三相交流异步电动机软启动装置的工作原理研究

王运英 鹤壁丰鹤发电股份有限公司

1. 电动机软启动技术与装置的研究现状

在20世纪，主要是国外的品牌占据中国的电动机软启动装置市场，如AB、ABB、施耐德、西门子等公司的品牌。但这些公司的产品大都是在线运行方式的晶闸管调压软启动装置。缺点是把晶闸管作为主开关，在线运行时会在电网中产生高次谐波，对电网造成较大危害；长期在线运行的晶闸管，消耗大量的能量，浪费大量的能源；晶闸管作为主开关长期工作，没有机械式开关的工作可靠性高；昂贵的产品价格，给用户造成经济负担。

到了21世纪初，国内厂家开发了旁路型软启动装置，即电动机启动完成后，把电动机旁路到接触器上运行。优点是克服了晶闸管在线运行的缺点，尤其不需要附加机械风冷降温。但是，它同时带来了另外一些问题：一是使得整个电路系统的复杂程度大大增加，可靠性降低；二是功能强大的智能控制器的作用没有得到充分发挥，有的失去对电动机的保护作用；三是成套装置的体积增加，成本升高；四是变得复杂的电路系统，使得维护与检修的难度增加。

2. 本文主要研究内容

本文主要在分析异步电动机的启动与制动原理的基础上研究软启动装置的基本原理。

2.1 交流异步电动机启动方式

作为工农业生产中应用最广泛的三相异步电动机，在以下情况下需进行软启动：一是电动机启动时，机械不能承受全压启动的冲击转矩；二是电动机启动时，其端电压不能满足规范要求；三是电动机启动时，影响其他负荷的正常运行。

中、大容量的异步电动机传统的启动方式是减压启动，方式有Y/△启动、自耦变压器启动、定子串电抗或串电阻启动等等。这些启动方式都属于有级减压启动，存在明显的缺陷，即启动过程中出现二次冲击电流。

目前最先进最流行的是电子软启动装置。软启动与传统减压启动方式相比，其优点是：

（1）无冲击电流，对机械负载的转矩冲击小。软启动装置在启动电机时，通过逐渐减小晶闸管导通角，使电机启动电流从零线性上升至设定值。

（2）软启动装置比传统的启动装置体积小，结构紧凑，安装使用简单，维护方便，安全可靠，使用寿命长。

（3）负载适应性强，调试方便。可根据负载变化，方便、自由地调整所有启动参数，从而使得各种负载达到最佳的启动效果。

2.2 电动机软启动装置工作原理

所谓电动机“软启动”，是将交流电动机接入由晶闸管组成的三相交流调压电路。在电动机的启动过程中，由控制电路调节晶闸管的触发角，使加在电动机定子绕组上的端电压由某一初值开始逐步爬升至全电压，电动机将在较小的启动电流条件下由零速平稳上升到额定转速。当需要电动机具有不同启动特性以适应不同的工况要求时，通过改变触发角的变化规律，可以改变电动机的启动模式，适应不同的工况要求。

2.2.1 电动机软启动装置组成和工作原理

电动机软启动装置基本由三相晶闸管交流调压电路、电源同步检测回路、触发角控制和调节回路、触发脉冲形成和隔离放大回路、反馈量检测回路组成。

交流调压调速是一种比较简单的调速方法，在异步电动机定子回路中串入电抗器或在定子侧加调压变压器，可以实现调压调速。晶闸管软启动器正是应用了交流调压调速的原理，它的主电路结构形式同晶闸管三相交流调压电路完全一致，它利用晶闸管的可控导通特性，通过控制晶闸管的导通角来改变实际施加在电动机定子绕组上的电压有效值，从而减小电动机启动电流。这就是晶闸管电动机软启动器之所以能够减小电动机启动电流，从而实现软启动的基本原理。

2.2.2 电动机软启动装置启动模式

为了适应各种运行工况和负载性质的要求，软启动装置具有不同的启动模式。

(1)电压斜坡启动

电压斜坡启动是最常用的启动模式，它的原理如图2-1所示。它是一种通过减少启动转矩的冲击，实现对电动机平滑、连续无级加速的启动模式，它可以减少对电动机所拖动的机械中的齿轮、联轴器、传送带等零部件的损坏。用户可先设定一个初始的启动转矩，从初始的启动转矩开始，在加速斜坡时间内，控制晶闸管的触发角由初始值逐渐下降到零，电动机的输出电压缓慢增加直至全电压。其中，加速斜坡的时间可调，如果在电压上升过程中，电动机已经达到全速，输出电压将自动切换自全电压。

图2 -1 斜坡启动原理图

(2)斜坡限流启动

斜坡限流启动原理如图2-2所示。当按照电压斜坡启动模式控制电动机启动时，如果启动时间和初始启动电压参数设置不合理，或者电动机负载的变化，可能会导致电动机转速上升缓慢而外加到电动机上的电压增加较快，这时采用限流启动模式。在这种模式下启动电动机，输出电压在设定时间内平稳上升，同时输出电流以一定的速率增加，当启动电流增至限定值时，保持电流恒定，直至启动完成。

图2 -2 斜坡限流启动原理图

(3)带突跳的电压斜坡启动

带突跳的电压斜坡启动原理如图2-3所示。当电动机在启动初始时刻，由于其静摩擦转矩很大（远大于动摩擦转矩），电动机需要较大的初始转矩，以克服静摩擦转矩及负载等阻力转矩，才能转动起来。当电动机转动后，静摩擦变为动摩擦，其阻力转矩反而减小了。

带突跳的电压斜坡启动模式就是在启动初始时刻，在电动机上施加一个较高的电压脉冲，使电动机输出足够的转矩能够转动起来，然后电动机端电压再从一个设定的基值电压开始逐渐上升，以减小电动机的启动电流。

图2 -3 带突跳的电压斜坡启动原理图

(4)带突跳的斜坡限流启动

带突跳的斜坡限流启动原理如图2-4所示。这种启动模式中有一电流限制环节，它是在带突跳的电压斜坡启动方式的基础上增加的。其作用是为了防止电动机在斜坡启动过程中，电流超过设定值。其原理与斜坡限流启动方式相同。

图2 -4 带突跳的斜坡限流启动