软启动控制器对异步电机的节能控制研究

[摘 要]在分析了三相异步电动机常用的软启动和节能方法后，对基于晶闸管的电机软启动控制器的逻辑工作原理和PID控制方法进行了详细分析研究，最后以一工程实例验证了软启动控制器在电机启动运行过程中的优良工作性能水平。

[关键词]软启动控制器；电动机；节能启动运行

中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0089-01

三相异步电动机由于其具有结构简单、运行可靠、检修维护方便、以及价格便宜等优点被广泛应用到各工程领域，作为电能转换为其它能量的主要动力载体。众所周知，电动机处于直接启动运行工况时，其启动电流一般可以达到额定电流的8倍以上，有的甚至可以达到15倍，强大的启动冲击电机会对电机供配电网、负载机械、以及电动机自身等造成巨大冲击破坏，不仅会影响到电机系统以及其拖动的机械设备的综合使用寿命，同时还会造成电机供电配电网电压发生突降，直接影响到同一配电网中其它用电设备的高效稳定运行。电动机在额定负载率附近工况范围内运行时，其效率较高，通常在80%左右；然而，当电动机拖动负载出现下降现象时，电机系统的运行效率也会随之发生显著下降。在电动机拖动系统选型设计时，通常都是按照系统最大负载和最坏运行条件情况来选定电机功率。在实际运行过程中，电机系统由于负载波动等原因，通常处于轻载（空载）或不均匀时变负载运行工况，导致电机运行在低效工况区，势必会造成大量的电能损失和浪费，因此，提高电机启动运行工况，保障整个电机系统具有较高的运行效率就显得很有必要[1]。

1 电动机软启动及节能方法简介

传统的串联电阻（电抗器）、并联自藕变压器、以及星型一三角形（Y-）等减压启动方式，不仅造价较高，而且电机在启动过程中均会经历一个由辅助供电系统到工频供电系统的跳跃过程，使得电机系统中的某些特征电参量发生特变，不能稳定连续平滑调节启动运行，容易导致电机系统发生机械或电气故障，加上电机控制系统变得越来越复杂，这类控制方式经济性能普遍较低，因此，其逐步被软启动控制系统所取代。

由于供电距离、电机功率等造成电动机直接启动方式，不能满足电机系统配电网电压降要求时，为了确保电机高效稳定的启动运行，应采取相应技术手段，通过降低电机定子电压的启动模式，达到限制启动电流保障电机高效可靠启动运行目的[2]。

基于电机控制系统中电动机启动的主要特性和节能基本理论方法的基础上，本文将对电机节能软启动器的逻辑结构和运行效果进行详细探讨。

2 节能软启动控制器在电机控制系统中的应用

2.1 系统功能单元组成

节能软启动器控制系统是综合三相异步电动机启动和运行保护为一体的节能保护启动控制装置，主要包括电动机软启动自动控制、系统输出输入能量平衡、以及电机故障保护等三大功能模块，其具体逻辑工作原理框图如图1所示：

从图1可知，当三相异步电动机处于起动过程时，控制系统各功能单元就会将电机机端的电压、电流、以及转速等信号经相应A/D模数转换电路，转换成相应的数据信号后送至控制系统中，与系统原始设定值进行动态比较分析后，计算获得对应的电参量偏差和偏差化率值，然后形成对应的控制决策，通过控制系统触发脉冲的宽度来动态调节晶闸管的触发角大小，完成对电机启动的实时控制。通过控制晶闸管触发角的大小，达到改变晶闸管输出电压实现电机降压软启动控制目的。从电动机启动特性来看，电机起动过程中，晶闸管的触发角会随电机启动过程的进行而不断开打，从而实现电机从零转速开始逐步加速无级平滑启动控制运行。当三相异步电动机出现故障时，系统就会检测到已成的工作电压和电流值，控制系统就会通过保护电路完成电机保护跳闸操作，防止电机故障进一步扩大给电机系统带来更加严重的危害，并能通过对应的可视化显示界面，提醒运行人员对相关异常单元进行检查，大大提高电机控制系统的人性化服务水平[3]。

2.2 软启动器PID控制

由于异步电动机控制系统是一个多参量、动态时变、非线性、强耦合的多阶复杂大系统，很难利用一种简洁的控制模型进行描述表达。PID控制系统可以通过内部电路自动分析获得对应准确的控制信号，是现代控制系统中常采用的控制方式，其典型控制原理如图2所示[4-5]：

2.3 应用效果分析

为了分析节能软启动控制器在三相交流异步电动机控制系统中节能降耗作用，在结合前面的理论分析的基础上，通过相应的功能单元组合，形成对应的软启动控制系统，整个系统基本参数为：三相异步电动机额定功率为22KW，额定电流为44A，额定电压380V，采用市电直接供电方式。按照图1所示的结构将异步电动机软启动控制系统进行有效连接，通过电机控制系统中有无装该节能软启动控制器进行比较试验，获得对应的试验数据如表1所示：

从表1可以看出，在加上节能软启动控制器后，电机启动工况特性得到有效改变，不仅降低电机的启动电流（使其比额定电压条件下的38.5A还低，仅为34.7A），有效避免了电机启动时强大启动电流对电网和电机的影响，同时还提高了电机系统的功率（从0.608提高到0.852），保障电机具有较高的工作效率，达到节能降耗的目的。

3 结束语

将以晶闸管为核心的节能软启动控制器应用到三相异步电动机控制系统中，可以有效解决了传统异步电动机启动运行性能水平较低的问题，达到了降低电机启动电流、提高运行效率的节能降耗稳定经济启动运行目的。

参考文献

[1] 徐甫荣，崔立.交流异步电动机启动及优化节能控制技术研究[J].电气传动自动化.2003.25（l）：1-7.

[2] 高淑萍.智能型交流异步电机软起动器的研究[硕士学位论文][D]，西安：西安理工大学，2004.

[3] 胡崇岳.交流调速技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4] 淘永华.新型PID控制及其应用.北京：机械工业出版社，2003.

[5] 王旭光，卫永琴.软启动器主电路工作过程的分析[J]，山东科技大学学报（自然科学版），2003，22（03）：134-138.