再探電機軟啟動器

1 引言
隨著國民經濟的飛速發展和技術進步，電動機軟啟動器得到了普遍的應用。非直接啟動場所的電動機的啟動，采用軟啟動器的比例在上個世紀末還不到5%，而今天大約占到了90%以上，只有農村和經濟極其落后的地區還在新建項目中使用降壓啟動器，所以軟啟動器已經形成了一個較大的市場，軟啟動器對于電動機啟動給電網的沖擊以及傳動機械的沖擊都得到了良好的改善，使傳動機械的壽命得到了提高，為國民經濟發展作著應有的貢獻，軟啟動技術本身更是日新月異百花齊放。本文著重介紹各種軟啟動器的優缺點和正確的應用方法以及常見的故障分析。

2 軟啟動器的分類
2.1 在線運行軟啟動器
在上個世紀，軟啟動器產品主要是國外的品牌，在中國市場上銷售，如:AB、ABB、施奈德、西門子等，但他們都是在線運行方式。在應用過程當中，人們發現在線運行有以下缺點。
(1) 晶閘管長期在線運行功耗太大造成能源浪費;
(2) 晶閘管的散熱量太大需要機械風冷，給成套帶來很大困難;
(3) 晶閘管長期在線運行給電網帶來高次諧波污染;
(4) 晶閘管作為主開關元件長期工作其可靠性遠低于機械開關;
(5) 造價昂貴用戶難以接受;
(6) 由于可控硅選型較大和考慮散熱所以體積較大。
(7) 軟啟動器的優點:
l 是對電動機的啟動與保護及其控制集于一體，強大的智能控制器全部發揮作用;
l 是由于采用了機械風冷能夠適用頻繁啟動場所;
l 是電路簡單便于維護和檢修(見圖1)。

圖1 在線運行軟起動器電路圖
2.2 旁路運行軟啟動器
到了上世紀末和本世紀開始，考慮在線運行的缺點和技術難度性，國內廠家就直接開發了旁路型軟啟動器，即電動機起動完成后旁路到接觸器上運行。它的優點是回避了晶閘管在線運行的缺點，尤其不需要機械風冷。但是，它同時帶來缺點。
(1) 電路復雜化，系統可靠性降低;
(2) 強大的智能控制器不能充分利用，有的不能對電動機保護;
(3) 增加成套裝置的體積和成本;
(4) 增加維護與檢修的難度。
綜合比較后市場上還是多數采用了旁路運行方式，即便是選用了在線運行方式的軟啟動器，設計人員還是加裝一套旁路運行接觸器，使軟啟動器旁路運行。回避了晶閘管在線運行的缺陷，如圖2所示。

圖2 旁路運行軟起動器電路圖
2.3 內置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器
目前，國內外許多電器公司都在開發內置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器。內置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器(簡稱內置旁路型軟啟動器)，是在在線運行軟啟動器內部設置了一套機械觸頭與晶閘管并聯，在電機軟啟動過程和軟停車過程中由晶閘管運行，機械觸頭斷開，當電動機正常運行時晶閘管關閉，機械觸頭閉合。這套動作過程是通過內部控制器自動完成的，對外部接線來講是一個裝置，所以稱做在線運行。它又可稱作旁路型的軟啟動器將外邊的接觸器移到了軟啟動器里邊集成為一體,并能保證體積不增加。它的優點是具備上述兩種類型的所有優點同時回避了它們各自的缺點:
(1) 電路簡單;
(2) 自然風冷;
(3) 可控硅只管啟動和停車，回避可控硅在線運行所帶來的功耗與散熱;
(4) 體積小(和旁路型的一般大小);
(5) 強大智能控制器得以全面發揮，能對電動機起到起停與保護及其控制;
(6) 節省成套空間;
(7) 由于晶閘管和機械觸頭組合一體的設計，通過智能控制器實現了機械觸頭無電弧，使的機械觸頭的電壽命等于機械壽命，解決了接觸器長期以來難以解決的問題，與旁路型相比大大提高了系統可靠性;
(8) 節能，此節能是指軟啟動器本身，與晶閘管在線型相比可忽略不計，與旁路型相比減少60%，其原因是由于內置旁路型的機械觸頭采用了無電弧控制，其銀點的硬度大大降低，觸點的接觸電阻大大降低，使得機械觸頭的閉合壓力大大降低，機械觸頭的吸合磁力機構減小一半，降低一半能耗，機械觸頭的觸點能耗也降低了一半，綜合起來機械觸頭與磁力機構的能耗與旁路接觸相比降低一半，再加上節省熱繼電器的能耗所以與之旁路型相比綜合起來能節省60%，如圖3所示。

圖3 內置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器
3 軟啟動動器的選型
由上述對于軟啟動器原理及其優缺點分析，應該是內置旁路型的適用性最強，優點最多，缺點最少。在實際工作當中還要考慮具體產品品牌的功能和技術參數以及產品的可靠性，根據實際使用情況進行選擇。在此有必要區分的是頻繁啟動和不頻繁啟動，對于軟啟動器來講，一般情況下如果啟動間隔時間不超過2min，不超過30次/h，即可定為不頻繁啟動。小于此數應按頻繁啟動考慮。風機泵類負荷一般都屬于不頻繁啟動。機械傳動有頻繁啟動的也有不頻繁啟動的，象皮帶機、球磨機等可按不頻繁啟動考慮，如果是起動機或大型機械設備所配的電動機需要可逆功能的多屬于頻繁啟動。
在頻繁工作的場所選取軟啟動器要按電動機的起動電流選取，因為軟啟動器生產廠家一般選取的可控硅電流是電動機額電流的2.5倍。限制最大電動機啟動電流是額定電流的4.5倍，在不頻繁操作下充分利用可控硅短時過載能力，所以在頻繁啟動的條件下，應加大選取軟啟動器的容量，根據頻繁度的不同取在1.2~1.5倍即可。同時由于可控硅頻繁工作，為了排除可控硅散發的大量的熱量，軟啟動器必需帶有機械風冷。對于機械風冷的軟啟動裝置，一臺開關柜最好放一臺軟啟動裝置，而且開關柜也要設置機械通風。

4 軟啟動回路的主接線方案
4.1 在線型
所有軟啟動器的控制器都有電動機過載保護，當軟啟動器在線運行時軟啟動器的控制器能對電機進行過載保護，不要加裝熱過載繼電器。由于經過晶閘管后的電流諧波非常大，所以不能加裝電子式熱過載繼電器，否則熱繼的誤動作使系統不能正常工作。由于晶閘管比較昂貴而且更換困難，為了保護晶閘管要用快速熔斷器防止軟啟動器下口發生短路燒毀晶閘管，圖4(a)是指在經常使用的場所，軟起動器的上口不加接觸器，圖4(b)是指不經常使用的場所，在停車后將軟啟動器的電源斷開，見圖4(a)和圖4(b)。

圖4(a) 經常使用的軟起動器 圖4(b) 不經常使用的軟起動器
4.2 旁路型
旁路運行軟啟動器，離開旁路接觸器是無法運行的，所以在兩種主接線方案里都有。對于軟啟動器上口的接觸器的作用和在線運行方式下作用相同在此不再重復。著重說明的是熱繼電器，把它安方在旁路接觸器的下口，不通過起動電流最好，尤其是電子熱繼電器，由于經過軟啟動器后電流諧波很大能干擾電子熱繼電器誤動作而使電機停車。另外因為晶閘管的短時工作沒必要安裝快速熔斷器，所以在主結線方案里沒有加裝快速熔斷器，見圖5(a)和圖5(b)。

圖5(a) 經常使用的軟起動器 圖5(b) 不經常使用的軟起動器
4.3 內置旁路型
它的主接線和在線型的大致相同，唯一的優點是因為晶閘管的短時工作沒必要安裝快速熔斷器。
電動機的過載保護是有軟啟動器的控制器實現的，它不僅在功能和性能上超過電子熱繼電器，而且不會因主回路的諧波電流及外界的干擾而誤動作，見圖6(a)和圖6(b)。

圖6(a) 經常使用的軟起動器 圖6(b) 不經常使用的軟起動器
5 軟啟動器的起動特性
在應用電子軟起動器時應考慮哪些問題呢？作為軟起動器首先要看它的起動性能和停車性能，目前的軟起動器有以下三種起動方式。
5.1 限流起動(見圖7)

圖7 限流軟動
5.2 斜坡電壓起動(見圖8)

圖8 斜坡電壓起動
5.3 轉矩加突跳控制起動(見圖9)

圖9 轉矩加突跳控制起動
限流啟動顧名思義是限制電動機的啟動電流，它主要是用在輕載起動的負載降低起動電流帶來的線路壓降，并能直觀地看到啟動電流，缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動力矩，對電動機不利。斜坡電壓起動顧名思義是電壓由小到大斜坡線性上升(又稱轉矩控制)，它是將傳統的降壓起動從有級變成了無級，主要用在重載起動，優點是起動轉矩特性拋物線型上升對拖動系統有利，起動平滑，柔性好，對拖動系統有更好的保護，延長拖動系統的使用壽命。它的缺點是起動電流較大突跳加電壓斜坡(又稱轉矩加突跳控制)啟動是在電壓斜坡控制起動的基礎上加一個電壓突跳(又稱轉矩突跳)，它是用在靜慣量較大用電壓斜坡啟動比較困難的場所，如風機負載。在起動的瞬間用突跳轉矩克服電機靜阻力矩，然后轉矩拋物線上升，縮短起動時間。但是，突跳會給電網發送100ms的浪涌電流，應用時要注意。
停車方式有兩種:一是自由停車，二是軟停車。電子軟起動帶來最大的停車好處就是軟停車。軟停車消除了由于自由停車帶來的拖動系統反慣性沖擊。

6 軟啟動器控制接線注意事項
6.1 控制電纜的影響
軟啟動器的控制輸入接點都是采用的直流24V(國產的多是12V DC)，如果有交流220V或380V控制線路和軟啟動器的控制輸入線路用一根電纜敷設，很容易出問題。一定要用中間繼電器將軟啟動器的控制輸入線隔離開來，將外接線路變成同電壓線路，否則，強電會干擾軟啟的正常工作或燒毀軟啟動器的控制器。
6.2 控制距離
如果控制電纜過長，由于軟啟動器的控制電壓太低，線路損耗過大時軟啟動器動作不可靠，一般情況下當控制距離超過200m時應采用中間繼電器將控制電壓提高后再遠距離控制。

7 軟啟動器的常見故障
目前國內的軟起動器生產廠家很多，大都是旁路型的，產品的可靠性與世界知名品牌相比差距越來越小，市場份額已經超過國外品牌。軟啟動器的故障大體分如下幾種。
(1) 電動機起不來
電動機起不來的原因大致分兩種情況:一是六只晶閘管的其中一只觸發不可靠或是不導通，此時一相電路通過的是半波直流，電動機的兩相繞組通過的直流對電動機起到了制動作用，不僅電機起不來，嚴重的還會燒毀電機和晶閘管。二是啟動參數或啟動曲線不合適造成電機起不來，這是常見故障。
(2) 晶閘管燒毀
晶閘管擊穿或爆炸，此類故障不分國內外品牌，因廠家而易，但都比接觸器的故障率低，而且主要問題出現在餅式倡閘管的安裝工藝上。
(3) 控制器燒損
相對于軟啟動器來講，控制器燒毀故障是最嚴重的。有的廠家此類故障造成的返修率已超過30%。進口的或合資的廠家此類問題不多見。主要是控制器的電源和觸發電路以及輸入電路三部分容易燒毀。
(4) 軟啟動器誤動作
電動機在運行的裝態下因軟起動器受干擾而停機，在停止狀態下因軟起動器受干擾而起動是時有發生，前者較普遍，后者只有兩個品牌發生過。究其原因，一是產品質量問題，二是和線路布局有關。
(5) 軟啟動器內部插接件接觸不良
軟啟動器內部插接件選用本來不是問題，這是國內廠家容易忽略的問題，經常出現故障。

8 結束語
通過論述，電動機的降壓起動方式經過了“Y-Δ” 起動器和自耦降壓起動器到磁控式軟起動器，現今發展到電子軟起動器。而軟啟動器由于晶閘管結壓降功耗帶來的問題，又從在線運行過度到旁路運行方式，現在又發展到在線運行內置旁路。總體而言軟啟動器的可靠性有的比接觸器高，有的比接觸器低。科學在發展技術在進步，由于內置可控硅旁路在線運行軟啟動器采用了無電弧技術，為超智能無電弧高可靠性接觸器的誕生奠定了基礎。