晶闸管软启动器将逐步取代传统的自耦式补偿器

摘要：软启动器作为节能控制器于上世纪90年代初开始在国内大量推广，经过多年实践证明晶闸管软启动器优于传统的自耦式补偿器，随着国产化的推进传统的自耦式补偿器将被逐步淘汰。
 关键词：晶闸管软启动器；节能控制器；自耦式补偿器；智能化软启动器中
 
 1引言
 1977年美国航空航天局(NASA)FrankNole工程师获得了一项节电器专利，初期称为“功率因数控制器”，此后又有许多公司和个人开发了十几种节电器。1982年FrankNole又作了二点改进，一是省掉取样电阻而改为监视晶闸管两端电压，二是采取了反馈控制技术，使空载时电动机电压进一步减小，节电率大大提高，正式定名为“节电器”（POWERSAVER）。我国也开发了节电器，但实际使用效果不佳，未能广泛推广使用。1983年后，上海市相继引进了一系列的节电器产品，在对引进的节电器消化吸收的基础上，上海，西安等地研制出了新型节电器，其性能达到并超过引进的同类产品，为进一步推广节电器创造了条件，国内市场上从上世纪90年代开始把软启动器作为电机节能的首选产品。
 2作为节能应用的软启动器
 节电器通过双向晶闸管或反并联晶闸管相位控制实现降压，其主电路原理如图1所示。
 晶闸管软启动器实测数据见表1（参阅30kW电机实测数据）。从表1可见
 1）节电器对某些特定的负载具有较好的节电效
 益，因此，它应在相应范围内推广使用，切莫不分对象
 2）对于不变负载（不管是满载还是负载率30％～40％情况），连续长期运行，则不宜采用节电器，而应该选用高效电动机。
 3）对于变负载情况，如果最低负载率≥30％以上，采用晶闸管软启动器意义也不大。
 3软启动器与自耦式补偿器技术经济对比
 传统的自耦补偿器自上世纪50年代初开始应用以来，一直在电机起动装置领域占居主要地位。自上世纪80年代开始，国外固态起动装置在我国工业领域逐步推广使用，已对传统的补偿器形成较大冲击。表2对二种装置进行了技术与经济对比，并给出了正确应用范围供读者参考。
 4软启动器的技术特点与应用范围
 1）短期重复工作的机械
 长期空载(轻载<40％)运行，短时重载。例如：起重机、皮带输送机、金属材料压延机、车床、冲床、刨床、剪床等。
 2）频繁起动的工作机械
 有些机械经常处于开停状态，如果允许轻载启动，则可以使用软起动技术。以下列举一些软起动器的特性。 a)线性软起动
 这种起动方式是最普遍使用的。首先，电机上升至初始转矩值，该值可在5％～90％的额定转矩之间调节。然后，电机电压在加速斜坡上升时间逐渐上升，加速斜坡上升时间可在2～30s之间调整。如图2所示。b）带可选择突跳起动的软起动
 这种起动方式提供了突跳起动和升压。它可提供500％满载电流的电流脉冲，可调时间范围为0.4～2s。使电机因负载需要助推才能起动时额外加一个附加转矩。如图3所示。
 c）泵控制
 该功能在离心泵的起动及停止期间，通过平滑地加速及减速电机来减小泵系统中出现的喘振。由微计算机分析电机变量并发出控制命令，以减小系统中出现喘振可能性的方式来控制电机。起动时间可在2～30s之间调整，停止时间可在2～120s之间调整。如图4所示。
 d）智能电机制动
 控制系统可实现在需要电机比自由停车更快速停车的场合，即快速制动。它是以微计算机为基础的制动系统，该系统给标准的鼠笼感应电动机提供三相制动电流。制动在没有附加的接触器或电源设备的情况下完成，而且无需计时器、传感器或测速计，便实行自动零速停车。制动电流的强弱可在满载电流的150％～400％之间调整。补偿器无法完成此功能。如图5所示。
 e）低速制动
 该功能主要用于电动机需正向低速定位和需要制
 
 
 表2三种降压起动性能对比降压起动方式自耦变压器星三角转换晶闸管软起动器
 起动电压K·Ue(0.3～1.0)Ue
 起动电流K·Ied(0.3～1.0)Ied
 起动力矩K2·Mgd(0.3～1.0)Mgd
 各种起动方式的特征及优缺点轻载起动时起动冲击电流小，起动力矩较大，但不允许频繁起动，切换时产生二次冲击起动电流小，起动力矩小，仅适合20kW以下小容量起动电流可以从（20～400）％任意规定，对起动力矩可限制，保护机械安全，轻载可以节能
 自耦式补偿器的价格及其铜、硅钢用量及相应软启动器价格控制电动机功率/kW自耦式启动器ABB软启动器价格/元
 价格/元消耗铜/kg消耗硅钢/kg
 15～223900.0014353450.00
 20～374050.0017485830.00
 455500.0034866190.00
 556400.0036946410.00
 756700.00401008700.00
 908700.004210510970.00
 11010500.004411010950.00
 13212700.005614412970.00
 16014000.007016014620.00
 180～20016000.007518016010.00
 220～25020000.008320023660.00
 280～31521000.009021040670.00
 
 
 动控制停车的场合。慢速调制速度为额定速度的7％（低）或额定速度的15％（高）。低速加速电流（2s内）可在50％～400％之间调整。制动电流可在150％～400％之间调整。不能采用突跳启动。低速电流限量可在满载电流的50％～450％之间调整。如图6所示。
 f）泵专门起动控制
 消除喘振现象的控制方法如图7所示，电动机的转速－转矩曲线已经修改成泵系统相关特性。这种特性可提供尽可能接近恒定的加速转矩。同时不需要转速表、流量或压力传感器、或其它类型的外部反馈到控制器，而是利用基于微处理器的电动机反馈来完成的。由于没有突然的转矩变化、因此电动机平滑地加速，泵系统的喘振或冲击达到最小。 5晶闸管软启动器应用情况
 根据上海某公司提供的销售情况，2001年该公司销售晶闸管软启动器2000余台。说明晶闸管软启动器的市场前景看好，传统的自耦式补偿器将逐步被软启动器取代。
 在我国晶闸管软启动器从上世纪90年代中期开始逐渐被应用于取代传统的自耦式补偿器，其最大的优点是软起动性能好，可以根据被启动设备的需要进行限流启动，即可以在电机额定启动电流0.5～4倍以内任意调整。其次是体积小，不需消耗大量铜，硅钢片材料。
 表3列出自耦式补偿器价格及铜，硅钢片用量。同时列出ABB软启动器同等功率产品的参考价格。
 6结语1）从初投资对比来看，功率在250kW以下，选用晶闸管软启动器相间功率增大倍，但价格与自耦式补偿器相仿。功率从280kW开始采用晶闸管软启动器较贵，但可以节约大量硅钢及铜材，并满足一定工艺要求，还可防止二次冲击。
 2）凡工艺上有特殊需要的设备，如图3～图6传统的补偿器启动无法满足要求，必须采用智能晶闸管软启动器。
 3）长期高速，短时低速，且电机负载率在35％以下时，采用晶闸管软启动器有较好节能效果。
 作者简介
 周德贤（1936－），男，高级工程师。上海电机工程学会电气传动专委会主任委员，上海电力电子学会常务理事，上海电器集团公司理事。合编《风机水泵交流调速节能技术》、《风机水泵调速节能设计手册》等，发表论文26篇