什么是软启动器？结构、原理及应用

什么是软启动器？工业中的结构、原理及应用

软启动器有助于降低启动电流，保护电动机，并减轻工业驱动系统中的机械冲击。

什么是软启动器？

软启动器（Soft Starter）是一种用于控制交流电动机启动和停止过程的电力电子设备。该设备有助于降低启动电流，缓慢增加供给电机的电压，并限制电机开始运行时产生的突发转矩。

在工业系统中，如果使用DOL（直接启动）方法启动三相电动机，启动电流可能远高于额定电流。这容易导致电网电压下降，使线圈过热，并对联轴器、皮带、减速机、泵、风机或输送带造成机械冲击。

软启动器被用于解决这一问题。软启动器不是立即向电机提供全电压，而是根据设定的时间逐渐增加电压。因此，电机启动更平稳，减轻了电气系统的压力，并延长了机械设备的使用寿命。

为什么要使用软启动器？

在工厂中，许多大功率电机不应直接启动，因为高启动电流可能会影响整个电气系统。此外，突发的转矩增加会导致传动机构剧烈抖动，尤其是对于泵、风机、输送带、空气压缩机和搅拌机而言。

软启动器帮助企业解决以下问题：

• 降低电机的启动电流。

• 限制工厂电气系统中的电压降。

• 减少启动时的机械冲击。

• 保护联轴器、轴承、皮带、减速机和管道。

• 帮助电机更平稳、更稳定地加速。

• 支持软停止功能，这对泵系统尤为重要。

• 通过限制电气和机械冲击来降低维护成本。

对于仅需要平稳启动然后以固定速度运行的应用，软启动器比变频器（VFD）更经济。

软启动器的结构

工业软启动器通常由三个主要部分组成：主电路、控制电路和旁路接触器。此外，设备还包括保护系统、散热器、设置显示屏和控制信号端口。

软启动器的结构包括SCR/晶闸管、控制板、散热系统和旁路接触器。

SCR / 晶闸管主电路

SCR，也称为晶闸管（Thyristor），是软启动器中最重要的功率半导体元件。SCR负责控制启动和停止过程中供给电机的电压量。

通常，三相软启动器在每一相上使用一对反并联连接的SCR。当控制板改变SCR的导通角时，供给电机的平均电压也会相应变化。这是电机能够缓慢加速而不是立即接收全电压的基础。

控制板

控制板是软启动器的“大脑”。该部件接收操作员的信号，测量电流，监控电压状态，并控制SCR的导通时机。

根据产品系列，控制板可能集成以下功能：

• 加速时间设置。

• 软停止时间设置。

• 启动电流限制。

• 过载保护。

• 缺相和相序不平衡保护。

• 转子堵转保护。

• 与PLC的Modbus、Profibus或Profinet通信。

旁路接触器

旁路接触器负责在电机完成启动并达到稳定运行速度后旁路SCR电路。当旁路闭合时，电流直接从电源流向电机，不再经过SCR。

这有助于减少半导体元件上的热损耗，增加设备寿命，并帮助系统更高效地运行。一些软启动器系列内置旁路，而大功率系列可能需要安装外部旁路接触器。

散热系统

在启动阶段，由于需要控制大电流，SCR可能会产生大量热量。因此，软启动器通常配备铝制散热器、通风槽或冷却风扇。

安装在电气柜内时，必须确保有足够的通风空间，以避免过热故障。

信号端口和保护功能

工业软启动器通常具有控制输入和输出，如启动、停止、复位、运行、故障、旁路或发送回PLC的状态信号。

高端系列还集成了LCD屏幕、设置键盘、工业通信以及类似于电子热继电器的电机保护功能。

软启动器的工作原理

软启动器的工作原理基于控制SCR的导通角，以改变启动和停止过程中供给电机的电压。

软启动器控制SCR导通角，以Ramp Up（斜坡上升）模式增加供给电机的电压。

启动阶段

当接收到启动命令时，软启动器不会立即向电机提供全电压。相反，SCR在每个交流周期中仅部分导通，使得供给电机的平均电压低于电网电压。

由于初始电压较低，启动电流和启动转矩降低，有助于电机更平稳地开始旋转。

加速阶段（Ramp Up）

在加速过程中，控制板逐渐增加SCR的导通角。随着导通角的增加，供给电机的电压也逐渐升高。因此，电机按照预设的曲线缓慢加速。

Ramp Up时间可以根据应用进行调整。对于泵或风机，加速时间可以较短。对于大惯性负载（如大型离心风机或搅拌机），加速时间通常需要较长。

稳定运行阶段

当电机达到额定速度时，软启动器结束电压控制过程。如果设备有旁路，旁路接触器将闭合，电流直接通过旁路电路。

此时，电机的运行状态几乎与直接从电网供电相同，而软启动器主要负责监控和保护系统。

软停止阶段（Soft Stop）

当接收到停止命令时，软启动器可以逐渐降低电压，而不是突然切断电源。此功能称为“软停止”。

软停止对于泵系统特别有用，因为它有助于减少水锤现象，限制管道振动，保护止回阀，并减少水力冲击。

软启动器的优点

软启动器因其保护电机、降低启动电流和提高系统稳定性的能力而在工业中得到广泛应用。

降低启动电流

软启动器的最大好处之一是降低启动电流。直接启动时，电流可能在短时间内变得非常高。使用软启动器，电流被限制在较低水平，有助于减少电气系统的压力。

保护机械系统

软启动器帮助电机缓慢加速，减少启动时的冲击力。这有助于保护联轴器、皮带、轴承、齿轮、减速机、输送带及相关传动机构。

限制电网电压降

大的启动电流可能导致工厂电压下降，影响PLC、HMI、传感器、变频器和敏感电子设备。软启动器使启动过程更稳定，限制了突发的电压降。

支持泵系统的软停止

对于水泵系统，如果电机突然停止，管道中的水流可能会产生巨大的反冲压力，导致水锤现象。软停止有助于缓慢减速电机，从而降低管道中的水力压力。

集成多种保护功能

许多现代软启动器系列集成了过载、缺相、相序不平衡、过热、转子堵转和SCR故障等保护功能。这提高了电机的安全性并降低了损坏风险。

节省电气柜空间

与使用多个接触器和复杂接线的星三角启动柜相比，软启动器设计更紧凑，安装更容易，操作更方便。

软启动器的缺点

尽管有许多优点，但软启动器并不适用于所有应用。系统设计人员需要了解设备的局限性以做出正确的选择。

电机运行时无法调节速度

软启动器仅控制启动和停止过程。当电机稳定运行时，电机仍按电源的额定速度运行。

如果系统需要连续调节速度、改变泵流量、调节输送带速度或为风机和泵节能，则应使用变频器。

不如变频器节能

软启动器没有改变频率的功能，因此无法在运行过程中优化电机速度。因此，软启动器的节能能力与变频器相比微不足道。

多次启动可能产生热量

如果系统在一小时内连续多次启动和停止，SCR可能会变热。在这种情况下，需要选择合适容量的设备，增加散热能力，或考虑使用其他解决方案。

启动转矩降低

由于软启动器降低了初始电压，电机的启动转矩也随之降低。因此，软启动器不适用于从静止状态就需要极大转矩的负载，如大型破碎机、重型起重机或某些升降系统。

软启动器与变频器的比较

最常见的问题之一是应该使用软启动器还是变频器。这两种设备都支持电机控制，但使用目的不同。

总之，如果系统仅需要平稳启动并以固定速度运行，软启动器是合理的选择。如果需要在运行过程中调节速度或节能，变频器是更合适的解决方案。

常见的软启动器分类

软启动器可按控制相数、旁路类型、电压和负载应用进行分类。

按控制相数分类

按旁路分类

按电压分类

低压软启动器通常用于3相220V、380V或400V系统。在大型工厂、大型泵站或重工业中，可以使用中压软启动器用于3.3kV、6.6kV或11kV电机。

软启动器在工业中的应用

软启动器适用于需要平稳启动、降低启动电流但不需要连续改变速度的驱动系统。

软启动器用于泵、风机、输送带、空气压缩机和工业驱动系统。

泵系统用软启动器

水泵是软启动器非常常见的应用。用于泵时，该设备有助于降低启动电流，减少电网压力，并特别支持软停止以限制水锤现象。

常见应用包括：

• 供水泵。

• 污水泵。

• 消防泵。

• 循环泵。

• 工厂工业泵。

工业风机用软启动器

工业风机，特别是大功率离心风机，启动时通常具有大惯性。如果直接启动，电机可能会拉动极高的电流并导致机械抖动。

软启动器帮助风机缓慢加速，减少皮带张力、振动和启动时的噪音。

输送带用软启动器

对于物料输送带，突然启动可能导致物料偏移、滑动、倾倒或导致负载抖动。软启动器帮助输送带更平稳地加速，保护减速机、滚筒、皮带和联轴器。

空气压缩机和冷水机组用软启动器

大功率空气压缩机和冷却系统通常在通电时引起高启动电流。使用软启动器有助于减少浪涌电流，保护接触器、断路器，并稳定整个系统的电源。

搅拌机和混合机用软启动器

搅拌机和混合机通常具有大惯性负载。软启动器帮助设备缓慢加速，减少轴、联轴器和减速机上的突发转矩。

如何选择合适的软启动器

要选择正确的软启动器，不要仅依赖电机的kW功率。需要检查额定电流、负载类型、启动时间、电压和每小时启动次数。

按电机额定电流选择

选择软启动器时最重要的参数是电机的额定电流。软启动器的额定电流必须大于或等于电机铭牌上标明的额定电流。

如果设备选择太小，软启动器很容易报告过载、过热或SCR损坏错误。

按负载特性选择

按电源电压选择

需要检查工厂电源是3相220V、380V、400V还是中压。在越南，3相380V/400V低压系统最常见。

按每小时启动次数选择

如果电机每天仅启动几次，普通软启动器可以很好地满足需求。如果系统在一小时内连续多次启动，则需要检查设备的耐热性和占空比参数。

按保护功能选择

应优先选择具有过载、缺相、相序不平衡、过热、转子堵转和SCR故障保护的软启动器系列。对于关键系统，应选择具有工业通信功能的类型，以便在PLC或SCADA上监控状态。

设置软启动器时的重要参数

选择正确的设备后，参数设置也非常重要。设置错误可能导致电机启动无力、过流、振动或停止不稳定。

常见的软启动器故障及解决方法

在运行过程中，软启动器可能会出现一些常见故障。正确诊断原因有助于减少停机时间并避免设备损坏。

输入缺相故障

缺相故障通常发生在保险丝熔断、电源接触器损坏、电源线松动或电网缺相时。

解决方法是用万用表测量L1、L2、L3输入端的电压，检查MCCB、保险丝、接触器和设备前的接线。

过热故障

过热故障可能是由于短时间内启动次数过多、电气柜通风不良、冷却风扇损坏或软启动器容量选择错误引起的。

需要检查电气柜温度、清洁风扇、增加启动间隔时间并重新检查负载等级。

过载或转子堵转故障

过载故障通常是由机械负载比设计重、泵堵塞、电机轴承损坏、破碎机物料堵塞或电机电流设置不正确引起的。

需要切断电源，检查机械结构，如果安全，手动转动电机轴，检查额定电流并重新设置保护参数。

SCR短路故障

SCR故障是更严重的故障，可能是由于过流、短路、元件老化或机械故障导致电流突增引起的。

对于此故障，不应随意连续重新运行。需要专业技术人员检查功率模块、SCR、控制电路和保护系统。

软启动器价格取决于哪些因素？

软启动器价格取决于许多技术因素。两个电机功率相同但品牌、功能和负载等级不同的设备，价格可能差异很大。

申请报价时，应提供完整的电机功率、额定电流、电压、负载类型、每小时启动次数以及是否需要旁路或通信。

哪里购买软启动器可靠？

软启动器是直接影响电气系统稳定性和电机寿命的设备。因此，企业应选择具有技术能力、正品产品和实际安装支持能力的供应商。

MDRIVE TECH提供工业驱动和自动化解决方案，包括软启动器、变频器、电动机、减速电机、齿轮箱、PLC、HMI及相关工业电气设备。

MDRIVE TECH支持：

• 根据功率、电机电流和负载类型咨询选择软启动器。

• 提供正品设备，按要求支持CO、CQ。

• 咨询将星三角启动柜更换为软启动器的方案。

• 支持泵、风机、输送带和压缩机的基本参数设置。

• 根据应用建议软启动器与变频器之间的合适方案。

联系MDRIVE TECH以获取有关适合工厂电机系统的软启动器的建议。
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FAQ – 关于软启动器的常见问题

什么是软启动器？

软启动器是一种用于降低启动电流并平稳控制交流电动机加速过程的电力电子设备。

软启动器可以调节速度吗？

不能。软启动器仅控制启动和停止过程。当电机稳定运行时，速度取决于电源频率和电机极数。如果需要连续调节速度，应使用变频器。

软启动器节能吗？

软启动器在稳定运行过程中不会显著节能。该设备主要有助于降低启动电流、保护电网并减少机械冲击。如果目标是为泵或风机节能，变频器通常更合适。

什么时候应该使用软启动器代替星三角？

当需要更平稳的启动、更好的电流降低、软停止、集成电子保护，并希望简化电气柜（与传统的星三角方法相比）时，应使用软启动器。

软启动器适用于哪些应用？

软启动器适用于泵、风机、输送带、空气压缩机、冷水机组、搅拌机、混合机以及需要平稳启动但以固定速度运行的驱动系统。

软启动器与变频器有什么区别？

软启动器用于平稳启动和停止电机，在稳定运行期间不调节速度。变频器可以调节速度、转矩、频率，并在许多应用中支持更好的节能。

选择软启动器需要提供什么信息？

需要提供电机功率、额定电流、电源电压、负载类型、期望的启动时间、每小时启动次数，以及是否需要旁路、通信或特殊保护功能。