軟啟動器：平穩(wěn)地啟停電機

交流感應(yīng)電機不能在滿額輸入電壓下啟動（或停止），其合理理由包括：極高的堵轉(zhuǎn)電流以及高達滿載轉(zhuǎn)矩230%的轉(zhuǎn)矩。固態(tài)降壓（SSRV）軟啟動器的作用就是減弱電機的這種超高涌流以及因此對關(guān)聯(lián)設(shè)備或系統(tǒng)組件產(chǎn)生的機械應(yīng)力所造成的破壞性后果。
許多新型軟啟動器并不需要一直運行。集成的旁路接觸器在電機達到正常運行速度之后啟用，將電機連到線路上，這時啟動器就可以關(guān)閉了。由于使用了固態(tài)控制做邏輯引擎，軟啟動器的保護和診斷作用也在加強。但是，可控硅整流器（SCR）仍然是主要的供電部件。
ABB公司看到了軟控制器更廣泛的功能，著重將其用作電機保護中繼器件。ABB低壓產(chǎn)品與系統(tǒng)的產(chǎn)品經(jīng)理PaulTerry表示：“我們期望，軟控制器的作用將不僅僅是對感應(yīng)電機實現(xiàn)軟啟動或軟停機。”為說明“高級”軟啟動器將根據(jù)輸入的電機電流、電壓和溫度信號，提供保護功能，Terry列舉了超載/欠載條件下的相位失衡、相位反轉(zhuǎn)、瞬間跳閘作為例子。在ABB的PST系列器件中，使用了用戶編程的定時閾值及更準確的電機傳感器來限制令人討厭的脫扣。
SchneiderElectric北美運營部的電機控制業(yè)務(wù)總監(jiān)CharlesForsgard指出，SSRV器件最初就有簡單的電壓斜坡設(shè)計，提供“更軟”的機械啟動，減小電機的涌流，但是其效果取決于被驅(qū)動的負載特性。Forsgard說：“如果電機有一點負載，那么就可能完全沒有‘軟啟動’效果。”
Siemens新發(fā)布的Sirius3RW40軟啟動器標稱為75-300hp（460伏），采用了兩相“極性平衡”控制（上半部顯示的兩種型號）。更大的3RW44型號（下半部顯示）在460伏條件下提供的閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制范圍是15-950hp。
新的方法著重于轉(zhuǎn)矩斜坡方案，而不是電壓斜坡。它依賴于新一代控制算法，能夠判斷功率和功率因子。利用有關(guān)電機電壓和電流的信息，軟啟動器可以推出實際的定子功率、定子損耗，從而得到供給轉(zhuǎn)子的實際功率。Forsgard繼續(xù)指出：“轉(zhuǎn)子的功率被用來計算實際的電機轉(zhuǎn)矩，只要電機負載沒有超出電流限制的設(shè)定值，SSRV啟動器就繼續(xù)跟蹤轉(zhuǎn)矩斜坡。
在轉(zhuǎn)矩斜坡方案中，根據(jù)操作員在“轉(zhuǎn)矩參考/斜坡”模塊輸入的電機標稱轉(zhuǎn)矩、初始轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩上限等數(shù)值，加上轉(zhuǎn)矩斜坡時間，轉(zhuǎn)矩控制器可以計算得到期望的電機轉(zhuǎn)矩。Fosgard解釋道：“接著，根據(jù)電機的實際轉(zhuǎn)矩與期望值的關(guān)系，用控制器控制可控硅的擊發(fā)。重點在于，電機轉(zhuǎn)矩不再嚴格依賴于電機的電壓或電機的速度－轉(zhuǎn)矩特性，而是更多地由所設(shè)計的斜坡決定。
極性平衡，更小的器件
SiemensEnergyandAutomation公司的RVSS啟動器產(chǎn)品經(jīng)理SteveKoch表示，該公司的SSRV軟啟動器技術(shù)的最新特點是名為“極性平衡”的專利控制技術(shù)。通過均勻的電機啟動特性（速度、轉(zhuǎn)矩和電流），兩相控制能保證平穩(wěn)安靜的啟動，從而避免了使用直流部件。
他解釋道，受控的兩個相位重疊產(chǎn)生的電流將流入第三個未受控的相位，導(dǎo)致三個相位的電流在電機的啟動過程中出現(xiàn)不對稱的分布。此外，兩個受控相位中的功率半導(dǎo)體開關(guān)產(chǎn)生直流分量，在啟動電壓低于50%時將引發(fā)有害的電機噪音。據(jù)稱，極性平衡能消除這些啟動過程中的不良效應(yīng)。（出于經(jīng)濟角度考慮，兩相控制在軟啟動器中得到普遍應(yīng)用。）
Koch說：“啟動過程的聲學(xué)質(zhì)量幾乎達到了三相受控啟動的質(zhì)量，這是通過持續(xù)地動態(tài)調(diào)整或平衡電機啟動過程中不同極性的電流半波而實現(xiàn)的。”
BaldorElectric公司的器件產(chǎn)品經(jīng)理JeffLovelace提到，最新進展是在功率輸出保持不變的情況下更緊湊的軟啟動器封裝，這歸因于大幅度減小的SCR尺寸。他還提到，由于更廣泛地使用低成本的微處理器和鍵盤編程，而不是電位計來配置軟啟動器，控制邏輯變得更快。Lovelace是這樣說的：“由于微處理器是內(nèi)置的，我們可以在運行負載較小時通過調(diào)節(jié)控制輸出，改善功率因子。”他將其看成是一種避免電機磁通過高的“優(yōu)化”手段。
Danfoss北美運動控制的產(chǎn)品專家DouglasYates提到了新式的低熱膨脹（LTE）技術(shù)，通過使用新的材料，從根本上消除在傳統(tǒng)的電源繼電器中常見的電源芯片技術(shù)所遇到的熱膨脹效應(yīng)（以及其它問題）。他解釋說，由于電源芯片、傳熱導(dǎo)體、以及電流導(dǎo)線夾之間的熱膨脹系數(shù)不同，電源芯片產(chǎn)生的大量熱量會導(dǎo)致金屬疲勞。“此外，焊接過程中的氣泡會在芯片上產(chǎn)生熱點，這會損害性能，并可能引起擊穿。”
LTE的設(shè)計使用更少的焊接點，提高了散熱效率。據(jù)報導(dǎo)，有一種新的單槍真空焊接工藝能夠防止氣泡和熱點的形成。DanfossMCI的軟啟動器使用了LTE技術(shù)，提供了良好的固態(tài)繼電器開關(guān)速度，并延長了器件壽命。Yates說：“這項技術(shù)可以將傳統(tǒng)的固態(tài)繼電器的壽命延長10倍，這意味著能為用戶提供更高的可靠性和更長的器件使用壽命。”
內(nèi)置旁路
RockwellAutomation公司的產(chǎn)品經(jīng)理SteveLitzau強調(diào)，相對于前一代器件而言，固態(tài)啟動器更加緊湊、擁有更強的功能。現(xiàn)在的設(shè)計都帶有內(nèi)置旁路，當(dāng)電機達到全速時打開，以減小固態(tài)功率部分的功率（熱）損耗。這樣，封裝就能做得更小，而又不需要使用特殊的冷卻方法。Litzau觀察到，新發(fā)布的啟動器有75%到80%都帶有內(nèi)置旁路。他說：“這個比例還在升高。固態(tài)啟動器一般都有內(nèi)置的可配置輸入/輸出，而且除了運行在單機設(shè)計里面之外，它們還可以設(shè)置成在受控條件下通過網(wǎng)絡(luò)（比如DeviceNet）提供監(jiān)控反饋。”
同樣，Eaton公司也認為軟啟動器的“旁路運行模式”是值得注意的特性。這種特性作為其IT（智能技術(shù)）產(chǎn)品線的一部分，顯著地減小了啟動器產(chǎn)生的熱量，使封裝尺寸和成本可以減到最小。該公司功率控制產(chǎn)品經(jīng)理RodneyPartain說：“同時，旁路接觸器位于軟啟動器內(nèi)部，無需額外的設(shè)備，進一步減小了封裝尺寸，并且最大限度縮短了安裝時間。”Eaton的IT低壓軟啟動器（比如S752、S801和S811）使用24伏直流脈寬調(diào)制（PWM）線圈控制旁路接觸器，據(jù)稱在穩(wěn)態(tài)下最小功耗僅為5瓦。Partain補充道：“PWM線圈與高效的供電電源結(jié)合起來，減小了電力系統(tǒng)的擾動造成的負面效應(yīng)，并克服功率損耗。”

圖2：為了盡可能提高靈活性和對不同負載的適用性，SchneiderElectric公司的SSRV軟啟動器的轉(zhuǎn)矩斜坡控制將初始轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩上限和加速時間都設(shè)計成了用戶可調(diào)整的。
上述低壓IT軟啟動器以及中壓MV801都帶有軟啟動/軟停機的控制和靈活的保護功能。據(jù)Partain介紹，S811啟動器添加了由數(shù)字接口模塊（DIM）實現(xiàn)的通信功能，該模塊具有易使用的操作員界面。DIM使用戶能夠安全對其系統(tǒng)進行配置、運行、監(jiān)控和故障排查。S811通過其內(nèi)置Cutler-HammerQCPort（快速連接）的通信功能連接各種網(wǎng)絡(luò)，其中包括DeviceNet、以太網(wǎng)以及Profibus。
停機也應(yīng)平穩(wěn)
所有的撰稿人都提到了SSRV啟動器的“軟停機”功能的重要性，特別是在減輕水泵應(yīng)用領(lǐng)域中刺耳的、破壞性的水錘效應(yīng)方面。
ABB公司的Terry認為，雖然很多軟啟動器都提供了這種功能，安裝人員和用戶經(jīng)常忽視“軟停機”的作用。這可能是由于“害怕”使用復(fù)雜的界面修改出廠默認設(shè)置，或者就是沒有認識到軟停機的好處。為了改變這種狀況，ABB已經(jīng)在其PST系列產(chǎn)品中采用了純文本HMI（界面），引導(dǎo)操作員/安裝員進行設(shè)置，從帶有明確說明文字、基于應(yīng)用的編程組別中選擇最符合應(yīng)用情況的配置選項。
Baldor的Lovelace也認為軟停機功能經(jīng)常被“隱藏”，他說：“大部分人認為使用‘軟啟動’只是啟動電機這一個目的。他們沒有認識到負載的軟停機所提供的好處。”軟停機的好處包括防止電機驟然停下給機器造成的機械應(yīng)力。
在軟停機方面，因為固有地缺乏真正的減速控制，早期的（電壓斜坡）SSRV啟動器是有局限性的。在SchneiderElectric的Forsgard看來，在對付低負載電機時這一點尤為明顯。然而，有了現(xiàn)代的轉(zhuǎn)矩控制之后，SSRV啟動器的轉(zhuǎn)矩線性斜坡降低功能可以降低離心泵負載的速度。Forsgard補充解釋說：“速度的逐漸減小使其可以協(xié)調(diào)回止閥的關(guān)閉，而不引起水錘效應(yīng)。”軟啟動器持續(xù)監(jiān)控電機的負載轉(zhuǎn)矩，這樣當(dāng)它收到停機命令時，已經(jīng)做好了啟動泵負載線性減速的準備，甚至在電機負載只有60%－70%的情況下也能做到。
在其Sirius啟動器中，Siemens提供了三種電機停機的方法：慣性停止、軟停機、直流注入。新型的Sirius3RW44結(jié)合了直流注入制動和閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制（使用軟件和電流反饋使電壓逐漸減小）以達到使驅(qū)動負載快速停止的目的。對軟停機的重視在很大程度上是與應(yīng)用相關(guān)的。Koch說：“對于水泵來說，為防止水錘效應(yīng)，軟停機尤為重要。”

圖3：來自ABB的PST系列軟啟動器采用了純文本HMI（界面），以幫助用戶進行設(shè)置，包括離心泵或壓縮機的軟停機設(shè)置。界面中還內(nèi)置了粉碎機、攪拌機及其它編程組別。
Sirius3RW44啟動器使用了閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，以防止泵關(guān)閉時水壓突然發(fā)生變化，或減輕傳送帶停下時所承受的機械應(yīng)力。Siemens提及銑床作為需要制動優(yōu)化的例子。比如，為鋁制汽車發(fā)動機模塊打孔的銑頭配備了15千瓦的電機，當(dāng)它被關(guān)掉時，由于銑頭極大的慣性力矩，停機時間會很長。而更換模具或機器安裝所引起的空閑時間是不可接受的。Koch補充說道：“Siemens的3RW44啟動器使用了閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制和動態(tài)直流制動，以縮減機器冗長的停機時間。”
啟動的對立面
Danfoss的Yates指出，軟停機是軟啟動的直接對立面。通過逐漸減小施加給電機的線電壓直到零（或某個預(yù)先設(shè)定的較小值），可以延長電機的停機時間。Danfoss的Ci-tronic系列電機控制產(chǎn)品提供了軟停機和軟啟動功能，而且其精度易于調(diào)節(jié)。斜坡上升/下降時間可以在0.5秒－10秒之間進行設(shè)置，啟動轉(zhuǎn)矩也可以設(shè)置成標稱轉(zhuǎn)矩的0-85%。此外，它還提供了突跳式啟動功能（200ms內(nèi)達到滿載轉(zhuǎn)矩），適用于需要突跳轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用，如帶載傳送帶和封裝機器。
按照Yates的說法，Ci-tronic控制器能夠適用于需要頻繁啟動和停止的情形。他說：“為了保證最優(yōu)的速度和準確性，很多這種控制器都采用了過零翻轉(zhuǎn)技術(shù)（當(dāng)電壓為零時接觸器總是翻轉(zhuǎn)）。”
RockwellAutomation也指出，軟啟動器既能延長電機停機時間，也能縮短電機停機時間。雖然很多應(yīng)用需要避免突然停機，但是有的應(yīng)用為了提高生產(chǎn)量或運作效率，需要依靠制動手段實現(xiàn)更快的停機。Litzau舉了帶鋸作為例子，在這種應(yīng)用中，比“慣性停止”更快的制動手段有助于維護工作，并能最大限度地縮短總的停機時間。
Eaton的Partain表示：“有太多的產(chǎn)品完全只著重于軟啟動，而不關(guān)注軟停機的好處。”Cutler-Hammer的IT軟啟動器提供了各種不同的停機選項。Partain介紹道，S801和MV801提供了一種泵控制選項，據(jù)稱，其采用的精密算法能最大限度減小泵啟動和停機時引起水錘效應(yīng)的壓力峰值。此外，S701軟啟動控制器的直流制動選項則能快速停止強慣性的負載，無需使用機械制動。

圖4：Danfoss的CI-tronic電機控制器的覆蓋范圍達到了25hp（依輸入電壓而定），它采用了低熱膨脹（LTE）技術(shù)，與使用傳統(tǒng)的電源芯片技術(shù)的競爭產(chǎn)品相比，其器件尺寸得到了顯著的減小。最小的MCI3軟啟動器模塊寬度只有22.5毫米（0.9英寸）。MCI15模塊（如圖所示）480伏條件下的標稱值可達10hp。
安全的24伏直流控制
使用低壓直流電作為軟啟動器的實際控制電壓的好處是保護操作員，并與安全標準保持一致。一般說來，是在器件內(nèi)部進行直流電壓的轉(zhuǎn)換，但是有一些制造商提供了外部（直接的）24伏直流設(shè)計。
Eaton作為低壓直流控制的推動者已經(jīng)有一段時間了，它于1999年就推出了ITSoftStarts系列SSRV器件，只使用24伏直流控制。這種類型的控制消除了控制系統(tǒng)工作人員所面臨的危險。Partain說：“此外，使用24伏直流控制還更容易遵守NEC和OSHA的安全規(guī)定。從全球角度來看，直流電壓避免了全球各地使用不同交流輸入電壓的轉(zhuǎn)換問題。”Eaton的S752、S801和S811低壓啟動器都使用24伏直流控制。
ABB公司幾乎在同一時期開始使用24伏直流控制。它的軟啟動器一般通過內(nèi)部的交流－直流供電電源，在控制板上進行降壓，得到低壓直流。在新的PST系列中，內(nèi)部供電電源的交流輸入電壓范圍很廣（100伏－250伏），適用于全球各地的市場。Terry解釋到，操作員的安全仍然得到了保證，因為所有的輸出觸頭都是24伏直流電。他補充道：“這吸取了兩種方法的長處——110伏（或220伏）交流電的便利和24伏直流電的安全。”
Baldor的Lovelace則認為，對24伏直流控制方案的認可程度依賴于不同的市場。美國的用戶很歡迎120伏交流控制；而歐洲用戶受特殊法規(guī)的約束，積極尋求24伏直流控制。Lovelace說：“要使你的控制產(chǎn)品在兩個市場上都得到認可需要一些額外的硬件設(shè)備。”他同時補充說，美國新一代的系統(tǒng)集成商也開始關(guān)注低壓直流控制產(chǎn)品。
RockwellAutomation的Litzau注意到，低壓直流控制與通信功能一樣，都在固態(tài)啟動器產(chǎn)品上開始流行。他說：“低電壓為控制器提供了高度的安全性，消除了由于疏忽大意接觸而造成的危險。它還使用戶能夠在普通的控制方面使用與通信架構(gòu)相同的供電電源。”Rockwell在其軟啟動器中同時提供了24伏直流控制和120伏－240伏交流控制。
由于變頻驅(qū)動（VFD）技術(shù)的成本下降，并且其尺寸達到“微”量級，有一段時期它被認為對電機啟動器的生存構(gòu)成了潛在威脅。而隨著轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)引入到SSRV軟啟動器中，且軟啟動器的成本和尺寸同VFD一樣地縮減，SchneiderElectric仍然對這些器件的生命力保持了信心。SSRV軟啟動器的吸引力將保持下去，F(xiàn)orsgard補充道：“特別是在不要求處理速度控制的大馬力應(yīng)用領(lǐng)域。”
Litzau也認為，與VFD啟動或直接在線/全壓啟動器的競爭中，SS啟動器作為電機控制方案，具有持續(xù)的生命力。他總結(jié)道：“在用戶和原始設(shè)備制造商（OEM）不要求電機速度控制，卻希望控制其設(shè)備上的電機啟動或停止的情況下，它們（SS啟動器）是上佳的解決方案。此外，固態(tài)啟動器產(chǎn)生的諧波比變頻控制器更少，且安裝成本更低。”