3 軟啟動器
3.1 概述
軟起動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能於一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。它的主要構成是串接於電源與被控電機之間的三相反並聯閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反並聯閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能。
軟起動器和變頻器是兩種完全不同用途的產品。變頻器是用於需要調速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；軟起動器實際上是個調壓器，用於電機起動時，輸出只改變電壓並沒有改變頻率。變頻器具備所有軟起動器功能，但它的價格比軟起動器貴得多，結構也複雜得多。
3.2軟啟動器的分類
a 在線運行軟啟動器
在上個世紀，軟啟動器產品主要是國外的品牌，在中國市場上銷售，如:AB、ABB、施奈德、西門子等，但他們都是在線運行方式。在應用過程當中，人們發現在線運行有以下缺點。
(1) 晶閘管長期在線運行功耗太大造成能源浪費;
(2) 晶閘管的散熱量太大需要機械風冷，給成套帶來很大困難;
(3) 晶閘管長期在線運行給電網帶來高次諧波汙染;
(4) 晶閘管作為主開關元件長期工作其可靠性遠低於機械開關;
(5) 造價昂貴用戶難以接受;
(6) 由於可控硅選型較大和考慮散熱所以體積較大。
(7) 軟啟動器的優點:
①、是對電動機的啟動與保護及其控制集於一體，強大的智能控制器全部發揮作用;
②、是由於採用了機械風冷能夠適用頻繁啟動場所;
③、是電路簡單便於維護和檢修(見圖1)。
圖1 在線運行軟起動器電路圖
b 旁路運行軟啟動器
到了上世紀末和本世紀開始，考慮在線運行的缺點和技術難度性，國內廠家就直接開發了旁路型軟啟動器，即電動機起動完成後旁路到接觸器上運行。它的優點是迴避了晶閘管在線運行的缺點，尤其不需要機械風冷。但是，它同時帶來缺點。
(1) 電路複雜化，系統可靠性降低;
(2) 強大的智能控制器不能充分利用，有的不能對電動機保護;
(3) 增加成套裝置的體積和成本;
(4) 增加維護與檢修的難度。
綜合比較後市場上還是多數採用了旁路運行方式，即便是選用了在線運行方式的軟啟動器，設計人員還是加裝一套旁路運行接觸器，使軟啟動器旁路運行。迴避了晶閘管在線運行的缺陷，如圖2所示。
c 內置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器
目前，國內外許多電器公司都在開發內置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器。內置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器(簡稱內置旁路型軟啟動器)，是在在線運行軟啟動器內部設置了一套機械觸頭與晶閘管並聯，在電機軟啟動過程和軟停車過程中由晶閘管運行，機械觸頭斷開，當電動機正常運行時晶閘管關閉，機械觸頭閉合。這套動作過程是通過內部控制器自動完成的，對外部接線來講是一個裝置，所以稱做在線運行。它又可稱作旁路型的軟啟動器將外邊的接觸器移到了軟啟動器裡邊集成為一體,並能保證體積不增加。它的優點是具備上述兩種類型的所有優點同時迴避了它們各自的缺點:
(1) 電路簡單;
(2) 自然風冷;
(3) 可控硅只管啟動和停車，迴避可控硅在線運行所帶來的功耗與散熱;
(4) 體積小(和旁路型的一般大小);
(5) 強大智能控制器得以全面發揮，能對電動機起到起停與保護及其控制;
(6) 節省成套空間;
(7) 由於晶閘管和機械觸頭組合一體的設計，通過智能控制器實現了機械觸頭無電弧，使的機械觸頭的電壽命等於機械壽命，解決了接觸器長期以來難以解決的問題，與旁路型相比大大提高了系統可靠性;
(8) 節能，此節能是指軟啟動器本身，與晶閘管在線型相比可忽略不計，與旁路型相比減少60%，其原因是由於內置旁路型的機械觸頭採用了無電弧控制，其銀點的硬度大大降低，觸點的接觸電阻大大降低，使得機械觸頭的閉合壓力大大降低，機械觸頭的吸合磁力機構減小一半，降低一半能耗，機械觸頭的觸點能耗也降低了一半，綜合起來機械觸頭與磁力機構的能耗與旁路接觸相比降低一半，再加上節省熱繼電器的能耗所以與之旁路型相比綜合起來能節省60%，如圖3所示。
3.3 軟啟動動器的選型
由上述對於軟啟動器原理及其優缺點分析，應該是內置旁路型的適用性最強，優點最多，缺點最少。在實際工作當中還要考慮具體產品品牌的功能和技術參數以及產品的可靠性，根據實際使用情況進行選擇。在此有必要區分的是頻繁啟動和不頻繁啟動，對於軟啟動器來講，一般情況下如果啟動間隔時間不超過2min，不超過30次/h，即可定為不頻繁啟動。小於此數應按頻繁啟動考慮。風機泵類負荷一般都屬於不頻繁啟動。機械傳動有頻繁啟動的也有不頻繁啟動的，象皮帶機、球磨機等可按不頻繁啟動考慮，如果是起動機或大型機械設備所配的電動機需要可逆功能的多屬於頻繁啟動。
在頻繁工作的場所選取軟啟動器要按電動機的起動電流選取，因為軟啟動器生產廠家一般選取的可控硅電流是電動機額電流的2.5倍。限制最大電動機啟動電流是額定電流的4.5倍，在不頻繁操作下充分利用可控硅短時過載能力，所以在頻繁啟動的條件下，應加大選取軟啟動器的容量，根據頻繁度的不同取在1.2~1.5倍即可。同時由於可控硅頻繁工作，為了排除可控硅散發的大量的熱量，軟啟動器必需帶有機械風冷。對於機械風冷的軟啟動裝置，一臺開關櫃最好放一臺軟啟動裝置，而且開關櫃也要設置機械通風。
3.4. 軟啟動迴路的主接線方案
a 在線型
所有軟啟動器的控制器都有電動機過載保護，當軟啟動器在線運行時軟啟動器的控制器能對電機進行過載保護，不要加裝熱過載繼電器。由於經過晶閘管後的電流諧波非常大，所以不能加裝電子式熱過載繼電器，否則熱繼的誤動作使系統不能正常工作。由於晶閘管比較昂貴而且更換困難，為了保護晶閘管要用快速熔斷器防止軟啟動器下口發生短路燒燬晶閘管，圖4(a)是指在經常使用的場所，軟起動器的上口不加接觸器，圖4(b)是指不經常使用的場所，在停車後將軟啟動器的電源斷開，見圖4(a)和圖4(b)。
b 旁路型
旁路運行軟啟動器，離開旁路接觸器是無法運行的，所以在兩種主接線方案裡都有。對於軟啟動器上口的接觸器的作用和在線運行方式下作用相同在此不再重複。著重說明的是熱繼電器，把它安方在旁路接觸器的下口，不通過起動電流最好，尤其是電子熱繼電器，由於經過軟啟動器後電流諧波很大能干擾電子熱繼電器誤動作而使電機停車。另外因為晶閘管的短時工作沒必要安裝快速熔斷器，所以在主結線方案裡沒有加裝快速熔斷器，見圖5(a)和圖5(b)。
c 內置旁路型
它的主接線和在線型的大致相同，唯一的優點是因為晶閘管的短時工作沒必要安裝快速熔斷器。
電動機的過載保護是有軟啟動器的控制器實現的，它不僅在功能和性能上超過電子熱繼電器，而且不會因主迴路的諧波電流及外界的干擾而誤動作，見圖6(a)和圖6(b)。
3.5 軟啟動器的起動特性
在應用電子軟起動器時應考慮哪些問題呢？作為軟起動器首先要看它的起動性能和停車性能，目前的軟起動器有以下三種起動方式。
a 限流起動(見圖7)
限流啟動顧名思義是限制電動機的啟動電流，它主要是用在輕載起動的負載降低起動電流帶來的線路壓降，並能直觀地看到啟動電流，缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動力矩，對電動機不利。斜坡電壓起動顧名思義是電壓由小到大斜坡線性上升(又稱轉矩控制)，它是將傳統的降壓起動從有級變成了無級，主要用在重載起動，優點是起動轉矩特性拋物線型上升對拖動系統有利，起動平滑，柔性好，對拖動系統有更好的保護，延長拖動系統的使用壽命。它的缺點是起動電流較大突跳加電壓斜坡(又稱轉矩加突跳控制)啟動是在電壓斜坡控制起動的基礎上加一個電壓突跳(又稱轉矩突跳)，它是用在靜慣量較大用電壓斜坡啟動比較困難的場所，如風機負載。在起動的瞬間用突跳轉矩克服電機靜阻力矩，然後轉矩拋物線上升，縮短起動時間。但是，突跳會給電網發送100ms的浪湧電流，應用時要注意。
停車方式有兩種:一是自由停車，二是軟停車。電子軟起動帶來最大的停車好處就是軟停車。軟停車消除了由於自由停車帶來的拖動系統反慣性衝擊。
3.6 軟啟動器控制接線注意事項
a 控制電纜的影響
軟啟動器的控制輸入接點都是採用的直流24V(國產的多是12V DC)，如果有交流220V或380V控制線路和軟啟動器的控制輸入線路用一根電纜敷設，很容易出問題。一定要用中間繼電器將軟啟動器的控制輸入線隔離開來，將外接線路變成同電壓線路，否則，強電會干擾軟啟的正常工作或燒燬軟啟動器的控制器。
b 控制距離
如果控制電纜過長，由於軟啟動器的控制電壓太低，線路損耗過大時軟啟動器動作不可靠，一般情況下當控制距離超過200m時應採用中間繼電器將控制電壓提高後再遠距離控制。
3.6 軟啟動器的常見故障
目前國內的軟起動器生產廠家很多，大都是旁路型的，產品的可靠性與世界知名品牌相比差距越來越小，市場份額已經超過國外品牌。軟啟動器的故障大體分如下幾種。
(1) 電動機起不來
電動機起不來的原因大致分兩種情況:一是六隻晶閘管的其中一隻觸發不可靠或是不導通，此時一相電路通過的是半波直流，電動機的兩相繞組通過的直流對電動機起到了制動作用，不僅電機起不來，嚴重的還會燒燬電機和晶閘管。二是啟動參數或啟動曲線不合適造成電機起不來，這是常見故障。
(2) 晶閘管燒燬
晶閘管擊穿或爆炸，此類故障不分國內外品牌，因廠家而易，但都比接觸器的故障率低，而且主要問題出現在餅式倡閘管的安裝工藝上。
(3) 控制器燒損
相對於軟啟動器來講，控制器燒燬故障是最嚴重的。有的廠家此類故障造成的返修率已超過30%。進口的或合資的廠家此類問題不多見。主要是控制器的電源和觸發電路
以及輸入電路三部分容易燒燬。
(4) 軟啟動器誤動作
電動機在運行的裝態下因軟起動器受干擾而停機，在停止狀態下因軟起動器受干擾而起動是時有發生，前者較普遍，後者只有兩個品牌發生過。究其原因，一是產品質量問題，二是和線路佈局有關。
(5) 軟啟動器內部插接件接觸不良
軟啟動器內部插接件選用本來不是問題，這是國內廠家容易忽略的問題，經常出現故障。
3.7 結束語
通過論述，電動機的降壓起動方式經過了“Y-Δ” 起動器和自耦降壓起動器到磁控式軟起動器，現今發展到電子軟起動器。而軟啟動器由於晶閘管結壓降功耗帶來的問題，又從在線運行過度到旁路運行方式，現在又發展到在線運行內置旁路。總體而言軟啟動器的可靠性有的比接觸器高，有的比接觸器低。科學在發展技術在進步，由於內置可控硅旁路在線運行軟啟動器採用了無電弧技術，為超智能無電弧高可靠性接觸器的誕生奠定了基礎。
4整流器
在以大功率二極管或晶閘管為基礎的兩種基本類型的整流器中，電網的高壓交流功率通過變壓器變換為直流功率。提到未來（不久的或遙遠的）的其它類型整流器: 以不可控二極管前沿產品為基礎的斬波器、斬波直流/直流變換器或電流源逆變型有源整流器。顯然，這種最新型的整流器在技術上包含較多要開發的內容，但是它能顯示出優點，例如它以非常小的諧波干擾和1的功率因數加載於電網。
二極管整流器 所有整流器類別中最簡單的是二極管整流器。在最簡單的型式中，二極管整流器不提供任何一種控制輸出電流和電壓數值的手段。為了適用於工業過程，輸出值必須在一定範圍內可以控制。通過應用機械的所謂有載抽頭變換器可以完成這種控制。作為典型情況，有載抽頭變換器在整流變壓器的原邊控制輸入的交流電壓，因此也就能夠在一定範圍內控制輸出的直流值。通常有載抽頭變換器與串聯在整流器輸出電路中的飽和電抗器結合使用。通過在電抗器中引入直流電流，使線路中產生一個可變的阻抗。因此，通過控制電抗器兩端的電壓降，輸出值可以在比較窄的範圍內控制。
晶閘管整流器 在設計上非常接近二極管整流器的是晶閘管整流器。因為晶閘管整流器的電參數是可控的，所以不需要有載抽頭變換器和飽和電抗器。
因為晶閘管整流器不包含運動部件，所以晶閘管整流器系統的維修減少了。注意到的一個優點是晶閘管整流器的調節速度較二極管整流器快。在過程特性的階躍期間，晶閘管整流器常常調節很快，以致能夠避免過電流。其結果是晶閘管系統的過載能力能夠設計得比二極管系統小。
一、可控硅的概念和結構
晶閘管又叫可控硅。自從20世紀50年代問世以來已經發展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結，對外有三個電極〔圖2(a)〕：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖2(b)〕可以看到，它和二極管一樣是一種單方向導電的器件，關鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。
二、晶閘管的主要工作特性
為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板(圖3)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯起來，通過開關S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關SB接在3V直流電源的正極(這裡使用的是KP5型晶閘管，若採用KP1型，應接在1.5V直流電源的正極)。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓。現在我們合上電源開關S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關SB，給控制極輸入一個觸發電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這個演示實驗給了我們什麼啟發呢?
這個實驗告訴我們，要使晶閘管導通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發電壓。晶閘管導通後，鬆開按鈕開關，去掉觸發電壓，仍然維持導通狀態。
晶閘管的特點： 是“一觸即發”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通。控制極的作用是通過外加正向觸發脈衝使晶閘管導通，卻不能使它關斷。那麼，用什麼方法才能使導通的晶閘管關斷呢?使導通的晶閘管關斷，可以斷開陽極電源(圖3中的開關S)或使陽極電流小於維持導通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那麼，在電壓過零時，晶閘管會自行關斷。
三、用萬用表可以區分晶閘管的三個電極嗎?怎樣測試晶閘管的好壞呢?
普通晶閘管的三個電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測。大家知道，晶閘管G、K之間是一個PN結〔圖2(a)〕，相當於一個二極管，G為正極、K為負極，所以，按照測試二極管的方法，找出三個極中的兩個極，測它的正、反向電阻，電阻小時，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的一個就是陽極A了。測試晶閘管的好壞，可以用剛才演示用的示教板電路(圖3)。接通電源開關S，按一下按鈕開關SB，燈泡發光就是好的，不發光就是壞的
四、晶閘管在電路中的主要用途是什麼?
普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬於不可控整流電路。如果把二極管換成晶閘管，就可以構成可控整流電路。現在我畫一個最簡單的單相半波可控整流電路〔圖4(a)〕。在正弦交流電壓U2的正半週期間，如果VS的控制極沒有輸入觸發脈衝Ug，VS仍然不能導通，只有在U2處於正半周，在控制極外加觸發脈衝Ug時，晶閘管被觸發導通。現在，畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發脈衝Ug到來時，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發脈衝Ug到來的時間，就可以調節負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術中，常把交流電的半個週期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發脈衝到來瞬間所經歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內晶閘管導通的電角度叫導通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個週期的導通或阻斷範圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈衝直流電壓的平均值UL，實現了可控整流。
五、在橋式整流電路中，把二極管都換成晶閘管是不是就成了可控整流電路了呢?
在橋式整流電路中，只需要把兩個二極管換成晶閘管就能構成全波可控整流電路了。現在畫出電路圖和波形圖(圖5)，就能看明白了。
六、晶閘管控制極所需的觸發脈衝是怎麼產生的呢?
晶閘管觸發電路的形式很多，常用的有阻容移相橋觸發電路、單結晶體管觸發電路、晶體三極管觸發電路、利用小晶閘管觸發大晶閘管的觸發電路，等等。今天大家制作的調壓器，採用的是單結晶體管觸發電路。
七、什麼是單結晶體管?它有什麼特殊性能呢?
單結晶體管又叫雙基極二極管，是由一個PN結和三個電極構成的半導體器件(圖6)。我們先畫出它的結構示意圖〔圖7(a)〕。在一塊N型硅片兩端，製作兩個電極，分別叫做第一基極B1和第二基極B2；硅片的另一側靠近B2處製作了一個PN結，相當於一隻二極管，在P區引出的電極叫發射極E。為了分析方便，可以把B1、B2之間的N型區域等效為一個純電阻RBB，稱為基區電阻，並可看作是兩個電阻RB2、RB1的串聯〔圖7(b)〕。值得注意的是RB1的阻值會隨發射極電流IE的變化而改變，具有可變電阻的特性。如果在兩個基極B2、B1之間加上一個直流電壓UBB，則A點的電壓UA為：若發射極電壓UE
八、怎樣利用單結晶體管組成晶閘管觸發電路呢?
單結晶體管組成的觸發脈衝產生電路在今天大家制作的調壓器中已經具體應用了。為了說明它的工作原理，我們單獨畫出單結晶體管張弛振盪器的電路(圖8)。它是由單結晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關S後，電源UBB經電位器RP向電容器C充電，電容器上的電壓UC按指數規律上升。當UC上升到單結晶體管的峰點電壓UP時，單結晶體管突然導通，基區電阻RB1急劇減小，電容器C通過PN結向電阻R1迅速放電，使R1兩端電壓Ug發生一個正跳變，形成陡峭的脈衝前沿〔圖8(b)〕。隨著電容器C的放電，UE按指數規律下降，直到低於谷點電壓UV時單結晶體管截止。這樣，在R1兩端輸出的是尖頂觸發脈衝。此時，電源UBB又開始給電容器C充電，進入第二個充放電過程。這樣週而復始，電路中進行著週期性的振盪。調節RP可以改變振盪週期。
九、在可控整流電路的波形圖中，發現晶閘管承受正向電壓的每半個週期內，發出第一個觸發脈衝的時刻都相同，也就是控制角α和導通角θ都相等，那麼，單結晶體管張弛振盪器怎樣才能與交流電源準確地配合以實現有效的控制呢?
為了實現整流電路輸出電壓“可控”，必須使晶閘管承受正向電壓的每半個週期內，觸發電路發出第一個觸發脈衝的時刻都相同，這種相互配合的工作方式，稱為觸發脈衝與電源同步。
怎樣才能做到同步呢?大家再看調壓器的電路圖(圖1)。請注意，在這裡單結晶體管張弛振盪器的電源是取自橋式整流電路輸出的全波脈衝直流電壓。在晶閘管沒有導通時，張弛振盪器的電容器C被電源充電，UC按指數規律上升到峰點電壓UP時，單結晶體管VT導通，在VS導通期間，負載RL上有交流電壓和電流，與此同時，導通的VS兩端電壓降很小，迫使張弛振盪器停止工作。當交流電壓過零瞬間，晶閘管VS被迫關斷，張弛振盪器得電，又開始給電容器C充電，重複以上過程。這樣，每次交流電壓過零後，張弛振盪器發出第一個觸發脈衝的時刻都相同，這個時刻取決於RP的阻值和C的電容量。調節RP的阻值，就可以改變電容器C的充電時間，也就改變了第一個Ug發出的時刻，相應地改變了晶閘管的控制角，使負載RL上輸出電壓的平均值發生變化，達到調壓的目的。
雙向晶閘管的T1和T2不能互換。否則會損壞管子和相關的控制電路。
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