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1、交流电机软启动的技术原理与仿真摘 要本文首先阐述了交流电机的直接启动，论述了直接启动的危害如电网冲击，机械冲击，对生产机械的冲击等，叙述了交流电机直接启动的限制条件；并且将交流电机的直接启动和软启动进行比较，得出了软启动对电网冲击小，转矩冲击小且减少了对机器本身的损坏等优点。其次详细论述了几种主要的交流电机降压启动原理。在这基础上详述了软启动的启动原理，给出了限流软启动、电压斜坡启动、转矩控制启动、转矩加突跳控制启动、电压控制启动等几种启动方法和曲线图。然后分别对每种启动方式的优缺点进行了说明，得出了比较好的启动方式是电压控制启动、转矩控制启动和转矩加突跳控制启动，并且对变频调速做了浅谈使之与
2、软启动进行比较得出了软启动的优缺点。再次借助Matlab/Simulink工具箱和电气系统模块库(Power System Blockset)对交流电机的软启动过程进行仿真研究，建立了三相交流电压环节模块、同步环节模块、脉冲发生模块、三相交流调压模块、电机及测量模块、电流反馈、启动控制和电机切换等环节封装模块，构建了完整的仿真系统模型，并分析了每个模块的建立过程，参数设定及基本功能，给出了仿真结果，并对结果进行了分析和验证。最后归纳总结目前软启动技术的特性，指出目前软启动产品开发应考虑的因素以及软启动的发展，软启动的节能。关键字：交流电机，软启动，仿真，matlab，节能Simulating
3、and Analysis about Soft-starting Theory of Induction MotorABSTRACTThis article first elaborated the alternating current machine line start, elaborated the line start harm like electrical network impact, the machinery impact, to produces the machinery to have the impact and so on, narrated the altern
4、ating current machine line start limiting condition; And the alternating current machine line start and the soft start will carry on the comparison, obtained the soft start to the electrical network impact, the torque has attacked small also reduced to machine itself merit and so on damage. Next in
5、detail elaborated several kind of main alternating current machine voltage dropping resistor start principle, has related in detail the soft start start principle in this foundation, gave has limited flows the soft start, the voltage pitch starts, the torque control started, torque Canada kicked the
6、 control to start, voltage control start and so on several start methods and diagram of curves, Has separately carried on the explanation to each kind of start way good and bad points, has obtained the quite good start way is the voltage control starts, the torque control start and torque Canada kic
7、ks the control start.Draws support from the Matlab/Simulink toolbox and the electrical system module storehouse once more (Power System Blockset) conducts the simulation research to the alternating current machine soft start process, Established the three-phase AC voltage link module, the synchroniz
8、ed link module, the pulse has had the module, the three-phase AC accent pressed the module, the electrical machinery and the survey module, the current feedback, link seal modules and so on start control and anxious link, Has constructed the integrity simulation system model, and has analyzed each m
9、odule establishment process, the parameter hypothesis and the basic function, has given the simulation result, and has carried on the analysis to the result, the confirmation.Finally induces the summary at present the soft start technology characteristic, pointed out the present soft start product d
10、evelopment should consider factor as well as soft start development, soft start energy conservation, and did to the frequency conversion velocity modulation discussed shallowly caused it to carry on the comparison with the soft start to obtain the soft start good and bad points.KEKWORDS: AC motor，So
11、ft-starting，simulating，matlab，energy saving目 录摘 要IABSTRACTII1 交流软启动概述11.1 交流电机启动方式简介11.1.1 交流电机直接启动的弊端及限制条件11.1.2 传统的启动技术21.1.3 晶闸管软启动技术31.1.4 交流电机启动方式选择31.2 型异步电动机减压启动方法41.2.1 定子串电阻或电抗器减压启动41.2.2 自耦变压器降压启动51.2.3 星形三角形（Y）启动71.3 变频软启动的原理及应用71.3.1 变频软启动的基本结构81.3.2 变频软启动的工作原理81.4 变频软启动与软启动的比较102 晶闸管软启动
12、技术原理与节能112.1 晶闸管软启动技术原理112.2 软启动节能技术及原理与软启动智能化发展142.2.1 异步电动机中的损耗142.2.2 异步电动机的节能原理142.2.3 软启动智能化发展162.3 软启动行业现状及发展方向172.3.1 软启动行业现状172.3.2 软启动的发展方向173 MATLAB/SIMULINK工具箱的简介193.1 matlab简介193.2 Simulink工具箱简介：213.3 电力系统模型库（simpowersysterm）工具箱简介234 交流电机软启动系统仿真建模244.1 交流电动机数学模型244.1.1 异步电动机在,0 坐标系统下的数学模
13、型244.1.2 异步电机在d,q,0坐标系统下的数学模型254.2 交流电机软启动基本模块仿真264.3 交流电机软启动系统仿真305 交流电机软启动系统仿真分析315.1 SIMULINK仿真分析315.1.1 转速315.1.2 转矩315.1.3 定子电流325.1.4 转子电流335.1.5 脉冲图像335.1.6 触发角alpha的变化345.1.7 电压345.2 分析小结356 总结36致 谢36参 考 文 献381 交流软启动概述1.1 交流电机启动方式简介交流电动机广泛应用于各行各业，但传统电机的直接启动、停止制动方式存在许多缺陷。启动时电流很大，启动电流可高达额定电流的5
14、8倍，这对电网、负载机械和电动机造成巨大冲击，影响电动机和其拖动设备的使用寿命，也造成电网电压突降，直接影响在电网用电的其它用电设备的正常工作。传统的降压启动方式，无论是星三角启动或自耦变压器降压启动等启动方式，虽然减少了启动电流，但启动转矩也同时减少，只能应用在轻载或空载启动场合。传统的停止制动方式采用自然停止或抱闸制动等停止方式，自然停止对泵类负载“水锤”冲击严重，危害管网；抱闸制动，产生机械震动激烈，危害设备。无论是启动还是停止，均不能满足平稳平滑启动、停止的工业生产工艺要求1。1.1.1 交流电机直接启动的弊端及限制条件直接启动是最简便的启动方式，启动时通过闸刀或接触器将电机直接接到电
15、网上。直接启动的优点是启动设备简单，启动速度快。但是直接启动有着不可避免的危害，并且存在很大的弊端，在这里我们就简单得从以下几个方面看一下直接启动的弊端：（a）对电网的冲击：过大的启动电流（空载启动电流可达额定电流的47倍2，负载启动时可达810倍或更大），其转速要在很短的时间内从零升至额定转速，会在启动过程中产生冲击，造成电网电压下降，影响其他用电设备，还可能引起欠压保护动作，造成设备的有害跳闸。同时过大的启动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命。（b）对机械的冲击：过大的冲击转矩往往造成电机转子笼条，端环断裂和定子端部绕线绝缘磨损，导致击穿烧机；转轴扭曲，联轴节，传动齿轮损
16、伤和皮带撕裂等。（c）对生产机械的冲击：启动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命，影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。这三种冲击都对设备的安全可靠运行带来威胁，同时也造成过大的启动能量损耗，尤其当频繁起停时更为突出。因此对电动机直接启动有以下限制条件：（a）生产机械是否允许拖动电动机直接启动，这是先决条件；（b）电动机的容量应不大于供电变压器容量的1015%；（c）启动过程中的电压降U应不大于额定电压的15%。对于中、大功率的电动机一般都不允许直接启动，而要求采用一定的启动设备，方可完成正常的启动工作。因此，对于能造成电网电压下降，影响了同电网其他设备的正常工作，对电
17、动机本身使用寿命或对自带设备造成较大损害的，应采取其他措施，避免直接启动。1.1.2 传统的启动技术三相交流异步电机一般不采用直接启动的情况下可以考虑传统的降压启动方式。传统的启动方式包含有Y降压启动方式，定子串电阻降压启动方式，转子串电阻降压启动方式，自耦变压器降压启动方式。下来介绍下这几种启动技术的优缺点及适用范围3：（1）Y降压启动方式：Y降压启动是将电动机定子的三相绕组接成星型启动，待电动机速度达到额定转速后，再换接成三角形转入正常运行。对电动机绕组来说，星型连接比三角形连接的端电压降到。电机绕组星型连接时，其绕组中电流就是配电系统中的电流，配电系统电流为线电流，相电流为线电流的。这样
18、，对配电系统而言，电动机星型连接启动时的电流，仅为三角形连接启动时电流的4。（2）定子串电阻降压启动方式：在定子三相绕组串入电阻或电抗器，可在电动机启动时分担电压，在电动机速度到达额定转速后，切除串接电阻或电抗器。这样降低了施加在交流电机三相定子绕组的端电压。从而有效抑制交流电机启动冲击电流，减小启动冲击转矩。但是，定子串电阻电抗器启动，对电网影响不可消除。（3）转子串电阻降压启动方式：转子串电阻降压启动只是用于转子为绕组式的异步电机。在启动初时，转子回路串入电阻，相当于增大转子电阻，串入电阻器分压限流作用。当启动完成后，切除外加电阻。虽然转子串电阻能有效抑制启动冲击电流，但是，它没法避免电网
19、压降，同时还产生了大量的能源浪费。（4）自耦变压器降压启动方式：自耦变压器降压启动，是将自耦变压器的原边接入供电系统，副边(即原边绕组的一部分)接到电动机的定子绕组上。待电动机转速基本稳定时，切除自耦变压器，将电动机定子绕组直接接入供电系统。这种启动方式，降低了电动机的启动电压和启动电流。假如自耦变压器的变比为1：2，则电动机的启动电压、启动电流均降到原来的1/2，转矩降到原来的1/4。由于配电系统中的电流(即自耦变压器原边电流)与电动机中的电流(即自耦变压器副边电流)之比是1：2，降压启动时，配电系统的电流时是全启动时的1/4，除此之外，它的启动电压可以选择，选择0.65、0.8或0.9UN
20、以适应不同负载的要求。使用这种降压方式，当配电系统中的电流下降到全压启动时的1/2时，电动机转矩没有降到原来的1/4，只降到原来的1/2，因而启动转矩较大。而且，它的体积大、重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。1.1.3 晶闸管软启动技术随着电力电子技术的发展，国际上已广泛采用交流电动机软启（制）动技术，交流电机软启动器实现了交流电机软启动、软停止，功能完善，性能优异，能满足工业电机控制的广泛需要。同时，软启动控制在空载和轻载运转时具有节能效果。所谓“软启动”，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压启动过程。目前的软启动器一般有以下几种启动方式：（a）限流软启动：限流软启动
21、顾名思义就是在电动机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值()的软启动方式。三种晶闸管软启动的方式：斜坡恒流软启动；阶跃恒流软启动；脉冲恒流软启动。（b）电压斜坡启动：输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压启动变有级为无级，主要用在重载启动。（c）转矩控制启动：主要用在重载启动，它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压。（d）转矩加突跳控制启动：在启动的瞬间用突跳转矩，用在重载场合。（e）电压控制启动：它是用在轻载启动的场合。1.1.4 交流电机启动方式选择三相交流异步电动机有多种启动方式，全压启动是最直接的一种启动方式。全电压直接启动有诸多优点，是一个危险的诱惑。首先，直接启
22、动设备简单，不需额外添加启动设备，降低成本和维修费用。其次，启动转矩大，能满载或重载启动。最后，直接启动速度快，响应时间短，能以最短时间达到额定转速。但是，全电压直接启动也存在诸多缺点。首先，直接启动冲击电流大（可达额定电流的58倍 ），绕组流过较大电流产生大量的热量，使绝缘老化，缩短电机寿命。其次，转矩冲击大，对电动机本身和传动机构造成破坏，降低机械加工精度，破坏电机转子软组或笼型异步电动机的导条。最后，直接启动对容量较小的电网造成较大的电网压降，影响其它同电网负载工作。直接启动有其明显的优点，同时也存在许多致命的缺陷，但采取全电压直接启动和软启动并不矛盾。这个前提是对具体电动机在具体的电网
23、中，选择合适的启动方式。为此，国家制定通用用电设备配电设计规范（GB500551993，以下简称规范）作了如下规定：第2.3.2条交流电动机启动时，配电母线上的电压应符合下列规定：（a）在一般情况下，电动机频繁启动时，不宜低于额定电压的90%；电动机不频繁启动时，不宜低于额定电压的85%。（b）配电母线上未按照明或其它对电压波动较敏感的负荷，且电动机不频繁启动，不宜低于额定电压的80%。（c）配电母线上未接其它用电设备时，可按保证电动机启动转矩的条件要求确定：对于低压电动机，还应保证接触器线圈电压不低于释放电压。第2.3.3条笼型电动机和同步电动机的启动方式选择，应符合下列规定：（a）当符合下
24、列条件时，电动机应全压启动：a）电动机启动时，配电母线的电压应符合本规范第2.3.2条的规定；b）机械能承受全压启动时的冲击力矩；c）制造厂对电动机的启动方式无特殊规定。（b）当不符合全压启动的条件时，电动机宜降压启动，或选择其它合适的启动方式。（c）当有调速要求时，电动机的启动方式应与调速方式相配合。日常应用中，一般是电机功率小于7.5KW时允许直接启动。如果电机功率大于7.5KW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也允许直接启动 。 （1-1）式中，I1st为电机允许的最大启动电流，I1N为电机额定电流。如果不满足上式要求，则必须采取减压启动的方法。减压启动（降压启动）具体方式选择
25、跟厂家经济情况和交流电机本身有关。三相交流异步电动机有绕线转子和鼠笼转子。它们有不同的降压启动方法。1.2 型异步电动机减压启动方法笼型异步电动机为封闭转子，降压只能在定子端考虑，综合各种文献，可知减压启动方法大致有三种。下面我们就详细分析一下这三种启动方法。1.2.1 定子串电阻或电抗器减压启动串电抗器后，启动电流成正比减小，启动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机启动时阻力矩的情况，只有启动转矩大于阻力矩电机才能顺利启动。如图1-1所示启动时先合上3Q再合上KM1电机即串入电抗启动，待启动完成后合上KM2打开KM1，切除电抗器，电机进入全压运行6。图1-1 定子串电阻原
26、理图串电抗器启动时，串入电抗器之前电机速度为零，故这时要求的Im较大，这就要求串入电抗器后电机的端电压不能太小，一般选择在0.7UN左右，其启动电流也在直接全压启动电流的0.7倍左右。选用电抗器时便会陷入这样的矛盾之中：为了减小启动电流总希望电抗值大一些，但这样又容易造成启动失败，尤其是当电网电压不稳定和负载状况经常变化时；为了保证启动的成功率，电抗值就要小一些，但这样启动电流又偏大。电抗器适于电网电压和负载(启动时)比较稳定的情况。串联电抗器启动为有级降压启动，启动过程中转矩会有二次突变，仍会产生较大的机械冲击，对机械及电机仍会有损伤，只是程度有所降低;对电网的影响也未达到最低。在操作过电压
27、方面，由于初始电压为0.7UN左右，操作过电压的几率也随之降低一些，但由于高频振荡叠加的随机性，操作过电压的幅值并不会降低。1.2.2 自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动是利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小启动电流。图1-2表示自耦变压器的减压原理图，图中只绘出一相，及分别表示一次侧。图1-2 自耦变压器的减压原理图电压和电流，即电网电压和电流；和分别表示变压器的二次电压和电流，亦即电动机定子的电压和电流；和分别表示变压器的一次绕组和二次绕组匝数（即抽头部分的匝数）。由变压器原理，得 (1-2)设为定子电压时的启动电流，则为全压启动时的启动电流，则： (1-3)将式1-2代入
28、式1-3，得 (1-4)再利用变压器原理，得 (1-5)再将式1-4乘以式1-5，得 (1-6)由式1-2、式1-3、式1-5和式1-6可知，利用自耦变压器后，电压降低到，定子启动电流也降低到。通过自耦变压器，又使从电网吸取的电流降低到： (1-7)另外，由于，故启动转矩降低为，为全压启动时的启动转矩。为满足不同负载的要求，自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，分别为电源电压的40%，60%和80%（或55%，64%及73%）。具体应用还可根据实际情况向厂家定购。自耦变压器降压启动时接线如图1-3所示。启动时先合3Q，再合KM1，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上降压启动。当转速上升到
29、接近稳定时，合KM2，断KM1，将自耦变压器切除，电机进入全压运行状态，启动结束。图1-3 自耦变压器原理图与电抗器降压启动相比，在获得同样启动转矩的情况下，自耦变压器式降压启动需电网提供的启动电流较小，对电网电压的影响小，适合于阻力矩比较大的情况，以及电网短路容量较小的情况。这是它优于串电抗器启动的地方。还有电动机抽头可供不同负载时选用。自耦变压器减压启动的主要缺点是在开关切换的过程中，仍然有较大的转矩突变，对电动机及机械设备仍有较大的伤害，操作过电压方面与电抗器的情况一样。1.2.3 星形三角形（Y）启动星形三角形启动是一种减压启动方法，适用这种启动方法的异步电动机，在运行时是连接成三角形
30、，而且每相绕组引出两个出线端，三相共引出六个出线端。在启动时，先将三相定子绕组连接成星形，待转速接近稳定时再改成三角形。这样，启动时连接成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形时的，由于三角形连接时绕组的电流是线路电流的，而星形连接时两者相等。因此，联结成星形启动时的线路电流只有联结成三角形直接启动时的1/3。由于启动转矩，也要降低到直接启动时的1/3，因此这种启动方法只适用于空载或轻载启动。图1-4所示为星形三角形启动的原理线路图。当启动时，将开关Q2投向“Y”位置，定子绕组连接为星形连接，电动机减压启动；当电动机转速接近稳定时，可将开关Q2迅速投向“”连接，使定子绕组连接成三角形。启动过程结
31、束。电机停止转动时，可直接断开电源开关Q1，并应立刻断开开关Q2，并放在中间位置，否则下次启动时将造成直接启动，这是不允许的。图1-4 星三角降压原理图手动星形三角形启动器的结构形式很多，还有自动控制线路可供选用，它们的减压启动原理都是相同的。停车方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。软启动器带来的最大好处是软停车和制动停车，软停车消除了拖动系统的反惯性冲击，对于水泵就是“水锤”效应，制动停车则在一定场合代替了反接制动停车功能。1.3 变频软启动的原理及应用变频器是利用交流异步电动机同步转速随电源频率变化而变化的特性实现电动机调速运行的装置。变频器产生于20世纪60年代。在20世
32、纪70年代，随着大功率晶体管(GTR)的问世，即场效应晶体管的出现和性能不断提高，使变频器的性能有了极大完善和发展7。变频器有以下特点：（a）可很好地实现异步电动机的无级调速；（b）可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速；（c）调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬；（d）可实现有效的节能。1.3.1 变频软启动的基本结构以电压型交-直-交变频器结构为例变频器主电路：图1-5 变频器主电路主电路为电动机提供调频调压电源的电力变换部分。整流器将工频电源变换为直流电压；滤波器抑制电压波动、缓冲和平滑直流电压；逆变器将直流电变换为频率可调的三(单)相交流电。另外，在变频调速系统中，异步电动机的降速和停机是
33、通过逐渐减小频率来实现的，所以通常需要加入能耗制动环节。1.3.2 变频软启动的工作原理（1）异步电机的调速方法：同步转速： 转子转速：由上式可见，有三种调速方法：1)改变极对数；2)改变转差率；3)改变电源频率最好的调速方法。变频调速：有两种调速方式：恒转矩调速，恒功率调速图1-6 转矩、转速、频率关系图（2）变频调速器的控制方式：a）恒转矩调速（控制方式）由可知：为了保持电机中的磁通不变，在变频的同时控制变频器的输出电压，即保证为常数。由可知：当磁通不变时，即可保证转矩基本不变。但这种调速方式的低速性能较差。b）恒功率调速（）当时，若保持电压不变而增大频率时，磁通一定会减小，因而保证功率为
34、一常数。对不同的负载，可采用不同的调速方式。图1-7 电压与频率关系图（3）变频器的正弦波脉宽调制(SPWM)方式在现代变频器中，普遍采用(SPWM)方式来实现控制：用一系列脉冲，其脉冲宽度按正弦波进行调制。这种电压脉冲序列可以大大减小负载电流中的高次谐波分量。图1-8 正弦波脉宽调制PWM控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁链跟踪PWM法（SVPWM）和电流跟踪PWM法等。1.4 变频软启动与软启动的比较（a）两者所具有的功能不同，软启动器只有启动一个功能，但变频器有三个功能：启动、调速、节能；但是软启动器
35、的价格只有变频器的十分之一，且软启动器的启动任务完成后，能从回路中切除，但变频器不能，一直连接在回路中，因此变频器会发热，这样会减少其使用寿命。（b）两者应用的条件和场所不同，软启动适用于重载、不允许有启动冲击的场合，如水泵、输煤机、传送带等。而且用在启动、停车时；并且要对转矩要求不高。如果对启动转矩有要求，那也只能用变频器。变频器是用于调速的场合，比如生活供水，白天用水少，改变频率，即改变电机转速，减少供水；晚上用水量大，频率增加，转速增加，增加供水，当然也可用做起停，但成本相对会增高。（c）变频器可短时间超载启动，而软启动很难做到。（d）变频器在基频以下是既变频又变压的，而在基频以上是不变
36、压的而软启动只是一个调压器，但是现在国外的软启动器有的还可在电动机运行过程中进行功率因数的时时监控，然后反馈实现调压，用于节能。不过现在两者界限也越来越模糊了，主要是看最后使用有没有调频的要求。但是由于变频器价格高，所以软启动器还是被广泛采用。2 晶闸管软启动技术原理与节能2.1 晶闸管软启动技术原理随着电力电子技术的发展，国际上已广泛采用交流电动机软启（制）动技术，AB公司、ABB公司、CT公司、AEG公司、雷诺尔、世嘉天瑞等公司相继推出了具有节能效果的交流电机软启动器。交流电机软启动器是当今最先进的用于交流电机启动、停止的高新科技产品。它实现了交流电机软启动、软停止，功能完善，性能优异，能
37、满足工业电机控制的广泛需要，是降压、星三角等传统启动控制方式的理想换代产品。同时，软启动控制在空载和轻载运转时具有节能效果。新型的电子式软启动器8的主回路一般都采用晶闸管调压电路，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接与电动机的三相供电线路上。当启动器的微机控制系统接到启动指令后，便进行有关的计算，输出晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管的导通角使启动器按所设计的模式调节输出电压，以控制启动电动机的启动过程。当启动过程完成后，一般启动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗，软启动器的控制框图如图2-1所示。图2-1 电子软启动的基本原理图所谓“
38、软启动”，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压启动过程。目前的软启动器一般有以下几种启动方式9：（1）限流软启动限流软启动顾名思义就是在电动机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值（）的软启动方式。主要用在轻载启动和负载的降压启动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值，然后再保持输出电流的条件下逐渐升高电压，直到额定电压，使电动机转速逐渐升高，直到额定转速。这种启动方式的优点是启动电流小，且可按需要调整（启动电流的限值必须根据电动机的启动转矩来设定，值设的过小，将会使启动失效或烧毁电机）启动电流。其缺点是在启动时难以知道启动压降，不能充分利用压降空间，损失
39、启动转矩，启动时间相对较长。下面介绍三种晶闸管软启动的方式：a）斜坡恒流软启动：斜坡恒流软启动的启动电流逐步平稳增加，启动转矩由小逐渐增大（如图2-2所示）。这样避免了启动过程中的冲击转矩，以及该冲击转矩对设备或电机的冲击，在斜坡恒流软启动中，当启动电流增大至所设的启动电流I时，即将该启动电流保持在设定的电流值上进行启动，直至启动结束。在这种启动方式的斜坡启动阶段中，启动电流的上升变化率是可以任意调节的。斜坡恒流软启动一般适用于轻载或空载的启动。b）阶跃恒流软启动：对于一些要求启动转矩较大的设备如采用斜坡启动就不能正常地进行启动，应采用阶跃恒流软启动方式，该方式是在电动机刚启动的瞬间将电动机的
40、启动电流直接增大至所设定的启动电流值I并保持该电路直至启动完毕，如图2-3所示。这种启动方式在启动瞬间的启动转矩较大，适用于较大负载的启动，如一些带负载启动的设备。c）脉冲恒流软启动：该方式是所介绍的启动方式中启动转矩最大的一种，该启动方式在启动初始阶段有一个较大的启动冲击电流，该电流值大于设定的恒流启动值I，从而产生较大的冲击矩去克服较大的静摩擦转矩，使设备能够启动，然后即进入恒流启动阶段直至启动完毕，如图2-4所示。在脉冲恒流软启动方式中的脉冲启动阶段电流的幅值（可为全压启动的电流幅值）和维持时间是可以设定的。脉冲恒流软启动方式的启动冲击转矩大，适用于重载启动。 图2-2 斜坡恒流软启动
41、图2-3 阶跃恒流软启动 图2-4 脉冲恒流软启动（2）电压斜坡启动电压斜坡启动输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压启动变有级为无级，主要用在重载启动。它的缺点是启动转矩小，转矩特性呈抛物线型上升对启动不利，并且启动时间长，对电机不利。改进的方法是采用双斜坡启动：输出电压先迅速上升至U1，U1为电动机启动所需的最小转矩所对应的电压值，然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种启动方式的特点是启动电流相对较大，但启动时间相对较短，适用于重载启动的电机。（3）转矩控制启动转矩控制启动主要用在重载启动，它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电
42、压，它的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，是最优的重载启动方式。它的缺点是启动时间较长。（4）转矩加突跳控制启动转矩加突跳控制启动与转矩控制器启动一样也是用在重载启动的场合。所不同的是在启动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静态转矩，然后转矩平滑上升，可缩短启动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷，使用时应特别注意。（5）电压控制启动电压控制启动是用在轻载启动的场合，在保证启动压降的前提下使电动机获得最大的启动转矩，尽可能的缩短启动时间，是最优的轻载软启动方式。各种软启动方式的相应启动曲线见下图：图2-5 限流启动 图2-6 电压斜坡软启动 图2-7 转矩
43、控制启动 图2-8 转矩加突跳控制启动图2-9电压控制启动由上面几点不难看出，比较好的的启动方式应是电压控制启动和转矩控制启动及转矩加突跳控制启动。实际应用中，软启动具有如下优点：（a）启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动，频繁启动和软停止。（b）在启停时过度自然，不易伤害设备，节电效果良好。（c）当多台同容量电机工作时，可采用一台电子式软启动器，操作方便。（d）软启动离线仿真研究可以预知在硬启动过程中电机转速，电流，线电压和其它机械特性，对产品设计和用户有重要的指导作用。2.2 软启动节能技术及原理与软启动智能化发展2.2.1 异步电动机中的损耗异步电动机运行时的损耗主要由以下几部分组成
44、:铁损、铜损、机械损耗以及杂散损耗。铁损()指电机的定子铁心及转子铁心内产生的损耗，由磁滞损耗()和涡流损耗()组成，可表示为10： （2-1）式中电源频率，磁通密度，铁心材料薄片厚度，、常数铜损()则由转子铜损()和定子铜损()组成，可表示为 （2-2）式中，定子、转子电流，单位：，定子、转子相数，定子、转子电阻机械损耗()指轴承的摩擦损耗、转子旋转时产生的风损等总和。而杂散损耗()是由漏磁通以及高次谐波磁通引起的损耗。因此，当电动机端电压不变而负载变化时，有功损耗中，铜耗随负载率的增加而增加，其余有功损耗几乎不变，轻载时，因轴上输出功率较小，所以电动机效率降低。无功功率几乎不变，但当轻载时
45、，有功成分较小，所以电动机功率因数降低。当电动机运行于额定负载附近时，其效率和功率因数为最高。2.2.2 异步电动机的节能原理电动机在轻载时，适当地降低定子线圈的电压，则定子电流中的无功分量将减小，从而使电动机的功率因数上升。从电动机软启动器的节能效果分析异步电动机的损耗分为以下5个部分：（a）铁耗。，显然铁耗随的下降而下降。（b）机械损耗。反映摩擦和风阻等机械损耗，与机械特性有关。在不调速异步电动机中机械特性一般都比较硬，运行点在小滑差范围内变化。当降压时，输出转矩不变，转差率略有增加，机械损耗降低不多。（c）转子铜耗。由于电压的降低导致气隙磁通下降，而电磁转矩正比。为了保持不变，则转子电流
46、将增加，从而引起转子铜耗增大。降压时有（d）定子铜耗。电压降低时增加而下降，因此，定子电流是增加还是下降取决于与的大小比例关系。所以，定子损耗在降压运行时的变化是不确定的。（e）附加损耗。有主要有两部分：一部分与磁路中局部饱和程度相联系，可视为与定子线圈感应电势()的平方成正比；另一部分则为载流导体周围的杂散损耗，近似与成正比。由以上分析可见，在满足以下条件时，异步电动机在轻载降压运行时可达到明显的节能效果：一是电动机铁耗在总损耗中所占的比重较大；二是空载电流较大，且在低负荷运行时，仍在中占较大的比重；三是电机电源电压偏高。一般负载率大于30%时节能效果已不明显，不宜采用节能模式。实际上，由于电动机的型式、容量不同以及被拖动负载的性质和工作状态不同，节能效果都不一样，不可一概而论。由于在电动机空载或轻载时，采用软启动器的节能模式可提高电动机的功率因数，并减少输电线路和供电变压器的损耗，因此起到节能作用。软启动节能控制系统的核心是如何精确地控制晶闸管的导通角，以满足自动调节电压、电流的目的，从而实现软启动和节能。图2-10是软启动节能控制器的原理框图11。图2-10 软启动节能控制器原理框图控制器的软启动环节通过检测启动时的电流值，调整给定电压的大小，在启动初期，
