浅谈三相异步电动机软启动控制与保护

刘丹

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 2018011

摘  要：软启动的调压模块一般由三相反并联晶闸管组成，可以通过改变晶闸管的触发角改变定子的电压，方便控制，性能良好。文章对三相异步电机的启动进行概述，分析了软启动的原理和特性，介绍了软启动系统构成及作用，同时分析了软启动技术的*性和实用性。

关键词：三相异步电动机；软启动控制技术；晶闸管

      传统电动机启动，对电力系统的各个部件造成重大影响，降低它们的使用寿命，甚至可能形成电网电压骤降，从而影响电力系统的安全运转，直接影响电网中的其余电气设施运转状态。如此大的电流不但加重了输入线路、供电网和电机前方的开关设施的负载，巨大的转矩冲击导致电机产生剧烈的脉冲。还给用于动力传递的辅助设施，如三角带、传动机构和用于动力传递的机械设备带来了机械冲击，并且无法避免。

      电动机频繁使用，再加上它直接启动带来的各种危害，一种新的启动方式——软启动应运而生，如今软启动已广泛应用到各个领域，与传统启动方式相比具有很多优势，而且软启动也分为各种启动的方式，各种方式应用于不同的领域，比如轻载，重载。同时，软启动所用材料也各有不同，不同的软启动材料也有不同的特点，也有各种不同的利弊。因为电机的问题，造成工厂出现事故，直接或者间接导致经济重大的损失。

      由此可以看出，电动机既是为数众多，广泛应用的动力设备，同时又是国民经济的薄弱环节，电动机的研究保护设计以及正确的使用，对于国民经济有着较重要的意义。

1.1启动过程

      异步电动机在社会的各个领域有着广泛的应用，各个行业如工业、农业、交通运输业，都少不了异步电动机，可见它在日常生活中对人们的重要性。

      电动机的电压和电流呈正比，所以要把电压全加到定子上的话可以减轻启动电流过大的冲击，这就是降压启动。一般降压启动的时候，在这样的情况下，它们的数值都不会很高：就是启动电流和启动转矩在电压的情况下，一同增加，一同减小。像这样的情况，更适合需求启动电流和启动转矩都不高的场合。

      为了更加便利，可以采用这样的办法：在电机启动时，为了避免造成谐波过大，首先可以采用星型连接的方式，在启动完成后把电路连接方式转换成三角形连接。异步电动机启动时要注意：启动需要的设备不要复杂，要简单，操作要方便；电动机要有特别大的启动转矩；启动转矩相同的情况下，启动电流小的越适合人们应用，功率损耗越小的越受到广泛应用。转矩和启动电流是电机启动时的两个重要参数，要兼顾这两个方面来控制电动机的启动。

三相异步电动机的电机的磁场与静止转子相对运动后，转子的电流和感应电动势在变大，定子也是如此。但是，过大的启动电流会导致电压下降，电压下降过大会直接影响电网电力设备的运行。如果电压降低，会使启动转矩无法达到需要的转矩，即使启动时间再长也会失败。因而，使用大型变压器的场所，小容量的三相异步电机方便启动。

1.2启动方法

1.2.1直接启动

      直接启动方式如果频繁地启动电机，就会造成电压降低，会导致电网电压降低，从而电网中的设备正常运行受到影响，有时可能无法启动或终止负载[3]。直接启动应尽量避免电压下降，否则一定会无法完成启动并带来不好的影响，电机无法正常的启动会影响整个电力系统的运行。

1.2.2传统减压启动

      根据电压幅度的大小能不能连续可调，可以分为分步调压和逐级调压。分级电压调节是把电压分成几个层次，用较低的电压水平启动电动机，并在起动的过程中逐渐变大电压幅值，一直到电动机启动。

1.2.3软启动

      三相反并联晶闸管以星型方式连接，这样的电流不会四处流动，四处流动会导致电路中的谐波变大，就好像三角形连接，这样的连接效果就会导致电路中的谐波变大，损耗增加。启动完成后，三相晶闸管的旁路接触器会吸和，以免造成不必要的功率损失。这样软启动的方式性能好，启动方式平缓，方便于控制，方便于管理电流，缺点就是谐波大。

2.1软启动的工作原理

      晶闸管软启动原理如图1所示，目的是改变异步电机两端电压。加在电机上的定子电压逐渐升高额定电压，实现了异步电机的软启动。启动完成后，三相晶闸管部分被短路，以免浪费功率。软启动之所以用三相反并联晶闸管，是因为软启动要用的是三相交流电源，所以要用到三相反并联晶闸管，同时为了减小谐波，采用星型的连接方法，三端接到三相交流电源，一端接入电动机，保证了良好的启动效果和高的效率。

      三角形连接法的三次谐波可以流动，因此绕组中的电流增加，并且绕组的附加铜损耗增加。文章采用的软启动方式是星形连接，谐波少。工作时，需要不同的两相正反相同时导通才可以。同时应注意绕组之间的相位关系，无论是正反向晶闸管的，还是不同相的晶闸管的。

2.2三相异步电机软启动的控制方式

2.2.1斜坡电压启动

      电压斜坡属于开环控制，自调节能力差。启动时间长，无限流环节，启动中期电流较大，对设施构成损坏，对电网电能品质影响较大。此外，由于控制参数比较单一，控制参数通常由经验选择，动态效果不好。不管初始电压以怎样的线性斜度上升至额定电压，上升至额定电压后，都将保持稳定，上升的样子就像个斜坡一样，又叫斜坡电压启动。无论初始电压以怎样的斜率上升，终达到额定电压就会趋于平稳，以此来保证电动机的顺利运行。但斜坡电压启动无反馈系统，这样不好控制，在此启动过程中，启动方法效果单一，只有控制电压才能启动。

2.2.2限流启动

      如果电流限制设置得小，启动转矩就会很小，从而无法启动。因为这种方法的启动转矩不高，轻载情况更适用于限流启动，电流先以线性上升，到上限电流后平稳，直到达到额定电压，再恢复至额定电流，启动成功。启动成功后，电流值会从维持了一会的电流值下降，而之前的维持上限电流是为了等待电机成功启动，而启动成功后，则不需要电流如此之大，就会逐渐下降到额定电流。这样的启动方式，避免了配置的损坏，而上限电流虽然维持了一会但不会对设备造成太大的影响。

2.2.3转矩斜坡启动

      转矩斜坡启动，转矩曲线的设置应始终大于负载转矩，并且速度不断增加。后，将设定转矩曲线与异步电动机起动时的输出曲线进行比较，并依据误差对晶闸管的触发角进行调整。大型泵电机场合适合用转矩斜坡启动。大型泵电机多用大型磁铁，而磁铁能提供电磁转矩，由于电磁转矩较大，因此，转矩斜坡启动更适合大型泵电机启动。因为负载属于耗能器件，如果给的动力小于消耗的动力，则无法提供给电动机应有的动力，就会无法启动。而随着初始转矩到达额定转矩，电机达到额定转速，初始转矩就可以下降了，同时负载转矩慢慢提高。

      三相异步电机软启动工作原理中的交流调压模块是由三相反并联晶闸管组成，控制方式有很多种，都是为了转矩达到额定转矩来工作的。这样的控制方式避免了种种不利因素，以良好的启动效果实现启动。

      电动机软启动系统模块如图2所示。三相交流电源下有同步电压检测模块，电动机接有电流检测模块，SCR驱动电路、信号隔离电路都作用于反并联晶闸管。晶闸管端电压检测模块可以给功率因数角控制模块发出信号，后32位ARM微处理器把信息投入到液晶显示模块和键盘输入模块，并且和RS485以太网进行信息互相交流。其详细工作过程如下：LPC2378通过检测起动接触器的返回信号，了解电动机需要软起动。当晶闸管触发角和启动时间小于阈值时，旁路启动器闭合，并断开启动接触器，使得电机与电网相连。这样保证了系统能源的充分利用，使启动后的电力资源直接供应给电机，这样不仅方便了供电，还提升了电网设备的耐用性，这种方法为多数电厂设备所采用。三相晶闸管可以控制触发角度，所以启动时比较平滑，是连续的，便于启动调节。

      1）功率单元：主要由六个晶闸管组成，每相由两个晶闸管逆并联，每相晶闸管的两端由旁路接触器并联，旁路接触器用于启动后的旁路软起动器。并联电容是为了滤波。

      2）检测单元：三相电压经调节电路馈入控制器A/D通道，用于电压监测、过压、欠压保护等。种是利用检测到的晶闸管电压变换后的方波信号同时进入A/D通道，并馈入控制器计算电机的功率因数角。

      3）晶闸管触发单元：晶闸管触发单元能改变定子电压，实现驱动，是因为晶闸管触发单元能与三相交流电源与三相异步电动机相连。

      4）外围拓展单元：这些单元包括信号处理、信号隔离、功率放大、运行参数和故障信息检测显示，还有键盘输入电路等。外围拓展的单元基本包含了与外部器件相关的功能与应用。

      文章对系统的硬件部分做了分析与应用，同时对硬件部分在系统中的应用做了介绍。硬件部分有主要器件、电源模块、主电路、同步信号采集模块、电流检测电路，它们是硬件部分的各个模块，起到不同的作用。

4.1产品简介

      ARD该系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围：可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。

4.2产品选型

      产品功能

说明：“√"表示具备“■"表示可选

 

      文章介绍了三相异步电机的各个方面，包括了它的启动过程、启动方法、硬件设计、软件设计。在三相异步电机的启动过程中，应尽量避免电压降，过大的启动电流，同时启动转矩也应该列为重要的参数之一，不断观察启动转矩，以免电动机启动失败。众多启动方法中，应用参数用到了电压、电流、电磁转矩，这些都可以作为电机启动过程中启动的因素。今后电机的启动的发展方向会趋向节能，保护电机，效率高，耐用性高的方向，三相晶闸管应用更受大多数电机的应用，在以后的应用中应该加入一个快速熔断器，防止在调压的过程中晶闸管的损坏。

[1]马勇,陶玉麒,蔡桂民.基于 DSP 的电机软启动控制系统研究与设计[J].电工技术,2016(10):1-2.

[2]刘攀，梁里鹏.三相异步电动机软启动控制技术研究[J].机电技术应用，2020(04):165-166.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.