电机软启动器

定义

电机软启动器是集软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置，国外称为 Soft Starter^[1]。它的主要构成是串接在电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，通过控制晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按要求变化^[4]。

在中国标准 GB 14048.6—2008《低压开关设备和控制设备 第4-2部分：接触器和电动机起动器 交流半导体电动机控制器和起动器（含软起动器）》中，这类产品的正式名称是交流半导体电动机控制器和起动器，标准对其软起动功能的描述是：串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，运用不同的方法控制导通角，使被控电机的输入电压按不同要求变化，从而实现电机平滑起动^[5]。该标准等同采用国际电工委员会(IEC)的 IEC 60947-4-2^[5]。

按技术类型划分，软起动技术可分为降压软起动、降补软起动和变频软起动；按主开关器件的工作状态，则可以分为晶闸管在线运行式、旁路式和内置旁路式等类别^[4][6]。

原理

感应电动机直接投入电网起动时，堵转电流可达额定电流的 7 至 10 倍，起动转矩也远高于额定值，由此产生的机械应力和电网电压骤降会缩短设备寿命^[2]。由于定子电流与定子端电压大致成正比，降低端电压即可减小起动电流，这是软启动器实现限流起动的出发点^[7]。

晶闸管软启动器采用相控调压原理，利用晶闸管的可控导通特性，通过改变相控角来改变加在定子上的电压均方根值^[7]。晶闸管又称可控硅(Silicon Controlled Rectifier，缩写为 SCR)，是一种大功率电器元件，可用小功率信号控制大功率设备^[8]。主电路通常是三对反并联晶闸管，分别串接于交流电机的定子回路，微处理器通过控制触发角的变化来改变晶闸管的开通程度，从而改变电动机输入电压^[9]。

起动完成后，软启动器输出达到额定电压，控制器输出信号使三相旁路接触器闭合，将电动机直接投入电网运行，同时关闭晶闸管触发脉冲；若设定软停车功能，停车时先开通晶闸管、断开旁路接触器，再逐渐减小导通角使电动机平缓停机^[9]。

常见的起动控制方式包括电压斜坡、电流限幅、电流斜坡和转矩控制等^[7]。以电压斜坡方式为例，电压从可参数化的初始电压 Uini 在设定的斜坡时间 tramp 内升到电网电压 Urat，斜率由斜坡时间决定^[10]。控制技术的发展大约经历了开环电压斜坡、闭环电压与电流控制、闭环转矩控制和分级变频控制等阶段，目前正向模糊控制、自适应控制等方向演进^[7]。

发展历程

电子式软起动器在 20 世纪 70 年代由美国 AB 公司推出，随后世界各大电气公司相继推出同类产品，早期产品多为晶闸管在线运行方式^[11]。软启动器在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初投入市场，被认为是填补星-三角启动器与变频器之间空白的产品^[12]。

在线运行方式下晶闸管长期承载全电压，功耗与发热大、体积和造价高，并给电网带来谐波污染，因此上世纪末国内厂家开始研制旁路型软启动器^[11]。1998 年中国颁布了半导体电动机控制器标准 GB 14048.6—1998，2001 年前后各设计院开始选用旁路型软启动器^[11]。为进一步简化电路，2003 年前后各电气公司又开发出把旁路接触器集成到装置内部的内置旁路型软启动器^[11]。

1992 年西安西普电力电子有限公司研制出工业化的交流晶闸管电动机起动器产品，并推广“电动机软起动器”这一名称；机械行业标准 JB/T 10251《交流电动机电力电子软起动装置》将晶闸管电动机软起动器定义为“交流电动机电力电子软起动装置”^[4]。GB 14048.6—2008 代替了 1998 年版标准，增加了旁路控制器和旁路混合式电动机控制器的性能要求及试验方法^[5]。此后 GB/T 14048.6—2016 于 2016 年 8 月 29 日发布、2017 年 3 月 1 日实施，替代 2008 年版标准^[13]。

应用

软启动器广泛应用于市政、冶金、石化、矿山、建筑、汽车、纺织、造纸等领域^[3]。常见负载包括水泵、风机、压缩机和皮带运输机：在水泵上可利用软停车功能改善水锤效应，保护管道、密封和阀门；在风机上可减少机械磨损和对电网的冲击；在压缩机上可实现平滑起动并延长电动机寿命；在皮带运输机上可减小机械冲击、避免运输物料位移^[3]。

电压等级方面，低压软启动器产品容量一般取决于交流低压电动机的制造水平，通常可做到 800 kW/380 V；高压（3300 V 以上）产品目前可达到的最高电压等级为 20 kV、最大容量约 300 MW^[4]。高压固态软启动装置常见适配 3 kV、6 kV、10 kV 的大功率高压电机，用于矿山主排水泵、皮带输送机、破碎机与球磨机、锅炉引送风机、油田注水泵和化工压缩机等设备^[14]。

部分产品还集成了通讯与监测功能，可通过 RS-485、Modbus RTU 或 PROFIBUS 等接口实现远程参数配置、运行数据上传和集中控制^[9]。软启动器通常具备过流、过热、缺相、电机过载等保护功能，并可通过参数设定对起动时间、初始电压和限流倍数等进行调节^[15]。

局限

软启动器在本质上是一个调压装置，起动过程中只改变电压而不改变频率，因而无法用于需要调速的场合，这与变频器的作用不同^[1]。它仅提供电压斜坡和电流限流一类的起动方式，无法实现恒转矩控制、双向运行等需要变频器才能完成的功能^[16]。晶闸管相控调压会产生非线性电流波形，起动期间电机端子的总谐波畸变率可达 40% 至 60%，但持续时间较短，通常为 10 至 30 秒，对上游设备的热影响一般可以忽略^[16]。

由于需要配置散热器，电子软启动器相比同规格的磁力启动器需要更大的机箱，晶闸管结温须维持在 125 ℃ 以下；环境温度超过 40 ℃ 时可能需要降容或采用强制风冷^[16]。持续工作制运行时常需机械旁路接触器，以便在电机达到全速后短接晶闸管，消除导通损耗、减少内部发热并延长晶闸管寿命^[16]。

旁路型方案在回避晶闸管在线运行缺点的同时，也带来电路复杂化、系统可靠性下降、成套装置体积和成本增加、维护检修难度提高等问题^[6]。此外，起动频次受散热限制，部分产品的允许起动次数约为每小时 8 至 12 次^[17]。对于需要长期调速、频繁调速或超高频正反转运行的设备，一般不适合采用软启动器^[14]。

参见

• 变频器 —— 可同时改变电压和频率的调速装置，功能覆盖软启动但结构与用途不同。

• 晶闸管 —— 又称可控硅，软启动器主电路中实现相控调压的核心功率器件。

• 电动机 —— 软启动器所控制和保护的负载对象。

• 接触器 —— 与软启动器配合实现旁路运行和主回路通断的开关电器。

• 星-三角起动器 —— 传统降压起动装置，是软启动器常见的替代对象。

• 三相异步电动机 —— 软启动器最主要的适配电机类型。