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內(nèi)容摘要：本文闡述了固態(tài)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器對電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制方法的進(jìn)展，從最初的電壓斜坡起動(dòng)方式、電壓斜坡附加脈沖突跳起動(dòng)方式，發(fā)展到電流斜坡起動(dòng)方式，轉(zhuǎn)矩斜坡起動(dòng)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(dòng)器、半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制

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

    根據(jù)國標(biāo)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(dòng)機(jī)起動(dòng)器 第2 部分：交流半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)控制器和起動(dòng)器》的規(guī)定，交流半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)控制器（AC Semiconductor motor controller）是為交流電動(dòng)機(jī)提供起動(dòng)功能和截止?fàn)顟B(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(dòng)機(jī)控制器（Semiconductor motor controller），其起動(dòng)功能可以包括制造廠規(guī)定的任何一種起動(dòng)方法，其控制功能包括對電動(dòng)機(jī)的操縱、可控加速、運(yùn)行或可控減速，也可以提供全電壓運(yùn)行。型式2 稱為軟起動(dòng)半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)控制器（Semiconductor soft-start motor controller），其起動(dòng)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(yùn)行。也就是說型式2 的控制器沒有電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和停車時(shí)的控制功能。型式3 為直接半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)控制器（Semiconductor direct on line motor controller），其起動(dòng)功能僅限于全電壓直接起動(dòng)，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(yùn)行，實(shí)際上它是一種半導(dǎo)體做的接觸器。在交流半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)控制器上配備適當(dāng)?shù)倪^載保護(hù)裝置，就稱為半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（又稱為固態(tài)軟起動(dòng)器）。目前所有這些半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)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(dòng)器來說，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制是其主要功能。固態(tài)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)自然是其最早的選擇。圖1 示出了電壓斜坡起動(dòng)方式。它有一個(gè)初始起動(dòng)電壓U_ini，然后電壓按一定斜率上升到額定電壓U_rat，電壓上升的斜率由斜坡時(shí)間t_ramp 調(diào)節(jié)。軟起動(dòng)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(shí)際的輸出電壓還會(huì)隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)。

    初始電壓U_ini 應(yīng)當(dāng)由能讓電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩所需電壓來確定。斜坡時(shí)間t_ramp 則根據(jù)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及所期望的加速時(shí)間來確定。
    
    有些負(fù)載例如帶式運(yùn)輸機(jī)等在靜止情況下會(huì)有比較大的阻力矩，必須要有很大的驅(qū)動(dòng)力矩來克服它，使電動(dòng)機(jī)加速。而當(dāng)帶式運(yùn)輸機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)以后，靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，所需要驅(qū)動(dòng)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(gè)突跳脈沖起動(dòng)電壓U_kic ，其值為0.3～0.9 額定電壓可調(diào)。它的持續(xù)時(shí)間t_kic很短，通常為0.1～10 秒可調(diào)。
    
    線性電壓斜坡起動(dòng)的缺點(diǎn)在于電流是開環(huán)控制的（但具有過電流保護(hù)功能），由于電流不僅僅由電壓確定，還取決于電動(dòng)機(jī)當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電路參數(shù)，因此，在電源電壓波動(dòng)時(shí)，或者電動(dòng)機(jī)起動(dòng)受阻時(shí)，或者電路參數(shù)變化時(shí)，都會(huì)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(dòng)方式的缺點(diǎn)，第二代的固態(tài)軟起動(dòng)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(dòng)方式。
    
    第二代固態(tài)軟起動(dòng)器采用電流斜坡起動(dòng)方式具有如圖2 的起動(dòng)電流波形。I_ini為初始起動(dòng)電流，它由能驅(qū)動(dòng)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始旋轉(zhuǎn)所需力矩決定。I_max則是選定的最大起動(dòng)電流。

    初始起動(dòng)電流I_ini ：50%～400% FLA 可調(diào)（FLA 是電動(dòng)機(jī)全電流）；
    最大起動(dòng)電流I_max ：100%～600% FLA 可調(diào)；
    斜坡時(shí)間t_ramp ：0～120sec 可調(diào)；
    脈沖突跳電流I_Kic ：100%～600% FLA 可調(diào)；
    脈沖突跳時(shí)間t_Kic ：0.1～10 sec 可調(diào)。

    有些性能較好的固態(tài)軟起動(dòng)器還具有二個(gè)起動(dòng)電流斜坡可以選擇，每一個(gè)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(gè)控制繼電器接點(diǎn)將控制電壓施加到相應(yīng)的控制端上，固態(tài)軟起動(dòng)器就可以按斜坡2 來繼續(xù)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

    
    例如在負(fù)載輕時(shí)按斜坡1 起動(dòng)，在負(fù)載較重時(shí)按斜坡2 起動(dòng)。也可以用一臺軟起動(dòng)器起動(dòng)二臺電動(dòng)機(jī)，分別按斜坡1 起動(dòng)第一臺電動(dòng)機(jī)，用斜坡2 起動(dòng)第二臺電動(dòng)機(jī)。
    
    當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到進(jìn)入其正常工作區(qū)時(shí)其效率急劇增大，另一方面這時(shí)也不需要加速負(fù)載，因此電動(dòng)機(jī)電流自然會(huì)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(huì)繼續(xù)強(qiáng)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(dòng)機(jī)的電流。由于輸出電壓的快速增加和電動(dòng)機(jī)效率的突然增大，使得輸出轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)達(dá)到全速時(shí)也迅速增大，從而造成電動(dòng)機(jī)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(shí)會(huì)引起傳動(dòng)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(dòng)器要適合各種電動(dòng)機(jī)（例如按NEMA 標(biāo)準(zhǔn)，有A、B、C、D 型電機(jī)）和各種負(fù)載（例如各種風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床、皮帶運(yùn)輸機(jī)等等），因此要采用一種簡單的方法實(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的程序，它被命名為Tru Torque。其基本原理簡述如下：

    電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 。，式中P_EM為電動(dòng)機(jī)的電磁功率，Ω₀為旋轉(zhuǎn)磁場的角速度 。

三相異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率P₁為：P₁＝3U₁ I ₁cos₁
電磁功率 P_EM ＝ηP₁ ， η 為電動(dòng)機(jī)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(jì)算出的輸出電壓，以及計(jì)算的電機(jī)效率，可以計(jì)算出電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩（實(shí)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(jìn)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(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度隨時(shí)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(dòng)裝置，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，沒有轉(zhuǎn)矩過沖的情況，而采用電流閉環(huán)控制則有一個(gè)轉(zhuǎn)矩尖峰。

    
    綜上所述，固態(tài)軟起動(dòng)器裝置在起動(dòng)控制技術(shù)上經(jīng)歷了三個(gè)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。