軟起動器基本原理

1、軟起動器的基本原理與應用軟起動器的基本原理與應用 希望森蘭科技股份有限公司希望森蘭科技股份有限公司 軟起動器的基本原理與應用軟起動器的基本原理與應用 一一 慨述慨述 交流異步電動機應用非常廣泛，有許多不調速的場合，交流異步電動機應用非常廣泛，有許多不調速的場合，僅需要對電機進行起動，由于起動電流過大，會對電網(wǎng)和僅需要對電機進行起動，由于起動電流過大，會對電網(wǎng)和其他用電設備造成沖擊，受電網(wǎng)容量的限制和保護其他用其他用電設備造成沖擊，受電網(wǎng)容量的限制和保護其他用電設備正常工作，應對電機的起動過程加以控制。電設備正常工作，應對電機的起動過程加以控制。 傳統(tǒng)的起動方式：傳統(tǒng)的起動方式： 低壓電機：串電

2、阻起動，自耦減壓起動，星三角起動，低壓電機：串電阻起動，自耦減壓起動，星三角起動，繞線式電機轉子串電阻起動等。繞線式電機轉子串電阻起動等。 高壓電機：串電抗器起動，繞線式電機轉子串水阻起高壓電機：串電抗器起動，繞線式電機轉子串水阻起動器起動動器起動 ，頻敏變阻起動等。，頻敏變阻起動等。 電機的傳統(tǒng)起動方式缺點是明顯的，即起動電流和機電機的傳統(tǒng)起動方式缺點是明顯的，即起動電流和機械沖擊較大，起動器體積過大。隨著電力電子技術，微機械沖擊較大，起動器體積過大。隨著電力電子技術，微機技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，電機軟起動技術出現(xiàn)且成熟。技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，電機軟起動技術出現(xiàn)且成熟。 二二 軟起動器

3、基本原理軟起動器基本原理 由圖由圖1交流異步電動機交流異步電動機等值電路圖，在忽略激磁等值電路圖，在忽略激磁電流電流i0的條件下，有的條件下，有r1x110uixm-e1errs22x2i1i 圖圖1 交流異步電動機等值電路圖交流異步電動機等值電路圖22122111)()(xxsrrui（1） 由由(1)式可知，電動機直接起動時，式可知，電動機直接起動時，n=0，s=1，定子，定子旋轉磁場以同步轉速切割轉子線圈，在轉子線圈中感應旋轉磁場以同步轉速切割轉子線圈，在轉子線圈中感應很大的電勢，轉子的等效阻抗很小，感應電流很大，則很大的電勢，轉子的等效阻抗很小，感應電流很大，則與之平衡的定子電流的負載

4、分量也隨之急劇增加；隨著與之平衡的定子電流的負載分量也隨之急劇增加；隨著轉速的提高，轉子等效阻抗逐漸增大，相應的定子電流轉速的提高，轉子等效阻抗逐漸增大，相應的定子電流也隨之減小。也隨之減小。 式中，如不考慮溫度的影響，電機的定式中，如不考慮溫度的影響，電機的定 轉子電阻和轉子電阻和定子電抗為常數(shù)，轉子的電抗隨轉速改變，無法進行控定子電抗為常數(shù)，轉子的電抗隨轉速改變，無法進行控制，但電子電流與端電壓成正比，控制端電壓可控制定制，但電子電流與端電壓成正比，控制端電壓可控制定子電流。子電流。1234abcd4321dcbatitlenumberrevisionsizea4date:1-apr-20

5、09 sheet of file:d:design explorer 99examples復件 plc恒壓供水1.ddbdrawn by:km8km9km10m3d4d5d6l1l2l3dz5rj（1）星）星-三角起動器三角起動器1234abcd4321dcbakm9km9km9km10sj1sj1km8zj12zj12zj12km8km9zj12km8km10zj13535455565758596061l1nsasbkm81234abcd4321dcbatitlenumberrevisionsizea4date:1-apr-2009 sheet of file:d:design explor

6、er 99examples復件 plc恒壓供水1.ddbdrawn by:dz5km8km9km10m3zoxd4d5d6l51l52l53l54l55l56l57l58l59l61l1l2l3自耦減壓起動其電路圖（2）自耦減壓起動）自耦減壓起動1234abcd4321dcbazj9km8km9km10sj1sj1km9zj12zj12zj12km8km9zj12km8km10zj13535455565758596061l1nsasbkm81234abcd4321dcbatitlenum berr evisionsizea4date:17-dec-2005sheet of file:d:des

7、ign explorer 99 selibraryschb ac kup1.ddbdrawn b y:t1t2t3t4t5t6l1l2l3mt1t2t3t4t5t6l1l2l3mt1t2t3t4t5t6l1l2l3mt1t3t4t6l1l2l3ml1l2l3mt1t4l1l2l3m 圖圖2 軟起動器電路拓撲方案軟起動器電路拓撲方案(a)(b)(c)(d)(e)(f) 利用雙向（兩只單向反并聯(lián)）晶閘管的相控交流調壓原理，通利用雙向（兩只單向反并聯(lián)）晶閘管的相控交流調壓原理，通過改變相控角來改變加在電機定子上電壓的均方根值。晶閘管過載過改變相控角來改變加在電機定子上電壓的均方根值。晶閘管過載能力強

8、，價格便宜。能力強，價格便宜。 三三 軟起動器電路拓撲結構方案軟起動器電路拓撲結構方案 1 低壓軟起動器（低壓軟起動器（1100v以下）電路拓撲結構方案以下）電路拓撲結構方案 如圖如圖2有多種結構方案，有多種結構方案，(a) (b)方案對稱性好諧波比較少。方案對稱性好諧波比較少。 （c）方案由晶閘管和二極管反并聯(lián)構成，軟啟動器起動時，二）方案由晶閘管和二極管反并聯(lián)構成，軟啟動器起動時，二極管導通角為極管導通角為180度，晶閘管導通角由小變大，逐漸增加，波形嚴度，晶閘管導通角由小變大，逐漸增加，波形嚴重不對稱，諧波較大，且電流中既有交流分量又有直流分量，疊加重不對稱，諧波較大，且電流中既有交流分

9、量又有直流分量，疊加后的數(shù)值很大，引起電動機和輸電線路發(fā)熱。后的數(shù)值很大，引起電動機和輸電線路發(fā)熱。 （d）、（）、（f）方案只有兩相（一相）有晶閘管，另一（二）相為）方案只有兩相（一相）有晶閘管，另一（二）相為直通，對稱性較差。直通，對稱性較差。 （c）、）、 （d）、（）、（f）使用元件相對較少。）使用元件相對較少。 （e）這種方案在同等容量下，晶閘管承受的電流小，承受的電）這種方案在同等容量下，晶閘管承受的電流小，承受的電壓高，需引出六個端子。壓高，需引出六個端子。 另外，還由其他的電路拓撲結構方案，由于有這樣或那樣的缺另外，還由其他的電路拓撲結構方案，由于有這樣或那樣的缺點，最常用的是

10、點，最常用的是(a) (b)方案。方案。 2 高壓軟起動器電路拓撲方案（高壓軟起動器電路拓撲方案（6000v以上）以上） 這種結構由低壓軟起動演變而來，由于這種結構由低壓軟起動演變而來，由于scr串聯(lián)對器串聯(lián)對器件的一致性和閥體均壓性能要求較高，技術難度較大。件的一致性和閥體均壓性能要求較高，技術難度較大。電壓等級越高，技術難越大。電壓等級越高，技術難越大。1234abcd4321dcbatitlenumberrevisionsizea4date:19-dec-2005sheet of file:d:design explorer 99 selibraryschprevio4.ddbdrawn

11、 by:t1t2t3t4t5t6l1l2l3t1nt2nt3nt4nt5nt6nm圖圖3 scr直接串聯(lián)形式直接串聯(lián)形式 利用高壓變頻器作為軟起動器。利用高壓變頻器作為軟起動器。 四四 軟起動器的控制方式：軟起動器的控制方式： 1 電壓斜坡式起動控制方式電壓斜坡式起動控制方式電壓斜坡式起動控制方式電壓斜坡式起動控制方式是一種開環(huán)控制方式，是是一種開環(huán)控制方式，是軟起動器最早起動方式。軟起動器最早起動方式。它的電壓按預先設定好的它的電壓按預先設定好的曲線變化，其斜率由斜坡曲線變化，其斜率由斜坡上升的時間上升的時間t決定。另外，決定。另外，當起動之初電壓低于一定當起動之初電壓低于一定值時（一般為值

12、時（一般為120v左右）左右）1234abcd4321dcbatitlenumberrevisionsizea4date:19-dec-2005sheet of file:d:design explorer 99 selibraryschprevio41.ddbdrawn by:ueuaubuo0tttkit圖圖4 電壓斜坡電壓斜坡/電壓突跳方式曲線電壓突跳方式曲線電機轉矩小于負載轉矩，電機不能運轉，反而使電機發(fā)電機轉矩小于負載轉矩，電機不能運轉，反而使電機發(fā)熱，因此電壓斜坡式起動控制方式的電壓不是從熱，因此電壓斜坡式起動控制方式的電壓不是從0開始開始上升，而是有一初始電壓上升，而是有一初始電

13、壓u0。這個電壓通常要根據(jù)負載。這個電壓通常要根據(jù)負載特性設定成能使電機起動所需的最小電壓。也可設置為特性設定成能使電機起動所需的最小電壓。也可設置為按兩段斜率起動。按兩段斜率起動。 起動效果受到負載和電源變化的影響，因此無法準確起動效果受到負載和電源變化的影響，因此無法準確地獲得希望的效果，往往需要反復調試才能達到比較滿地獲得希望的效果，往往需要反復調試才能達到比較滿意的起動效果。意的起動效果。 2 電壓突跳式起動控制方式電壓突跳式起動控制方式 有些負載，在靜止狀態(tài)下有較大的靜阻力矩，在電有些負載，在靜止狀態(tài)下有較大的靜阻力矩，在電機起動初始需要很大的轉矩使電機起動，當電機一旦轉機起動初始需

14、要很大的轉矩使電機起動，當電機一旦轉動起來，阻力矩反而減小。對此，起動時加一短時的高動起來，阻力矩反而減小。對此，起動時加一短時的高電壓電壓ub(其值和時間可以設置）以克服阻力矩，如圖其值和時間可以設置）以克服阻力矩，如圖4。 3 電流限幅起動控制方式電流限幅起動控制方式 電壓斜坡起動控制方式是開環(huán)控制，因此斜坡上升率電壓斜坡起動控制方式是開環(huán)控制，因此斜坡上升率不能隨系統(tǒng)的變化自動調節(jié)，往往電流會超出所希望的不能隨系統(tǒng)的變化自動調節(jié)，往往電流會超出所希望的值，由此發(fā)展了電流限幅控制方式。值，由此發(fā)展了電流限幅控制方式。 電流限幅起動控制方式是一種閉環(huán)控制方式。起動過電流限幅起動控制方式是一種

15、閉環(huán)控制方式。起動過程中，需要不斷地采樣和調整電機電流，使之具有圖程中，需要不斷地采樣和調整電機電流，使之具有圖5的電流曲線。這種控制方式特別適合恒轉矩負載，限幅的電流曲線。這種控制方式特別適合恒轉矩負載，限幅值值2.5in5in。在電網(wǎng)容量受限時時電機以最小的起動電。在電網(wǎng)容量受限時時電機以最小的起動電流快速起動。流快速起動。圖圖5 電流限幅電流限幅/電流斜坡方式曲線圖電流斜坡方式曲線圖1234abcd4321dcbatitlenumberrevisionsizea4date:20-dec-2005sheet of file:d:design explorer 99 selibrarysch

16、previo41.ddbdrawn by:ieiaibio0tttkit電流限幅電流限幅電流突跳電流突跳電流斜坡電流斜坡 4 電流斜坡起電流斜坡起動控制方式動控制方式 如圖如圖5所示，初所示，初始電流為使電機起始電流為使電機起動所需的最小電流動所需的最小電流這種控制方式使電這種控制方式使電機電流按照設定的機電流按照設定的曲線逐步上升，直達到設定的最大電流值，然后保持到起曲線逐步上升，直達到設定的最大電流值，然后保持到起動完成。電流斜坡起動控制方式同樣可設置為多段，也可動完成。電流斜坡起動控制方式同樣可設置為多段，也可加突跳電流。加突跳電流。 這種控制方式是電流限幅起動方式控制方式的擴展，這種控

17、制方式是電流限幅起動方式控制方式的擴展，特別適于具有平方轉矩特性的風機特別適于具有平方轉矩特性的風機 泵類負載，起動時所泵類負載，起動時所需要的轉矩很小，隨著轉速的上升，所需轉矩近似成平方需要的轉矩很小，隨著轉速的上升，所需轉矩近似成平方關系增加。因此，起動初始宜加小的起動電流，隨著轉速關系增加。因此，起動初始宜加小的起動電流，隨著轉速的上升，起動電流也隨之上升，這樣有利于負載的平穩(wěn)起的上升，起動電流也隨之上升，這樣有利于負載的平穩(wěn)起動，電機發(fā)熱較少。動，電機發(fā)熱較少。 5 轉矩控制方式轉矩控制方式 由于大型感應電機在起動過程后期，功率因數(shù)變化很由于大型感應電機在起動過程后期，功率因數(shù)變化很快

18、，轉子轉速常常超過同步轉速，經(jīng)過一個衰減震蕩過程快，轉子轉速常常超過同步轉速，經(jīng)過一個衰減震蕩過程才能達到穩(wěn)態(tài)運行點，電機負載力矩越小和轉動慣量越小才能達到穩(wěn)態(tài)運行點，電機負載力矩越小和轉動慣量越小就越容易發(fā)生震蕩，這種現(xiàn)象叫就越容易發(fā)生震蕩，這種現(xiàn)象叫“超標超標”。對于采用電流。對于采用電流閉環(huán)的軟起動器，閉環(huán)的軟起動器，pi調節(jié)器的輸出跟隨電流的下降，反而調節(jié)器的輸出跟隨電流的下降，反而會會輸出更大，控制觸發(fā)角迅速推至全壓，使得電動機輸出轉輸出更大，控制觸發(fā)角迅速推至全壓，使得電動機輸出轉矩過沖，造成系統(tǒng)震蕩。于是有一些新的控制方法來克服矩過沖，造成系統(tǒng)震蕩。于是有一些新的控制方法來克服這

19、個問題，目前有轉矩控制方式和模糊控制方式。轉矩控這個問題，目前有轉矩控制方式和模糊控制方式。轉矩控制方式原理如下：制方式原理如下： 電動機的電磁轉矩電動機的電磁轉矩 （2） 式中：式中： 為電動機的電磁功率為電動機的電磁功率 為旋轉磁場的角速度為旋轉磁場的角速度 又又 （3） 因此，電磁轉矩因此，電磁轉矩 （4） 基于上述方程的控制方框圖如圖基于上述方程的控制方框圖如圖6所示。通過實時檢所示。通過實時檢測三相電流測三相電流 功率因數(shù)結合實際功率因數(shù)結合實際scr觸發(fā)角計算出電機的觸發(fā)角計算出電機的eptep111cos3iut111cos3iupe22122111)()(xxsrrui實際轉矩

20、作為反饋再通過實際轉矩作為反饋再通過pid調節(jié)器輸出電壓實現(xiàn)轉矩調節(jié)器輸出電壓實現(xiàn)轉矩的閉環(huán)控制，如圖的閉環(huán)控制，如圖6所示：所示： 轉矩控制方式能很好地解決轉矩過沖問題，但是同轉矩控制方式能很好地解決轉矩過沖問題，但是同時應當看到重構電機轉矩有相當?shù)碾y度，由式（時應當看到重構電機轉矩有相當?shù)碾y度，由式（1） （4）可見，電動機的轉矩還同轉速（轉差率）有關，從）可見，電動機的轉矩還同轉速（轉差率）有關，從t(t)到到u(t)的映射很不明顯，因而對電壓軌線不易做到準的映射很不明顯，因而對電壓軌線不易做到準確確1234abcd4321dcbamotorla,lb,lcscrspidtorquepf

21、ims實際轉矩實際轉矩三相電流三相電流功率因數(shù)功率因數(shù)圖圖6 轉矩控制方式原理圖轉矩控制方式原理圖 6 模糊控制方式模糊控制方式 電流限幅起動控制方式不能有效的克服負載電流限幅起動控制方式不能有效的克服負載 模型模型的大范圍變化，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)的不確定性，傳統(tǒng)的pid調節(jié)器，難以達到理想的控制效調節(jié)器，難以達到理想的控制效果，易產(chǎn)生震蕩。而起動過程中電動機的電流與晶閘管果，易產(chǎn)生震蕩。而起動過程中電動機的電流與晶閘管調壓電路的控制很難得出精確的數(shù)學模型，同時，電動調壓電路的控制很難得出精確的數(shù)學模型，同時，電動機

22、本身又是一個高階機本身又是一個高階 非線性非線性 強耦合的被控對象，因強耦合的被控對象，因此實現(xiàn)準確地轉矩控制很困難。不依賴被控對象的精確此實現(xiàn)準確地轉矩控制很困難。不依賴被控對象的精確數(shù)學模型用模糊控制進行控制，適合電動機軟起動控制。數(shù)學模型用模糊控制進行控制，適合電動機軟起動控制。 下式是一種帶多個加權因子的軟起動器模糊控制規(guī)則，下式是一種帶多個加權因子的軟起動器模糊控制規(guī)則，如（如（5）式：）式：的預測。的預測。9, 8, 7,)1 (6, 5, 4,)1 (3, 2, 1,)1 (0,)1 (33221100eeeeeeeeeeeeuccccc（5）這里，需要選擇合適的電流偏差范圍，如

23、將這里，需要選擇合適的電流偏差范圍，如將3a的的電流偏差電流偏差e經(jīng)比例因子經(jīng)比例因子k1變換到變換到-9,+9論域中，論域中，并選取并選取7個模糊子集，即個模糊子集，即負大，負中，負小零，負大，負中，負小零，正小，正中，正大正小，正中，正大，將，將8a的電流偏差變化率的電流偏差變化率ec經(jīng)量化因子經(jīng)量化因子k2變換到變換到-4，4的論域中，并選取的論域中，并選取5個模糊子集，即個模糊子集，即負大，負小，零，正小，正大負大，負小，零，正小，正大。通過調整加權因子通過調整加權因子 的取值，可以改變偏差和偏的取值，可以改變偏差和偏差變化率對輸出控制量的權重。要適應系統(tǒng)狀態(tài)的變差變化率對輸出控制量的

24、權重。要適應系統(tǒng)狀態(tài)的變化，加權因子化，加權因子 應設置多個，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)不同應設置多個，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)不同的變化，選取不同的加權因子。的變化，選取不同的加權因子。 模糊控制相對與其他方式來說，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)模糊控制相對與其他方式來說，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)起動，控制較容易實現(xiàn)且負載適應能力強。的平穩(wěn)起動，控制較容易實現(xiàn)且負載適應能力強。 7 分級變頻起動控制方式分級變頻起動控制方式 前述的起動控制方式都基于降壓控制原理，前述的起動控制方式都基于降壓控制原理，電動機電磁轉矩與端電壓的平方成正比，因此，電動機電磁轉矩與端電壓的平方成正比，因此，起動轉矩相應減少，一般負載起動轉矩在額定起動轉矩相應減少，一

25、般負載起動轉矩在額定轉矩的轉矩的60%時，可采用減壓或軟起動其起動。時，可采用減壓或軟起動其起動。另外，起動過程中，電動機的轉差率另外，起動過程中，電動機的轉差率s始終小于始終小于1，起動電流通常較大。起動電流通常較大。 分級變頻起動方式在改變電壓的同時也改變頻分級變頻起動方式在改變電壓的同時也改變頻率，實現(xiàn)了高轉矩的率，實現(xiàn)了高轉矩的v/f控制。分級變頻起動方式控制。分級變頻起動方式的主電路拓撲結構同一般軟起動器相同。將交流電的主電路拓撲結構同一般軟起動器相同。將交流電進行進行n分頻，頻率不連續(xù)，如分頻，頻率不連續(xù)，如50/n50/3 50/2 50。方法是將。方法是將n個周期的交流電合并，

26、如圖個周期的交流電合并，如圖7中所示：中所示： 1234abcd4321dcbat(ms)u(c)10ms20ms30ms40ms50ms60ms70ms80ms90ms100ms圖圖7 分級分級變頻方式變頻方式25hz和和10hz時一時一相電壓波相電壓波形圖形圖陰影為晶閘管導通，紅線為陰影為晶閘管導通，紅線為25hz，藍線為，藍線為10hz波形圖。波形圖。 起動過程中，控制晶閘管時電機定子端電壓按起動過程中，控制晶閘管時電機定子端電壓按預設的分頻級數(shù)上升，如預設的分頻級數(shù)上升，如50/13 50/7 50/4 50/2 50/2 50hz。停車按相反的順序進行。停車按相反的順序進行。 由于分

27、級變頻起動電壓由于分級變頻起動電壓 電流電流 頻率不連續(xù)，因而電頻率不連續(xù)，因而電動機的轉矩是脈動的，起動過程中特別在低頻時振動和發(fā)動機的轉矩是脈動的，起動過程中特別在低頻時振動和發(fā)熱比較嚴重。熱比較嚴重。 8 轉速閉環(huán)控制轉速閉環(huán)控制 轉速控制方式實際上是轉速轉速控制方式實際上是轉速電流雙閉環(huán)控制，這種電流雙閉環(huán)控制，這種控制方式同轉矩控制方式有類似之處，均須控制轉矩。電控制方式同轉矩控制方式有類似之處，均須控制轉矩。電動機的轉矩還與轉速有關，轉速閉環(huán)后，動機的轉矩還與轉速有關，轉速閉環(huán)后，轉矩控制方式控制電機的轉矩，目的是為了獲得穩(wěn)定的轉矩；轉矩控制方式控制電機的轉矩，目的是為了獲得穩(wěn)定的轉矩；而轉速閉環(huán)控制方式控制電機的轉速，目的是使負載按給而轉速閉環(huán)控制方式控制電機的轉速，目的是使負載按給定的轉速曲線起停。定的轉速曲線起停。 這種控制方式適合礦山皮帶運輸機，不可控的起動與這種控制方式適合礦山皮帶運輸機，不可控的起動與停止過程，將產(chǎn)生很大的加速度和沖擊，造成物料滑落，停止過程，將產(chǎn)生很大的加速度和沖擊，造成物料滑落，損壞設備和傳送帶。損壞設備和傳送帶。 9 軟停車方式軟停車方式 10 直流制動直流制動 t1 t2正半周導通，負半周截止。正半周導通，負半周截止。 11 節(jié)能運