1 引言
1977年美國航空航天局(nasa) frank nola 工程師獲得了一項節電器專利，初期稱為“功率因數控制器”，此后有許多公司和個人發展了十幾種節電器。我國也開發了節電器，1982年frank nole又作了二點改進，一是省掉取樣電阻而改為監視可控硅兩端電壓，二是采取了反饋控制技術。進一步減少空載時電動機電壓。空載節電率大大得到提高，正式定名為“節電器”（powersaver）。上世紀90年代開始，上海、西安、天津等地在吸收國外先進技術基礎上開發了新型軟啟動器。近年來部分合資公司，如上海山宇電子設備公司，及雷諾爾電氣公司，昆山雷特電機公司生產的自耦式啟動補償器均有較好的銷售業績。
2 降壓節能和軟啟動節電的穩態分析
節電器通過雙向晶閘管或反并聯晶閘管相位控制實現降壓，其主電路原理圖如圖1。
異步電動機降壓節能的控制對象是非線性。根據等值電路和相控調壓特性可以求出這一非線性特性。當電流斷續時，晶閘管導通時加在電機上的相電壓波形示于圖3。其中φ1是電壓波形過零點與電流波形過零點之間的相位角，通稱位移角，可以近似的當做功率因數看待。
由圖3可得，經相控調壓后，加在電機上的相電壓有效值u1為：
（1）
式中u2為電源相電壓有效值。經推導后可得：
（2）
已知電機參數，當α和轉差率s值一定時，可利用式（2）和等值電路計算出電壓u1、電磁轉矩te和各項損耗。圖4是利用數字仿真求得的位移角φ1、控制角α和負載轉矩tl的穩態關系φ1＝（α、tl），即控制對象的非線性特性。
圖1 主電路原理圖
圖2 系統結構圖
圖3 相電壓波形
圖4 位移角φ1、控制角α和負載轉矩tl的穩態關系曲線
2.1 幾點結論
由圖4可以得的結論：
（1）當tl一定時，隨著控制角α的增大，電壓u1降低，會使φ1減小，cosφ1升高，獲得節能效果,但各條特性都有一個φ1min極限值點，超過此點，φ1反而增大，因此降壓不能過分;
（2）當負載增大時，φ1min點左移，降壓節能范圍縮小,只有在tl<0.5tnom的輕載情況下，降壓節能效果才比較明顯；tl≥0.5tnom以后，φ1的變化小于5°，節能的意義就不大了;
（3）當α=φ1時，電機已承受全電壓，移相時無控制作用。
節電器實測數據見表1（30kw電機實測數據）,負載率在40%時僅節約無功功率0.29kva，負載再增加則無功功率基本不節約。有功功率在負載率40%時僅節約40w，負載再增加則不能節電。負載率在50%時則多耗電80w。
表1 有功功率p1對比數據（30kw）
2.2 幾點分析
從表1分析可見：
（1）節電器對某些特定的負載具有較好的節電效益，因此，它應在相應范圍內推廣使用，切莫不分對象應用；
（2）對于不變負載（不管是滿載還是負載率30~40%情況），連續長期運行，不宜采用節電器，而應該選用高效電動機；
（3）對于變負載情況，如果最低負載率≥30%以上，采用固態啟動器意義也不大；
（4）節電器最適宜于下列場合：
● 短期重復工作的機械；
● 長期空載（輕載≤30%）運行；短時重載；空載率較高，或則負載率較低；例如：起重機、皮帶輸送機、金屬材料壓延機、車床、沖床、刨床、剪床等。
2.3應用實例
（1）大慶油田抽油機，平均節電率達到24%；
（2）港口30kw輪胎起重機，年節電7100kwh；
（3）橡膠煉膠濟節電率14.5%，年節電4萬kwh；
（4）空氣壓縮機130kw，年節電3萬kwh。
3 作為啟動用的軟啟動器
3.1選擇降壓起動設備的基本條件
（1）母線壓降不超過允許值，變壓器容量允許；
（2）電機起動轉矩滿足要求；
（3）經濟對比回收期合理。
3.2電機能否直接起動的條件
（1）電動機起動時，變電所母線電壓降不超過允許值：電動機經常起動時母線允許最大電壓降為6~8%，電動機不經常起動時為10%左右；
（2）供電設備的短時過負載不超過最大允許值。對于供電變壓器，每天起動6次，連續時間不超過15s，變壓器的負荷率小于0.9時，最大起動電流為4倍。
表2為常用生產機械所需力矩。
表2 常用生產機械所需力矩表
表3為三種降壓起動性能的對比。
表3 三種降壓起動性能對比
4 智能化軟啟動器的技術特點與應用范圍
短期重復工作的機械：
長期空載(輕載<40%)運行；短時重載；空載率較高；或者負載持續率較低；
例如：起重機、皮帶輸送機、金屬材料壓延機、車床、沖床、刨床、剪床等。
頻繁起動的工作機械：
有些機械經常處于開停狀態，如果允許輕載啟動，則可以使用軟起動技術。由于全壓起動頻度（指一小時內電動機由靜止加速到全速的次數）愈大，電動機容量降低愈大。點動一次按1/4次起動；電制動一次按4/5次起動。這種場合應優先選用軟啟動器。
凡遇到如下（2）（3）（4）（5）四種工作狀態，則補償器無法完成設備工藝要求，則優先采用scr智能控制裝置。
4.1軟起動器特性
以下列舉一些軟起動器的特性：
（1）軟起動
這種起動方式是最普遍使用的。馬達上升至初始轉矩值。該值可在5%至90%的鎖定轉矩之間調節。馬達電壓在加速斜坡上升時間逐漸上升，加速斜坡上升可在2～30s之間調整。如圖5所示。
（2）帶可選擇突跳起動的軟起動
這種方式提供了突跳起動或升壓。它可提供500%滿載電流的電流脈沖；可調時間范圍為0.4～2s。使馬達因負載需要助推才能起動時額外加一個附加轉矩。如圖6所示。
（3）泵控制
該功能在離心泵的起動及停止期間通過以選定比例平滑地加速及減速馬達來減小在泵系統中出現的喘振。微計算機分析馬達變量并發出控制命令，以減小系統中出現喘振可能性的方式來控制馬達。起動時間可在2～30s之間調整。如圖7所示，停止時間可在2～120s之間調整。
（4）智能馬達制動
該功能在需馬達比自由停車還要更快速停車的場合中提供制動方式。它是以微計算機為基礎的制動系統，該系統給標準的鼠籠感應電動機提供三相制動電流。制動在設有附加的接觸器或電源設備的情況下完成，而且無需計時器、傳感器或測速計，便實行自動零速停車。制動電流的強弱可在滿載電流的150%至400%之間調整。補償器無法完成此功能。
（5）低速制動
該功能主要用于電動機需正向低速定位和需要制動控制停車的場合。慢速調制速度為額定速度的7%（低）或額定速度的15%（高）。低速加速電流（對2s）可在50%～400%之間調整。制動電流可在150%～400%之間調整。不能采用突跳啟動。低速電流限量可在滿載電流的50%～450%之間調整。
（6）泵專門起動控制—消除喘振現象的控制方法
如圖10所示，電動機的轉速-轉矩曲線已經修改成泵系統相關特性。這種特性提供盡可能接近恒定的加速轉矩。同時不需要轉速表、流量或壓力傳感器、或其它類型的外部反饋到控制器，而是利用基于微處理器的電動機反饋來完成的。由于沒有突然的轉矩變化、因此電動機平滑地加速，泵系統的喘振或沖擊達到最小。
4.2軟啟動器的應用情況
根據上海某公司提供的2006年銷售情況，2006年該公司銷售軟啟動器2000余臺。說明軟啟動器的市場前景看好。
（1）水泵負載：軟啟動器有消除喘振的功能（圖10），占銷售量70%以上，功率為30～160kw之間；
（2）啟動轉矩大，如圖6所示紙廠圓盤磨負載功率為250kw。已開始使用，將逐步取代補償器啟動，改善起動性能;
(3)功率在50～220kw，風機不需調速的場合,如地鐵，隧道工程也大量使用;
（4）中小型工業鍋爐引風機配套工程，功率22～30kw已大量配套。占銷售量20%左右;
(5) 用于啟動同步電機：作者于2000年為一套400kw同步機組設計一臺軟啟動器。啟動電流為額定值,解決了供電電網容量小的問題。
上海山宇電子公司價格表,如表4所示。
表4 上海山宇電子公司價格表
表5 自耦補償器價格表
表6 高壓液阻軟啟動柜價格
5 傳統的自耦補償器概況
自耦補償器上世紀50年代開始到90年代初期一直占據著啟動器主要市場。scr軟啟動器在上世紀80年代后期對它沖擊很大，90%以上幾乎都被占領，但到目前為止像昆山雷特電機有限公司每年仍有近1000臺銷量，主要原因在大功率價格上占優勢。因為有些設備如人造革機器及船舶啟動設備，啟動次數不頻繁，維修方便，也有它存在的空間。自耦補償器價格如表5所示。
6 高壓電機的啟動
電壓在3000~6000v的交流高壓大功率電機可選用上海雷諾爾公司提供的高壓液阻軟啟動柜，高壓液阻軟啟動柜價格，如表6所示。
7 結束語
從表4、5可見：
（1）從初投資對比，功率在200kw以下，自耦式補償器有優勢。功率從20kw開始采用scr智能啟動器較合適，投資相差不大，但可以節約大量硅鋼及銅材，并滿足一定工藝要求，還可防止二次沖擊；
（2）從功能技術特點：凡工藝上要有特殊需要的設備，如圖6～9所示傳統的補償器啟動無法滿足要求，必須采用智能scr智能軟啟動器；
（3）長期高速短時低速，且電機負載率在35%以下則采用智能啟動器有較好節能效果；
（4）水泵功率在55kw以上的供水系統因存在喘振現象，必須選用具有消喘功能的智能化啟動器。
參考文獻（略）
作者簡介
周德賢 男 高級工程師 國務院特殊津貼獲得者,長期從事直流調速系統的開發及其應用工作，獲部級重大成果獎七項，國家發明獎一項現任上海電機工程學會傳動委員會主任。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
