第一節(jié) 電機軟啟動裝置基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

軟啟動器主電路圖

軟啟動器基本接線圖

1、限流起動

用該方式起動電機時，軟起動器的輸出電壓迅速增加，直到輸出電流達到限流值，保持輸出電流不大于該值，電壓逐步升高，使電動機加速，當達到額定電壓、額定轉(zhuǎn)速時，輸出電流迅速下降至額定電流，起動過程完成，如圖：

限流起動過程圖

2、電壓斜坡軟起動

用該方式起動電機時，軟起動器的電壓快速升至U1，然后在設(shè)定的時間t內(nèi)逐漸上升，電機隨著電壓的上升不斷加速，達到額定電壓和額定轉(zhuǎn)速時，起動過程完成，如圖：

電壓斜坡軟起動過程圖

3、斜坡限流起動

用該方式起動電機時，輸出電壓以設(shè)定的時間平穩(wěn)上升，同時輸出電流以一定的速率增加，當起動電流增至限定值IM時，電流保持恒定，直至起動完成如圖：

斜坡限流起動過程圖

4、軟停車

在該方式下停止電機時，電機的輸出電壓由額定電壓在設(shè)定的軟停時間內(nèi)逐步降至零，過程完成，如圖：

軟停車過程圖

第二節(jié) 電機軟啟動裝置新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

軟啟動器主回路采用晶閘管，通過逐步改變晶閘管的導(dǎo)通角來抬升電壓，完成啟動過程，這是軟啟動器的基本原理。目前在低壓軟啟動器市場產(chǎn)品繁多，但是高壓軟啟動器產(chǎn)品還是比較少。高壓軟啟動器與低壓軟啟動器基本原理一樣，但是高壓軟啟動器與低壓軟啟動器相比，有些地方存在著其特殊性：

1、高壓軟啟動器在高壓環(huán)境下工作，各種電氣元器件的絕緣性能一定要好，電子芯片的抗干擾能力要強。高壓軟起動器組成電氣柜時，電氣元器件的布局以及與高壓軟啟動器與其它電氣設(shè)備的連接也是非常重要的。

2、高壓軟啟動器必須有一個高性能的控制核心，能對信號進行及時和快速地處理。因此這個控制核心一般采用高性能的DSP芯片，而不是低壓軟啟動器的普通單片機芯。低壓軟啟動器主回路由三組反并聯(lián)的晶閘管組成。而在高壓軟啟動器中，由于目前單只高壓晶閘管的耐壓能力不夠，所以必須由多個高壓晶閘管串聯(lián)進行分壓。但是每個晶閘管的性能參數(shù)沒有完全一致。晶閘管參數(shù)的不一致，會導(dǎo)致晶閘管開通時間不一致，從而導(dǎo)致晶閘管的損壞。因此在晶閘管的選配上，必須保證每一相的晶閘管參數(shù)盡可能地一致，并且每一相晶閘管的RC濾波電路的元件參數(shù)盡可能一致。

高壓軟啟動器的一個難點在晶閘管的觸發(fā)上。由于主回路有多個晶閘管，每個晶閘管需要一塊觸發(fā)板來完成觸發(fā)。觸發(fā)電路屬于控制電路，根據(jù)觸發(fā)電路與主回路的電氣關(guān)系，觸發(fā)電路有兩種形式：1）觸發(fā)電路與主回路隔離。隔離元器件有兩種：一種方式是采用光耦，但是光耦在開通時和關(guān)斷時存在著死區(qū)，高壓條件下，無論是啟動或軟停車，實現(xiàn)起來并不容易。并且由于單個光耦耐壓能力不夠，必須進行光耦的串聯(lián)，但是各個光耦的不一致性會導(dǎo)致其在高壓條件下存在著被擊穿的風(fēng)險。盡管低壓軟啟動器采用這種方式非常方便有效，但在高壓條件下，還是存在不少困難。一種方式是采用脈沖變壓器。這種方式比較成熟可靠，在脈沖變壓器的原邊輸入脈沖，在次邊產(chǎn)生的脈沖波加在晶閘管的門極和陰極之間來完成觸發(fā)。觸發(fā)脈沖高電平和低電平的時間比也很重要，高電平時間長，對觸發(fā)板上的電源消耗大，高電平的時間短，不能充分開通晶閘管。這種方式由于脈沖變壓器的功率限制，在觸發(fā)超大功率晶閘管時存在著一定的困難。不過通過恰當?shù)靥幚砻}沖變壓器的原邊脈沖波，還是可以實現(xiàn)的。2）觸發(fā)電路與主回路有一個等電勢。這種方式避開了脈沖變壓器的功率限制，但對觸發(fā)電路處理要求更高。

不論何種觸發(fā)電路，都要求有一個良好的觸發(fā)電源，這個電源給多塊觸發(fā)板供電。首先這個電源必須非常穩(wěn)定，其次這個電源能夠自我調(diào)整，適應(yīng)于各種功率的晶閘管的觸發(fā)。晶閘管充分觸發(fā)需要多少能量提供多少能量，既不多給，也不少給。多給會燒壞晶閘管，少給會開不通晶閘管。

3、高壓軟起動器的工作環(huán)境容易受到各種電磁干擾，因此觸發(fā)信號的傳遞必須安全可靠。高壓軟起動器中，傳遞觸發(fā)信號，一般采用光纖傳輸，能有效地避免各種電磁干擾。通過光纖傳遞信號，也有兩種方式：一種多光纖方式，一種單光纖方式。多光纖方式即每塊觸發(fā)板有一路光纖；單光纖方式即每一相只有一路光纖，信號傳遞到一塊主觸發(fā)板，再由主觸發(fā)板傳遞到同一相的其他觸發(fā)板。由于各路光纖光電傳輸過程中損耗不盡一致，因此從觸發(fā)一致性上看，單光纖的方式比多光纖可靠。

4、高壓軟啟動器對信號的檢測比低壓軟啟動器要求更高。高壓軟起動器所在的環(huán)境存在著大量的電磁干擾，并且高壓軟啟動器所用的真空接觸器和真空斷路器在其分斷和閉合過程中會產(chǎn)生大量的電磁干擾。所以對檢測到的信號不僅要進行硬件濾波，也要進行軟件濾波，去掉干擾信號。

5、軟啟動器在完成啟動過程后，要切換到旁路運行狀態(tài)，如何平滑地切換到運行狀態(tài)，這也是軟啟動器的一個難點，如何選準旁路點非常重要。旁路點早了，電流沖擊非常大，即使在低壓條件下，也會造成三相電源中斷路器跳閘，甚至?xí)p壞斷路器。高壓條件下危害更大。旁路點遲了，電機抖動得厲害，影響負載正常工作。因此，旁路信號的硬件檢測電路必須非常精確，并且程序處理也要恰到好處。

綜上所述，盡管低壓軟啟動器和高壓軟啟動器的基本原理一致，但高壓軟啟動器存在的諸多技術(shù)難題，使得在低壓軟啟動器遍地開花的情況下，高壓軟啟動器的成熟產(chǎn)品并不多見。

電子晶閘管軟啟動器與電磁式啟動器相比各有優(yōu)缺點，由于電磁式開關(guān)觸頭壓降比晶閘管壓降小得多，損耗小，而電子晶閘管軟啟動器消耗熱耗散功率，損耗大。因此，使用電子晶閘管軟啟動器時，最好加裝旁路接觸器。軟停機時將接觸器打開，軟啟動器投入，晶閘管全導(dǎo)通，實現(xiàn)軟停機。

株洲電力機車 研究 所綜合自己在高電壓大功率半導(dǎo)體制造、電力電子及其控制等方面多年的成功經(jīng)驗以及引進、吸收國外著名公司高壓晶閘管閥成熟技術(shù)，成功開發(fā)出了TGQ-1高壓電機軟起動器。本軟起動器通過應(yīng)用大功率高壓晶閘管技術(shù)和現(xiàn)代計算機實時控制技術(shù)，解決了高壓大容量拖動風(fēng)機、水泵及磨機等負載的交流電機起動和軟停機的難題，同時實現(xiàn)了對電機和軟起動器本身的保護。

第三節(jié) 電機軟啟動裝置國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，高壓晶閘管軟起動器只有ABB、SIEMENS等少數(shù)幾家國際大公司能夠生產(chǎn)。

第四節(jié) 電機軟啟動裝置技術(shù)開發(fā)熱點、難點 分析

1、單片機控制的晶閘管觸發(fā)器

晶閘管在燒結(jié)爐、電弧爐等整流場合主要采用移相觸發(fā)控制，即通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通時刻的相位實現(xiàn)控制輸出。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路，無法克服其固有缺點。數(shù)字式控制電路與模擬式相比，主要優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高，但其缺點是電路比較復(fù)雜，移相觸發(fā)角較大時控制精度不高。

隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，由單片機組成的控制電路的優(yōu)勢越明顯，除具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點外，更因其移相觸發(fā)角通過軟件計算完成，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，溫漂影響小，控制精度可通過軟件補償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點，目前已獲得業(yè)界的廣泛認可。

單片機控制的晶閘管觸發(fā)器主要由同步信號檢測、CPU硬件電路、復(fù)位電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路4部分組成。CPU通過檢測電路獲知觸發(fā)信號，依據(jù)所要控制的電路要求，通過編程實現(xiàn)預(yù)定的程序流程，在相應(yīng)時間段內(nèi)通過單片機I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號，復(fù)位電路可保證系統(tǒng)安全可靠的運行。

晶閘管觸發(fā)器的組成

2、高壓電動機軟起動裝置的技術(shù)實現(xiàn)

國內(nèi)電氣公司數(shù)字式軟起動產(chǎn)品適用電機的電壓等級均是低壓（380V）的。但是，在3~10KV這樣的電壓等級范圍內(nèi)，人們對軟起動需求的迫切性絲毫不亞于低壓。電網(wǎng)短路容量與電機容量的比值越小，軟起動的迫切性越高。

高壓電動機軟起動裝置的技術(shù)實現(xiàn)問題實質(zhì)上是執(zhí)行元件的問題。各類高壓電動機軟起動裝置分類的主要標準就是所采用的執(zhí)行元件。例如，以‘水電阻’為執(zhí)行元件的就分類為液態(tài)電阻、熱變電阻軟起動裝置，以SCR為執(zhí)行元件的就分類為晶閘管軟起動裝置，以飽和電抗器為執(zhí)行元件的就分類為磁控軟起動裝置。軟起動裝置的一切控制均以執(zhí)行元件的特性和需求為著眼點。

國內(nèi)電氣公司跨進高壓電動機軟起動領(lǐng)域有3個可行的途徑。

第一個途徑

是仿照國外公司，通過SCR器件的串連走向高壓。為此，要盡量提高所用SCR器件的耐壓等級和開關(guān)速度，改進它的觸發(fā)系統(tǒng)，提高觸發(fā)和關(guān)斷的同時性。在這條路上，個別廠家已經(jīng)進行了一些積極的探索，據(jù)說已具備生產(chǎn)用以軟起動1000KW高壓電動機晶閘管裝置的能力，其預(yù)計價格據(jù)說僅為進口產(chǎn)品的1/3。但是，在決定跟進晶閘管途徑時，它的高風(fēng)險（源于SCR的串、并聯(lián)）、高成本、大諧波污染等，是值得決策者三思的。

第二個途徑

以‘開關(guān)變壓器’為主要特征。它仍然是以SCR為電力電子器件的。以‘開關(guān)變壓器’為中介，可以繞過SCR器件串連均壓的難關(guān)。‘開關(guān)變壓器’的原邊串連在電動機定子回路里，在較低電壓的變壓器副邊通斷SCR可以折合為原邊電路的通斷。此途徑保留了第一途徑的主要優(yōu)點。第二途徑惹出的新問題是‘開關(guān)變壓器’的成本、占用空間，以及并聯(lián)SCR的均流問題。

第三個途徑

就是借助高壓磁飽和電抗器[1~4]。在第三途徑里，磁飽和電抗器的作用是在直流側(cè)以20~50倍的功率放大倍數(shù)間接控制高壓電動機定子電流。磁飽和電抗器完成高、低壓的隔離。在這一途徑里，同樣需要采用接成三相整流橋的SCR，對于不大于50兆瓦的電動機而言，SCR完全不必串連或并聯(lián)。

磁飽和電抗器作為高壓電動機軟起動裝置的執(zhí)行元件，具有其它執(zhí)行元件不可替代的優(yōu)點，諸如可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、穩(wěn)定性好、體積小（5600KW，10KV含飽和電抗器在內(nèi)的柜體尺寸為1.6*1.6*2.5米）、成本低等等。

高壓磁控軟起動裝置的價格比液態(tài)軟起動裝置相當。

飽和電抗器材料的主要構(gòu)成為硅鋼片和銅線。

硅鋼片重量與鐵芯截面積S和磁路長度L的乘積成正比。窗口面積與S成正比。因為S與電動機容量P的1/2方成正比，L與P的1/4方（S的1/2方）成正比，所以，硅鋼片重量與P的3/4方成正比。銅線消耗量的情況也類似。所以，磁飽和電抗器的成本價與容量P的3/4方成正比。如果P=A電機軟起動裝置的單位容量成本價X=B，則P=10A電機的軟起動裝置的X=0.56B。X隨容量增加而減小的結(jié)論，完全可以從我已經(jīng)做過的20多臺不同容量軟起動裝置磁飽和電抗器的設(shè)計中得到驗證。例如，3200KW（6KV）電動機軟起動裝置飽和電抗器的材料總重量是1.5T，14000KW（10KV）電動機軟起動裝置飽和電抗器的材料總重量是4.0T，后者的容量是前者的4.4倍，而后者的材料重僅是前者的2.7倍。

這種現(xiàn)象，在SCR軟起動裝置里并不存在。容量增加后，SCR需要并聯(lián)，加大了技術(shù)實現(xiàn)的麻煩程度，其單位容量的成本價只會增加，不會減少。

國內(nèi)全數(shù)字晶閘管軟起動產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品均是國外產(chǎn)品一定程度的仿制品。因此，此類產(chǎn)品除了靠壓低價格以外，很難銷往國外。

第五節(jié) 電機軟啟動裝置未來技術(shù)發(fā)展趨勢

單片機控制的交流異步電動機軟起動器是電機軟啟動裝置未來發(fā)展的主要方向之一。

影響高壓晶閘管軟起動裝置推廣應(yīng)用的重要原因是目前其價格還比較高，雖然國產(chǎn)化后其價格已僅為進口同類產(chǎn)品的一半或更低，但比液阻等軟起動裝置要高出不少。目前的晶閘管元件價格較高，但隨著高壓晶閘管軟起動裝置的不斷推廣應(yīng)用，隨著晶閘管元件的應(yīng)用批量不斷增大及其產(chǎn)生成品率的不斷提高，其價格會處于不斷下降的趨勢。

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