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电动机软起动控制工作原理、控制电路组成及工作特性曲线


随着电力电子器件的参数性能的提高, 使用电力电子器件构成的软起动电控 设备的故障率大大降低,甚至比传统的电控设备故障率还低,基本做到了免维护 运行。在电网容量小、电动机功率较大时或需要软起动的场合,应首选软起动电 控设备。因此,软起动电控设备已经成为大中型电动机起动的主流设备。
2、工作原理
软起动器控制是将电力电子, 与自动控制技术相结合的设备, 主电路与控制电路的相互关系 如图 1 所示, 主电路用三组反向并联晶闸管串接于供电电源与被控电动机之间。 设备起动时, 由电子控制电路控制晶闸管的导通角, 使加在电动机端的电压由低到高逐渐升高, 电动机转 速随之逐渐升高,直至达到额定转速,实现电动机的软起动。设备停机时,则控制晶闸管的

导通角,使电动机的端电压由全电压逐渐下降至零,实现软停车。

图 1 软起动器的主电路

3、软起动的优点
异步电动机在直接起动时,施加额定电压,起动电流将达到 5~7Ie,这样大的电流将会给供 电系统造成很大冲击,所以,除了小容量电机外,一般都采取不同起动方式以降低电动机的 起动电流,传统的方式有 Y-△起动、串电抗器起动、自耦变压器起动、延边三角形起动等。 传统的方式,在电动机起动的过程中,都有一个线圈电压切换的过程,因而对电网存在“二 次冲击” ,软起动设备控制则不存在该现象。常用起动方式电流曲线如图 2 所示。

图 2 常用起动方式电流曲线

4、软起动的类型 (1)不限流软起动特性曲线见图 3, 起动时, 使起动电流以一定斜率不断上升, 直至起动完毕,期间对起动电流不加任何限制,应场合:重载起动。 (2) 小斜率软起动起动特性曲线见图 3。这种起动的特点是电流上升速率缓 慢 di/dt 变化率小。适应场合:对电机转矩,速度变化敏感的场合。例如:小张

力绕线机构。

(3)阶跃恒流起动见图 4。起动一开始在极短的时间里,使晶闸管接近于全导

通,然后恢复至极小导通角,进行正常的恒流软起动,适应场合:起动时静摩擦 力矩较大的场合。 (4)恒流软起动特性曲线见图 2 中软起动曲线。起动时,电流以一定的斜率上
升至设定值,其后维持恒定。直至起动结束,适应场合:绝大多数应用场合。

图 3 小斜率软起动

图 4 阶跃恒流起动

5、停车 停机时, 控制晶闸管导通角以一定的斜率减小, 使电机端电压逐渐下降至零, 减缓了电机停车时对机械负载的冲击,下降斜率无级可调特性曲线见图 5,还可 根据需要引入电流负反馈。目前比较常见的软停车时间范围在 0—60S。 6、软起动器的应用
(1)将断路器,软起动器,旁路接触器和控制电路组成电动机控制中心(MCC),这是目 前最流行的,推广最多的做法原理见图 6。其特点:在起动和停车阶段,晶闸管投入工作, 实现软起动,停车,起动结束,旁路接触器合闸,将晶闸管短接,电机接受全电压,投入正 常运行,此种组合的优点是,运行期间,电机直接与电网相连,无谐波;旁路接触器还可以 作为一种备用手段, 紧急关头或晶闸管故障时, 使电机投入直接起动, 增加了运行的可靠性, 应用场合;绝大多数工况适用。

图5

软起动和软停方式特性

图 6 MCC 原理图

(2)软停车,在泵类负载系统中,例如,高扬程水泵,大型泵站,污水泵站, 电动机直接停车时,在有压管路中,由于流体的运动速度发生急剧变化,引起动 量急剧变化, 管路中出现水击现象, 对管道、 阀门与泵形成很大的冲击, “水 此即 锤”效应,严重时,会对大楼产生很大的震撼与巨响,甚至造成管道与阀门的损 坏。

采用软停车,停车时软起动器由大到小逐渐减小晶闸管的导通角,使被控电 机的端电压缓缓下降, 电机转速有一个逐渐降低的过程,这样就避免了管路里流 体动量的急剧变化,抑制了“水锤”效应。 (3)正反转无触点电子开关。软起动器串接于供电电源与被控电机之间,当晶 闸管全导通时,电机得到全电压,晶闸管关断时,电机被切断电源,其作用类似 于一个无触点电于开关。如果再增加二组反并联晶闸管,组成如图 7 的电路,当 A1、B1、C2 三组晶闸管投入运行时,三相电源 L1、L2、 L3 与电机的 U、V、W 端相连,电机顺时针旋转,那么当 A2、B1、C1 三组晶闸管投入运行时,由于电 机输入反相序电源而逆时针旋转,交替的使上述二套晶闸管配置投入运行,即可 实现被控电机的正反转运行,由于不使用接触器切换电源,故设备可靠性很高。 应用场合:需要频繁正反转的金属型材轧制机构。

图 7 正反转无触点电开关

(4)软起动器与 PC 结合组成复合功能。以一台 PC 程控器与两台或多台软起 动器组合,可完成一用—备或两用一备,甚至多用多备的方案,与 PC 结合,可 同时实现软起动、软停车,一用一备,与中央控制室组成遥控监视系统。 在许多大型排水系统中,平时排水量不大,仅要求少量排水泵投入运行, 有时则要求根据水位,逐级增加投入的水泵,直至全部水泵投入运行;反之,则 要求逐级减少运行的水泵数量。 其结合的方案有二种:
其一如图 8。该方案采用一台 PC 控制一台软起动器,软起动器始终与一台电机相连。当需 要时,PC 控制首先起动电机 M1,起动结束,合上旁路接触器 KMl0,使电机直接与电网相 连,然后通过接触器 KMl1,使软起动器与该电机分离,与下一电机相连,由 PC 控制起动 下一台电机 M2。此方法可以根据上下水位逐一起动各台电机,停机时,除与软起动器相连 的电机可以实现软停车外,其余电机都是直接停车。

图 8 软起动器与程控器联合控制多台电机

图9

软起动与程控器联合控制

该方案优点:—次投资省,控制柜结构紧凑。缺点:一旦软起动器故障,会 影响到全部电机的起动与运行。 其二如图 9。该方案每一台电机均配一台软起动器,由 PLC 程控器根据水位 或其他控制量依次逐一起动各台电机,直至全部投入运行;反之,则逐一关闭各 台电机。 该方案优点:可靠性比前一方案高,即使有一台软起动器故障,也不会影响 其他电机的运行,如果 PC 程控器发生故障,不能进入自控状态,那么采用柜前 手动操作的方式,照样可使各台电机投入工作。 7。与变频控制器的比较 软起动器与变频控制器均使用晶闸管模块作为执行器件。成本上变频器要比 软起动器高, 变频器由于可以无级调速,目前在需要调速的场合已取代了原先直 流电机占据的位置,例如,目前大力推广的生活住宅恒压供水系统,广泛使用变 频器。 但是在某些工况下变频器也有弱点。目前的变频器,无论是交—直—交还是 交—交变频,在工作过程中,始终产生谐波,为了减轻对电网的污染,必须增加 滤波措施。其次,变频器的输出,与电网电源已经不是同相同序的关系,因此在 诸如图 10 的方案中,不能在变频器尚未与电机分离前,先合上旁路接触器,必 须先将变频器与电机断开, 再合上旁路接触器, 否则, 会烧毁变频器的执行器件, 这样, 电机短时间内会经历—个全电压—断电—全电压的再起动过程,对转速稳 定性要求较高的场合,显然不能使用这样的方案。 软起动器的成本比变频器低,它仅在起动与停车时投入运行,起动结束, 合上旁路接触器,电机直接接受电网电压,因而运行期间不存在谐波的问题,其 次,起动结束,晶闸管全导通,相当于一个电子开关合闸,导通电阻极小,两端 的压降在 1 一 2V 之间,因而并联的接触器由于同相同序,合闸没有问题,电机 不存在瞬间断电的问题。另外,如果遇到负载过重,需强行起动,而原设定电流 不够大时, 通过提前使旁路接触器合闸, 让电机得到全电压, 可以确保顺利起动。 可以看到变频器、软起动器各有自己的忧缺点,在需要凋速的场合,宜优先 考虑变频器,而且其节能效果显著,在对调速无要求或要求不高的场合,可以考 虑用软起启器。

结语: 软起动与传统的电动机起动控制技术相比,采用计算机控制技术,可以针对 不同的起动要求,灵活调整起动方案,不但可以解决起动电流大、起动特性不理 想等问题,还可以使起动设备简化,控制可靠性提高。在对起动控制有一定要求 的情况下,是首选的控制方案。


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