王志新, 王 亮, 陸斌鋒, 陳道賢

(1. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；2.嘉興清源電氣科技有限公司，浙江 嘉興 314031；3. 索肯和平(上海)電氣有限公司，上海 201908)

0 引 言

異步電動機因為運行可靠、價格便宜、維護方便等特點，得到了廣泛應(yīng)用，成為電力系統(tǒng)的主要負荷之一。在工業(yè)生產(chǎn)中，所用電機的功率很大，直接起動時，起動電流通常會達到額定電流值的4～7倍[1]。特別是對6 kV以上的高壓大容量電動機，如此大的起動電流會造成電機本身起動困難，同時引起電網(wǎng)電壓急劇下降，影響其他設(shè)備的運行。為解決電動機的起動問題，電動機軟起動技術(shù)受到了廣泛地研究與應(yīng)用。軟起動一般分為降壓軟起動和變頻軟起動[2]。變頻裝置價格昂貴，主要用于電機調(diào)速領(lǐng)域，目前市場上的軟起動器大多采用降壓軟起動[3]。本文主要對降壓軟起動方式進行研究。

文獻[4-5]對開關(guān)變壓器式軟起動器的結(jié)構(gòu)和起動特性進行了研究。文獻[6]提出了一種基于磁通可控原理的新型連續(xù)可調(diào)電抗器，并通過樣機驗證了方法的可行性。文獻[7]分析了大容量電動機起動對電網(wǎng)電壓的影響，導(dǎo)出了TCS降補固態(tài)軟起動器的工作原理。除了工作原理和結(jié)構(gòu)的發(fā)展，軟起動器的控制技術(shù)也取得了很大進步。文獻[8]對軟起動器的轉(zhuǎn)矩控制方式進行了分析。文獻[9-18]將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法與電動機軟起動結(jié)合，開發(fā)了若干不同控制器，并通過仿真和試驗進行了驗證。本文詳細分析了常見軟起動器的拓撲結(jié)構(gòu)和工作特性，并對軟起動器的控制策略進行了闡述。

1 軟起動器的結(jié)構(gòu)與特性

根據(jù)起動是否平滑，軟起動可分為有級調(diào)節(jié)方式和無級調(diào)節(jié)方式。早期的軟起動器結(jié)構(gòu)簡單，一般采用有級調(diào)節(jié)方式，包括星/角變換軟起動、自耦變壓器軟起動等方式。由于分級切除串聯(lián)器件時會產(chǎn)生二次沖擊電流，電機不能頻繁起動，且系統(tǒng)不能形成閉環(huán)控制，存在起動不平穩(wěn)、控制效果差等問題。有級調(diào)節(jié)方式逐漸被液體電阻軟起動、晶閘管軟起動等無級調(diào)節(jié)方式取代。

1.1 傳統(tǒng)有級調(diào)節(jié)軟起動

星/角變換軟起動是低壓電機常用的軟起動方式，只適用于正常運行時定子繞組為三角形連接的電動機。但高壓電機通常額定運行于星形連接，因此星/角變換的方法基本不用于高壓電機的起動[19]。

自耦變壓器降壓起動也是一種有級調(diào)節(jié)軟起動方式。它能夠有效減少起動電流，但存在滑動觸點電弧燒損、碳刷磨損、局部匝間短路、切換時大電流沖擊等問題，在實際應(yīng)用中受到限制[20]。此外，自耦變壓器還有體積大、成本高、消耗金屬材料多的缺點。

在電動機定子繞組上串聯(lián)電阻或電抗，也可以有效減少起動電流。但是，高壓大容量電機串電阻降壓起動時會產(chǎn)生很大的電能損耗，而在串定值電抗起動時，系統(tǒng)適應(yīng)性較差。因此，這種降壓起動方式已經(jīng)很少使用。

1.2 液體電阻軟起動

液體電阻軟起動與傳統(tǒng)定子串電阻起動相似。它在電機的定子回路串入液體電阻，通過改變極板的距離，相應(yīng)地改變極板間液體電阻，從而實現(xiàn)電機的無級降壓起動。

由于控制方便、液阻容量大、價格低廉、不產(chǎn)生高次諧波和能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)節(jié)等優(yōu)點，液體電阻軟起動器得到了廣泛的應(yīng)用。但是，對于大容量電機，每次起動后電解液會有10～30℃的溫升，使軟起動的重復(fù)性差[21]。同時，液體電阻箱體積較大，維護困難，需要經(jīng)常添加液體以保持液位，溫度較低時還要注意溶液結(jié)冰問題。

1.3 熱變液阻軟起動

熱變液阻軟起動器將熱變液態(tài)電阻串入電動機的三相定子回路中。當電動機剛起動時，產(chǎn)生較大的定子電流，定子內(nèi)部溫度逐漸升高，熱變液態(tài)電阻本身的負溫度電阻系數(shù)特性導(dǎo)致其阻值逐漸降低，電動機端電壓和起動轉(zhuǎn)矩逐漸增加，從而實現(xiàn)電動機在較小的起動電流下平穩(wěn)起動。因此，這種軟起動器結(jié)構(gòu)簡單，不需要傳動裝置，維護方便，提高了設(shè)備的可靠性

和液體電阻軟起動器相似，熱變液阻軟起動器因為電阻箱體積較大、發(fā)熱量大，需要經(jīng)常維護。另外，其對環(huán)境尤其是溫度變化的耐受能力較差，難于保證不同環(huán)境溫度下軟起動性能的一致性，裝置的調(diào)整裕度也相當有限。

1.4 晶閘管軟起動

隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，晶閘管軟起動器的性能越來越優(yōu)越，不僅有效解決了電動機起動過程中電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊的問題，還具有很強的適應(yīng)性，可以根據(jù)負載變化調(diào)整起動參數(shù)，從而達到最佳的控制效果。晶閘管軟起動器常采用如圖1所示三相交流調(diào)壓電路。它在電源和異步電動機之間接入三對反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓電路，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)輸出電壓，使電機的起動電流平穩(wěn)上升，減少對電流的沖擊。

圖1 晶閘管三相交流調(diào)壓電路

目前，由于受到晶閘管電壓和容量限制，晶閘管軟起動器主要應(yīng)用在低壓電機領(lǐng)域。在中、高壓領(lǐng)域，一般采用晶閘管串聯(lián)的方式來解決耐壓問題。但是，晶閘管串聯(lián)起動方式對元器件參數(shù)的一致性要求比較高，而且設(shè)備的價格比較昂貴，一旦元器件損壞，用戶很難修復(fù)[22]。因此，晶閘管串聯(lián)起動在高壓電動機軟起動方面的應(yīng)用比較少，只有國外GE、ABB、SIEMENS等大公司生產(chǎn)這種裝置。近年來，我國在高壓晶閘管串聯(lián)技術(shù)上也取得了飛躍式發(fā)展，國內(nèi)如索肯和平電氣有限公司(HPMV系列)、上海雷諾爾電氣有限公司(RNM系列)等公司相繼研發(fā)出高壓大功率晶閘管固態(tài)軟起動產(chǎn)品。其中，上海雷諾爾電氣有限公司研發(fā)的RNMZ中高壓抽出式固態(tài)軟起動裝置最高額定電壓可達11 kV，最大容量達4 400 kW，能滿足大部分高壓大容量電機軟起動要求。

1.5 開關(guān)變壓器式軟起動

開關(guān)變壓器式軟起動也是一種利用電力電子器件的開關(guān)特性進行調(diào)壓的起動方式。工作原理圖如圖2所示。開關(guān)變壓器的高壓側(cè)繞組串聯(lián)在高壓電動機定子回路中，低壓側(cè)繞組與晶閘管和控制系統(tǒng)相連。通過改變低壓側(cè)繞組上的電壓來改變其高壓側(cè)繞組上的電壓，從而達到改變高壓電動機定子端電壓的目的，實現(xiàn)電動機的軟起動。

圖2 開關(guān)變壓器式軟起動器結(jié)構(gòu)圖

這種起動方式具有較高的響應(yīng)速度和控制精度，可連續(xù)多次起動，同時由于變壓器總是工作在開關(guān)狀態(tài)，所以損耗很小。雖然開關(guān)變壓器降低了晶閘管電壓，避免了晶閘管串聯(lián)的問題，但晶閘管上承載的電流增大，其容量并沒有減少。因此選擇晶閘管時，其容量要與變壓器相等，提高了軟起動器的成本。

1.6 磁控軟起動

磁控軟起動是從電抗器軟起動衍生出來的一種起動方式[23]，也是通過在電動機定子側(cè)串聯(lián)電抗器實現(xiàn)電動機的軟起動。不同的是，磁控起動器采用電抗值可平滑控制的飽和電抗器取代定值電抗器，在低壓側(cè)通過晶閘管控制飽和電抗器的直流勵磁電流，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中，SCR為三相全控橋，SR為飽和電抗器。

圖3 磁控軟起動器結(jié)構(gòu)圖

由于飽和電抗器具有較大的磁慣性，磁控軟起動器的響應(yīng)速度比較慢。此外，磁控軟起動器的調(diào)節(jié)范圍有限，電機的起動電壓不能控制得太低。磁控軟起動器工作時，需要一定的輔助電源，會產(chǎn)生較大噪聲。

1.7 TCS降補軟起動

大容量電機在起動過程中會消耗大量無功(起動過程中功率因數(shù)可低至0.1以下)，引起電網(wǎng)電壓的波動[24]。TCS降補軟起動器通過在機端并聯(lián)一個無功發(fā)生器提供電機起動所需的無功功率，減小電機的起動電流，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 TCS降補軟起動器結(jié)構(gòu)圖

1.8 變頻調(diào)壓軟起動

變頻器主要用于電機調(diào)速領(lǐng)域。它能對電壓和頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)。采用變頻器控制的電機具有良好的動、靜態(tài)性能，能夠完成軟起動器的所有功能，并且具有功率因素高、起動電流小的優(yōu)點。與各種降壓軟起動器相比，變頻調(diào)壓軟起動具有明顯的技術(shù)先進性，但價格過于昂貴，因此很少單獨用于電機軟起動。

高壓電機降壓軟起動方式及特點如表1所示。

表1 高壓電機降壓軟起動方式比較

2 軟起動器的控制策略

隨著軟起動器的發(fā)展，其控制技術(shù)也不斷進步。從開環(huán)電壓斜坡控制，到電流限幅等閉環(huán)控制方式，再到閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制。軟起動器的控制性能得到了極大提升。目前，很多學(xué)者嘗試把現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，應(yīng)用到軟起動器上，并取得了一定成果。

2.1 電壓斜坡控制

電壓斜坡控制是一種最早應(yīng)用的起動方式，屬于開環(huán)控制。電壓斜坡起動時軟起動器輸出電壓有效值曲線如圖5所示。

圖5 電壓斜坡軟起動電壓曲線

電機起動后，軟起動器輸出電壓快速升至初始電壓Uc，然后按設(shè)定的斜坡曲線逐漸上升，把電機定子電流Is限定在允許范圍內(nèi)，最后達到穩(wěn)定值Ue。作為一種開環(huán)控制，電壓斜坡控制易受負載和電源變化的影響，無法獲得期望的起動效果。此外，由于沒有直接限流控制，起動時仍會產(chǎn)生較大的電流沖擊。因此，這種控制方式現(xiàn)在已很少應(yīng)用在軟起動器中。

2.2 電流限幅控制

為了得到更好的起動特性，出現(xiàn)了電壓、電流閉環(huán)控制方式，其中電流限幅控制最具代表性。在起動過程中，軟起動器不斷調(diào)整輸出電流，使之按圖6所示的電流曲線變化。

圖6 電流限幅控制軟起動電流曲線

在電動機起動初期，軟起動器逐漸增加輸出電流，當電流到達設(shè)定值后保持恒定，然后電壓逐漸升高，直到額定電壓。電流限幅控制可以始終保持較小的起動電流，同時可按需要調(diào)整電流設(shè)定值，有很強的適用性，因此得到了廣泛應(yīng)用。采用這種控制方式時，無法確定起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失了起動轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致起動時間相對較長。

2.3 電流突跳控制

突跳控制起動時電機電流曲線如圖7所示。電機起動時，電流在很短的時間內(nèi)迅速上升到設(shè)定值，再繼續(xù)起動。通過調(diào)節(jié)起動電流的設(shè)定值，可以使電動機快速起動，這種起動方式產(chǎn)生的沖擊電流太大，一般只應(yīng)用于要求快速起動的系統(tǒng)。

圖7 電流階躍控制軟起動電流曲線

2.4 轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制起動主要用于電動機帶重載的情況，電機起動時轉(zhuǎn)矩曲線如圖8所示。電機剛起動時，控制電機轉(zhuǎn)矩線性上升，從初始轉(zhuǎn)矩T0逐漸增大，直到最大轉(zhuǎn)矩Tm，隨著電機起動過程的結(jié)束，轉(zhuǎn)矩降至額定值TN并保持不變。

圖8 轉(zhuǎn)矩控制軟起動轉(zhuǎn)矩曲線

由圖8可知，轉(zhuǎn)矩控制起動時起動曲線平滑，柔性好，能夠很好的保護負荷，延長拖動系統(tǒng)的使用壽命，同時減小了對電網(wǎng)的沖擊。但這種起動方式所用的起動時間很長，對要求起動迅速的生產(chǎn)系統(tǒng)并不適用。

2.5 轉(zhuǎn)矩加突跳控制

轉(zhuǎn)矩加突跳控制是轉(zhuǎn)矩控制的一種改進。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動時的轉(zhuǎn)矩曲線如圖9所示。起動后在一個很短的時間內(nèi)對電機施加一個脈沖電壓造成轉(zhuǎn)矩突然增大(轉(zhuǎn)矩突跳)，以此克服大負載的制動轉(zhuǎn)矩，然后再和轉(zhuǎn)矩控制起動方式一樣。

圖9 轉(zhuǎn)矩加突跳控制軟起動轉(zhuǎn)矩曲線

與轉(zhuǎn)矩控制相比，這種控制方式可有效縮短起動時間，但它同時會產(chǎn)生一個電壓脈沖，造成電網(wǎng)波動，干擾其他負荷的正常運行。

2.6 模糊控制

由于異步電機的起動過程是一個高階、非線性、強耦合的時變系統(tǒng)，加之難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的PID控制無法達到理想的控制效果。模糊控制作為智能控制的一種，易于實現(xiàn)，并且不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，具有很強的魯棒性，非常適合應(yīng)用于電動機軟起動。圖10為一種模糊控制軟起動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖10 模糊控制軟起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器首先計算出電流設(shè)定值與反饋電流的偏差e和偏差變化率de/dt，然后將其模糊化，根據(jù)規(guī)則庫進行模糊推理，最后將推理結(jié)果解模糊后輸出。實際應(yīng)用表明，模糊控制器能夠有效減小起動電流，抑制轉(zhuǎn)矩沖擊。

表2列舉了上述軟起動器常用的起動方式和工作特性。

表2 軟起動器起動方式

索肯和平(上海)電氣有限公司研發(fā)的HPMV-DN中高壓軟起動裝置就可選用突跳起動、電壓斜坡起動、恒流起動等多種起動方式，功率適用范圍250～25 000 kW，額定電壓最高可達13.8 kV，具有優(yōu)異的起動性能。上海威爾克電氣科技發(fā)展有限公司的WKMV高壓固態(tài)軟起動器適用于交流電壓2.3、3.3、4.16、6、10 kV，功率200～18 500 kW，三相高壓異步(同步)電動機，采用的面板及運程操作方式，按照預(yù)先設(shè)定的曲線增加電動機電壓使電動機平滑加速，從而減少電動機起動時對電網(wǎng)拖動機械及相關(guān)的機械設(shè)備的沖擊。當電機起動完成正常運轉(zhuǎn)后，旁路真空接觸器接通，電動機進入正常工作。軟起動器繼續(xù)對電動機監(jiān)控并提供各種故障保護。上海日普電氣科技有限公司的RPMV系列中高壓軟起動裝置采用計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合，以高壓大功率晶閘管為主回路的開關(guān)元件，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來控制電動機電壓的平穩(wěn)升降和無觸點通斷，實現(xiàn)電動機的平穩(wěn)起停。以較理想的電流來起動電機，有效地減少對電網(wǎng)的沖擊，降低設(shè)備的振動、噪聲及起動機機械應(yīng)力，延長電動機及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。其中，RPR6系列電機軟起動器(柜)不需要旁路接觸器，擺脫外置旁路接線帶來的經(jīng)濟成本，是軟起動應(yīng)用向經(jīng)濟性、實用性、便利性的新突破，是軟起動應(yīng)用走向普及的典范。此系列產(chǎn)品運行全過程開關(guān)無觸點、無電弧，適用各種場合的電動機起停，是傳統(tǒng)的星三角磁力起動器、自藕減壓起動柜、電抗器等最理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

3 結(jié) 語

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的用電量不斷增長，對用電質(zhì)量和電機節(jié)能也提出了越來越高的要求。目前，電動機消耗的電能占到了全國消耗總電能的60%～70%，電動機軟起動技術(shù)因此得到了廣泛的關(guān)注和研究。市場上流行的軟起動器有很多種，軟起動原理和控制策略也不盡相同，了解各種軟起動器的優(yōu)缺點，并從中選擇最佳設(shè)備對電機和配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行都有極大意義。

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