电机软启动装置技术工艺发展分析（电机软启动装置项目市场投资商业计划书 -节选）

第一节 电机软启动装置基本生产技术、工艺或流程

软启动器主电路图

软启动器基本接线图

1、限流起动

用该方式起动电机时，软起动器的输出电压迅速增加，直到输出电流达到限流值，保持输出电流不大于该值，电压逐步升高，使电动机加速，当达到额定电压、额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流，起动过程完成，如图：

限流起动过程图

2、电压斜坡软起动

用该方式起动电机时，软起动器的电压快速升至U1，然后在设定的时间t内逐渐上升，电机随着电压的上升不断加速，达到额定电压和额定转速时，起动过程完成，如图：

电压斜坡软起动过程图

3、斜坡限流起动

用该方式起动电机时，输出电压以设定的时间平稳上升，同时输出电流以一定的速率增加，当起动电流增至限定值IM时，电流保持恒定，直至起动完成如图：

斜坡限流起动过程图

4、软停车

在该方式下停止电机时，电机的输出电压由额定电压在设定的软停时间内逐步降至零，过程完成，如图：

软停车过程图

第二节 电机软启动装置新技术研发、应用情况

软启动器主回路采用晶闸管，通过逐步改变晶闸管的导通角来抬升电压，完成启动过程，这是软启动器的基本原理。目前在低压软启动器市场产品繁多，但是高压软启动器产品还是比较少。高压软启动器与低压软启动器基本原理一样，但是高压软启动器与低压软启动器相比，有些地方存在着其特殊性：

1、高压软启动器在高压环境下工作，各种电气元器件的绝缘性能一定要好，电子芯片的抗干扰能力要强。高压软起动器组成电气柜时，电气元器件的布局以及与高压软启动器与其它电气设备的连接也是非常重要的。

2、高压软启动器必须有一个高性能的控制核心，能对信号进行及时和快速地处理。因此这个控制核心一般采用高性能的DSP芯片，而不是低压软启动器的普通单片机芯。低压软启动器主回路由三组反并联的晶闸管组成。而在高压软启动器中，由于目前单只高压晶闸管的耐压能力不够，所以必须由多个高压晶闸管串联进行分压。但是每个晶闸管的性能参数没有完全一致。晶闸管参数的不一致，会导致晶闸管开通时间不一致，从而导致晶闸管的损坏。因此在晶闸管的选配上，必须保证每一相的晶闸管参数尽可能地一致，并且每一相晶闸管的RC滤波电路的元件参数尽可能一致。

高压软启动器的一个难点在晶闸管的触发上。由于主回路有多个晶闸管，每个晶闸管需要一块触发板来完成触发。触发电路属于控制电路，根据触发电路与主回路的电气关系，触发电路有两种形式：1）触发电路与主回路隔离。隔离元器件有两种：一种方式是采用光耦，但是光耦在开通时和关断时存在着死区，高压条件下，无论是启动或软停车，实现起来并不容易。并且由于单个光耦耐压能力不够，必须进行光耦的串联，但是各个光耦的不一致性会导致其在高压条件下存在着被击穿的风险。尽管低压软启动器采用这种方式非常方便有效，但在高压条件下，还是存在不少困难。一种方式是采用脉冲变压器。这种方式比较成熟可靠，在脉冲变压器的原边输入脉冲，在次边产生的脉冲波加在晶闸管的门极和阴极之间来完成触发。触发脉冲高电平和低电平的时间比也很重要，高电平时间长，对触发板上的电源消耗大，高电平的时间短，不能充分开通晶闸管。这种方式由于脉冲变压器的功率限制，在触发超大功率晶闸管时存在着一定的困难。不过通过恰当地处理脉冲变压器的原边脉冲波，还是可以实现的。2）触发电路与主回路有一个等电势。这种方式避开了脉冲变压器的功率限制，但对触发电路处理要求更高。

不论何种触发电路，都要求有一个良好的触发电源，这个电源给多块触发板供电。首先这个电源必须非常稳定，其次这个电源能够自我调整，适应于各种功率的晶闸管的触发。晶闸管充分触发需要多少能量提供多少能量，既不多给，也不少给。多给会烧坏晶闸管，少给会开不通晶闸管。

3、高压软起动器的工作环境容易受到各种电磁干扰，因此触发信号的传递必须安全可靠。高压软起动器中，传递触发信号，一般采用光纤传输，能有效地避免各种电磁干扰。通过光纤传递信号，也有两种方式：一种多光纤方式，一种单光纤方式。多光纤方式即每块触发板有一路光纤；单光纤方式即每一相只有一路光纤，信号传递到一块主触发板，再由主触发板传递到同一相的其他触发板。由于各路光纤光电传输过程中损耗不尽一致，因此从触发一致性上看，单光纤的方式比多光纤可靠。

4、高压软启动器对信号的检测比低压软启动器要求更高。高压软起动器所在的环境存在着大量的电磁干扰，并且高压软启动器所用的真空接触器和真空断路器在其分断和闭合过程中会产生大量的电磁干扰。所以对检测到的信号不仅要进行硬件滤波，也要进行软件滤波，去掉干扰信号。

5、软启动器在完成启动过程后，要切换到旁路运行状态，如何平滑地切换到运行状态，这也是软启动器的一个难点，如何选准旁路点非常重要。旁路点早了，电流冲击非常大，即使在低压条件下，也会造成三相电源中断路器跳闸，甚至会损坏断路器。高压条件下危害更大。旁路点迟了，电机抖动得厉害，影响负载正常工作。因此，旁路信号的硬件检测电路必须非常精确，并且程序处理也要恰到好处。

综上所述，尽管低压软启动器和高压软启动器的基本原理一致，但高压软启动器存在的诸多技术难题，使得在低压软启动器遍地开花的情况下，高压软启动器的成熟产品并不多见。

电子晶闸管软启动器与电磁式启动器相比各有优缺点，由于电磁式开关触头压降比晶闸管压降小得多，损耗小，而电子晶闸管软启动器消耗热耗散功率，损耗大。因此，使用电子晶闸管软启动器时，最好加装旁路接触器。软停机时将接触器打开，软启动器投入，晶闸管全导通，实现软停机。

株洲电力机车 研究 所综合自己在高电压大功率半导体制造、电力电子及其控制等方面多年的成功经验以及引进、吸收国外著名公司高压晶闸管阀成熟技术，成功开发出了TGQ-1高压电机软起动器。本软起动器通过应用大功率高压晶闸管技术和现代计算机实时控制技术，解决了高压大容量拖动风机、水泵及磨机等负载的交流电机起动和软停机的难题，同时实现了对电机和软起动器本身的保护。

第三节 电机软启动装置国外技术发展现状

目前，高压晶闸管软起动器只有ABB、SIEMENS等少数几家国际大公司能够生产。

第四节 电机软启动装置技术开发热点、难点 分析

1、单片机控制的晶闸管触发器

晶闸管在烧结炉、电弧炉等整流场合主要采用移相触发控制，即通过调节晶闸管导通时刻的相位实现控制输出。传统的晶闸管触发器采用模拟控制电路，无法克服其固有缺点。数字式控制电路与模拟式相比，主要优点是输出波形稳定和可靠性高，但其缺点是电路比较复杂，移相触发角较大时控制精度不高。

随着单片机技术的发展，由单片机组成的控制电路的优势越明显，除具有与数字式触发电路相同的优点外，更因其移相触发角通过软件计算完成，触发电路结构简单，控制灵活，温漂影响小，控制精度可通过软件补偿，移相范围可任意调节等特点，目前已获得业界的广泛认可。

单片机控制的晶闸管触发器主要由同步信号检测、CPU硬件电路、复位电路和触发脉冲驱动电路4部分组成。CPU通过检测电路获知触发信号，依据所要控制的电路要求，通过编程实现预定的程序流程，在相应时间段内通过单片机I/O端输出触发脉冲信号，复位电路可保证系统安全可靠的运行。

晶闸管触发器的组成

2、高压电动机软起动装置的技术实现

国内电气公司数字式软起动产品适用电机的电压等级均是低压（380V）的。但是，在3~10KV这样的电压等级范围内，人们对软起动需求的迫切性丝毫不亚于低压。电网短路容量与电机容量的比值越小，软起动的迫切性越高。

高压电动机软起动装置的技术实现问题实质上是执行元件的问题。各类高压电动机软起动装置分类的主要标准就是所采用的执行元件。例如，以‘水电阻’为执行元件的就分类为液态电阻、热变电阻软起动装置，以SCR为执行元件的就分类为晶闸管软起动装置，以饱和电抗器为执行元件的就分类为磁控软起动装置。软起动装置的一切控制均以执行元件的特性和需求为着眼点。

国内电气公司跨进高压电动机软起动领域有3个可行的途径。

第一个途径

是仿照国外公司，通过SCR器件的串连走向高压。为此，要尽量提高所用SCR器件的耐压等级和开关速度，改进它的触发系统，提高触发和关断的同时性。在这条路上，个别厂家已经进行了一些积极的探索，据说已具备生产用以软起动1000KW高压电动机晶闸管装置的能力，其预计价格据说仅为进口产品的1/3。但是，在决定跟进晶闸管途径时，它的高风险（源于SCR的串、并联）、高成本、大谐波污染等，是值得决策者三思的。

第二个途径

以‘开关变压器’为主要特征。它仍然是以SCR为电力电子器件的。以‘开关变压器’为中介，可以绕过SCR器件串连均压的难关。‘开关变压器’的原边串连在电动机定子回路里，在较低电压的变压器副边通断SCR可以折合为原边电路的通断。此途径保留了第一途径的主要优点。第二途径惹出的新问题是‘开关变压器’的成本、占用空间，以及并联SCR的均流问题。

第三个途径

就是借助高压磁饱和电抗器[1~4]。在第三途径里，磁饱和电抗器的作用是在直流侧以20~50倍的功率放大倍数间接控制高压电动机定子电流。磁饱和电抗器完成高、低压的隔离。在这一途径里，同样需要采用接成三相整流桥的SCR，对于不大于50兆瓦的电动机而言，SCR完全不必串连或并联。

磁饱和电抗器作为高压电动机软起动装置的执行元件，具有其它执行元件不可替代的优点，诸如可靠性高、环境适应性好、稳定性好、体积小（5600KW，10KV含饱和电抗器在内的柜体尺寸为1.6*1.6*2.5米）、成本低等等。

高压磁控软起动装置的价格比液态软起动装置相当。

饱和电抗器材料的主要构成为硅钢片和铜线。

硅钢片重量与铁芯截面积S和磁路长度L的乘积成正比。窗口面积与S成正比。因为S与电动机容量P的1/2方成正比，L与P的1/4方（S的1/2方）成正比，所以，硅钢片重量与P的3/4方成正比。铜线消耗量的情况也类似。所以，磁饱和电抗器的成本价与容量P的3/4方成正比。如果P=A电机软起动装置的单位容量成本价X=B，则P=10A电机的软起动装置的X=0.56B。X随容量增加而减小的结论，完全可以从我已经做过的20多台不同容量软起动装置磁饱和电抗器的设计中得到验证。例如，3200KW（6KV）电动机软起动装置饱和电抗器的材料总重量是1.5T，14000KW（10KV）电动机软起动装置饱和电抗器的材料总重量是4.0T，后者的容量是前者的4.4倍，而后者的材料重仅是前者的2.7倍。

这种现象，在SCR软起动装置里并不存在。容量增加后，SCR需要并联，加大了技术实现的麻烦程度，其单位容量的成本价只会增加，不会减少。

国内全数字晶闸管软起动产品的生产厂家，产品均是国外产品一定程度的仿制品。因此，此类产品除了靠压低价格以外，很难销往国外。

第五节 电机软启动装置未来技术发展趋势

单片机控制的交流异步电动机软起动器是电机软启动装置未来发展的主要方向之一。

影响高压晶闸管软起动装置推广应用的重要原因是目前其价格还比较高，虽然国产化后其价格已仅为进口同类产品的一半或更低，但比液阻等软起动装置要高出不少。目前的晶闸管元件价格较高，但随着高压晶闸管软起动装置的不断推广应用，随着晶闸管元件的应用批量不断增大及其产生成品率的不断提高，其价格会处于不断下降的趋势。

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