摘要：介绍全数字交流电动机软启动器原理，典型应用及使用中的经验

　　关键词：软启动，异步交流电动机，负载,电动机软启动器， 软起动器， XPD

　　0、引言

　　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，多年前，针对电动机的启动和调速开发了电子软启动器和变频器，大大提高了其使用的安全性，减少了故障率，提高了效率。本文作者从实用的角度出发，侧重电动机的启动过程，较详细的论述了使用中的一些准则和经验。

    随着现代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。

　　1、选择直接启动与软启动的原则

　　交流异步电机的启动电流大，一般为电机额定电流的6～8倍，国产电机实际值甚至更大，过大的启动电流导致线路产生较大的压降，影响电网上其它设备的正常运行，国际要求是直接启动的启动电流在电网中引起的电压降不超过电网额定电压的10%（频繁启动）或15%（不频繁启动）就允许直接启动。因此，通常只要小容量的电动机采用直接启动。较大容量的电动机能否直接启动，与电网容量的大小和电动机的启动电流倍数有关，一般采用下面的经验公式来判断：

　　K_I --启动电流系数；
　　I_Q---电动机定子启动电流；
　　I_E---电动机定子额定电流；
　　P_E---电动机额定功率；
　　P_N---电源的总容量。

　　直接启动即全压启动。优点：启动方法简单；缺点：在中大容量电机的传动系统，直接启动时很大的突跳转矩冲击使轴承、齿轮磨损加重甚至损坏，减速箱故障率高，皮带磨损加重甚至经常拉断，同时过大的机械冲击大大降低机械设备的寿命，很大的冲击电流导致电机绕组绝缘老化，电器设备寿命下降，设备维护率高，从而严重影响生产。

降压启动：三角接法降压启动、自耦变压器降压启动、定子串电抗（电阻）降压启动及磁控降压启动等虽然能降低启动电流，但仍都存在很大的2次启动冲击电流（有时高达6Ie以上），不能解决直接启动的大电流问题。

　　实例：陕西某工厂车间共有8台22KW冷却塔风机，采用渐开线行星齿轮传动，由于风叶是玻璃钢材质，自身重量大，风机直接启动转矩很大，冲击力大，造成齿轮磨损加剧，传动部件如轴承、齿轮、花键等故障频繁，后改用软启动器，齿轮磨损显著降低。

　　优点：启动电流较小，电机保护功能齐全，控制方便，与DCS系统连接方便，启动性能较高；缺点：在有些重载场合启动力矩较小。

　　因此，综合考虑一般在工业生产中15kW～500kW上的电机，要求尽量采用软启动方式。

　　2、软启动器控制电机主回路设计

　　软启动器控制电机主回路如下图1所示，主要有R、S、T进线电源,U、V、W接电机
,旁路接触器（KM）。

　　一般在R、S、T前端接断路器选择原则为额定的1.5~2.0倍。而在断路器和R、S、T之间可选快速熔断器：主要是用来保护可控硅模块，在模块短路及过载的情况下能快速切断故障电流，依经验其容量按5~8倍软启动器额定电流选择。一般国外品牌的软启动器要求或建议使用快速熔断器，而部分国产软启动器不建议使用快速熔断器，具体设计时尽量按产品说明书要求。使用快速熔断器会使电气回路接线复杂化，同时很多单位使用软启动器的经验表明不用快速熔断器影响不大。

　软启动器按电机额定功率进行选择，一般不用进行功率放大，有些品牌在拖动大惯量负载或重载设备时要求放大一档选型，具体在选型时应向生产厂家或代理商咨询。

　　旁路接触器（KM），用以在软启动器启动结束后旁路可控硅通电回路使用。旁路接触器的通断一般由软启动器控制接口自动控制，旁路接触器通断时触点承受的电流冲击较小，所以旁路接触器电气寿命很长（基本为机械寿命），其容量按电机额定电流选择，无需考虑放大容量。大多数国外品牌软启动器推荐不用旁路接触器线路，但这会给控制柜散热带来问题，同时也造成了额外的能量消耗（约为1-2%）,因为软启动主电路元器件晶闸管本身存在约1V左右的导通压降。

　　有的公司生产了内置旁路接触器的软启动器，一般为小容量产品，如ABB的PSS03…25系列产品（3A~25A）,XPD系列A产品（功率范围为11KW~75KW）。该类产品特点是非常方便安装接线，并可在一个柜体内安装多个电机软启动回路，大大节省器件安装空间，节省设备占地面积。

　　热过载保护器或热继电器用于电机过载保护，目前大多数品牌软启动器均具有在线电机过载保护功能（即使旁路运行仍对电机进行保护，例如XPD系列），所以不用热继电器。但是也有些品牌（或某系列）无过载保护功能，必须用热继电器。另外对1台软启动器循环拖动多台电机的情况每台电机回路也应增加热继电器电器进行过载保护，热继电器的选用按常规选型。

　　在对谐波有特殊要求的场合，一般可在XPD软启动器进线侧主回路中串接专用交流电抗器或滤波器。

　　3、软启动器应用中常见若干问题探讨

　　(1)   一拖一控制方案与一拖多控制方案

　　一般情况下常采用一台软启动器拖动一台电机的方案（一拖一控制方案），尤其对负载等级要求较高的场合，如锅炉风机、消防水泵、连续性生产的设备等，这种方案的电气主回路及控制回路接线非常简单，同时大多品牌的软启动器具有过流、缺相、过载等多种保护功能，无须另配电机综合保护器，并可对电机实施在线运行保护，允许发挥软启动的软启、软停及综合保护功能。

对有些使用场合，如负载等级要求一般，负载允许短时间停机，一般性民用负载，非连续性生产的一般负载等，为节省设备投资可采用一台软启动器循环拖动多台电机负载的方案。理论上一台软启动器可以循环拖动任意台电机，实际生产中采用一台软启动器拖动两台、三台电机负载的情况为多。

上图3为一台软启动器拖动四台电机电气主回路图，可控制四台电机分时先后启动，在任一台电机启动完成后，软启动器处于待命状态，此时方可允许启动下一台电机，在这种方式下，软启动器的软停功能一般不能使用（有些软启动器采用PLC控制也可实现软停车），同时每台电机回路必须另设电机过载保护元件。相比一拖一的控制方案，其电气主回路和控制回路的电器分离元件较多，接线复杂，不能充分利用软启动器的综合保护功能。

　　　同时随着软启动器采购成本费用的降低，一拖多的方案总的成本费用并不比一拖一的成本费用少多少。

　　实例：某单位技改项目有八台负载电机用软启动器，原设计方案均为一拖二设计，以4台30KW电机软启动器控制为例，按原设计方案须用一拖二XPD软启动柜2台，后改为采用8台XPD A-30KW内置旁路接触器的一拖一方案,考虑设备成本费用，后一种案比前一种

方案综合成本增加不到陆千元，显然新方案比原方案更安装简单，维护方便，应用更合理些。

　　(2) 一用一备方案与一拖二方案的区别

　　一用一备控制方案应该是一台电机负载运行、一台电机负载备用，常常在二次控制线路上两台电机负载可互为备用，当运行的电机负载故障停机时，则备用电机负载自动投入运行。采用软启动器时应有两个独立的软启动控制回路，图4为典型的一用一备软启动控制主回路示意图。一般消防水泵应采用次方案。

一拖二方案可以细分两类：一种是分时循环拖动方案；一种是选择拖动方案。分时循环拖动方案即采用一台软启动器分时先后拖动两台电机负载，在任意台电机负载启动完成后，XPD软启动器处于待命状态，此时方可启动下一台电机，图5是该方案主回路示意图。该方案适用于负载等级要求一般，且两台电机负载可同时运行的情况。

选择拖动方案即采用一台软件动器选择拖动两台电机负载中任意一台电机负载工作的方案，启动电机前通过二次控制回路选择开关或自控PLC等选择所要启动的电机负载。该方案主回路示意如图5，由于XPD均具有电机过载保护功能，主回路中无需加过载保护器件。该方案适用于负载等级要求不重要的场合，且只允许一台电机负载运行，一台电机负载备用。

　　(3) 软启动器节能的分析

　　设备在欠负载情况下，电机铜损、铁损比例增加，功率因数下降，电机有效用电率降低，这时如果降低电机输入电压、减小电机主磁通，电机的铁心损耗及磁化电流将减小，从二电机的效率、功率因数将得到提高，这就是软启动器节能运行功能的基本原理。

　　具有节能功能的软启动器可对电机电流、功率因数进行监视，控制电动机的端电压变化，使其在负载或空载的情况下调整电动机上的电压，降低励磁电流，从而达到节能的目的。

　　显然这种情况下软启动器不能使用旁路接触器，前面已分析过，软启动自身损耗产生热量，控制柜要考虑散热问题，同时软启动的高次谐波将连续干扰线路。

　　有资料介绍软启动的节电效果要视负载运行情况：
　　低负荷率（<40%）,低功率因数（<0.4）时，有明显节能效果
　　中等负荷（50%~60%），中功率因数（0.5~0.6）时，节能效果较好
　　中等负荷 (50%~60%), 高功率因数（>0.8）时，节能有挑战性效果
　　高负荷率 （>70%），高功率因数（>0.8）时，几乎没有节能效果

　　一些软启动器和相控节电器厂家也宣传只要负载率在70%一下，就可以有较好的节电率，节电率可以达到20%~50%。但实际应用中确有很大差距，对软启动的节能效果争议较大，一般认为软启的节能效果在10%以内。

　　(4) 软启动器的谐波问题

　　软启动器采用晶闸管相控调压方式，不可避免地产生高次谐波，谐波的大小与负载的
阻抗、电机的转矩、负载的大小、触发角的大小都有关系。谐波不仅会引起转矩波动，而且会对电机的绝缘产生不利影响。

　　由于一般软启动器采用旁路接触器运行方式，相对变频器其谐波影响较小。从实际应用尚无对电机非常危害的报道。相反由于软启动器具有软启动、缺相保护、过载保护等电机综合保护的功能，电机损坏的几率大大降低。