为例设计起动控制流程图，采用开环控制电机上电瞬间，系统发出触发脉冲给晶闸管，使得输出电压很快上升到设定的初始电压。

然后按照一定的触发规律继续发脉冲，使得电机的电压按照线性斜坡上升。

在起动过程中要不断的查询设定的时间到达与否，时间到，则电机起动完毕，软起动器旁路。

3.3　电动机软启动器的几种启动方式

（1）斜坡电压软启动

早期的软启动器是以启动电压为控制对象进行软启动的。

t

U

0

Us

图7斜坡电压控制

图7中，启动电压先以设定的速率增加，然后再转为额定电压。

这种启动方式比传统的自耦变压器或Y—△降压启动有了较大的进步，但在某些工作状态下应用时，还会出现较大的二次冲击电流，而且容易损坏晶闸管。

（2）恒流软启动

目前的软启动器大都以启动电流为控制对象进行软启动的。

启动时电动机的启动电流保持恒定（即限定启动电流），其电流限定值Ism通常在额定电流的1.5～4.5倍之间选择。

图8示了这种恒流软启动方式的电流特性

I

t

0

Ism

图8恒流软启动的电流特性

设定的电流限定值Ism大（以对电网不造成大的冲击作用为前提），启动转矩大，启动时间短；Ism小，启动转矩小，启动时间长。

这种方式一般适用于启动惯性大的场合。

（3）斜坡恒流软启动

I

t

0

Ism

若控制启动电流以一定的速率平稳地增加，当启动电流增大到所设定的电流限定值Ism时，就将启动电流保持恒定值直至启动结束。

图9示了斜坡恒流软启动方式的电流特性。

图9斜坡恒流软启动

从图中可以看出，电动机的启动过程分为两个阶段，先为斜坡启动阶段，后为恒流启动阶段。

当启动即将结束时启动电流会自动减下来。

启动电流上升变化率和恒流值都可任意设定，恒流值Ism大小决定启动时间的长短。

因此，启动电流上升变化率和恒流值一般应根据负载情况与生产要求来设定，以使软启动器获得最佳的启动过程，并减小启动损耗斜坡恒流软启动方式一般适用于空载或轻载启动，也适用于启动转矩随转速增加而增大的负载设备，如通风机、水泵等。

（4）脉冲恒流软启动

这种启动方式在启动初始阶段有一个较大的启动冲击电流，该电流值大于设定的恒流值Ism，从而能产生较大的启动冲击转矩去克服较大的静磨擦转矩，使设备能够迅速启动；然后进入恒流启动阶段，直至启动结束。

图10示了脉冲恒流软启动方式的电流特性。

I

t

0

Ism

图10脉冲恒流软启动

图中脉冲启动阶段电流的幅值（以对电网不造成在的冲击作用为前提）和脉冲维持时间是可以设定的。

显然，这种启动方式的启动转矩大，适用于重载启动，如皮带输送机、磨煤机的带载启动。

除了上面介绍的软启动方式之外，还有电压与电流控制的各种组合方式，如斜坡电压与电流限制下的软启动，启动脉冲、斜坡电压与电流限制下的软启动等。

3.4串电抗降压启动电路与软启动电路Simulink仿真比较

分别选取电机定子绕组串电抗降压启动电路与软启动电路利用MATLAB内Simulink搭建模型进行仿真分析。

3.4.1电机定子绕组串电抗降压启动电路

图11定子绕组串电抗降压启动电路

图11定子绕组串电抗降压启动电路仿真图，由电源模块、电机模块、常量输入模块、有效测量模块、电压/电流测量模块、示波器、RL组成。

模块参数设定：

（1）电机模块：

5HP；

（2）电源模块：

“Peakamplitude”设置为220*sqrt

（2）；

（3）常量输入模块：

设置为11.87（电机转矩）；

（4）其它模块采用默认设置。

设置仿真开始时间为0S，结束时间为1S，采用Ode23tb算法。

图12电机定子绕组串电抗

降压启动电流、转矩波形

3.4.2软启动电路仿真图

图13机软启动电路仿真图

图13机软启动电路仿真图，由电源模块、电机模块、六脉冲触发模块、常量输入模块、有效测量模块、电压/流测量模块、示波器、晶闸管、回馈控制部分（由选路器、放大器、阶跃信号模块、增益模块、信号求和模块）组成。

模块参数设定：

（1）电机模块：

5HP；

（2）电源模块：

“Peakamplitude”设置为220*sqrt

（2）；

（3）常量输入模块：

设置为11.87（电机转矩）；

（4）六脉冲触发模块：

“Pulsewidth（degrees）”设置为10；“Frequencyofsynchronizationvoltages”设置为50；

（5）其它模块采用默认设置。

设置仿真开始时间为0S，结束时间为0.5S，采用Ode23tb算法。

（b）转矩波形

（a）电流波形

Simulink仿真结果如图12、14所示：

图14　软启动启动电流、转矩波形

通过仿真波形和实时数字显示模块的读数可知：

串电抗器降压启动瞬间，产生较大的冲击量（其中电流约为稳定时的5倍，转矩为稳定时的7倍），过程变化突然，其中转矩出现两次变化。

软启动瞬间，产生的冲击明显减弱（电流约为稳定时的3倍，转矩为稳定时的4倍），变化趋于平缓，且转矩未出现两次变化，有利于系统稳定和设备保护。

启动电流和启动转矩是体现异步电动机启动性能最重要的两个因素。

因此在电机的启动过程中,如何降低起动电流,减小冲击成为电机启动控制的关键。

电动机软启动器以大功率双向晶闸管构成交流调压电路,通过控制晶闸管的触发角来调节晶闸管调压电路的输出电压,很方便的实现了电动机的无触点降压软启动。

软启动器从本质上解决了传统启动设备存在一些固有的缺点,具有传统启动方法无法比拟的优势。

结论

本文主要介绍了电动机的几种启动方式，简单分析了各自的使用场合。

通过对本课题的设计，了解电机启动瞬间冲击电流的危害，对电网的污染尤其是大功率的电机，使用传统启动既不方便，也不经济。

利用晶闸管的调压特性