三相异步电动机的软启动

三相异步电动机的软启动西诺克软启动器起动系统摘要：三相异步电动机在起动时有较大的起动电流，通常是额定电流的5-7倍。如此大的起动电流对电网和设备的运行都将带来诸多不良的影响。为了解决这一问题，通常采用降压起动，西诺克软启动器是一种新型的数字控制的起动设备，它将处理器和晶闸管技术综合应用于三相异步电动机的起动和停止中，能够很好的控制输出电压的上升。【关键词】：电动机；降压起动；软启动器Abstract:Thereislargerstartingcurrentforthree-phaseasynchronousmotot,normallythecurrentis5-7timesofratedcurrent.Suchlargestartingcurrentwillbringalotofbadimpactonpowernetworkandoperationofequitment.Inordertosolvethisproblem,reduced-voltagestartingisusuallyadopted.Nowthereisanewtypeofdigitalcontrolledstartingequipment,whichtakesprocessorandthyristortechnologytobesyntheticallyappliedforstartandstopofthree-phaseasynchronousmotot,beingabletocontrolvoltageriseverywell.【Keywords】:motor;reduced-voltagestarting;softstarter前言三相异步电动机以其优良的性能及无需维护的特点，在各行各业中得到广泛的应用。然而由于其起动时要产生较大冲击电流(一般为Ie的5-7倍)，同时由于起动转矩较大，使负载设备的使用寿命降低。国家有关部门对电机起动早有明确规定，即电机起动时的电网电压将不能超过15%。解决办法有两个:①增大配电容量；②采用限制电机起动电流的起动设备。如果仅仅为起动电机而增大配电容，从经济角度上来说，显然不可取。为此，人们往往需要配备限制电机起动电流的起动设备，过去人们多采用Y/△转换，自耦降压等方式来实现。这些方法虽然可以起到一定的限流作用，但没有从根本上解决问题。随着电力电子技术的快速发展，数字控制等软启动器得到广泛应用。数字控制软启动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。目录前言第1章软启动器的设计思想1.1三相异步电动机各种起动方式比较1.1.1异步电动机全压起动1.1.2异步电动机降压起动1.2异步电动机各种起动方式对比表1.3软起动的特点1.4软起动的各种控制方式1.4.1通过限流的软起动1.4.2磁通转矩控制的软起动1.5软启动的节能运行1.5.1软起动产品的节能运行1.5.2软起动节能运行节能效果第2章软起动电路设计方案及工作原理（西诺克SS2系列）2.1单电机电路设计方案2.1.1一次电路图2.1.2二次回路图2.1.3一次电路与二次回路的符号含义：2.1.4工作原理与工作过程2.2多电机电路设计方案2.2.1一次电路图2.2.2二次回路图2.2.3一次电路与二次回路的符号含义2.2.4工作原理与工作过程第3章软启动装置的运行环境要求第4章软起动装置的应用范围第5章软启动的特性及优势体会及收获致谢参考文献附录第1章软启动器的设计思想

1.1三相异步电动机各种起动方式比较1.1.1异步电动机全压起动将电动机的定子直接入电网，电机定子可获得电网的全电压，称之电动机的全压起动，全压起动的特点：1高起动电流；2高起动转矩；3最短起动时间；4只能直接起停电动机；5起动装置价格便宜。1.1.2异步电动机降压起动常用三相异步电机降压起动方式有星-三角降压起动，自耦变压器降压起动，软起动器起动。1.异步电动机星—三角降压起动此时交流电动机的定子相绕组是分别被引出到电机接线板上（共六个接线端子），电机的工作状态取决于定子相绕组的接法，即是说相绕组的工作电压是线电压还是相电压，即所谓的三角或星接法。利用电机当工作在相电压下，其转矩降低同时，电机电流下降较多的特点，将电机定子通过星—角转换面先接成星形，然后再接到电源的起动方式，称之电机星—角起动，其特点是：1低起动电流（不能调节）；2低起动转矩；3长起动时间；4只能直接停止电机运行；5星—角切换产生电流和转矩的尖脉冲冲击。2.异步电动机自耦变压器降压起动将电动机的定子通过可有级调整电压的自耦变压器接至电网的降压起动方式称之为电动机自耦减压起动。自耦减压起动的特点是：1需加一台有抽头可调起动电压和电流的自耦变压器；2起动时间长；3在电压转换瞬间有尖峰电流和尖峰转矩；4只能直接停止电机运行。3.三相异步电动机软起动对电动机定子施以标准电压（电流）—时间特性，由某一基值电压上升至额定电压，同时电动机在控制（或限制）其力矩及冲击条件下，由另速静止平滑加速至额定转速或从额定转速缓慢停止的过程。而通常将实现上述功能的电力电子装置称之为软启动器，而将软启动器及其为运行而配置的其他多个低压电器、测量、传感、调节或多台电机控制、起动的协调（如PLC）部分等装于一个有防护的外壳中，则称之为电动机软起动装置。电动机软起动有如下特点：1可调起动电流；2可调起动转矩；3可适当调节起动时间；4可实现软停车；5对机械设备和管道的磨损最小；6可实现一台软起动设备逐步（同时）起动若干台电动机。1.3软起动的特点软起动可减小电动机硬起动（即直接起动）引起的电网电压降，使之不影响共网其它电气设备的正常运行，可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命，可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所传动机械（轴、啮合齿轮等）的磨损，减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使电动机可以起停自如，减少空转，提高作业率，因而有节能作用。1.4软起动的各种控制方式交流电动机软起动的主要控制方式有两大类：通过限制起动电流；通过转矩控制。其目的都是在满足负载转矩需求的前提下，提供足够的加速转矩，实现带有负载的电动机平滑加速到额定值。1.4.1通过限流的软起动通过电机端电压的控制（即电压按一定斜坡逐步增长），电动机的起动电流被限制（远比全压起动小），同时电机的转速平缓增长，做到电机软起动。由于负载存在有静摩擦转矩，为此在电压给定初期，需要一突加电压（约25%～75%可调），我们称之为起始电压；此后电机依一斜率增加，我们称之为斜坡电压。通过施加起始电压（小于额定电压）和斜坡电压，实现了限制起动电流，其结果是电压呈跳跃式变化。（1）电压斜坡电压斜坡控制由二个物理量组成：起始电压，斜坡时间。起始电压呈跳跃式变化，此后电压沿一给定斜率，经过给定的斜坡时间tR，到达额定电压UN。与此对应的电流IS也被限制在最大起动电流IA范围内，这是由于电流I是电压的积分，然后在斜坡电压作用下按负载转矩需求逐步增加，直至起动完毕。电流降至负载电流IL0。图1电压斜坡电压斜坡是实现限制起动电流，并提供克服静摩擦转矩的起始起动转矩，做到电机平滑起动的主要基本技术措施。并且随着静转矩大小，可随意调节起始电压，根据负载惯性矩的大小，还可随意调节斜坡时间。（2）电流限制的各种方案

限制软起动起动电流有如下二种控制方案，它们相对于不同负载情况，各有优点。下面分别予以说明。

只有电压限制：（见图2）通过电压限制去限制起始电流，效果是明显的。当电压被限制在UB时，电流将被限制在IB，在限制时间t内，电流IB也维持一定时间，直至将电动机起动至额定转速后，电流开始下降至负载电流IL需要值。由于电流限制通过电压限制实现，电流随时间变化的波形比较圆滑，也即电流充满系数低。这样从电磁、转矩能量关系看，显然起动时间相比较与直接利用电流限制要长些。只有电流限制：（见图3）本方式是直接限制电流，达到限制起动转矩、平滑起动电机目的。由于是直接限制电流，与通过限制电压达到限制电流相比，电流充满系数要好些，故相对来说，起动时间就短些。图3电流限制（3）电压斜坡和电压限制（见图4）图4电压斜坡和电压限制由电压斜坡和电压限制的电压和电流波形看出，其控制方式是：先施加一起始电压US，然后转换成斜坡电压U。经过斜坡时间tR时间，电压达到UB后，限制在UB，并经tB时间，在转换到额定电压UN。同样电流由O

ISIBIL至负载平衡，电机起动完毕。本控制方式虽然较前叙复杂些，但电流量没有像。只有电流限制，那样电流有一突变，其电流波形较圆滑，这同样是由于是用施加电压量去控制电流，而不是直接控制电流的缘故。（4）电流限制和电压斜坡（见图5）图5电流限制和电压斜坡电流限制和电压斜坡控制与上面一种电压限制、电压斜坡的区别是电流限制是直接通过控制电流实现。因此其电流充满系数要比电压限制充满，相比较起动时间要短些，但同时存在直接控制电流较直接控制电压难些。（5）电压限制和突跳起动（见图6）图6电压限制和起动突跳本控制方式是对那些具有较大静阻力矩的机械设备配置的一种控制方式。在起动开始，给电机突加一UT，并转入成对电机施加一较高起动电流IT，用其克服较大静摩擦转矩，使负载机械开始盘车。经过短暂地时间tL后，电压波形下降到UB（电压限制值），并维持tB时间，转换成额定电压UN，其相应电流波形由IT--IB--IL，完成电机起动过程。（6）电流限制和突跳起动（见图7）图7电流限制和突跳起动本控制方案与电压限制、突跳起动的不同点是：将电流限制直接通过电流控制实现，其他控制过程都一致。其效果也是电流控制波形充满系数好，相对起动时间短。（7）电压限制和电压斜坡加突跳起动（见图8）图8电压限制和电压斜坡突跳起动本控制方式是一较复杂的控制方式。即在电压限制、电压斜坡基础上添加突跳起动，也是为那些大摩擦转矩负载而设置。从电流波形看，要比电压限制加突跳起动的波形好，加入电压斜坡，使电压量在起动过程中有一缓慢变化段，不至使电机受到一电流突然变化的小冲击，起动平稳。（8）电流限制和电压斜坡加突跳起动（见图9）图9电流限制和电压斜坡加突跳起动本方案与电压限制不同（图8），是通过直接控制电流实现限制电流，其他类同。再与无电压斜坡的电流限制加突跳起动相比（图7），使电机起动过程中有一缓慢的变化段，不致使电机受到突然变化电流的冲击，起动平稳。1.4.2磁通转矩控制的软起动现代软起动技术正是将原变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入，并创立了转矩控制。由于软起动研究的是电动机的起动过程，所以要对电机转矩控制，此时标注转矩斜坡控制，则更确切。通过对比研究，得出以转矩为控制量完成电动机软起动的过程控制是一种最佳选择的结论。由于我们讨论的是电动机起动过程，在这一过程中负载需要的转矩（恒转矩除外）也随起动过程逐步增加，故称变转矩，再者更希望此变化的转矩随负载与转速跟踪变化，也称转矩斜坡。此时起动的每一瞬间电机提供给负载的加速转矩也仅限于稍大于负载转矩（一般取值115%）即可。1.5软启动的节能运行1.5.1软起动产品的节能运行从软起动出现在世界（1970年），就伴随着有能否实现节约能源问题。英国人曾在八十年代初就对不同控制原理的软起动产品做过对比试验。其结论是：（1）在额定负载下，实际上是增加了功率消耗，主要是晶闸管串入电路的压降损耗；（2）在40%～80%额定负载下，软启动器吸收的损耗与其节省的功率相当，主要是节约的铁损被增加的铜损抵消；（3）在40%～50%额定负载下，才记录到较明显的节能效果。软起动的节能原理与电动的电能消耗机理密不可分，我们知道电动在额定负载时效率很高，其功率因数大多在0.7～0.9，其效率也在80%左右。但当负载减小时，上述指标就要下降，特别是当负载下降到25%的额定负载时，下降得更多。电动机的基本损耗（或是说称其为与磁场有关的能量）有：1主磁场相对应的铁耗PF；2风阻和摩擦引起的基本损耗PS；3定子和转子的基本铜耗PC；4杂散损耗PZ，凡不属于上述三种损耗的其他损耗均称之为杂散损耗，它与电流平方、转速平方成正比。从这四类损耗看，风阻及杂散损耗占有的比例都较小,电机的运行损耗主要是铁耗和铜耗。而在我们讨论的电机节能运行问题(实际上是电机稳态运行，而非电机起动的非稳态运行)是稳态运行下的铁耗、铜耗的影响因素。显然负载电流越小，铜耗也越小（此时假定转子阻抗不变），而此时铁耗几乎不变。大家知道此时总损耗=铜耗（有功损耗）+铁耗（无功损耗）下降了，无功损耗没有降，导致总功率因数下降。唯有想办法在负载变小时，将铁耗降下，也即将电机铁耗中气隙磁通fg降下，而fg与气隙电势Eg有关，而Eg是定子电压矢量与定子损耗矢量决定也即只有降低施加在定子端电压，方能减少气隙磁通，提高功率因数，进而有降低了磁化电流及铜耗，又降低了铁耗，达到节能目的。根据转子折算电流I2’=U/[(r1+Cr’2/S)2+(x1+Cx’2)2]0.5中转子折算电阻Cr’2/S和转子折算阻抗Cr’2/S与转差S有关，当负载率为40～80%之间，气隙磁虽然降低些（但不能降低太多，仍要维持足够转矩保证40～80%负载的需要），但此时转差S又不算大，进而降低又不多，电机获取的部分能量降低的也不多，反而又引入的晶闸管调节电压电子电路压降，抵消了电机降低能耗，故很难做到节约能源。通过分析得出的结论：铁耗随着电机端电压平方倍下降；铜耗随着负载电流下降而下降。1.5.2软起动节能运行节能效果软起动节能运行效果与负载大小、负载持续时间、电机极对数、电机转差率有关。A节电效果与负载率例如22KW4极电机在10%负载下，可获得20%节电率，而110kW极电机同样在10%负载下，仅能获得3.5%节电率，从而看出电机容量越大，节能效果越差。四极电机节电率电机额定输出容量（KW）（HP）相对于全压运行的节电率<5<7.5305575101101504>110>1501注：10%负载率、2%转差率条件下400V电机B电机的极对数、转差率与节电效果见表2转差率与节电效果节电率偏差节电率偏差极对数%转差率%%2-0.50.5-0.540206+0.53.3+0.58+15+1第2章软起动电路设计方案及工作原理（西诺克SS2

系列）

2.1单电机电路设计方案2.1.1一次电路图2.1.2二次回路图：2.1.3一次电路与二次回路的符号含义：QF空气开关FU熔断器KM接触器RJ热继电器KA中间继电器SS2软启动器SB1-SB2停起按钮LD-HD指示灯2.1.4工作原理与工作过程采用电压斜坡启动方式。如上面一、二次原理接线图所示，其工作过程如下：启动：当断路器QF闭合通电后，红灯变亮。按下SB2，中间继电器KA闭合并将S1、S2导通，软启动器工作，其红灯开始闪烁同时软启动器输出电压逐渐上升至额定值。若干秒后旁路端子S3、S4常开触电自动闭合输出，同时红灯常亮。再若干秒后软启动器由全压变为关断，系统处于旁路工作状态，绿灯常亮。至此，软起动过程结束。停止：按下SB1，软起动控制器开始工作输出全压。若干秒后旁路接触器断开，再若干秒后软启动器开始做软停动作，当电压下降至设定值后软起动控制器输出变为零压。软启动器关断，软停止过程结束。2.2多电机电路设计方案2.2.1一次电路图2.2.2二次回路图2.2.3一次电路与二次回路的符号含义：QF1-QF3空气开关FU1-FU3熔断器1KM-2KM接触器RJ1-RJ2热继电器1KA-2KA中间继电器1SB-2SB起动按钮1SS-2SS停止按钮LD-HD指示灯2.2.4工作原理与工作过程此电路是一台软启动器起动两台电机，每台电机都能单独操作，不分先后顺序。两台电机的工作原理相同（以M1电机为例说明此原理）。启动：当断路器QF1、QF2闭合通电后，红灯变亮。按下1SB，中间继电器KA闭合并将S1、S2导通，同时1KM2、1KM1线圈得电，其红灯开始闪烁。当启动时间达到设定的值后，软启动器输出电压，红灯停止闪烁并保持常亮，若干秒钟后绿灯变亮，同时旁路端子S3、S4自动闭合输出，旁路接触器得电吸合，再若干秒钟后软启动器由全压变为关断。系统处于旁路工作状态。至此，软启动过程结束。停止：按下SB1，软起动控制器开始工作输出全压。若干秒后旁路接触器断开，再若干秒后软启动器开始做软停动作，当电压下降至设定值后软起动控制器输出变为零压。软启动器关断，软停止过程结束。第3章软启动装置的运行环境要求

A周围空气温度户内安装的周围空气温度不得超过50℃，而且在24小时内其平均温度不超过+35℃，周围空气温度下限为—温带地区为-35℃，严寒地区为-50℃。上述周围空气温度下限指成套装置防护外壳周围的空气温度，而交流电动机软起动电力电子控制器的周围温度的工作温度下限为+5℃。B相对湿度相对湿度在+40℃时不超过50℃，在较低温度时允许有较大的相对湿度。例如+20℃以下时相对湿度为90℃，相对湿度变化率不超过5%/n。但应考虑由于温度的变化有可能会偶然的产生适度的凝露。C海拔安装地点海拔不超过1000m（①本产品在超过海拔1000m应用时，每100m起动器电流降0.5%使用；21000m以内不降容）。D污染等级规定为污染等级3：存在导电性污染，或者由于凝露使干燥的非导电性污染变成导电性污染。E振动安装地点所允许的振动条件：振动频率为10～150Hz，振动加速度不大于5m/S2。F噪声在正常使用条件下，装置运行产生的噪声不大于80dB（A声级）。G冷却装置可采用自然冷却，强迫通风冷却。采用自然通风时，散热器周围应有足够的空间间距，间距的大小由制造厂决定。H通风换气对自然换气的结构，一定要设置足够的给气（进风口）和排气（出风口），两个口的距离尽可能的相离远些，散热效果好。部件在柜内的布置不要密度过高。要将那些发热功率较大的器件置上部，如空气断路器、接触器。在软启动器的下部，不要放置较大发热量的部件。如有可能，对动力箱式和柜式，其附设低压电器两面安装（适用于正面操作两面维护型柜体）。根据IEC890及生产、检验经验，柜体内的温升测量参考点在柜高0.75处，故建议将软启动器装于这一高度范围。对于那些要在线运行的软起动柜，可采用强制冷却，即强迫通风及外部自然冷却。对环境条件要求高的软起动柜，可做成全封闭型，它适合安装环境恶劣场合，有简单的防尘结构，内部产生的热量首先通过柜内的对流形成稳定的温升。柜内的热量是通过柜体表面散出，这一过程是柜内高温使壳体内表面加热，然后通过柜壳的传导散热，引到壳体外表面，通过外表面与柜体周围空气的再次对流热交换，将柜内高温散发到柜外空间。第4章软起动装置的应用范围

现在市场有多种型号的软起动可供用户选择，不同产品所具功能也不仅相同。但三相异步电机凡不需要调速的各种应用场合都可使用，适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车(解决水锤效用)对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行场合，应用软启动器(不带旁路接触器)则具有轻载节能的效果。软起动控制柜进一步加以组合或用PLC逻辑控制，可以实现多种复合功能。用于大楼的消防系统与喷淋泵、生活泵等系统。可以实现消防泵定时自动检测，定时自动关闭;加上相应的控制逻辑，则可以对消泵及各个系统运转是否正常，实施平时检测时，定时低速低水压运行;在灭火时，则实施全速满载运行。将若干台电动机控制逻辑组合，可以组成生活泵系统或其他专用系统，按需要量逐次起动各台电机，也可逐次减少电机，实现最佳效率运行。还可以实现多台电机自动转换运行，使各电机都处于同等的运行寿命。第5章软启动的特性及优势

当前软起动器的优势有：■较小（固态）的电子或硅控整流器使之拥有较小的尺寸，机械及面板制造商采用起来更方便；■电流及电压能在更广范围内变化（包括特殊模式下的更大电压范围）；■更好的用于保护及诊断的传感器，有助于排除差错；■能进行预设以满足多种应用场合起动曲线或转矩斜面需要；■具备闭环控制或操作指示选项，包含多模式的信号继电器；■更简易的旋钮设置（无需编程）；■更大的通信有效性；■更多设备、外壳及高电压安全连锁装置选项；■多重认证。体会及收获经过几个月的准备及查找、搜寻，论文也已经出来了。从前言到正文再到结论，我查找了好多资料，也学到了好多东西。首先，了解到软起动在国内还未普及，直接起动对电机有不少不利之处；其次，软启动器内部结构复杂，晶闸管、可控硅的应用等，还有待研究。开始了解时，觉得它很简单，其实内部大有奥妙。电力电子的应用及电机与电控的结合，使我知道了软启动器的不简单，它不仅让电机冲击小、寿命延长，而且操作简单。目前，国内还未普及，我们要更多更广的了解它的有点，用到实处。内部的研究更需我们有扎实的基本功，我还得把学过的电机、电力电子重新过目，以便理解的更透彻。致谢对软启动器的了解，首先得感谢老师提供的一个这样的题目，让我有机会去了解更新的东西。还有老师交给的专业知识，使我有这个基础或有这个意识去更好的理解软启动器的不简单。还有就是岗位指导师傅，他指引我走向正确的方向，让我