软起动器基本原理课件

1、软起动器的基本原理与应用软起动器的基本原理与应用 希望森兰科技股份有限公司希望森兰科技股份有限公司 软起动器的基本原理与应用软起动器的基本原理与应用 一一 慨述慨述 交流异步电动机应用非常广泛，有许多不调速的场合，交流异步电动机应用非常广泛，有许多不调速的场合，仅需要对电机进行起动，又与起动电流过大，会对电网和仅需要对电机进行起动，又与起动电流过大，会对电网和其他用电设备造成冲击，受电网容量的限制和保护其他用其他用电设备造成冲击，受电网容量的限制和保护其他用电设备正常工作，应对电机的起动过程加以控制。电设备正常工作，应对电机的起动过程加以控制。 传统的起动方式：传统的起动方式： 低压电机：串电

2、阻起动，自耦减压起动，星三角起动，低压电机：串电阻起动，自耦减压起动，星三角起动，绕线式电机转子串电阻起动等。绕线式电机转子串电阻起动等。 高压电机：串电抗器起动，绕线式电机转子串水阻起高压电机：串电抗器起动，绕线式电机转子串水阻起动器起动动器起动 ，频敏变阻起动等。，频敏变阻起动等。 电机的传统起动方式缺点是明显的，即起动电流和机电机的传统起动方式缺点是明显的，即起动电流和机械冲击较大，起动器体积过大。随着电力电子技术，微机械冲击较大，起动器体积过大。随着电力电子技术，微机技术和现代控制技术的发展，电机软起动技术出现。技术和现代控制技术的发展，电机软起动技术出现。 二二 软起动器基本原理软起

3、动器基本原理 由图由图1交流异步电动机交流异步电动机等值电路图，在忽略激磁等值电路图，在忽略激磁电流电流I0的条件下，有的条件下，有R1X110UIXm-E1ErRS22X2I1I 图图1 交流异步电动机等值电路图交流异步电动机等值电路图22122111)()(XXSRRUI（1） 由由(1)式可知，电动机直接起动时，式可知，电动机直接起动时，n=0，S=1，定子定子旋转磁场以同步转速切割转子线圈，在转子线圈中感应旋转磁场以同步转速切割转子线圈，在转子线圈中感应很大的电势，转子的等效阻抗很小，感应电流很大，则很大的电势，转子的等效阻抗很小，感应电流很大，则与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧

4、增加；随着与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧增加；随着转速的提高，转子等效阻抗逐渐增大，相应的定子电流转速的提高，转子等效阻抗逐渐增大，相应的定子电流也随之减小。也随之减小。 式中，如不考虑温度的影响，电机的定式中，如不考虑温度的影响，电机的定 转子电阻和转子电阻和定子电抗为常数，转子的电抗随转速改变，无法进行控定子电抗为常数，转子的电抗随转速改变，无法进行控制，但电子电流与端电压成正比，控制端电压可控制定制，但电子电流与端电压成正比，控制端电压可控制定子电流。子电流。 利用双向（两只单向反并联）晶闸管的相控交流调利用双向（两只单向反并联）晶闸管的相控交流调压原理，通过改变相控角来改变加在

5、电机定子上电压的压原理，通过改变相控角来改变加在电机定子上电压的均方根值。晶闸管过载能力强，价格便宜。均方根值。晶闸管过载能力强，价格便宜。 三三 软起动器电路拓扑结构方案软起动器电路拓扑结构方案 1 低压软起动器（低压软起动器（1100V以下）电路拓扑结构方案以下）电路拓扑结构方案 如图如图2有多种结构方案，有多种结构方案，(a) (b)方案谐波比较少，方案谐波比较少，(C)、(d)、(f)元件相对较少，电路不对称，谐波含量较元件相对较少，电路不对称，谐波含量较大，大，(e)这种方案在同等容量下，晶闸管承受的电流小，这种方案在同等容量下，晶闸管承受的电流小，承受的电压高，需引出六个端子。承受

6、的电压高，需引出六个端子。 另外，还由其他的电路拓扑结构方案，由于有这样另外，还由其他的电路拓扑结构方案，由于有这样或那样的缺点，最常用的是或那样的缺点，最常用的是(a) (b)方案。方案。 1234ABCD4321DCBATitleNum berR evisionSizeA4Date:17-Dec-2005Sheet of File:D:Design Explorer 99 SELibrarySchB AC KUP1.DDBDrawn B y:T1T2T3T4T5T6L1L2L3MT1T2T3T4T5T6L1L2L3MT1T2T3T4T5T6L1L2L3MT1T3T4T6L1L2L3ML1L

7、2L3MT1T4L1L2L3M 图图2 软起动器电路拓扑方案软起动器电路拓扑方案(a)(b)(C)(d)(e)(f) 2 高压软起动器电路拓扑方案（高压软起动器电路拓扑方案（6000v以上）以上） 这种结构由低压软起动演变而来，由于这种结构由低压软起动演变而来，由于SCR串联对器串联对器件的一致性和阀体均压性能要求较高，技术难度较大。件的一致性和阀体均压性能要求较高，技术难度较大。电压等级越高，技术难越大。电压等级越高，技术难越大。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:19-Dec-2005Sheet of File:D:Design Ex

8、plorer 99 SELibrarySchPREVIO4.DDBDrawn By:T1T2T3T4T5T6L1L2L3T1nT2nT3nT4nT5nT6nM图图3 SCR直接串联形式直接串联形式 利用高压变频器作为软起动器。利用高压变频器作为软起动器。 四四 软起动器的控制方式：软起动器的控制方式： 1 电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式是一种开环控制方式，是是一种开环控制方式，是软起动器最早起动方式。软起动器最早起动方式。它的电压按预先设定好的它的电压按预先设定好的曲线变化，其斜率由斜坡曲线变化，其斜率由斜坡上升的时间上升的时间t决定。

9、另外，决定。另外，当起动之初电压低于一定当起动之初电压低于一定值时（一般为值时（一般为120v左右）左右）1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:19-Dec-2005Sheet of File:D:Design Explorer 99 SELibrarySchPREVIO41.DDBDrawn By:UeUaUbUo0tttkIt图图4 电压斜坡电压斜坡/电压突跳方式曲线电压突跳方式曲线电机转矩小于负载转矩，电机不能运转，反而使电机发电机转矩小于负载转矩，电机不能运转，反而使电机发热，因此电压斜坡式起动控制方式的电压不是从热，因此电压斜坡式

10、起动控制方式的电压不是从0开始开始上升，而是有一初始电压上升，而是有一初始电压U0。这个电压通常要根据负载这个电压通常要根据负载特性设定成能使电机起动所需的最小电压。也可设置为特性设定成能使电机起动所需的最小电压。也可设置为按两段斜率起动。按两段斜率起动。 起动效果受到负载和电源变化的影响，因此无法准确起动效果受到负载和电源变化的影响，因此无法准确地获得希望的效果，往往需要反复调试才能达到比较满地获得希望的效果，往往需要反复调试才能达到比较满意的起动效果。意的起动效果。 2 电压突跳式起动控制方式电压突跳式起动控制方式 有些负载，在静止状态下有较大的静阻力矩，在电有些负载，在静止状态下有较大的

11、静阻力矩，在电机起动初始需要很大的转矩使电机起动，当电机一旦转机起动初始需要很大的转矩使电机起动，当电机一旦转动起来，阻力矩反而减小。对此，起动时加一短时的高动起来，阻力矩反而减小。对此，起动时加一短时的高电压电压Ub(其值和时间可以设置）以克服阻力矩，如图其值和时间可以设置）以克服阻力矩，如图4。 3 电流限幅起动控制方式电流限幅起动控制方式 电压斜坡起动控制方式是开环控制，因此斜坡上升率电压斜坡起动控制方式是开环控制，因此斜坡上升率不能随系统的变化自动调节，往往电流会超出所希望的不能随系统的变化自动调节，往往电流会超出所希望的值，由此发展了电流限幅控制方式。值，由此发展了电流限幅控制方式。

12、 电流限幅起动控制方式是一种闭环控制方式。起动过电流限幅起动控制方式是一种闭环控制方式。起动过程中，需要不断地采样和调整电机电流，使之具有图程中，需要不断地采样和调整电机电流，使之具有图5的电流曲线。这种控制方式特别适合恒转矩负载，限幅的电流曲线。这种控制方式特别适合恒转矩负载，限幅值值2.5IN5IN。在电网容量受限时时电机以最小的起动电在电网容量受限时时电机以最小的起动电流快速起动。流快速起动。图图5 电流限幅电流限幅/电流斜坡方式曲线图电流斜坡方式曲线图1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:20-Dec-2005Sheet of Fi

13、le:D:Design Explorer 99 SELibrarySchPREVIO41.DDBDrawn By:IeIaIbIo0tttkIt电流限幅电流限幅电流突跳电流突跳电流斜坡电流斜坡 4 电流斜坡起电流斜坡起动控制方式动控制方式 如图如图5所示，初所示，初始电流为使电机起始电流为使电机起动所需的最小电流动所需的最小电流这种控制方式使电这种控制方式使电机电流按照设定的机电流按照设定的曲线逐步上升，直达到设定的最大电流值，然后保持到曲线逐步上升，直达到设定的最大电流值，然后保持到起动完成。电流斜坡起动控制方式同样可设置为多段，起动完成。电流斜坡起动控制方式同样可设置为多段，也可加突跳电流

14、。也可加突跳电流。 这种控制方式是电流限幅起动方式控制方式的扩展，这种控制方式是电流限幅起动方式控制方式的扩展，特别适于具有平方转矩特性的风机特别适于具有平方转矩特性的风机 泵类负载，起动时所泵类负载，起动时所需要的转矩很小，随着转速的上升，所需转矩近似成平方需要的转矩很小，随着转速的上升，所需转矩近似成平方关系增加。因此，起动初始宜加小的起动电流，随着转速关系增加。因此，起动初始宜加小的起动电流，随着转速的上升，起动电流也随之上升，这样有利于负载的平稳起的上升，起动电流也随之上升，这样有利于负载的平稳起动，电机发热较少。动，电机发热较少。 5 转矩控制方式转矩控制方式 由于大型感应电机在起动

15、过程后期，功率因数变化很由于大型感应电机在起动过程后期，功率因数变化很快，转子转速常常超过同步转速，经过一个衰减震荡过程快，转子转速常常超过同步转速，经过一个衰减震荡过程才能达到稳态运行点，电机负载力矩越小和转动惯量越小才能达到稳态运行点，电机负载力矩越小和转动惯量越小就越容易发生震荡，这种现象叫就越容易发生震荡，这种现象叫“超标超标”。对于采用电流。对于采用电流闭环的软起动器，闭环的软起动器，PI调节器的输出跟随电流的下降，反而调节器的输出跟随电流的下降，反而会会输出更大，控制触发角迅速推至全压，使得电动机输出转输出更大，控制触发角迅速推至全压，使得电动机输出转矩过冲，造成系统震荡。于是有一

16、些新的控制方法来克服矩过冲，造成系统震荡。于是有一些新的控制方法来克服这个问题，目前有转矩控制方式和模糊控制方式。转矩控这个问题，目前有转矩控制方式和模糊控制方式。转矩控制方式原理如下：制方式原理如下： 电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩 （2） 式中：式中： 为电动机的电磁功率为电动机的电磁功率 为旋转磁场的角速度为旋转磁场的角速度 又又 （3） 因此，电磁转矩因此，电磁转矩 （4） 基于上述方程的控制方框图如图基于上述方程的控制方框图如图6所示。通过实时检所示。通过实时检测三相电流测三相电流 功率因数结合实际功率因数结合实际SCR触发角计算出电机的触发角计算出电机的ePTep111cos3I

17、UT111cos3IUpe实际转矩作为反馈再通过实际转矩作为反馈再通过PID调节器输出电压实现转矩调节器输出电压实现转矩的闭环控制，如图的闭环控制，如图6所示：所示： 转矩控制方式能很好地解决转矩过冲问题，但是同转矩控制方式能很好地解决转矩过冲问题，但是同时应当看到重构电机转矩有相当的难度，由式（时应当看到重构电机转矩有相当的难度，由式（1） （4）可见，电动机的转矩还同转速（转差率）有关，从）可见，电动机的转矩还同转速（转差率）有关，从T(t)到到U(t)的映射很不明显，因而对电压轨线不易做到准的映射很不明显，因而对电压轨线不易做到准确确1234ABCD4321DCBAMOTORLa,Lb,

18、LcSCRSPIDTorquePFIms实际转矩实际转矩三相电流三相电流功率因数功率因数图图6 转矩控制方式原理图转矩控制方式原理图 6 模糊控制方式模糊控制方式 电流限幅起动控制方式不能有效的克服负载电流限幅起动控制方式不能有效的克服负载 模型模型的大范围变化，特别是起动过程中电动机参数的变化和的大范围变化，特别是起动过程中电动机参数的变化和不确定性，传统的不确定性，传统的PID调节器，难以达到理想的控制效调节器，难以达到理想的控制效果，易产生震荡。而起动过程中电动机的电流与晶闸管果，易产生震荡。而起动过程中电动机的电流与晶闸管调压电路的控制很难得出精确的数学模型，同时，电动调压电路的控制很

19、难得出精确的数学模型，同时，电动机本身又是一个高阶机本身又是一个高阶 非线性非线性 强耦合的被控对象，因强耦合的被控对象，因此实现准确地转矩控制很困难。不依赖被控对象的精确此实现准确地转矩控制很困难。不依赖被控对象的精确数学模型用模糊控制进行控制，适合电动机软起动控制。数学模型用模糊控制进行控制，适合电动机软起动控制。 下式是一种带多个加权因子的软起动器模糊控制规则，下式是一种带多个加权因子的软起动器模糊控制规则，如（如（5）式：）式：的预测。的预测。9, 8, 7,)1 (6, 5, 4,)1 (3, 2, 1,)1 (0,)1 (33221100EEEEEEEEEEEEUccccc（5）这

20、里，需要选择合适的电流偏差范围，如将这里，需要选择合适的电流偏差范围，如将3A的的电流偏差电流偏差E经比例因子经比例因子K1变换到变换到-9,+9论域中，论域中，并选取并选取7个模糊子集，即个模糊子集，即负大，负中，负小零，负大，负中，负小零，正小，正中，正大正小，正中，正大，将，将8A的电流偏差变化率的电流偏差变化率Ec经量化因子经量化因子K2变换到变换到-4，4的论域中，并选取的论域中，并选取5个模糊子集，即个模糊子集，即负大，负小，零，正小，正大负大，负小，零，正小，正大。通过调整加权因子通过调整加权因子 的取值，可以改变偏差和偏的取值，可以改变偏差和偏差变化率对输出控制量的权重。要适应

21、系统状态的变差变化率对输出控制量的权重。要适应系统状态的变化，加权因子化，加权因子 应设置多个，根据系统状态不同应设置多个，根据系统状态不同的变化，选取不同的加权因子。的变化，选取不同的加权因子。 模糊控制相对与其他方式来说，能够实现系统模糊控制相对与其他方式来说，能够实现系统的平稳起动，控制较容易实现且负载适应能力强。的平稳起动，控制较容易实现且负载适应能力强。 7 分级变频起动控制方式分级变频起动控制方式 前述的起动控制方式都基于降压控制原理，前述的起动控制方式都基于降压控制原理，电动机电磁转矩与端电压的平方成正比，因此，电动机电磁转矩与端电压的平方成正比，因此，起动转矩相应减少，一般负载

22、起动转矩在额定起动转矩相应减少，一般负载起动转矩在额定转矩的转矩的60%时，可采用减压或软起动其起动。时，可采用减压或软起动其起动。另外，起动过程中，电动机的转差率另外，起动过程中，电动机的转差率S始终小于始终小于1，起动电流通常较大。起动电流通常较大。 分级变频起动方式在改变电压的同时也改变频分级变频起动方式在改变电压的同时也改变频率，实现了高转矩的率，实现了高转矩的V/F控制。分级变频起动方式控制。分级变频起动方式的主电路拓扑结构同一般软起动器相同。将交流电的主电路拓扑结构同一般软起动器相同。将交流电进行进行N分频，频率不连续，如分频，频率不连续，如50/N50/3 50/2 50。方法是

23、将方法是将N个周期的交流电合并，如图个周期的交流电合并，如图7中所示：中所示： 1234ABCD4321DCBAT(ms)U(c)10ms20ms30ms40ms50ms60ms70ms80ms90ms100ms图图7 分级分级变频方式变频方式25Hz和和10Hz时一时一相电压波相电压波形图形图阴影为晶闸管导通，红线为阴影为晶闸管导通，红线为25Hz，蓝线为蓝线为10Hz波形图。波形图。 起动过程中，控制晶闸管时电机定子端电压按起动过程中，控制晶闸管时电机定子端电压按预设的分频级数上升，如预设的分频级数上升，如50/13 50/7 50/4 50/2 50/2 50Hz。停车按相反的顺序进行。

24、停车按相反的顺序进行。 由于分级变频起动电压由于分级变频起动电压 电流电流 频率不连续，频率不连续，因而电动机的转矩是脉动的，起动过程中特别因而电动机的转矩是脉动的，起动过程中特别在低频时振动和发热比较严重。在低频时振动和发热比较严重。 8 转速闭环控制转速闭环控制 转速控制方式实际上是转速转速控制方式实际上是转速电流双闭环控电流双闭环控制，这种控制方式同转矩控制方式有类似之处，制，这种控制方式同转矩控制方式有类似之处，均须控制转矩。电动机的转矩还与转速有关，转速闭环后，均须控制转矩。电动机的转矩还与转速有关，转速闭环后，转矩控制方式控制电机的转矩，目的是为了获得稳定的转矩；转矩控制方式控制电

25、机的转矩，目的是为了获得稳定的转矩；而转速闭环控制方式控制电机的转速，目的是使负载按给而转速闭环控制方式控制电机的转速，目的是使负载按给定的转速曲线起停。定的转速曲线起停。 这种控制方式适合矿山皮带运输机，不可控的起动与这种控制方式适合矿山皮带运输机，不可控的起动与停止过程，将产生很大的加速度和冲击，造成物料滑落，停止过程，将产生很大的加速度和冲击，造成物料滑落，损坏设备和传送带。损坏设备和传送带。 9 软停车方式软停车方式 10 直流制动直流制动 T1 T2正半周导通，负半周截止。正半周导通，负半周截止。 11 节能运行节能运行 电动机调压节能，谐波增加使功率因数电动机调压节能，谐波增加使功率因数 输出转矩降低输出转矩降低 功耗：功耗：3W/A；允许起动次数：每小时不超过；允许起