摘要：三相交流感应电动机在各行业中应用非常广泛，由于启动电流过大，会对电网和机械传动设备造成冲击，受电网容量的限制和保护其它用电设备正常工作的需要，应当在电机启动过程中采取必要的措施控制其启动过程。本文就各种电动机启动器的原理及使用特点进行简单的阐述，并对新一代固态软启动器的性能优势和新技术的发展进行分析和展望。
关键字：电动机 启动控制器 软启动器 引言 （1） 对电网的冲击。过大的启动电流流过电网，会产生较大的线路压降，影响其他用电设备的正常工作； （2） 对电动机本体结构的冲击。由于电机中的电磁力矩与电流的平方成正比，电动机直接启动时，过大启动电流，就会在绕组和绕组间、绕组和铁芯间产生比额定工况时大49~64倍的电动力，这种力和电热效应会影响电动机寿命； （3） 对机械传动装置的冲击。电动机直接启动产生的过大转矩，使被拖动的机械设备产生巨大的应力，造成传动齿轮损伤，皮带撕裂等故障； （4） 有些生产过程不允许速度突变。例如啤酒罐装之类的生产线，突然的加、减速会使啤酒瓶翻倒，造成生产损失。对于水泵型负载，利用软停车功能，可有效xx“水锤效应”。 为了解决交流异步电动机的启动问题，从电动机诞生之日起就开始了启动方法的研究。使用过的方法有串联电阻（包括串联液体变阻器）限流启动、串联电抗器限流启动、电动机定子绕组星形接法切换到三角形接法（简称星/三角）启动、自耦变压器降压启动。直到20世纪70年代，大功率晶闸管实现工业化生产以后，利用晶闸管交流调压技术制作的固态软启动器问世。固态软启动器一问世，不仅在电动机启动功能上比各种传统方法有很大优势，特别是发展到微处理器控制启动过程后，实现了从{dy}代的电压斜坡启动方式，到第二代的电流闭环控制的电流斜坡启动方式，又到第三代的转矩闭环控制的转矩斜坡启动方式。固态软启动器是一种性能优异的电动机启动器，不仅可以无级调节启动电流、节约电能、缩小体积等，而且对电动机保护和监控方面也日益完善，能够实现对电动机启动或运行中的过载、过流、电流不平衡、温度、过电压、欠电压、堵转、接地等故障的保护，常带有工业现场控制总线，可实现与PLC、工控机等的通信，而且还具有各种传统方法所没有的电动机停车控制功能：如自由停车，软停车，制动停车或xx停车等。 1 常见的电机启动方式 1.1 星三角启动器 工作原理：如图1所示，为鼠笼式异步电动机星三角启动控制主电路图。启动时首先使接触器3KM合上，然后合上接触器1KM，异步电动机定子绕组接成星形开始启动，经过一段时间后使接触器3KM断开，然后合上接触器2KM，这时电动机定子绕组接成三角形运行，完成启动过程。 启动时，三相绕组结成星形，每相绕组的电压为三角形接法时的1／ ，所以启动转矩为全电压启动转矩的1／3。
图1 星三角启动 图2 自耦降压启动 应用特点：结构简单，控制容易，成本{zd1}。由于要变换电动机的定子绕组的连接形式，所以电动机的六个定子绕组端子必须全部引出。这种启动方法在星形转换成三角形时常常会产生很大的冲击电流，另外的一个缺点是它只有一个固定电压等级，负载适应面较窄。一般认为只适应于小容量电动机的启动，无法实现软停车功能。 1.2 自耦降压启动器 工作原理：如图2所示，为自藕变压器降压启动主电路，交流异步电动机连接在自藕变压器的中间抽头上。启动电机时，先合上接触器3KM和2KM，电机开始加速启动，延迟一定时间后先断开3KM，{zh1}合上1KM的同时断开2KM，电动机工作于全压状态，完成启动过程。 采用自藕变压器降压启动方式，往往选择三种降压百分比，分别为50%、65%和80%，对应的启动电流分别是直启电流的25%、43%和64%。 应用特点：这种启动方式由于增加了自藕变压器装置，虽容易实现多档电压启动，负载适应面优于星三角启动方式。但仍属于多级电压启动，切换电压时会产生一定的电流冲击。且设备体积大，成本较高（约每个千瓦40元左右），仍不易实现软停车。 1.3 磁控式软启动器 工作原理：如图3所示，SR为磁饱和电抗器，利用磁饱和原理，在高导磁的闭合回路中，通过直流励磁平滑改变电抗器的电抗值，使电抗器两端电压由大到小平滑改变，在启动过程中电动机两端的电压可平滑地从初始值上升到全压，使电动机转矩在启动中有一个匀速增加的过程，促使电动机启动特性曲线变软，避免斩波调压过程中所产生的波形畸变和高次谐波，从而完成电机平稳的启动过程。 磁控软启动是从电抗器软启动衍生出来的。通过控制直流励磁电流，改变铁心的饱和度，控制电抗值的变化来实现的，所以叫做磁控软启动。这是一种无接触的，非机械式的电机软启动器，几乎能够实现现代晶闸管固态软启动器的所有性能。
图3 磁控式软启动器 图4 开关变压器软启动器 有人说磁控软启动不产生高次谐波,这是不对的。只要饱和就引起非线性，就会产生高次谐波。只是磁饱和电抗器产生的高次谐波比工作于斩波状态的晶闸管要小一些。磁控软启动装置需要有相对功率较大的辅助电源，工作噪声较大，且成本较高，磁控软启动装置每个千瓦约120元左右。 工作原理：如图4所示，所谓开关变压器就是整流变压器。从原理上说，制作这种软启动器所选用的开关变压器既可以是三个单相变压器，也可以是一个三芯柱三相变压器，从节省材料和减少谐波的角度看，宜于采用后者。 从原理图上可以看出，开关变压器软启动器也是从电抗器软启动衍生出来的。另一方面，它与下面将要介绍的晶闸管固态软启动器比较，工作原理是xx一致的。变压器在此的角色只不过是完成隔离和降压（升流）作用。这种软启动的启动方式、停车方式、闭环控制算法以及对晶闸管的触发方式xx与普通的晶闸管固态软启动器相同。就本质而言，开关变压器软启动器就是晶闸管固态软启动器。如果说开关变压器软启动器与普通的晶闸管固态软启动器有所不同的地方，那就是高压开关变压器软启动器中的晶闸管可以不直接承受高压，从而巧妙地解决了晶闸管的耐压问题。 1.5 液阻软启动器 工作原理：如图5所示，从原理上说，液阻软启动器是电动机定子回路串联电阻启动方式的一种装置。液阻是由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。其阻值正比于两块电极板的距离，反比于电解液的电导率，通过伺服机构改变极板间的距离，从而改变串联在电动机定子绕组的电阻值实现对电机的启动控制。 液态变阻器热容量大，又可以无级控制，恰恰是软启动所需要的。由于电解液在启动的过程中呈现的阻抗是纯电阻性质，基本上无谐波干扰电网，功率因数优于其它启动方式，加上控制简单，成本很低，比较适应我国现时的国情，所以在我国的中压软启动器市场使用比较广泛。 但液阻软启动也有如下缺点： （1）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，重复启动性差； （2）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；
图5 液阻软启动器 图6 晶闸管固态软启动器 图9 三相内△结构 图10 两相控制结构 （3）液阻软启动装置液箱中的溶液，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，需要定期作表面处理（一般2～3次/年）； （4）液阻软启动装置不适合放置在易结冰或颠簸的环境中。 1.6 晶闸管固态软启动器 晶闸管固态软启动器的问世已有30多年了，在我国的广泛使用只是近十年的事。它的出现与当今电力电子技术的发展密切相关。特别是近几年来，采用高性能微处理器作为核心控制器件后，产品的性能得到了进一步提升，使之更具有了传统的各种启动方式无法比拟的优势，正在一步一步地取代传统的电机启动方式，使“软启动器”这一称呼成为晶闸管固态软启动装置的代名词。 由于微处理器的智能控制作用，使现代晶闸管固态软启动装置具有电压或电流斜坡启动、限流启动、全压启动、突跳启动、双斜坡启动、泵控制、预置低速运行（爬行），智能电动机制动、带制动的低速运行、软停车、准确停车、节能运行、相平衡控制和故障诊断等功能。xx软启动装置还安装了支持工业现场总线的通信功能，可以方便的集成到现有的控制系统中。 此外，晶闸管固态软启动装置还具有实时监控、多种安全保护以及自诊断功能，这就从根本上解决了传统的降压启动设备的诸多弊端。 工作原理：如图6所示，晶闸管固态软启动（或SCR软启动器）是采用三对反并联的晶闸管串接于交流电机的定子回路上。利用晶闸管的电子开关作用，通过微处理器控制其触发角的变化来改变晶闸管的开通程度，由此来改变电动机输入电压的大小，以达到控制电动机软启的目的。当启动完成后软启动器的输出达到额定电压，这时将通过旁路控制输出信号控制三相旁路接触器1KM吸合，将电动机投入电网运行。 几种不同的拓扑结构： （1）如图7所示，这种电路拓扑结构无偶次和三次谐波电流，需要宽脉冲或双窄脉冲触发。移向范围150°。 （2）如图8所示，这种电路拓扑结构无偶次和三次谐波电流，需要宽脉冲或双窄脉冲触发。移向范围120°。 （3）如图9所示，这种电路拓扑结构在同容量下，晶闸管承受电流小，承受电压高。存在三次谐波电流损耗，需要引出六个端子。 （4）如图10所示，这种电路拓扑结构使用元件少，但三相不对称，负载有奇次和偶次谐波电流，产生与基波转矩相反的转矩，使电机输出转矩减小，效率降低。同时，当直通的一相出现接地等故障时，设备无法保护分断。 图7 三相Y结构 图8 三相△结构
启停控制方式： （1）突跳启动方式（阶跃启动），如图11所示。 对于某些特定负载（如静阻力矩较大的负载），启动时施加一个短时的大启动力矩，以克服静摩擦力。这种启动方式比较适合启动静摩擦较大的负载，如球磨机、破碎机等。 （2）斜坡启动方式，如图12所示。 所谓斜坡启动，是指加在电机上的电压随设定的时间不断加速，当电压达到额定电压Ue时，电机达到额定转速，完成的启动过程。这种启动方式比较适合启动力矩与转速成正比的负载，如风机等。 （3）限流启动方式，如图13所示。 当电机启动时，通过检测启动电流大小，在闭环控制作用下，在输出电流不大于某一设定值的条件下，使电动机逐渐加速，当电动机接近额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流Ie，完成启动过程。限流启动方式基本上可以实现恒力矩启动电机，适应负载面宽。 （4）电流斜坡启动（转矩控制）方式，如图14所示。 用一个线性电流斜坡作为电流给定值，当电机启动时，控制被测电流跟随输入给定值斜坡。这种控制方式也可适应多种负载，如水泵、皮带运输机等。 （5）软停车方式，如图15所示。 在不希望电动机突然停车的场合，可以通过软停车方式来逐步降低电动机端电压，使电动机慢慢地停下来。这种方式尤其适合水泵负载，在水泵停机过程中，能实时检测电动机的负载电流，根据泵的负载和速度特性调节输出电压，以xx“水锤效应”对输水管道和阀门的破坏。 （6）动力制动，如图16所示。 在惯性力矩大的负载或需要快速停机的场合，可以向电动机输入直流电流，以实现快速制动。
图13 限流启动 图14 电流斜坡启动 图15 软停车 图16 动力制动
2 高压软启动器 所谓高压电机软启动装置，实际上是指用于启动电压等级为3kV-10kV范围内中压交流电动机的启动设备。从理论上，以上介绍的电机的各种启动方式，都适应于任何电压等级电动机的启动。但在实际的应用中，定子串电阻（液阻）方式和晶闸管串联成高压阀的结构的方式居多。究其原因：前者价格低廉，适合我国的国情。而后者启停控制性能优异，正在逐步替代其它方式成为主角。而自耦降压启动、磁控软启动装置以及开关变压器方式的软启装置在中压电机启动设备中也有不少应用，但由于体积和重量较大，消耗大量的金属材料，特别是近年来铜、硅钢片材料不断地上涨，成本有走高的趋势，一定程度限制了这些启动装置的发展。相比之下，晶闸管采购成本下降，加上晶闸管串联高压阀的触发和均压技术已对许多企业不再是技术壁垒，技术的改进和竞争的加剧，使得国产晶闸管（串联高压阀）软启动器已经日益成熟，替代传统启动产品和国外产品已势不可挡。 2.1 晶闸管高压软启动器的优点 （1）适用电压及功率范围广，可以与6kV~10kV/600kW~22MW的电机配套使用； （2）具备软启动和软停车功能，全面保证系统的安全启、停； （3）电机启动时，电流从零平滑上升到设定值，启动平稳； （4）机械方面：减少机械冲击、防止过压和水锤效应、延长传动机构的使用寿命； （5）电气方面：减少50%的启动冲击电流、延长电机使用寿命、减小了电网电压波动及对其它用电部门的影响； （6）能实现软停车，可xx骤然停机对某些设备的冲击与损坏； （7）保护功能周全，杜绝了人身安全事故的发生； （8）智能化程度高，设置操作简单； （9）体积小，节省基建投资； （10）降低了供电设备容量，节约项目的投资费用。 2.2 技术特点 （1）以晶闸管阀作为主电路部件，具有技术先进、工作可靠、结构模块化、便于维护等特征； （2）采用光纤传输技术隔离高、低压部分； （3）采用现代先进的数字信号处理和系统集成技术，性能{zy1}、可靠性及稳定性高； （4）采用一系列防干扰措施，具有很强的电磁兼容性； （5）操作简单、人机界面良好。 （1）高压产品的价格相对较高； （2）晶闸管相控会引起的高次谐波，对电网有干扰； （3）承受突发性过载的能力较弱。 3 软启动的发展方向 随着新型高性能微处理器推出，使得复杂的控制过程变得容易实现，晶闸管固态软启动器的性能将进一步提升，许多普通的高低压器件将增加网络通信功能成为控制系统中的一个结点，软启动器更是如此。在智能化、可靠性提高的同时，适应工业现场总线的通信能力将普及到中低档的产品中。 长期展望变频软启动将会成为软启动的主流。变频器本身就是一种理想软启动装置，而目前人们购置变频器一般都是着眼于调速，以实现对液体压力、空气流速和各种机械传动的自动化控制，由于变频器能够改变电动机的驱动频率，在电动机较低速度运行时，输入功率可大大降低，从而实现了各种形式的节能控制。在社会大力倡导节能减排的今天，加之国家的工业化进程加速，变频装置得以迅速推广。随着变频器价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，变频器的使用技能被更多的技术人员所掌握，仅仅为软启动而选用变频器将不再会被人们认为是一种xx。数年后变频器会大量替代现行的以降压方式来实现电机软启的各种装置已是不争的事实。 为更好地适应未来的发展，无锡卓泰自动化有限公司在两年前已启动了变频软启动器的研制工作，这种变频软启动器不同于现行的变频器原理和结构。它是一种全晶闸管结构，用谐振原理来实现的变频装置。这种装置具备成本低、可靠性高的特点。若该产品能够顺利推出，我们相信将会扭转国产软启动器与国外产品竞争中的被动局面。 4 国产西普达XPD固态软启动器的性能优势 西普达XPD系列数字式交流电动机软启动器是一款性能十分优异的新型电机启动设备。该产品能有效地限制异步电动机启动时的启动电流，可广泛应用于风机、水泵、输送类及压缩机等负载，是传统的星/三角转换、自耦降压、磁控降压等降压启动设备的理想换代产品。 它与国内的同类产品相比在以下诸多方面有着明显的优势： （1）提供多达110种不同的启动方式，可使电动机在不同的负载下实现{zj0}的启动效果。 （2）完善的电机保护功能，可实时监控工作电压、电流和温度，能准确的把握保护门槛，以{zd0}可能保证电机可靠的工作。 （3）可重新定义额定输出电流，以保证软启动器对电机的启动效果和保护功能的准确性。 （4）具有远程监控功能，支持国际标准的Modbus通信协议。 （5）具有输出短路保护功能，能够实现在短路出现的数十个微秒内，立即封堵晶闸管的触发脉冲，可有效地减少设备的意外损坏。 （6）运用真有效值测量技术，准确掌握启动过程中的非正弦电流的有效值，实现精准控制。 （7）闭环控制电压斜坡启动技术。引入PID控制技术，能有效地防止电机启动过程中出现的电流喘振现象。 （8）真正的断相不失控技术。采用三相全桥整流供电，任何一相失电都不会影响控制电路的正常工作和故障信号的输出，能有效地保证系统工作的安全性和可靠性。 （9）独有的防意外停车功能。运用独创的技术，保证在CPU异常复位的情况下，仍能保证电机的正常运行。 （10）具有智能旁路控制技术，根据电流反时限过载特性，合理地掌握旁路延时过程，以{zd0}的可能安全地保证电机的平稳启动。 （11）建立更合理的电机过载保护算法，结合我国异步电机的特点，实现更合理、更准确电机的过载保护措施。 （12）软件应用信号处理窗函数滤波技术，硬件采用抗电磁干扰技术设计，在强电磁干扰下仍能正常启动和运行。 （13）内置电子温度传感器，可靠性大大高于机械温度开关，又可根据温度大小控制冷却风机的启停，降低软启动器的故障率。 （14）人机交互界面友好，显示内容丰富，操作直观便捷，实时显示各种工作状态，能方便的查询各相工作电流、机器的温度和电源频率等。 5 结束语： 三相异步电动机的软启动方式很多。随着技术进步的加速，各种新的软启动控制方式也脱颖而出。比较各种软启动方式的优缺点，可从中选择出适合特定应用场合的{zj0}软启动方案。目前国内外对软启动器的研究方兴未艾，随着各国技术人员研究的深入，计算机技术和现代控制理论的发展，各种新型的电机软启动器和新的控制方式将不断涌现。特别是变频调速装置技术的成熟和成本的降低，替代降压方式软启动器日趋明显。但就目前行业状况而言，在很长的时期内，以晶闸管相控技术为代表的降压方式电机软启动装置仍以其优异的启停性能还将进一步普及使用。就目前来看，对于一些不需要调速的场合以及对大功率电机的启停控制，降压方式启动装置仍占有不可动摇的地位。 参考文献： [1] 厉无咎 张玉青 方国生，软起动器的原理、应用和选型手册，海洋出版社，2005 [2] 苏彦民 王栋等，电动机软起动器及应用讲义，内部培训教程 [3] 西普达XPD系列软起动器手册
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