再探电机软启动器

1 引言
随着国民经济的飞速发展和技术进步，电动机软启动器得到了普遍的应用。非直接启动场所的电动机的启动，采用软启动器的比例在上个世纪末还不到5%，而今天大约占到了90%以上，只有农村和经济极其落后的地区还在新建项目中使用降压启动器，所以软启动器已经形成了一个较大的市场，软启动器对于电动机启动给电网的冲击以及传动机械的冲击都得到了良好的改善，使传动机械的寿命得到了提高，为国民经济发展作着应有的贡献，软启动技术本身更是日新月异百花齐放。本文着重介绍各种软启动器的优缺点和正确的应用方法以及常见的故障分析。

2 软启动器的分类
2.1 在线运行软启动器
在上个世纪，软启动器产品主要是国外的品牌，在中国市场上销售，如:AB、ABB、施奈德、西门子等，但他们都是在线运行方式。在应用过程当中，人们发现在线运行有以下缺点。
(1) 晶闸管长期在线运行功耗太大造成能源浪费;
(2) 晶闸管的散热量太大需要机械风冷，给成套带来很大困难;
(3) 晶闸管长期在线运行给电网带来高次谐波污染;
(4) 晶闸管作为主开关元件长期工作其可靠性远低于机械开关;
(5) 造价昂贵用户难以接受;
(6) 由于可控硅选型较大和考虑散热所以体积较大。
(7) 软启动器的优点:
l 是对电动机的启动与保护及其控制集于一体，强大的智能控制器全部发挥作用;
l 是由于采用了机械风冷能够适用频繁启动场所;
l 是电路简单便于维护和检修(见图1)。

图1 在线运行软起动器电路图
2.2 旁路运行软启动器
到了上世纪末和本世纪开始，考虑在线运行的缺点和技术难度性，国内厂家就直接开发了旁路型软启动器，即电动机起动完成后旁路到接触器上运行。它的优点是回避了晶闸管在线运行的缺点，尤其不需要机械风冷。但是，它同时带来缺点。
(1) 电路复杂化，系统可靠性降低;
(2) 强大的智能控制器不能充分利用，有的不能对电动机保护;
(3) 增加成套装置的体积和成本;
(4) 增加维护与检修的难度。
综合比较后市场上还是多数采用了旁路运行方式，即便是选用了在线运行方式的软启动器，设计人员还是加装一套旁路运行接触器，使软启动器旁路运行。回避了晶闸管在线运行的缺陷，如图2所示。

图2 旁路运行软起动器电路图
2.3 内置晶闸管旁路型在线运行软启动器
目前，国内外许多电器公司都在开发内置晶闸管旁路型在线运行软启动器。内置晶闸管旁路型在线运行软启动器(简称内置旁路型软启动器)，是在在线运行软启动器内部设置了一套机械触头与晶闸管并联，在电机软启动过程和软停车过程中由晶闸管运行，机械触头断开，当电动机正常运行时晶闸管关闭，机械触头闭合。这套动作过程是通过内部控制器自动完成的，对外部接线来讲是一个装置，所以称做在线运行。它又可称作旁路型的软启动器将外边的接触器移到了软启动器里边集成为一体,并能保证体积不增加。它的优点是具备上述两种类型的所有优点同时回避了它们各自的缺点:
(1) 电路简单;
(2) 自然风冷;
(3) 可控硅只管启动和停车，回避可控硅在线运行所带来的功耗与散热;
(4) 体积小(和旁路型的一般大小);
(5) 强大智能控制器得以全面发挥，能对电动机起到起停与保护及其控制;
(6) 节省成套空间;
(7) 由于晶闸管和机械触头组合一体的设计，通过智能控制器实现了机械触头无电弧，使的机械触头的电寿命等于机械寿命，解决了接触器长期以来难以解决的问题，与旁路型相比大大提高了系统可靠性;
(8) 节能，此节能是指软启动器本身，与晶闸管在线型相比可忽略不计，与旁路型相比减少60%，其原因是由于内置旁路型的机械触头采用了无电弧控制，其银点的硬度大大降低，触点的接触电阻大大降低，使得机械触头的闭合压力大大降低，机械触头的吸合磁力机构减小一半，降低一半能耗，机械触头的触点能耗也降低了一半，综合起来机械触头与磁力机构的能耗与旁路接触相比降低一半，再加上节省热继电器的能耗所以与之旁路型相比综合起来能节省60%，如图3所示。

图3 内置晶闸管旁路型在线运行软启动器
3 软启动动器的选型
由上述对于软启动器原理及其优缺点分析，应该是内置旁路型的适用性最强，优点最多，缺点最少。在实际工作当中还要考虑具体产品品牌的功能和技术参数以及产品的可靠性，根据实际使用情况进行选择。在此有必要区分的是频繁启动和不频繁启动，对于软启动器来讲，一般情况下如果启动间隔时间不超过2min，不超过30次/h，即可定为不频繁启动。小于此数应按频繁启动考虑。风机泵类负荷一般都属于不频繁启动。机械传动有频繁启动的也有不频繁启动的，象皮带机、球磨机等可按不频繁启动考虑，如果是起动机或大型机械设备所配的电动机需要可逆功能的多属于频繁启动。
在频繁工作的场所选取软启动器要按电动机的起动电流选取，因为软启动器生产厂家一般选取的可控硅电流是电动机额电流的2.5倍。限制最大电动机启动电流是额定电流的4.5倍，在不频繁操作下充分利用可控硅短时过载能力，所以在频繁启动的条件下，应加大选取软启动器的容量，根据频繁度的不同取在1.2~1.5倍即可。同时由于可控硅频繁工作，为了排除可控硅散发的大量的热量，软启动器必需带有机械风冷。对于机械风冷的软启动装置，一台开关柜最好放一台软启动装置，而且开关柜也要设置机械通风。

4 软启动回路的主接线方案
4.1 在线型
所有软启动器的控制器都有电动机过载保护，当软启动器在线运行时软启动器的控制器能对电机进行过载保护，不要加装热过载继电器。由于经过晶闸管后的电流谐波非常大，所以不能加装电子式热过载继电器，否则热继的误动作使系统不能正常工作。由于晶闸管比较昂贵而且更换困难，为了保护晶闸管要用快速熔断器防止软启动器下口发生短路烧毁晶闸管，图4(a)是指在经常使用的场所，软起动器的上口不加接触器，图4(b)是指不经常使用的场所，在停车后将软启动器的电源断开，见图4(a)和图4(b)。

图4(a) 经常使用的软起动器 图4(b) 不经常使用的软起动器
4.2 旁路型
旁路运行软启动器，离开旁路接触器是无法运行的，所以在两种主接线方案里都有。对于软启动器上口的接触器的作用和在线运行方式下作用相同在此不再重复。着重说明的是热继电器，把它安方在旁路接触器的下口，不通过起动电流最好，尤其是电子热继电器，由于经过软启动器后电流谐波很大能干扰电子热继电器误动作而使电机停车。另外因为晶闸管的短时工作没必要安装快速熔断器，所以在主结线方案里没有加装快速熔断器，见图5(a)和图5(b)。

图5(a) 经常使用的软起动器 图5(b) 不经常使用的软起动器
4.3 内置旁路型
它的主接线和在线型的大致相同，唯一的优点是因为晶闸管的短时工作没必要安装快速熔断器。
电动机的过载保护是有软启动器的控制器实现的，它不仅在功能和性能上超过电子热继电器，而且不会因主回路的谐波电流及外界的干扰而误动作，见图6(a)和图6(b)。

图6(a) 经常使用的软起动器 图6(b) 不经常使用的软起动器
5 软启动器的起动特性
在应用电子软起动器时应考虑哪些问题呢？作为软起动器首先要看它的起动性能和停车性能，目前的软起动器有以下三种起动方式。
5.1 限流起动(见图7)

图7 限流软动
5.2 斜坡电压起动(见图8)

图8 斜坡电压起动
5.3 转矩加突跳控制起动(见图9)

图9 转矩加突跳控制起动
限流启动顾名思义是限制电动机的启动电流，它主要是用在轻载起动的负载降低起动电流带来的线路压降，并能直观地看到启动电流，缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动力矩，对电动机不利。斜坡电压起动顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升(又称转矩控制)，它是将传统的降压起动从有级变成了无级，主要用在重载起动，优点是起动转矩特性抛物线型上升对拖动系统有利，起动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，延长拖动系统的使用寿命。它的缺点是起动电流较大突跳加电压斜坡(又称转矩加突跳控制)启动是在电压斜坡控制起动的基础上加一个电压突跳(又称转矩突跳)，它是用在静惯量较大用电压斜坡启动比较困难的场所，如风机负载。在起动的瞬间用突跳转矩克服电机静阻力矩，然后转矩抛物线上升，缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送100ms的浪涌电流，应用时要注意。
停车方式有两种:一是自由停车，二是软停车。电子软起动带来最大的停车好处就是软停车。软停车消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击。

6 软启动器控制接线注意事项
6.1 控制电缆的影响
软启动器的控制输入接点都是采用的直流24V(国产的多是12V DC)，如果有交流220V或380V控制线路和软启动器的控制输入线路用一根电缆敷设，很容易出问题。一定要用中间继电器将软启动器的控制输入线隔离开来，将外接线路变成同电压线路，否则，强电会干扰软启的正常工作或烧毁软启动器的控制器。
6.2 控制距离
如果控制电缆过长，由于软启动器的控制电压太低，线路损耗过大时软启动器动作不可靠，一般情况下当控制距离超过200m时应采用中间继电器将控制电压提高后再远距离控制。

7 软启动器的常见故障
目前国内的软起动器生产厂家很多，大都是旁路型的，产品的可靠性与世界知名品牌相比差距越来越小，市场份额已经超过国外品牌。软启动器的故障大体分如下几种。
(1) 电动机起不来
电动机起不来的原因大致分两种情况:一是六只晶闸管的其中一只触发不可靠或是不导通，此时一相电路通过的是半波直流，电动机的两相绕组通过的直流对电动机起到了制动作用，不仅电机起不来，严重的还会烧毁电机和晶闸管。二是启动参数或启动曲线不合适造成电机起不来，这是常见故障。
(2) 晶闸管烧毁
晶闸管击穿或爆炸，此类故障不分国内外品牌，因厂家而易，但都比接触器的故障率低，而且主要问题出现在饼式倡闸管的安装工艺上。
(3) 控制器烧损
相对于软启动器来讲，控制器烧毁故障是最严重的。有的厂家此类故障造成的返修率已超过30%。进口的或合资的厂家此类问题不多见。主要是控制器的电源和触发电路以及输入电路三部分容易烧毁。
(4) 软启动器误动作
电动机在运行的装态下因软起动器受干扰而停机，在停止状态下因软起动器受干扰而起动是时有发生，前者较普遍，后者只有两个品牌发生过。究其原因，一是产品质量问题，二是和线路布局有关。
(5) 软启动器内部插接件接触不良
软启动器内部插接件选用本来不是问题，这是国内厂家容易忽略的问题，经常出现故障。

8 结束语
通过论述，电动机的降压起动方式经过了“Y-Δ” 起动器和自耦降压起动器到磁控式软起动器，现今发展到电子软起动器。而软启动器由于晶闸管结压降功耗带来的问题，又从在线运行过度到旁路运行方式，现在又发展到在线运行内置旁路。总体而言软启动器的可靠性有的比接触器高，有的比接触器低。科学在发展技术在进步，由于内置可控硅旁路在线运行软启动器采用了无电弧技术，为超智能无电弧高可靠性接触器的诞生奠定了基础。