內(nèi)容摘要：本文闡述了固態(tài)電動機軟起動器對電動機起動控制方法的進展，從最初的電壓斜坡起動方式、電壓斜坡附加脈沖突跳起動方式，發(fā)展到電流斜坡起動方式，轉(zhuǎn)矩斜坡起動方式。 The paper states the advance of starting technology of motor solid state starter. The starting control technology progress step by step, at the beginning the voltage ramp or the voltage ramp with kick voltage without current feedback is used. Then the current ramp with current feedback closed controller is used, recently the torque feedback closed control is used. 關(guān)鍵詞：軟起動器、半導(dǎo)體電動機控制器、電動機的起動控制 Key words：soft starter, semiconductor motor controller, starting control of the motor. 根據(jù)國標GB14048.6-1998（等同于IEC947-4-2：1995）《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 接觸器和電動機起動器 第2 部分：交流半導(dǎo)體電動機控制器和起動器》的規(guī)定，交流半導(dǎo)體電動機控制器（AC Semiconductor motor controller）是為交流電動機提供起動功能和截止狀態(tài)的半導(dǎo)體開關(guān)電器。它有三種型式。型式1 稱為半導(dǎo)體電動機控制器（Semiconductor motor controller），其起動功能可以包括制造廠規(guī)定的任何一種起動方法，其控制功能包括對電動機的操縱、可控加速、運行或可控減速，也可以提供全電壓運行。型式2 稱為軟起動半導(dǎo)體電動機控制器（Semiconductor soft-start motor controller），其起動功能僅限于控制電壓和（或）電流上升，也可包括可控加速，附加的控制功能僅限于提供全電壓運行。也就是說型式2 的控制器沒有電動機運行和停車時的控制功能。型式3 為直接半導(dǎo)體電動機控制器（Semiconductor direct on line motor controller），其起動功能僅限于全電壓直接起動，電壓的上升不受控制，附加的控制功能僅限于提供全電壓運行，實際上它是一種半導(dǎo)體做的接觸器。在交流半導(dǎo)體電動機控制器上配備適當?shù)倪^載保護裝置，就稱為半導(dǎo)體電動機起動器（又稱為固態(tài)軟起動器）。目前所有這些半導(dǎo)體電動機控制器都是基于可控硅做成的交流調(diào)壓電路。 對于固態(tài)軟起動器來說，實現(xiàn)對電動機的起動控制是其主要功能。固態(tài)電動機軟起動器既然是建立在晶閘管交流調(diào)壓電路基礎(chǔ)上，所以采用線性電壓斜坡來起動電動機自然是其最早的選擇。圖1 示出了電壓斜坡起動方式。它有一個初始起動電壓U[SUB]ini[/SUB]，然后電壓按一定斜率上升到額定電壓U[SUB]rat[/SUB]，電壓上升的斜率由斜坡時間t[SUB]ramp[/SUB] 調(diào)節(jié)。軟起動器的輸出電壓只是按照給定電壓的增加而增加，它并沒有電壓閉環(huán)控制，因此實際的輸出電壓還會隨電網(wǎng)電壓波動。 初始電壓U[SUB]ini[/SUB] 應(yīng)當由能讓電機開始轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩所需電壓來確定。斜坡時間t[SUB]ramp[/SUB] 則根據(jù)電動機和負載的轉(zhuǎn)動慣量以及所期望的加速時間來確定。 有些負載例如帶式運輸機等在靜止情況下會有比較大的阻力矩，必須要有很大的驅(qū)動力矩來克服它，使電動機加速。而當帶式運輸機開始轉(zhuǎn)動以后，靜摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮?，所需要?qū)動力矩相應(yīng)變小。為了適應(yīng)這種情況，在線性電壓斜坡的開始階段，可以疊加一個突跳脈沖起動電壓U[SUB]kic[/SUB] ，其值為0.3～0.9 額定電壓可調(diào)。它的持續(xù)時間t[SUB]kic[/SUB]很短，通常為0.1～10 秒可調(diào)。 線性電壓斜坡起動的缺點在于電流是開環(huán)控制的（但具有過電流保護功能），由于電流不僅僅由電壓確定，還取決于電動機當時的轉(zhuǎn)速和電路參數(shù)，因此，在電源電壓波動時，或者電動機起動受阻時，或者電路參數(shù)變化時，都會引起電流超過期望值，引起較大的電網(wǎng)壓降和其他問題。 為了克服電壓斜坡起動方式的缺點，第二代的固態(tài)軟起動器不采用電流開環(huán)的電壓斜坡控制，而是采用電流閉環(huán)控制的電流斜坡起動方式。 第二代固態(tài)軟起動器采用電流斜坡起動方式具有如圖2 的起動電流波形。I[SUB]ini[/SUB]為初始起動電流，它由能驅(qū)動電機從靜止狀態(tài)開始旋轉(zhuǎn)所需力矩決定。I[SUB]max[/SUB]則是選定的最大起動電流。 初始起動電流I[SUB]ini[/SUB] ：50%～400% FLA 可調(diào)（FLA 是電動機全電流）； 最大起動電流I[SUB]max[/SUB] ：100%～600% FLA 可調(diào)； 斜坡時間t[SUB]ramp[/SUB] ：0～120sec 可調(diào)； 脈沖突跳電流I[SUB]Kic[/SUB] ：100%～600% FLA 可調(diào)； 脈沖突跳時間t[SUB]Kic[/SUB] ：0.1～10 sec 可調(diào)。 有些性能較好的固態(tài)軟起動器還具有二個起動電流斜坡可以選擇，每一個電流斜坡都如圖3 所示均帶有脈沖突跳，其參數(shù)可以選擇。使用一個控制繼電器接點將控制電壓施加到相應(yīng)的控制端上，固態(tài)軟起動器就可以按斜坡2 來繼續(xù)起動電動機。 例如在負載輕時按斜坡1 起動，在負載較重時按斜坡2 起動。也可以用一臺軟起動器起動二臺電動機，分別按斜坡1 起動第一臺電動機，用斜坡2 起動第二臺電動機。 當電動機起動到進入其正常工作區(qū)時其效率急劇增大，另一方面這時也不需要加速負載，因此電動機電流自然會下降。但是對于采用電流閉環(huán)控制的系統(tǒng)來說，PI 調(diào)節(jié)器會繼續(xù)強制輸出電流跟隨給定的電流值，結(jié)果調(diào)節(jié)器快速增大輸出電壓，以便增加電動機的電流。由于輸出電壓的快速增加和電動機效率的突然增大，使得輸出轉(zhuǎn)矩在電動機達到全速時也迅速增大，從而造成電動機輸出轉(zhuǎn)矩的過沖（電壓斜坡控制同樣也存在轉(zhuǎn)矩過沖）。這種轉(zhuǎn)矩過沖有時會引起傳動系統(tǒng)的振蕩等不良作用。 過去幾年有一些公司開發(fā)出幾種方法來減少這種轉(zhuǎn)矩浪涌。然而由于固態(tài)軟起動器要適合各種電動機（例如按NEMA 標準，有A、B、C、D 型電機）和各種負載（例如各種風(fēng)機、水泵、壓縮機、機床、皮帶運輸機等等），因此要采用一種簡單的方法實現(xiàn)平滑而又精確的轉(zhuǎn)矩控制是困難的。美國Benshaw 公司開發(fā)了一種控制電動機轉(zhuǎn)矩的程序，它被命名為Tru Torque。其基本原理簡述如下： 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 。，式中P[SUB]EM[/SUB]為電動機的電磁功率，Ω[SUB]0[/SUB]為旋轉(zhuǎn)磁場的角速度 。 三相異步電動機的輸入功率P[SUB]1[/SUB]為：P[SUB]1[/SUB]＝3U[SUB]1[/SUB] I [SUB]1[/SUB]cos[SUB]1[/SUB] 電磁功率 P[SUB]EM[/SUB] ＝ηP[SUB]1[/SUB] ， η 為電動機的效率。 所以 圖4 是在上述方程式基礎(chǔ)上建立的控制方框圖。 Tru Torque 轉(zhuǎn)矩控制軟件是根據(jù)通過電流互感器檢測的三相輸出電流和功率因數(shù)、根據(jù)可控硅（SCR）的觸發(fā)角計算出的輸出電壓，以及計算的電機效率，可以計算出電機實際轉(zhuǎn)矩（實際功率），作為反饋信號，與轉(zhuǎn)矩給定值比較后經(jīng)PID 調(diào)節(jié)器對輸出電壓進行控制。 在圖5 和圖6 中分別示出了采用電流閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制時電機的轉(zhuǎn)矩和速度隨時間變化的波形（請注意圖中的轉(zhuǎn)矩方向是向下為增大，而轉(zhuǎn)速方向是向上為增大）。從中可以看出采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的軟起動裝置，在電動機達到額定轉(zhuǎn)速附近時，沒有轉(zhuǎn)矩過沖的情況，而采用電流閉環(huán)控制則有一個轉(zhuǎn)矩尖峰。 綜上所述，固態(tài)軟起動器裝置在起動控制技術(shù)上經(jīng)歷了三個階段：從電流開環(huán)的電壓斜坡控制階段，電流閉環(huán)的電流斜坡控制階段，到最新的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制階段。 上海杰詣通用電器有限公司 厲無咎 中國市政工程西北設(shè)計研究院 杜英志