1 引言
根據國標gb14048.6-1998(等同于iec947-4-2:1995)《低壓開關設備和控制設備接觸器和電動機起動器 第2部分:交流半導體電動機控制器和起動器》的規定，交流半導體電動機控制器(ac semiconductor motor controller)是為交流電動機提供起動功能和停止狀態的半導體開關電器。它有3種型式。型式1稱為半導體電動機控制器(semiconductor motor controller)，其起動功能可以包括制造廠規定的任何一種起動方法，其控制功能包括對電動機的操縱、可控加速、運行或可控減速，也可以提供全電壓運行。型式2稱為軟起動半導體電動機控制器(semiconductor soft-start motor controller)，其起動功能僅限于控制電壓和(或)電流上升，也可包括可控加速，附加的控制功能僅限于提供全電壓運行。也就是說型式2的控制器沒有電動機運行和停車時的控制功能。型式3為直接半導體電動機控制器(semiconductor direct on line motor controller)，其起動功能僅限于全電壓直接起動，電壓的上升不受控制，附加的控制功能僅限于提供全電壓運行，實際上它是一種半導體做的接觸器。在交流半導體電動機控制器上配備適當的過載保護裝置，就稱為半導體電動機起動器(又稱為固態軟起動器)。目前所有這些半導體電動機控制器都是基于可控硅做成的交流調壓電路。
2 電壓斜坡起動方式
對于固態軟起動器來說，實現對電動機的起動控制是其主要功能。固態電動機軟起動器既然是建立在晶閘管交流調壓電路基礎上，所以采用線性電壓斜坡來起動電動機自然是其最早的選擇。圖1示出了電壓斜坡起動方式。它有一個初始起動電壓uini，然后電壓按一定斜率上升到額定電壓urat，電壓上升的斜率由斜坡時間tramp調節。軟起動器的輸出電壓只是按照給定電壓的增加而增加，它并沒有電壓閉環控制，因此實際的輸出電壓還會隨電網電壓波動。
圖1 電壓斜坡起動方式
初始電壓uini應當由能讓電機開始轉動的轉矩所需電壓來確定。斜坡時間tramp則根據電動機和負載的轉動慣量以及所期望的加速時間來確定。
有些負載例如帶式運輸機等在靜止情況下會有比較大的阻力矩，必須要有很大的驅動力矩來克服它，使電動機加速。而當帶式運輸機開始轉動以后，靜摩擦力變為動摩擦力，所需要驅動力矩相應變小。為了適應這種情況，在線性電壓斜坡的開始階段，可以疊加一個突跳脈沖起動電壓ukic，其值為0.3～0.9額定電壓可調。它的持續時間tkic很短，通常為0.1～10s可調。
線性電壓斜坡起動的缺點在于電流是開環控制的(但具有過電流保護功能)，由于電流不僅僅由電壓確定，還取決于電動機當時的轉速和電路參數。因此，在電源電壓波動時，或者電動機起動受阻時，或者電路參數變化時，都會引起電流超過期望值，引起較大的電網壓降和其他問題。
為了克服電壓斜坡起動方式的缺點，第二代的固態軟起動器不采用電流開環的電壓斜坡控制，而是采用電流閉環控制的電流斜坡起動方式。
3 電流斜坡起動方式
第二代固態軟起動器采用電流斜坡起動方式具有如圖2的起動電流波形。iini為初始起動電流，它由能驅動電機從靜止狀態開始旋轉所需力矩決定。imax則是選定的最大起動電流。初始起動電流iini:50%～400% fla可調(fla是電動機全電流);最大起動電流imax:100%～600% fla可調;斜坡時間tramp:0～120 sec可調;脈沖突跳電流ikic:100%～600% fla可調;脈沖突跳時間tkic:0.1～10 sec可調。
圖2 電流斜坡起動方式
有些性能較好的固態軟起動器還具有二個起動電流斜坡可以選擇，每一個電流斜坡都如圖3所示均帶有脈沖突跳，其參數可以選擇。使用一個控制繼電器接點將控制電壓施加到相應的控制端上，固態軟起動器就可以按斜坡2來繼續起動電動機。
圖3 具有兩個電流斜坡的起動方式
例如在負載輕時按斜坡1起動，在負載較重時按斜坡2起動。也可以用一臺軟起動器起動二臺電動機，分別按斜坡1起動第一臺電動機，用斜坡2起動第二臺電動機。
4 帶轉矩閉環控制的軟起動器
當電動機起動到進入其正常工作區時其效率急劇增大，另一方面這時也不需要加速負載力矩，因此電動機電流自然會下降。但是對于采用電流閉環控制的系統來說，pi調節器會繼續強制輸出電流跟隨給定的電流值，結果調節器快速增大輸出電壓，以便增加電動機的電流。由于輸出電壓的快速增加和電動機效率的突然增大，使得輸出轉矩在電動機達到全速時也迅速增大，從而造成電動機輸出轉矩的過沖(電壓斜坡控制同樣也存在轉矩過沖)。這種轉矩過沖有時會引起傳動系統的振蕩等不良作用。
過去幾年有一些公司開發出幾種方法來減少這種轉矩浪涌。然而由于固態軟起動器要適合各種電動機(例如按nema標準，有a、b、c、d型電機)和各種負載(例如各種風機、水泵、壓縮機、機床、皮帶運輸機等等)，因此要采用一種簡單的方法實現平滑而又精確的轉矩控制是困難的。美國benshaw公司開發了一種控制電動機轉矩的程序，它被命名為tru torque。其基本原理簡述如下:
電動機的電磁轉矩 
式中:pem為電動機的電磁功率，ω0為旋轉磁場的角速度。
三相異步電動機的輸入功率p1=3u1i1cosφ1
電磁功率pem=ηp1，η為電動機的效率。
在上述方程式基礎上建立的控制方框圖如圖4所示。
圖4 電動機轉矩控制方框圖
tru torque轉矩控制軟件是根據通過電流互感器檢測的三相輸出電流和功率因數、根據可控硅(scr)的觸發角計算出的輸出電壓，以及計算的電機效率，可以計算出電機實際轉矩(實際功率)，作為反饋信號，與轉矩給定值比較后經pid調節器對輸出電壓進行控制。
圖 5 帶電流閉環控制的轉矩與速度變化曲線圖
圖6 帶轉矩閉環控制的轉矩與速度變化曲線
在圖5和圖6中分別示出了采用電流閉環控制和轉矩閉環控制時電機的轉矩和速度隨時間變化的波形(請注意圖中的轉矩方向是向下為增大，而轉速方向是向上為增大)。從中可以看出采用轉矩閉環控制的軟起動裝置，在電動機達到額定轉速附近時，沒有轉矩過沖的情況，而采用電流閉環控制則有一個轉矩尖峰。
5 結束語
綜上所述，固態軟起動器裝置在起動控制技術上經歷了三個階段:從電流開環的電壓斜坡控制階段，電流閉環的電流斜坡控制階段，到最新的轉矩閉環控制階段。
參考文獻
(略)
作者簡介
厲無咎 1962年畢業于北京清華大學電機系，曾任上海電器成套廠技術廠長、上海電器股份有限公司副總工程師、通用電氣(ge)上海傳動系統有限公司副總經理，現任上海杰詣通用電器有限公司總經理。獲科技成果獎多項，是最早享受國務院專家津貼的專家。著有論文四十余篇和“可控硅串級調速系統及其應用”、“風機水泵調速節能手冊”等專著，以及參與編寫“電力電子設備設計和應用手冊”。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
