高壓軟啟動

軟啟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。

基本介紹

• 中文名：高壓軟啟動
• 屬性：新穎電機控制裝置

概念

目前世界最知名的軟啟動器是索肯和平軟啟動器solcom&hapn索肯和平軟啟動器被評為中國馳名商標，索肯和平(上海)電氣在國內首先使用高壓固態軟啟動器。尤其以HPMV系列中高壓固態軟啟動器尤為著名，hapn為中國馳名商標。成功套用於三峽溪洛渡水電站、北京奧運工程、上海世博會、廣州白雲機場、柳鋼集團、大慶石油、上海捷運等國家大型工程項目。高壓電機起動方法之比較

和平hpmv高壓固態軟啟動器

當前我國經濟已經進入了一個新的發展階段，大型企業和大型裝備越來越多，大型電機（5000kW～60000kW）的套用越來越多，大型電機的起動方法也越來越受到人們的重視。

社會發展是有階段性的。在不同階段，人們的生產手段、生產工具和生活用品都有很大的不同。上世紀80～90年代，我國的經濟實力尚較薄弱，當時的小水泥和小鋼鐵發展很快，1000kW～4000kW電機的套用增長很快，與當時的經濟基礎相適應的液態起動裝置出現，它經濟實用，解決了電機起動中的一些問題。對當時的經濟發展起到了一定的作用。到世紀之交時期，我國經濟實力已有較大的發展，生產手段和生產工具亦有了較大發展，電機容量也有了很大增長，人們開始不滿足液態起動裝置的低性能，於是晶閘管串聯式（固態）軟起動裝置的套用開始增加，繼而又出現了開關變壓器式軟起動裝置和磁飽和電抗器式（磁控）起動裝置，變頻裝置用於電機軟起動的情況也越來越多，當前這四種產品是大型電機起動市場的主流產品，液態起動裝置則套用在小型（5000kW以下）電機上較多。另外，兩種老式起動方法（自耦變壓器和變壓器-電動機組）也常常出現在20000kW以下電機的起動上。

大型電機驅動的設備一般都是企業的核心設備，直接影響企業的生產狀況，因此人們應該對其起動給予特別的關注，合理的選擇起動裝置將給企業帶來很大的經濟效益。但是電機起動技術畢竟不是一個企業的核心技術，許多企業的電氣工作者很少有時間來研究各種起動方法之間的差別，往往會造成不恰當的選擇，有時甚至不得不做出第二次選擇，給企業造成不應有的損失。因此，如實地說明各種起動方法的性能及其差別是非常重要的。為此我們在這方面做拋磚之嘗試，如有不完善和不妥之處，望不吝添金加玉。

一、電動機直接全壓起動的危害性及軟起動好處

⒈ 引起電網電壓波動，影響同電網其它設備的運行

交流電動機在全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的4~7倍，當電機的容量相對較大時，該起動電流會引起電網電壓的急劇下降，影響同電網其它設備的正常運行。

軟起動時，起動電流一般為額定電流的2~3倍，電網電壓波動率一般在10%以內，對其它設備的影響非常小。

⒉ 對電網的影響

對電網的影響主要表現在兩個方面：

①超大型電機直接起動的大電流對電網的衝擊幾乎類似於三相短路對電網的衝擊，常常會引發功率振盪，使電網失去穩定。

②起動電流中含有大量的高次諧波，會與電網電路參數引起高頻諧振，造成繼電保護誤動作、自動控制失靈等故障。

軟起動時起動電流大幅度降低，以上影響可完全免除。

⒊ 傷害電機絕緣，降低電機壽命

①大電流產生的焦耳熱反覆作用於導線外絕緣，使絕緣加速老化、壽命降低。

②大電流產生的機械力使導線相互摩擦，降低絕緣壽命。

③高壓開關合閘時觸頭的抖動現象會在電機定子繞組上產生操作過電壓，有時會達到外加電壓的5倍以上，這樣高的過電壓會對電機絕緣造成極大傷害。

軟起動時，最大電流降低一半左右，瞬間發熱量僅為直起的1/4左右，絕緣壽命會大大延長；軟起時電機端電壓可以從零起調，可完全免除過電壓傷害。

⒋ 電動力對電機的傷害

大電流在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產生很大的衝擊力，會造成夾緊鬆動、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。

軟起動時，由於最大電流小，則衝擊力大大減輕。

⒌ 對機械設備的傷害

全壓直接起動時的起動轉矩大約為額定轉矩的2倍，這么大的力矩突然加在靜止的機械設備上，會加速齒輪磨損甚至打齒、加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶、加速風葉疲勞甚至折斷風葉等等。

軟起動的轉矩不會超過額定轉矩，上述弊端可以完全克服。

當採用減壓起動時，上述危害只有一定程度的降低；當採用軟起動時，上述危害幾乎完全消失；獨立變壓器供電方式直接起動只能在電網電壓波動方面有所緩解，而其它方面的危害都照樣存在。

超大型電動機的價值都很高，在生產中也都起著核心作用。它的一點故障便會造成很大的經濟損失，對它採用完善的保護是非常必要的。比如說對一台電機我們不能指望它的各處絕緣都是完全一致的，可能在某一點就有個薄弱環節，出廠試驗時它能通過，但在長時間的衝擊下這個薄弱環節會逐漸首先顯露出來，使其壽命縮短。如果我們採取軟起動，則可以大大延長電機的使用壽命，這兩種方案哪一個合算呢？這是顯而易見的。

二、開關變壓器技術簡介

當今傳動工程中最常用的就是三相交流感應電動機。在許多場合中，由於其起動特性，這些電動機涌直接連線電源系統。如果直接線上起動，將會產生高達電機額定電流6倍的浪涌電流。該電流會使供電系統和串聯的開關設備過載。如果直接起動，也會產生較高的峰值轉矩，這種衝擊不但會對驅動電動機產生衝擊，而且也會使用機械裝置受損。例如：輔助動力傳送部（V形帶，齒輪）。為了降低直動電流，應使用起動輔助裝置，如起動用電抗器或自耦變壓器，但使用電抗器或自耦變壓器起動等常規方法只能逐步降低電壓，而軟起動器通過平滑升高端子電壓，可以實現無衝擊起動。因此，可以最佳地保護電源系統以及電機。

HPMV中、高壓軟起動器是用多個可控矽串並聯而成，可以滿足不同的電流及電壓要求，控制可控矽的觸發角就可以控制輸出電壓的大小。當電機起動過程中，HPMV按照預先設定的起動曲線增加電機的端電壓使電機平滑加速，從而減少了電機起動時對電網、電機本身、相連設備的電氣及機械衝擊。當電機達到正常轉速後，旁路接觸器接通。電機起動完畢後，HPMV軟起動器繼續監控電機並提供各種故障保護。在軟停機時首先按照預先設定好的停機曲線平滑地降低電機的端電壓直到電機停機。軟停可以解決突然停機引起的水泵水錘現象及機械衝擊等相關問題。

HPMV中、高軟起動器的操作過程可以分為四過程：起動準備完成、起動過程、運行和停機過程。CPU對所有的過程都提供全面的保護。

A、起動準備完成：在這個過程中，控制和電源已經加到起動器上，其保護包括對SCR短路、旁路離合器、接點熔解短路。

其它檢測保護特性：

軟起動器溫升

保險絲指示燈是否亮

相序是否正確（如果選擇）

電源輸入頻率跳閘範圍

外部輸入故障

B、起動過程：當軟起動器得到一個起動命令時，以下保護功能開始工作：

起動曲線

加速時間

相間平衡

電路短路/加負載前檢測

相間漏電

起動電流累計

過載檢測

熱容量檢測

C、運行過程：當電機全電壓和全速運行時，電機電流將降到FLA以下，在運行過程中以下保護功能生效：

運行過載曲線

缺相

電流過低/失載

過電流/電子定位銷檢測

D、停機過程：一旦軟起動器得到停機命令，應根據不同停機方式來選擇不同的保護功能，選擇如下：

軟停模式：將維持運行時所有的保護特性。在停車結束時，進入下面滑行停止保護狀態。

滑行停機模式：電源立即從電機上斷開恢復到“起動準備完成”，下面的保護功能生效：

滑行減速/旋轉減速計數

每小時起動次數

起動間隔時間

工作原理

1、結構

完整的HPMV系列的軟起動器是一個標準的電機起動控制器，用來保護和控制中、高壓交流電機。完整的HPMV包括：隔離開關、保險絲、主真空接觸器、控制變壓器、控制模組、可控矽模組、高壓真空旁路接觸器。軟起動部分僅包括：控制模組、可控矽模組、高壓真空旁路接觸器。

A、隔離開關：在起動器的輸入電源部分裝有一個允許電機直接帶負載起動的隔離開關。這個隔離開關具有負載短路時起動和帶負載停機的過載能力。其最大設計值是：5KV隔離開關使用2300-4160V的起動器，7.2KV用於6000-7200V起動器，而15KV用於10-14KV的軟起動器。

當隔離開關合閘時無法把控制櫃高壓部件部分的門打開。隔離開關帶有連鎖裝置，只有當隔離開關切斷電源時才可以打開機櫃的門。同樣情況當機櫃被打開時隔離開關也無法合閘。隔離開關上的機械連鎖裝置使中壓電源被有效的連鎖住，以保證操作安全。

在控制的中高壓輸入電源部分裝有一個可視視窗，不用打開機櫃門就可以觀察離合開關的閘刀是處於分離或合閘狀態。當隔離開關在分離狀態時有一個分離的刀臂通過機械裝置與地相連線（對於14KV是選項部分）。

B、電源保險絲：對於標準的控制器在每相輸入電源中裝有保險絲進行初級的電源限流。典型的6900V以下的保險絲是ANSI標準R型，而10-15KV的控制器是採用ANSI標準E型保險絲。保險絲的選擇是根據電機的堵轉電流和所對應的固態起動器的過載繼電器。保險絲和過載保護是設計用來防止較低和中等級的故障。這可以防止過載電流超過繼電器額定值，以對較高的超過繼電器保護範圍的故障進行有效的保護。

熔斷器的支架上帶有保險絲指示器（連線接到絕緣的離合器控制電路），當三相中有一相保險絲開路時會自動斷開全部三相電源。

C、SCR電源器件：在每相中是用一對相同參數的SCR反相平行的安裝在一組的。為了達到所有使用電網的峰值電壓要求。對SCR進行串聯，其串聯數如①400A，電壓3300V串聯SCR對數2對， SCR總數12，②600A，電壓6000V串聯SCR對數6對， SCR總數36

D、RC吸收網路：RC吸收網路提供瞬間電壓保護電路，以減少dv/dt衝擊電壓。防止SCR模組的損壞。

E、觸發電路：SCR是用一個持續的脈衝觸發電路，這個電路是採用光纖和脈衝變壓器進行隔離。

F、主真空接觸器：主真空接觸器是用來切斷主電源和SCR迴路的，其電壓比率是：5KV用於2300—4160V，7.2KV用於6000—7200V，15KV用於10—15KV的軟起動器。

套用於順序控制下的接觸器。在正常使用條件下保證其起動次數能夠達到設計時非負載狀態下的使用壽命。主真空接觸器是設計在最大起動比率，旁路接觸器是設計在緊急起動的比率。10-15KV 600A的起動器採用真空拉出式的接觸器，其容量為15KV 600A。這個控制裝置有兩個指示燈、三個電流計時器、電流過流繼電器，並且有一個電容型器件。旁路接觸器裝置也有兩個指示燈和一個電容跳閘元件。

2、電子控制系統

HPMV系列電子控制電路分為低壓、中高壓兩部分，並隔離成兩個獨立的部分。低壓電子部分包括控制最界面和接口，CPU和主電源板是安裝在低壓控制室中。

A、CPU主控板：CPU板上裝有微處理器和通訊處理器，CPU決定各種操作功能，根據用戶的設定程式和檢測反饋信號來進行控制，CPU主機板上裝有EPROM、EEPROM和DRAM暫存器，以及模擬和數字接口。

B、主電源板：也稱為主觸發板，它包括數字輸入輸出繼電器和接口，並連線到TCB板上，它控制旁路隔離接觸器的動作順序和SCR的觸發，這個板子上產生全部觸發信號和接收來自光纖隔離的反饋信號，把模擬信號轉換為CPU的數位訊號，這些觸發脈衝也是利用光纖對中高壓環境進行隔離。

C、電壓、電子控制部分：中高壓主電源應在TCB、觸發驅動器和TEMP/CT控制板工作之前斷開。

D、TCB（Terminal and Control Board）終端控制板是用戶的接線板，為了滿足UL安全標準，它位於中壓部分，但是並沒有實際和中壓部分聯結，只是和接觸器的控制線圈有連線，這個板子上包括用戶接線端子排、輸出繼電器（全部相同）輸入和控制電源接線、並且包括時間繼電器用於功率因數調整繼電器和其它外部元件。

E、觸發驅動板：位於SCR模組組件上面，這些板子和主電源板通過光纖進行通訊聯繫，通過脈衝變壓器把觸發脈衝信號進行放大來觸發SCR，在每個SCR模組中每一對SCR使用一個觸發驅動電路板。

F、TEMP/CT：溫度控制板和電流互感器板子是裝在SCR模組組件上，通過光纖把散熱器溫度和電流信號送到主電源板。

3、原理

HPMV的控制核心是微處理器CPU。這個微處理控制系統可以對電機進行起動和保護。CPU對SCR進行相角觸發控制以降低加在電機上的電壓，然後通過慢慢的控制加在電機上的電壓和電流平滑的增加電機轉矩，直到電機加速到全速運行。這種起動方式可以降低電機的起動衝擊電流，減少對電網和電機自身的衝擊。同時也減少了對聯在電機上機械負載裝置的機械衝擊，以延長設備的使用壽命，減少故障和停機檢修時間。

A、加速模式：HPMV提供了幾種加速模式，你可以根據感應電機的負載情況選擇最合適的起動曲線。

出廠設定為具有限流功能的電壓斜坡，也是最可靠的起動模式，可以滿足大多數套用場合。初始轉矩設定為電機剛好能帶動負載轉動時的值，然後電壓逐漸的平滑上升，在限定的斜坡時間和電機起動電流範圍內，使電機平滑到全速運轉 。下面三種起動狀態的分析：

a、 如果電機在軟起斜坡結束前達到全速運行，自動反震盪電路將會自動的把全壓加到電機上而使斜坡時間不再起作用。可以防止任何的浪涌電流或電機轉矩的脈動。這種情況通常可能會發生在負載沒有加在電機上而電機工作在減壓和低轉矩的電機起動過程中。

b、 如果電機在斜坡時間結束前，沒有達到全速運行，電流限流設定將會按比率的控制最大輸出轉矩,

HPMV的反饋感測器會自動的防止電機過載失速或超過加速設定時間的故障發生。

c、 限流功能對於電機從電網或發電機中吸取一定數量的電流提供了有效的手段和控制方式，當電機起動轉矩達到限定的起動電流值所對應的轉矩後，就會自動的保持這個轉矩和電流運行，電流限流值不受設定斜坡時間的影響，直到電機達到全速運行為止。當電機達到全速運行後，電機電流降到正常全速運行的電流值，HPMVK中、高壓軟起動器有一個全速運行狀態輸出繼電器，從而使旁路高壓真空接觸器閉合，使電機電流經旁路接觸器，從而防止SCR導通所產生的壓降引起的熱損耗，提高了工作效率及可靠性。MPMV是工作在全壓狀態下，正如其它起動器一樣，在電機軟起動後，電網電壓直接加到電機上，但是優於其它起動方式之處在於HPMV具有全電子保護功能，它的靈敏度和對故障保護反映速度是用毫秒來計算，這是常規的電機起動和保護器無法比擬的。

B、HPMV中、高壓軟起動器的其它起動方式：

電流斜坡：使用電流閉環反饋可以進行PID調節，使輸出轉矩線性增加到最大值。

恆流控制：起動時，電流快速增加到限定值，一直到電機全速運行。

用戶自定義曲線：用戶可以自定義一個轉矩與時間的起動曲線。當電機起動時可以完全按照你所定義的曲線加速。

速度反饋斜坡控制：用一個來自電機或負載的速度信號作為反饋量對電機進行閉環斜坡軟停。（選項）

減速模式：HPMV提供軟停機功能，當停止信號發出時，同時給電機加一個逐漸減小的電壓使電機平滑停機，這和電力剎車不同，實際上軟停車會增加電機的停車時間。這個功能適用於水泵停機控制，以減小水錘現象和對機械結構的損壞及衝擊。

4、觸發電路

可控矽觸發電路是系統穩定可靠的關鍵部分，HPMV觸發電路包括幾個獨特的優點，具有抗噪聲干擾，可以工作在惡劣的工作環境和長久的使用壽命，他不受現場安裝時線路阻抗、短路容量、或開關的快速通斷而產生影響，這些特性包括：

A、自動同步的觸發脈衝以保證每相的導通角的觸發點相同從而不產生誤觸發，這特性適合那些小型工廠自備的發電機設備，MVC PLUS系列可以放心的使用於波動較大且不穩定的電源。

B、穩定可靠的觸發脈衝信號可以在270度的導通角範圍內可靠的使可控矽導通並且不受噪聲信號的影響，以保證不產生誤觸發。

C、閉環觸發控制方式是根據輸出電流和電壓反饋進行平滑的軟起動，以防止由於起動時相間的不平衡而引起電機過熱。

D、觸發信號用脈衝變壓器隔離特殊設計的三相120V低壓控制電源變壓器以確保檢測、觸發板和來自於輸入中壓電源的噪聲和干擾進行隔離，使用具有高絕緣特性的28VAC電源供給脈衝觸發電路，一個獨立的控制電源變壓器經磁隔離後用於所有的低壓電路和CPU。

E、光導纖維隔離用於中壓電源和全部低壓系統之間，在通過CT隔離的信號再通過光導纖維隔離以達到最大限度的隔離和確保全全

型號說明　(1)起動器額定電流：60，110，200，320，400，600，800A

(2)主電壓

標稱值

2.3kV

3.3kV

4.16kV

6.0kV

6.6kV

10kV

13.8kV 適用範圍

2.3kV+10%-15%

3.3kV+10%-15%

4.16kV+10%-15%

6.0kV+10%-15%

6.6kV+10%-15%

10kV+10%-15%

13.8kV+10%-15%

(3)控制電壓

標稱值

110VAC

220VAC

110VDC

220VDC

適用範圍

100~120VAC

200~240VAC

100~120VDC

200~240VDC

(4)選項功能

可以一次選

擇一個或一

個以上功能

如：1+3

（通訊+模

擬輸出）

代號

1

2

3

4

5 功能簡介

RS485通訊接口MODBUS協定

RS485通訊接口PROFIBUS協定

模擬輸出功能

帶電機差動保護器

用於多電機驅動控制器

註：

* 使用一個小型低壓電動機(3到10kw)代替原來的高壓電動機，可以進行軟起動器

的全部功能測試。

選型指導

電機功率的最大額定值(KW) 軟起動器規格型號

2.3kV 3.3kV 4.16kV 6.0kV 6.6kV 10kV 13.8kV 主電流 主電壓 控制電壓 選項

160 250 340 590 650 1110 1400 HPMV-DN 60 - x - x - x+x..

315 460 650 1200 1350 2230 2800 HPMV-DN 110 - x - x - x+x..

590 860 1200 2200 2500 3980 5000 HPMV-DN 200 - x - x - x+x..

960 1350 2000 2700 3000 4780 6000 HPMV-DN 320 - x - x - x+x..

1200 1750 2500 3600 4000 HPMV-DN 400 - x - x - x+x..

1800 2550 3750 4500 HPMV-DN 600 - x - x - x+x..

2400 3450 5000 HPMV-DN 800 - x - x - x+x..

性能參數

● 主要技術指標

負載類型：三相異步或同步電機

工作電壓：2.3-13.8KV

功率範圍：160-6000KW

重載型115%負載連續運行，過載500% 1-10秒、850% 0.5-5秒數字微處理器控制、液晶顯示，起動過載和運行過載兩級保護，低壓控制單元與高壓部分採用光纖隔離，機械和電子安全聯鎖裝置，MCC接線排(機電控制中心接線排)。輔助繼電器：多路C型乾式繼電器5A 240V AC可程式繼電器輸出，運行過程中的各種數據統計。

環境溫度：0-50℃

海拔高度：0-1000米

相對濕度：5-95%

● 可調節參數

電機的滿載電流可調

雙斜坡調整—兩個獨立的設定值

初始電壓：10-50%的線電壓

電流限流：100-400%電機的額定電流

加速時間：1-30秒(可延伸至90秒)

軟停時間：1-30秒(可延伸至90秒)

四種水泵控制曲線

速度閉環軟起控制

脈衝突跳起動：0.1-1.0秒(80%線電壓)

每小時起動次數鎖定：1-4次

● 通訊接口及協定

RS485-Modbus、RS485-Profibus

● 國際認證

依據國內CCC認證、歐共體CE認證

主要特色

一、免維護

可控矽是無觸點的電子器件，不同於其他類型的產品需經常維護導電液體和部件等，把機械壽命變為電子元件使用壽命，連續運行數年也無需停機維護。

二、安裝使用簡單

HPMV-DN是一個完整的電機起動控制和保護系統，安裝時只需連線電源線和電機線即可投入運行。在加高壓運行前，允許使用低壓對整個系統進行機械及電氣測試。HPMV-DN具有自檢測，自學習和自動設定起動參數的功能。

三、備份特性

櫃內裝有可直接起動電機的真空接觸器，如果HPMV-DN控制系統出現故障，可利用真空接觸器直接起動電機，以保證生產的連續性。

四、保護與監控

具有自檢程式

可控矽短路保護

電子過載保護和報警

短路保護 過壓保護　欠壓保護

過載保護 欠載保護　缺相保護

相序保護 過熱保護 堵轉保護

頻率保護 接地漏電保護 電流不平衡保護

電機溫度保護 功率因數監控 重複起動時間限制

安裝尺寸

暫無

註：1、所注尺寸均以 長×寬×高 和 長×寬 形式表達

2、具體樣式尺寸祥圖見資料樣本

結語

大型高壓電動機價格昂貴，在各行業的生產運行中起核心作用，對它進行多方呵護是非常必要的。軟起動裝置雖然工作時間短，但其重要作用不可輕視，應該引起我們電氣技術工作者的高度重視。從電機系統節能的角度看，使用軟起動可以取消獨立供電變壓器，具有很大的節電效果。

超大型高壓電動機軟起動裝置屬於重大技術裝備類別。過去主要靠進口，價格昂貴，哈爾濱帕特爾科技公司生產的開關變壓器式高壓電機軟起動裝置技術性能先進、可靠性高、價格低廉，給我們提供了一個新的選擇。

業內專家和國家有關領導曾多次指出：“我國對有關技術裝備的引進量太大，已經影響到國家的經濟安全”。這個問題應該引起我們的重視，在國家大力提倡自主創新、建設創新型國家的今天，我們更應該振奮精神，自強、自重，為國家的崛起貢獻我們的力量。