1 引言
交流感應電動機在各個行業(yè)中的應用非常廣泛，但由于它在起動過程中會產(chǎn)生過大的起動電流，會對電網(wǎng)和其他用電設備造成沖擊，受電網(wǎng)容量限制和保護其他用電設備正常工作的需要，應當在電機起動過程中采取必要的措施控制其起動過程。
傳統(tǒng)的降壓起動方式，如串電阻起動、星三角起動、磁控式降壓起動、自耦變壓器起動等，要么起動電流和機械沖擊過大，要么體積龐大笨重。隨著電力電子技術和微機技術、現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，電機軟起動器技術出現(xiàn)并引起了人們的廣泛重視。它不僅有效的解決了上述問題，還可以根據(jù)應用條件的不同設置其工作狀態(tài)，有很強的靈活性和適用性。
目前國內(nèi)外市場上出現(xiàn)了形形色色的軟起動器產(chǎn)品，它們的結(jié)構(gòu)形式和控制方式花樣繁多、特點各異。
2 軟起動器基本原理
根據(jù)感應電機的等效電路，在忽略激磁電流im的條件下，可以得出異步電機的定子電流公式:
(1)
根據(jù)(1)式可知，如不采取任何措施而直接投入電網(wǎng)起動時，會產(chǎn)生起動電流過大的問題。這是由于起動時，n=0，s=1，旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子繞組中感應很大的電勢和電流，同時轉(zhuǎn)子等效阻抗很小，則與之平衡的定子電流的負載分量也隨之急劇增大，隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子等效阻抗逐漸變大，相應的定子電流也隨之減小。
針對以上分析，注意到感應電機的轉(zhuǎn)子阻抗雖無法改變，但由(1)式可知定子電流與定子端電壓成正比，因此減小端電壓也可以相應的減小定子電流。
晶閘管軟起動器是應用晶閘管相控調(diào)壓的原理，利用晶閘管的可控導通特性，通過改變相控角a來改變加在定子上的電壓均方根值。
感應電機在不同電壓下的機械特性曲線如圖1中1、2、3、4和5曲線，圖1中p1為恒轉(zhuǎn)矩負載特性曲線，p2為平方轉(zhuǎn)矩負載特性曲線，虛線為電動機起動曲線?？梢钥闯?，宜選取e點所對應的電壓作為起始電壓，這樣，既保證了足夠的起始轉(zhuǎn)矩，而且由于起始電壓較小，有效的限制了起動電流。隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子等效阻抗不斷變大，端電壓可以由一個較低的初始電壓逐漸的提高，完全可以將定子電流控制在一個較小的范圍內(nèi)。
圖1 感應電機起動特性曲線
3 軟起動器的電路拓撲結(jié)構(gòu)
3.1 低壓軟起動器(1100v以下)電路拓撲結(jié)構(gòu)
圖2 三相y接無中線結(jié)構(gòu)
（1) 如圖2所示，這種電路拓撲結(jié)構(gòu)無偶次和三次諧波電流，需要寬脈沖或雙窄脈觸發(fā)。移相范圍150°。
圖3 三相δ接結(jié)構(gòu)
（2) 如圖3所示，這種電路拓撲結(jié)構(gòu)無偶次和三次諧波電流，需要寬脈沖或雙窄脈觸發(fā)。移相范圍120°。
圖4 三相內(nèi)δ接結(jié)構(gòu)
（3) 如圖4所示，這種電路拓撲結(jié)構(gòu)在同容量下，晶閘管承受電流小，承受電壓高。存在三次諧波電流損耗，需引出六個端子。
圖5 兩相控制結(jié)構(gòu)
（4) 如圖5所示，這種電路拓撲結(jié)構(gòu)使用元件少，但三相不對稱，負載有奇次和偶次諧波電流，產(chǎn)生與基波轉(zhuǎn)矩相反的轉(zhuǎn)矩，使電機輸出轉(zhuǎn)矩減小，效率降低。同時，當直通的一相出現(xiàn)接地等故障時，設備無法予以保護分斷。
由以上分析可知，圖2和圖3的電路由于使用方便，無三次諧波和偶次諧波，是普遍被采用的軟起動器電路拓撲結(jié)構(gòu);圖4電路存在3次諧波電流，但由于晶閘管承受電流小，成本較低，在部分軟起動器中被采用;圖5電路存在奇次和偶次諧波電流，但由于使用元件少，成本很低，電路也特別簡單，因此在一些小容量軟起動器中被采用。
另外，還存在其它幾種軟起動器電路拓撲結(jié)構(gòu)，如:三相y接有中線結(jié)構(gòu)、三相半控結(jié)構(gòu)、三相內(nèi)y接結(jié)構(gòu)。但y接有中線結(jié)構(gòu)輸出電流中有奇次諧波，能通過中線，造成零序電流，產(chǎn)生電網(wǎng)直流分量;三相半控結(jié)構(gòu)正負半周電壓電流不對稱，輸出電流中有奇次和偶次諧波電流，產(chǎn)生與基波轉(zhuǎn)矩相反的轉(zhuǎn)矩，使電機輸出轉(zhuǎn)矩減小，效率降低;三相內(nèi)y接結(jié)構(gòu)不但輸出電流中有奇次和偶次諧波電流，且電機中性點要拆開，只能接成y型連接。因此實際中以上幾種電路拓撲結(jié)構(gòu)很少采用。
3.2 高壓軟起動器(6000v及以上)電路拓撲結(jié)構(gòu)
在高壓軟起動器領域(6000v及以上)也存在不同的軟起動器拓撲結(jié)構(gòu)。
（1) 圖6所示，是直接scr串聯(lián)成高壓閥的結(jié)構(gòu)
圖6 scr直接串聯(lián)形式
這種電路拓撲結(jié)構(gòu)是由低壓軟起動器演變來的，起動性能可達到全面的軟起動性能。但由于存在scr串聯(lián)，則器件的一致性和閥體的均壓性能要求較高，因此技術難度較大，電壓等級越高，技術難度也越大。同時成本也較高。
（2) 如圖7所示，是限流變壓器結(jié)構(gòu)
圖7 限流變壓器形式
限流變壓器結(jié)構(gòu)同低壓軟起動器結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)區(qū)別，這種電路的特點是用限流變壓器來隔離高壓和低壓。巧妙的解決了晶閘管的耐壓問題，晶閘管通過變壓器串在電機的定子回路。通過控制晶閘管的導通角可以改變變壓器低壓繞組的電壓，從而改變變壓器高壓繞組電壓以達到連續(xù)調(diào)節(jié)電機定子端壓的目的。這種軟起動器起動性能可達到全面的軟起動性能。但缺點是體積大、重量大、消耗大量的金屬材料。隨著近幾年來硅鋼材料的不斷上漲，這種形式的軟起動器成本有走高的趨勢。
（3) 利用高壓變頻器作為軟起動器
用變頻器做軟起動器其性能大大超過普通的軟起動器，起動力矩大、起動電流小、起動非常平穩(wěn)，但高壓變頻器技術復雜、可靠性目前還較低，成本特別昂貴，輸出電壓中高次諧波也較大，目前較少采用。
4 軟起動器的控制方式
軟起動器通常具有以下幾種控制方式:
（1) 電壓斜坡起動控制方式
電壓斜坡起動方式是一種開環(huán)控制方式，是軟起動器最早的起動方式，圖8所示為電壓斜坡起動方式電壓曲線。它的電壓按一個預先設定好的曲線變化，其斜率由斜坡上升時間t決定，另外，當起動之初電壓低于一定值時(一般為120v左右)，電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電機并不能運轉(zhuǎn)，反而使電機發(fā)熱，因此，電壓斜坡方式電壓不是由0開始上升，而是有一個初始電壓u0，這個電壓通常要根據(jù)負載特性設定成能使電機運轉(zhuǎn)所需的最小電壓。電壓斜坡方式也可以設置成兩個起動斜率，使電機分段按不同的電壓上升斜率起動。
電壓斜坡起動方式作為一種開環(huán)控制方式，它的起動效果受到負載和電源變化的影響較大，因此無法準確的獲得所希望的效果，往往需要反復的調(diào)試才能達到比較滿意的起動效果。
（2) 電壓突跳起動控制方式
有一些負載，在靜止狀態(tài)下有比較大的靜阻力矩，在電機起動初始需要很大的轉(zhuǎn)矩使電機轉(zhuǎn)起來，當電機一旦轉(zhuǎn)起來，阻力矩反而減小了。針對這種負載，在電壓斜坡起動的初始階段，可以加上一個短時的高電壓uk(其值和時間可以設置)以克服初始阻力矩，這就是所謂的電壓突跳起動控制方式,如圖8所示。
圖8 電壓斜坡/電壓突跳方式v-t曲線圖
（3) 電流限幅起動控制方式
由于電壓斜坡控制是開環(huán)控制，因此斜坡上升率不能隨系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，往往會使電流超出所希望的值，因此發(fā)展了電流限幅控制方式。電流限幅起動控制方式作為一種閉環(huán)控制方式，起動過程中需要不斷的采樣和調(diào)整電機電流，使之具有如圖9所示的起動電流曲線，電機電流由0迅速升至用戶的設定值，然后保持這個電流直至起動結(jié)束。這種控制方式特別適用于恒轉(zhuǎn)矩負載，可以設置電流上限，在電網(wǎng)容量有限的場合使電機以最小的起動電流快速起動。
（4) 電流斜坡起動控制方式
圖9 電流限幅/電流斜坡方式i-t曲線圖
電流斜坡起動方式的電流波形如圖9所示。同樣，初始電流為能使電機運轉(zhuǎn)所需的最小電流。這種控制方式使電機電流按照設定的曲線逐步上升，直到達到設定的最大電流值，然后保持直到起動完成。電流斜坡的斜率同樣也可以設置成多段，也可以加突跳電流。
這種控制方式是電流斜坡控制方式的擴展，特別適用于風機、水泵類負載，眾所周知，風機、水泵類負載具有平方轉(zhuǎn)矩特性，起動初始所需轉(zhuǎn)矩很小，隨著轉(zhuǎn)速上升，所需轉(zhuǎn)矩近似成平方關系增加。因此，起動初始宜施加小的起動電流，隨著轉(zhuǎn)速的上升，起動電流也隨之上升，這樣有利于負載平穩(wěn)的起動，同時也使電機較少的發(fā)熱。
（5) 轉(zhuǎn)矩控制方式
由于大型感應電機在起動過程后期，功率因數(shù)變化很快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速常常超過同步轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一個衰減震蕩過程才能達到穩(wěn)態(tài)運行點，電機的負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量越小就越容易發(fā)生振蕩，這種現(xiàn)象稱為“超標”。對于采用電流閉環(huán)控制方式的軟起動器，pi調(diào)節(jié)器的輸出跟隨電流的下降，反而會輸出更大，控制觸發(fā)角迅速推進至全壓，使得電動機輸出轉(zhuǎn)矩過沖，造成系統(tǒng)振蕩。于是一些研究者開發(fā)出一些新的控制方法來克服這個問題，這就出現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩控制方式和后面將要敘述的模糊控制方式。
美國benshaw公司開發(fā)了一種控制電動機轉(zhuǎn)矩的程序，其基本原理如下:
電動機的電磁轉(zhuǎn)矩
(2)
式中:pe為電動機的電磁功率，ω0為旋轉(zhuǎn)磁場角速度。
又:
(3)
式中:η為電動機效率
因此，電磁轉(zhuǎn)矩
(4)
基于上述方程的控制方框圖如圖10所示。通過實時檢測三相電流、功率因數(shù)結(jié)合實際觸發(fā)角計算出電機實際轉(zhuǎn)矩作為反饋，再通過pid調(diào)節(jié)輸出電壓實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。
圖10 轉(zhuǎn)矩控制方式原理框圖
轉(zhuǎn)矩控制方式能很好的解決轉(zhuǎn)矩過沖問題。但同時應當看到重構(gòu)電機轉(zhuǎn)矩有相當?shù)碾y度，由式1、4可以看出，電動機轉(zhuǎn)矩還同轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)差率)有關，從t(t)到u(t)的映射很不明顯，因而對電壓軌線不易做出準確的預測。
（6) 模糊控制方式
如前面所述，電流限幅起動控制方式不能有效地克服負載、模型的大范圍變化，特別是起動過程中電動機參數(shù)的變化和不確定性，傳統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)難以達到理想的控制效果，易產(chǎn)生振蕩。而起動過程中電動機的電流與晶閘管調(diào)壓電路的控制電壓很難得出精確的數(shù)學模型，同時，電動機本身又是一個高階、非線性、強耦合的被控對象，因此實現(xiàn)準確的轉(zhuǎn)矩控制很困難?，F(xiàn)在，有一些研究者嘗試利用現(xiàn)代控制理論的方法用于電動機軟起動控制，模糊控制就是其中的一種。模糊控制作為智能控制的一種，不依賴于被控對象的精確數(shù)學模型，很適合于電動機軟起動控制。
這里是一種帶多個加權(quán)因子的軟起動器模糊控制規(guī)則，如式(5)所示。
(5)
這里，需要選擇合適的電流偏差范圍，如將3a的電流偏差e經(jīng)比例因子k1變換到[-9，9]的論域中，并選取7個模糊子集，即{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，將8a的電流偏差變化率ec經(jīng)量化因子k2變換到[-4，4]的論域中，并選取5個模糊子集，即{負大，負小，零，正小，正大}。通過調(diào)整加權(quán)因子α的取值，可以改變偏差和偏差變化率對輸出控制量的權(quán)重。要適應系統(tǒng)狀態(tài)的變化，加權(quán)因子α應設置多個，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，選取不同的加權(quán)因子。
模糊控制相對于其它方式來說，有能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)的起動、控制較易實現(xiàn)、負載適應能力強的優(yōu)點。
（7) 分級變頻起動控制方式
前述控制方式都基于降壓起動原理，電動機電磁轉(zhuǎn)矩同端電壓的平方成正比，因此，不可避免的其起動轉(zhuǎn)矩相應減小，一般負載起動轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩的60%以下方可采用降壓起動型的軟起動器。另外，起動過程中，轉(zhuǎn)差率s始終小于1，因此降壓起動的起動電流通常較大。
而分級變頻起動控制方式在改變電壓的同時也改變頻率，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩的恒v/f控制，提高了起動轉(zhuǎn)矩、可以使電動機以低于額定的電流起動。
分級變頻起動主電路拓撲結(jié)構(gòu)同一般軟起動器一樣，同時由于晶閘管是一種半控器件，因此，并不能如同變頻器一樣實現(xiàn)全面的變頻起動，它只能將交流電進行n分頻，頻率不連續(xù)，如50/n……50/3、50/2、50。方法是將n個周期的交流電合并，其正半周時只讓正向半波導通，負半周時只讓反向半波導通。如圖11所示為25hz和10hz時一相電壓控制導通波形，圖中陰影部分為實際晶閘管導通波形，虛線為分頻后等效電壓波形。
圖11 分級變頻方式25hz和10hz時一相電壓控制導通波形圖
起動過程中，控制晶閘管使定子端電壓按預設的分頻數(shù)分級上升，如:50/13→50/7→50/4→50/3→50/2→50hz。停車時可按相反的順序進行。
由于分級變頻起動電壓、電流、頻率不連續(xù)，且正負相位和幅值均不平衡，因而電機電流和轉(zhuǎn)矩都是脈動的，電動機在起動過程中特別是在低頻時電動機震蕩和發(fā)熱比較嚴重。
（8) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式
轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式實際是轉(zhuǎn)速—電流雙閉環(huán)的控制方式，這種控制方式同轉(zhuǎn)矩控制方式有類似之處，均需控制轉(zhuǎn)矩。從轉(zhuǎn)矩控制方式的討論中知道，電動機轉(zhuǎn)矩還同轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)差率)有關，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式中由于增加了轉(zhuǎn)速傳感器，那么電機轉(zhuǎn)矩的重構(gòu)就變的明晰了，容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。
但這兩種控制方式確有不同之處。轉(zhuǎn)矩控制方式的控制對象是電動機轉(zhuǎn)矩，目的是為了獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。而轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式控制的對象是電動機的轉(zhuǎn)速，目的是使得負載按照給定的轉(zhuǎn)速曲線起停，而不刻意追求較低的起動電流。
這種控制方式特別適合于礦用膠帶傳輸機，因膠帶機為柔性系統(tǒng)，具有明顯的動力學特性和動態(tài)響應過程，起動及停車過程將產(chǎn)生膠帶張力的變化，并沿著膠帶傳播，形成張力波，因此，不可控的起動和停車過程，將產(chǎn)生很大的加速度及沖擊，甚至造成礦料滑落、機械設備損壞和膠帶機壽命降低。而使用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式可提供可控的起動加速過程。通過光編碼器測速，電流互感器測電流，送入單片機，通過pid調(diào)節(jié)程序進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電流，速度雙閉環(huán)控制?？刂颇z帶機按照預制的“s”型曲線起動和按照反“s”型曲線停車。
如圖12所示，膠帶機起動過程實際上是一變加速過程，在膠帶機起動時刻和起動完成時刻膠帶機的加速度都為0，而中間段，膠帶機以預先設置的加速度不斷加速，加速度可控制在0.05m/s2以下，因此，可有效地抑制張力波及其有害傳遞。
圖12 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式v—t曲線圖
（9) 軟停車方式
軟停車功能適用于要求平滑停車的場合，如水泵，自由停車時會產(chǎn)生“水錘效應”。如圖13所示，電壓斜坡軟停車方式是電壓斜坡起動方式的反過程，當停車時，控制晶閘管觸發(fā)角使輸出電壓迅速下降到u0，然后按照設定的斜率下降到u1，再迅速下降到0。下降斜率由軟停初始電壓和軟停時間決定。電壓斜坡軟停車方式是比較常用的軟停車控制方式。
另外，轉(zhuǎn)矩控制方式、分級變頻控制方式、模糊控制方式、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方式都可以實現(xiàn)軟停車，原理與其起動控制原理類似，不再復述。
（10) 直流制動控制方式
適當?shù)目刂凭чl管的觸發(fā)順序，軟起動器可以實現(xiàn)電動機的直流制動。只要在電源a、c線電壓正半周時控制晶閘管t1、t2導通，負半周不觸發(fā)，則對于電動機來說，相當于給電動機兩相通以半波直流電流，實現(xiàn)電動機制動，制動功率的大小由制動電流和制動時間決定。
（11) 節(jié)能運行控制方式
電動機拖動系統(tǒng)往往負載裕量較大，而實際運行中電動機工作于負荷較小的狀態(tài)。由電機特性可知，電機滿載運行時效率最高，輕載運行時，效率、功率因數(shù)均降低。而通過適當?shù)慕档碗妱訖C定子端電壓則可以相應提高電動機運行效率和功率因數(shù)。
電動機功率方程為:
(6)
其中: p1為總輸入功率;
pcu1為定子銅耗;
pcu2為轉(zhuǎn)子銅耗;
pfe1為定子鐵耗;
pω為輸出機械功率;
pj為機械損耗;
pz為總雜散損耗。
又:
(7)
(8)
(9)
其中: i1為定子電流;
r1為定子相電阻;
i′2為轉(zhuǎn)子電流;
r′2為轉(zhuǎn)子相電流;
pfe1e為額定電壓下的定子鐵耗;
pe為電動機電磁功率。
由于輕載時，定子電流有功分量減少，而勵磁無功電流基本不變，因此，功率因數(shù)降低，同時，由(9)式可見，輕載時端電壓不變，定子鐵耗也基本不變，而空載損耗中定子鐵耗占主要成分，因此效率降低。
通過上述公式可知，由于電壓減小總是使勵磁電流減小，因此總會使功率因數(shù)提高;機械和雜散損耗基本不變，因此這2種損耗近似可以認為和輸入電壓的變化無關;電壓降低，定子鐵耗隨之成平方關系降低;轉(zhuǎn)子銅耗隨電壓成反比變化;定子銅耗取決于定子電流，定子電流由轉(zhuǎn)子電流和勵磁電流合成。
由此可知，降低定子電壓總會使功率因數(shù)提高，而是否提高效率取決于轉(zhuǎn)子電流和定子勵磁電流。適當控制定子電壓使可以轉(zhuǎn)子電流增大引起的轉(zhuǎn)子銅耗增量小于定子勵磁電流減小引起的定子鐵耗減量就可以提高電動機運行效率。這就是軟起動器節(jié)能運行方式的原理。
通過以上分析可以看出軟起動器節(jié)能運行方式也是有其適用條件的。節(jié)能運行方式對于一些位勢性負載比較適用，由于負載下降段pe減小，s增大，則pcu2和pcu1相應減小,同時電壓降低使得pfe1減小，因此節(jié)能效果很明顯。對于恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)壓范圍很窄，同時產(chǎn)生的諧波也將使功率因數(shù)、輸出轉(zhuǎn)矩降低，電動機轉(zhuǎn)子發(fā)熱，軟起動器自身發(fā)熱也將消耗一定能量，因此可節(jié)省的功率很有限。一般說，在低負載率運行的條件下(小于30%)時，恒轉(zhuǎn)矩負載才可采用輕載節(jié)能運行。
5 結(jié)束語
國外對軟起動器的研究起步較早。我國對軟起動器的研究始于90年代，1992年西安西普電力電子有限公司首先開發(fā)出國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟起動器，隨后形成了軟起動器的研究熱潮。目前國內(nèi)外對軟起動器的研究方興未艾，隨著各國技術人員研究的深入，計算機技術和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，各種新興的軟起動器電路拓撲結(jié)構(gòu)形式和控制方式必將不斷涌現(xiàn)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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