软启动器工作原理、分类及作用

      软启动器是一种集软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装备。实现在整个启动过程中无冲击而平滑的启动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的各种参数，如限流值、启动时间等。

中文名：软启动器

外文名：Soft starter

作用：实现整个启动过程中无冲击而平滑

功能：软启动、软停车、轻载节能

 

主要分类

软启动器主要分类：

1、根据电压分类：高压软启动器、低压软启动器；

2、根据介质分类：固态软启动器、液阻软启动器；

3、根据控制原理：电子式软启动器、电磁式软启动器；

4、根据运行方式：在线型软启动器、旁路型软启动器；

5、根据负载：标准型软启动器、重载型软启动器。

 

工作原理

软启动器工作原理

软启动器（软启动器）是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。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。

启动方式

运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。

斜坡升压软起动：这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。

斜坡恒流软起动：这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1至t2阶段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。

阶跃起动：开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。

脉冲冲击起动：在起动开始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。笼型电机传统的减压起动方式有Y-q起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。

节能原理

电动机属感性负载，电流滞后电压，大多数用电器都属此类。为了提高功率因数须用容性负载来补偿，并电容或用同步电动机补偿。降低电动机的激磁电流也可提高功率因数（HPS2节能功能，在轻载时降低电压，使激磁电流降低，使COS∮提高）。节能运行模式：轻载时降低电压减少了激磁电流，电机电流分为有功分量和无功分量（激磁分量）提高COS∮。

运行模式

当电动机负载轻时，软启动器在选择节能功能的状态下，PF开关热拨至Y位，在电流反馈的作用下，软启动器自动降低电动机电压。减少了电动机电流的励磁分量。从而提高了电动机的功率因数（COS∮）。（国产软启动器多无此功能）在接触器旁路状态下无法实现此功能。TPF开关提供了节能功能的两种反应时间；正常、慢速。节能运行模式：自动节能运行。（正常、慢速两种反应速度）空载节能40%，负载节能5%。

控制原理

软启动器是通过控制可控硅的导通角来控制输出电压。因此，软启动器从本质上是一种能够自动控制的降压启动器，由于能够任意调节输出电压，作电流闭环控制，因而比传统的降压启动方式（如串电阻启动，自耦变压器启动等）有更多优点。例如满载启动风机水泵等变转矩负载、实现电机软停止、应用于水泵能完全消除水锤效应等。

功能特点

主要功能

1、过载保护功能：软起动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号。

2、缺相保护功能：工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应。

3、过热保护功能：通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。

4、测量回路参数功能：电动机工作时，软启动器内的检测器一直监视着电动机运行状态，并将监测到的参数送给CPU进行处理，CPU将监测参数进行分析、存储、显示。因此电动机软起动器还具有测量回路参数的功能。

5、其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它种种联锁保护。

 

主要应用

 

交流鼠笼异步电动机由于结构简单，控制方便，效率高而被人们广泛地应用于机械设备的拖动中。在民用建筑中的大多数机械设备如消防泵、喷淋泵、生活泵、冷冻机组等的动力都是交流鼠笼异步电机。当建筑物层数较高或规模较大时，这些机械设备的电机的额定功率通常都较大，如消防泵的额定功率通常都在55kW-150kW之间。这些设备在起动过程中，将产生较大的起动电流，造成较大的电压降。因此恰当地选择起动方式具有减少供电容量和保证建筑物供电可靠性等重要意义。正因为如此，软启动器在民用建筑领域的应用中将具有广阔前景。

1、民用建筑中水泵等动力设备的启动方式的比较

众所周知，鼠笼式异步电机采用全压起动时起动电流大，起动时间长的。当电机的功率较大时，起动电流很大（起动电流为额定电流的5—8倍）。很大的起动电流将引起配电系统的电压降，影响接在同一台变压器或同一条供电线路上的其它电气设备的正常工作，甚至使柴油发电机组熄火停机。同时由于起动转矩较大，将对负载产生冲击，增加传动部件的磨损和额外维护。所以当电机的容量较大（一般为超过电源容量的20%—30%时）均采用降压起动。

传统上采用的降压起动的方法有Y/△换接起动和自耦变压器降压起动。虽然这两种起动方式均可降低起动电流，但是在降压起动过程完成后的分档投切和加全压的瞬间，仍将产生数倍额定电流的尖峰电流（二次冲击电流），此电流将对配电系统造成冲击，同时产生的破坏性的动态转矩会引起水泵电机的机械震动，对电机的转子、中间齿轮等非常有害，并使供电线路电耗增大。

软启动器也是降压起动器的一种。它是利用性能先进的微处理器，合理有序地控制大功率晶闸管组件导通，使之产生逐步增加的平滑的交流电压加在交流电动机上，使电动机按预先设定的方式和参数进行渐进地加速，实现软起动。可见采用软起动器可以对大电机实现平滑、均匀稳定的起动，避免大电机起动时对电网的冲击，减少机械震动和噪音，减少供电线路的电耗。

2、软起动器在民用建筑动力设备控制中的应用

软起动器具有软起动，软停止，泵控制，定时低速运行等多种功能。因此，在民用建筑领域的动力设备控制中具有传统降压起动器不可比拟的优越性。下面以某高层建筑中的消防泵为例，分析软起动器在消防泵的起动及运行控制方面的突出优点。该高层建筑中消防泵的最大容量为110KW，一备一用。采用A-B公司的150-B240NBD软起动器。

1）软起动如前所述，在起动时间ts内，电机的端电压从设定的初始值逐渐增长至满压，电机是平滑、无级地加速。同时起动时间ts可调节（通常在0.5-60秒之间），这有利于与空气开关之间的配合，防止空气开关的瞬时脱扣器在电机起动时误跳闸。

2）泵控制功能水泵在起动和停车时，水流冲击管道，产生严重的“水锤效应”。虽然水道专业已采取了一些消除水锤效应的措施，但是如果采用带泵控功能的软起动器，则完全可以消除水锤效应，减少机械维护的工作量，节省系统维修费用，并保证供水可靠。值得一提的是该功能为可选件，定货图上应注明。

3）过载保护功能一般电机的过载保护是通过热元件来实现的。热元件在电动机起动的过程中很难避开电机的起动电流而产生误动作。为避免误动，用户常加大热元件的动作电流，使过载保护形同虚设。而软起动器内置的过载保护功能是根据I2t算法用电子装置来完成的。它可根据起动负荷的轻重即起动时间的长短不同来选择不同的脱扣特性曲线以避免在起动过程中误跳。由于它的过载保护是可编程的，从而为用户提供了更大的灵活性。并且选用带内置过载保护功能的软起动器可以省去热继电器，使控制柜内布线更简单，迅速。

4）参数测试功能可通过按键在显示窗口选择显示电机的运行参数如三相电压值、三相电流值、功率因数、运行时间等，而不需增加任何仪表。此功能可使用户很方便的查询电机在运行过程中的各种参数。

5）消防水泵定期自动试机由于消防水泵属消防应急设施，平常时长期处于不使用状态，容易出现泵卡死的现象。一旦火灾发生时如果无法正常运转，将影响消防扑救的顺利进行，造成严重后果。《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92第24.6.6条规定“消防泵（包括喷洒泵）、排烟风机及正压送风机等重要消防用电设备，宜采取定期自动试机、自动检测措施。”该软起动器具有的定时低速运行功能，可根据用户设定的时间自行定时起动、停止，对消防泵起到一个定期自动试机、自动检测的作用，提高消防泵作为消防设施的可靠性，应急性。而采用传统的降压起动方式将很难对消防水泵定期自动试机。

3、民用建筑动力设备控制中采用软起动器时应注意的问题

1）有的软起动器具有多种内置的保护功能，如失速及堵转测试、相间平衡、欠载保护、欠压保护、过压保护等，对电机而言起到了进一步的保护作用。设计时应根据具体情况通过编程来选择保护功能或使某些保护功能失效。《低压配电设计规范》GB50054-95第4.3.5条规定：“突然断电比过负载造成的损失更大的线路，其过负载保护应作用于信号而不应作用于切断电路。”在前面提到的消防泵控制系统中，由于消防泵是消防应急负荷，它是在消防救火的紧要关头工作的。当火灾发生时，最重要的问题是消防泵能地运转打水到消防管网中，而对消防泵电机的保护就不是重要问题。所以上面提到的某些保护功能可以通过编程使它失效，或者使保护动作于信号而不是作于使消防泵电机停机。前面提到的过载保护功能也只应动作于信号。

2）支路保护由于软起动器本身没有短路保护，为保护其中的晶闸管，应该采用快速熔断器（自动空气开关的开断时间较长，为0.1秒，不能有效地保护晶闸管）。设计时可依据厂家提供的产品样本，根据软起动器的额定电流选择相应的快熔断器。

3）当软起动器使电机制动停机时，只是晶闸管不导通，在电机与电源之间并没有形成电气隔离。如果此时检修软起动器之后的线路、电机，那是不安全的。所以在电机一次控制回路中应在软起动器之前增加断路器。

4）由于信息及网络技术的飞速发展，现代的楼宇特别是智能建筑中电子设备日益增多，它们对电网的质量有较高的要求。而由于软起动器采用了可控硅等非线性器件，所以当软起动器功率较大或者台数较多时，产生的高次谐波将对电网造成不良的影响并对建筑物内的电子设备产生干挠。此时可装设旁通接触器。在软起动器使电机平稳起动至正常转速后，接触器KM闭合，把软起动器短接。

即在起动完成之后，大功率晶闸管处于不导通状态，减少高次谐波对电网及电子设备的干挠。

5）软起动器在通过电流时将会产生热耗散，安装时应注意在其上、下方留出一定空间，以使空气能流过其功率模块。当软起动器额定电流较大时，要采用风机降温。风机的电源可取自电机控制系统的二次回路。

总之，软起动器是一种新型的、性能优良的起动装置，是交流异步电机起动器的首选产品。但是由于软起动器主要为进口产品，价格较高。

 

主要特点

 

1、在结构上采用电动机软启动器作为控制输出执行元件，控制逻辑用 PLC 可编程控制器实现，使得系统结构简单明了，采用数字监控和数字设定，提高了控制系统的可靠性，也便于维护。同时具有外控功能，可根据使用情况进行连接，方便控制。

2、电动机软启动器对电动机提供平滑渐进的启动过程，减少启动电流对电网或发电设备的冲击，将启动电流控制在安全范围内，改善了原控制系统因启动电流较大冲击厂用电源而影响其它设备正常运行的状况。

3、启动过程采用双向可控硅，启动过程完成后，接触器短接可控硅的控制方式，避免了用接触器直接控制电动机使触点易拉弧、粘连、烧坏等故障的发生，同时也节约了能源。

4、软启动、软停车方式，降低设备的振动和噪声，减少机械应力，延长发电设备及机械传动系统地使用寿命。

5、具有过流、过载、电源缺相等多种保护功能，同时可以检测到负载所涉及（如空压机）系统各种不良运行情况，有利于保护设备的安全运行。

6、控制盘上的显示功能，便于在现场全面了解设备运行情况。

7、数字化参数设定及显示功能直观、方便、省时。