固态电动机软起动器起动控制技术的进展

内容摘要：本文阐述了固态电动机软起动器对电动机起动控制方法的进展，从最初的电压斜坡起动方式、电压斜坡附加脉冲突跳起动方式，发展到电流斜坡起动方式，转矩斜坡起动方式。
    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.

    关键词：软起动器、半导体电动机控制器、电动机的起动控制

    Key words：soft starter, semiconductor motor controller, starting control of the motor.

    根据国标GB14048.6-1998（等同于IEC947-4-2：1995）《低压开关设备和控制设备 接触器和电动机起动器 第2 部分：交流半导体电动机控制器和起动器》的规定，交流半导体电动机控制器（AC Semiconductor motor controller）是为交流电动机提供起动功能和截止状态的半导体开关电器。它有三种型式。型式1 称为半导体电动机控制器（Semiconductor motor controller），其起动功能可以包括制造厂规定的任何一种起动方法，其控制功能包括对电动机的操纵、可控加速、运行或可控减速，也可以提供全电压运行。型式2 称为软起动半导体电动机控制器（Semiconductor soft-start motor controller），其起动功能仅限于控制电压和（或）电流上升，也可包括可控加速，附加的控制功能仅限于提供全电压运行。也就是说型式2 的控制器没有电动机运行和停车时的控制功能。型式3 为直接半导体电动机控制器（Semiconductor direct on line motor controller），其起动功能仅限于全电压直接起动，电压的上升不受控制，附加的控制功能仅限于提供全电压运行，实际上它是一种半导体做的接触器。在交流半导体电动机控制器上配备适当的过载保护装置，就称为半导体电动机起动器（又称为固态软起动器）。目前所有这些半导体电动机控制器都是基于可控硅做成的交流调压电路。
    
    对于固态软起动器来说，实现对电动机的起动控制是其主要功能。固态电动机软起动器既然是建立在晶闸管交流调压电路基础上，所以采用线性电压斜坡来起动电动机自然是其最早的选择。图1 示出了电压斜坡起动方式。它有一个初始起动电压U_ini，然后电压按一定斜率上升到额定电压U_rat，电压上升的斜率由斜坡时间t_ramp 调节。软起动器的输出电压只是按照给定电压的增加而增加，它并没有电压闭环控制，因此实际的输出电压还会随电网电压波动。

    初始电压U_ini 应当由能让电机开始转动的转矩所需电压来确定。斜坡时间t_ramp 则根据电动机和负载的转动惯量以及所期望的加速时间来确定。
    
    有些负载例如带式运输机等在静止情况下会有比较大的阻力矩，必须要有很大的驱动力矩来克服它，使电动机加速。而当带式运输机开始转动以后，静摩擦力变为动摩擦力，所需要驱动力矩相应变小。为了适应这种情况，在线性电压斜坡的开始阶段，可以叠加一个突跳脉冲起动电压U_kic ，其值为0.3～0.9 额定电压可调。它的持续时间t_kic很短，通常为0.1～10 秒可调。
    
    线性电压斜坡起动的缺点在于电流是开环控制的（但具有过电流保护功能），由于电流不仅仅由电压确定，还取决于电动机当时的转速和电路参数，因此，在电源电压波动时，或者电动机起动受阻时，或者电路参数变化时，都会引起电流超过期望值，引起较大的电网压降和其他问题。
    
    为了克服电压斜坡起动方式的缺点，第二代的固态软起动器不采用电流开环的电压斜坡控制，而是采用电流闭环控制的电流斜坡起动方式。
    
    第二代固态软起动器采用电流斜坡起动方式具有如图2 的起动电流波形。I_ini为初始起动电流，它由能驱动电机从静止状态开始旋转所需力矩决定。I_max则是选定的最大起动电流。

    初始起动电流I_ini ：50%～400% FLA 可调（FLA 是电动机全电流）；
    最大起动电流I_max ：100%～600% FLA 可调；
    斜坡时间t_ramp ：0～120sec 可调；
    脉冲突跳电流I_Kic ：100%～600% FLA 可调；
    脉冲突跳时间t_Kic ：0.1～10 sec 可调。

    有些性能较好的固态软起动器还具有二个起动电流斜坡可以选择，每一个电流斜坡都如图3 所示均带有脉冲突跳，其参数可以选择。使用一个控制继电器接点将控制电压施加到相应的控制端上，固态软起动器就可以按斜坡2 来继续起动电动机。

    
    例如在负载轻时按斜坡1 起动，在负载较重时按斜坡2 起动。也可以用一台软起动器起动二台电动机，分别按斜坡1 起动第一台电动机，用斜坡2 起动第二台电动机。
    
    当电动机起动到进入其正常工作区时其效率急剧增大，另一方面这时也不需要加速负载，因此电动机电流自然会下降。但是对于采用电流闭环控制的系统来说，PI 调节器会继续强制输出电流跟随给定的电流值，结果调节器快速增大输出电压，以便增加电动机的电流。由于输出电压的快速增加和电动机效率的突然增大，使得输出转矩在电动机达到全速时也迅速增大，从而造成电动机输出转矩的过冲（电压斜坡控制同样也存在转矩过冲）。这种转矩过冲有时会引起传动系统的振荡等不良作用。
   
    过去几年有一些公司开发出几种方法来减少这种转矩浪涌。然而由于固态软起动器要适合各种电动机（例如按NEMA 标准，有A、B、C、D 型电机）和各种负载（例如各种风机、水泵、压缩机、机床、皮带运输机等等），因此要采用一种简单的方法实现平滑而又精确的转矩控制是困难的。美国Benshaw 公司开发了一种控制电动机转矩的程序，它被命名为Tru Torque。其基本原理简述如下：

    电动机的电磁转矩 。，式中P_EM为电动机的电磁功率，Ω₀为旋转磁场的角速度 。

三相异步电动机的输入功率P₁为：P₁＝3U₁ I ₁cos₁
电磁功率 P_EM ＝ηP₁ ， η 为电动机的效率。

所以 

图4 是在上述方程式基础上建立的控制方框图。

    
    Tru Torque 转矩控制软件是根据通过电流互感器检测的三相输出电流和功率因数、根据可控硅（SCR）的触发角计算出的输出电压，以及计算的电机效率，可以计算出电机实际转矩（实际功率），作为反馈信号，与转矩给定值比较后经PID 调节器对输出电压进行控制。
    
    在图5 和图6 中分别示出了采用电流闭环控制和转矩闭环控制时电机的转矩和速度随时间变化的波形（请注意图中的转矩方向是向下为增大，而转速方向是向上为增大）。从中可以看出采用转矩闭环控制的软起动装置，在电动机达到额定转速附近时，没有转矩过冲的情况，而采用电流闭环控制则有一个转矩尖峰。

    
    综上所述，固态软起动器装置在起动控制技术上经历了三个阶段：从电流开环的电压斜坡控制阶段，电流闭环的电流斜坡控制阶段，到最新的转矩闭环控制阶段。

上海杰诣通用电器有限公司 厉无咎
中国市政工程西北设计研究院 杜英志