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软启动器节能控制方式及其应用调研

电力电子软启动器节能控制方式及应用

时间：2012年12月5日

引言
交流电动机在目前电力能源消耗中占有很大比重，交流电动机和直流电动机相比存在许多优点，但在实际应用中，电动机往往工作于负荷较小的状态，因此效率、功率因数均较低，这就造成了电能的很大浪费。
所谓起动过程是在交流传动系统中，当异步电动机投入电网时，其转速由零开始上升，转速升到稳定转速的全过程。如不采用任何起动装置的情况下，直接加额定电压到定子绕组起动电动机时，电机的起动电流可达额定电流的4～8倍，其转速也在很短时间内由零上升到额定转速。同时三相感应电动机起动时的转矩冲击较大，一般可达额定转矩的两倍以上。起动时过高的电流一方面会造成严重的电网冲击，给电网造成过大的电压降落，降低电网电能质量并影响其他设备的正常运行。而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击，影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。因此，通常总是力求在较小的起动起动电流下得到足够大的起动转矩。
利用变频器虽然可以起到良好的节能作用，但其价格昂贵限制了它的应用，而电动机软启动器常作为电动机的基本控制电器，使用软启动器配以相应的节能控制算法也可以起到一定的节能效果。具有节能功能的软启动器可对电机电流、功率因数进行监视，控制电动机的端电压变化，使其在欠载或空载的情况下调整电动机的电压，降低励磁电流，从而达到节能的目的。
目录
引言 - 1 -
目录 - 2 -
1课题调研方案 - 4 -
1.1背景及意义 - 4 -
1.2课题目的 - 5 -
1.3课题现状 - 5 -
1.4课题内容 - 6 -
1. 5研究方式 - 6 -
2传统电机起动的弊端 - 7 -
2.1对电网的影响 - 8 -
2.2对电机的影响 - 8 -
2.3对机械设备的影响 - 8 -
3软启动器基础知识 - 9 -
3.1软启动器概念 - 9 -
3.2电机的软启动 - 9 -
3.3软启动器节能的工作原理 - 10 -
3.3.1感应电动机的工作特性 - 10 -
3.3.2感应电动机功率和损耗 - 10 -
3.3.3降压节能的机理 - 12 -
3.4软启动器的控制方式 - 12 -
3.4.1电压斜坡式软启动 - 13 -
3.4.2阶跃恒流式软启动 - 13 -
3.4.3脉冲恒流式软启动 - 14 -
3.4.4电压双斜坡起动 - 14 -
3.4.5起动性能的比较 - 15 -
3.5软启动节能的条件 - 15 -
3.6软启动器应用场合 - 17 -
4电机节能效果的影响因素 - 18 -
4.1节能效果同负载特性的关系 - 18 -
4.1.1节能效果同负荷率的关系 - 18 -
4.1.2节能效果同负载特性的关系 - 19 -
4.2节能效果同其它因素的关系 - 20 -
5异步电动机起动系统的仿真模型 - 21 -
6软启动节能控制方式的实际应用效果 - 22 -
6.1软启动器在河南全新机电鲁厂的应用 - 22 -
6.2软启动器在风机中的应用 - 23 -
7软启动器节能运行带来的问题 - 25 -
7.1转差功率损耗 - 25 -
7.2采用节能控制对电动机的影响 - 26 -
7.3采用节能控制对软起动器自身的影响 - 26 -
7.4采用节能控制对电网的影响 - 27 -
8软启动器节能控制的正确应用 - 28 -
9软启动的发展方向 - 30 -
9.1高压固态软启动器 - 30 -
9.2智能型软启动器 - 30 -
9.3变频器型软启动器 - 30 -
10结论 - 31 -
参考文献 - 32 -

1课题调研方案
1.1背景及意义
交流异步电动机以其成本低、高可靠性及维护工作量小等优点，在各种领域中得到了广泛的应用。但是在电机直接启动时，存在着两大缺欠：其一是它的启动电流高达7 ～ 8 倍，这就要求电网容量足够大，同时这样大的启动电流会降低电器控制设备的使用效率，增加维修成本；其次，启动转矩可达正常转矩的两倍以上，这会对负载等机械设备造成机械冲击，增加其传动部件的维护工作量。
当前，国家大力推广节能和绿色建筑的设计理念，增设有节能降耗功能的先进设备显得越来越重要。运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至启动结束，赋予电机全电压。由晶闸管自动跟踪供电，能随时跟踪负载的变化大小，自动调节供电电压；避免电能的浪费，大大提高电机运行效率，最大限度地提高了电机的有功功率的比率，并且还提供软停车功能。软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击，真正做到一机多用，并且价格低廉，是电机理想的控制设备。
传统的降压启动方式，无论是星型三角型接法还是自偶变压器降压启动等方式，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车方式，容易产生水锤效应，对负载设备产生严重的危害。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。电机节能不但能产生巨大的社会效益，而且能带来巨大的经济效益。据统计电动机节能率每提高一个百分点，我国每年就能节省电费几十亿元，因此异步电机的启动和降耗节能己成为当今电气行业的一个重要课题。
1.2课题目的
当前我国迫切需要提高电能的利用效率，电子软启动器作为电动机控制装置配合适当的控制程序可以起到良好的节能作用。本次实践调研从电机理论入手，阐述软起动器节能控制的工作原理，分析典型负载的特性与应用节能控制的效果之间的关系，并总结了实际应用软启动器节能控制需满足的条件。
软起动器是一种集电机软启动、软停机、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，相比于传统的起动器，它突出的优点体现在能够连续无级的调节电机起动、冲击转矩和冲击电流小、控制简便、起动重复性好以及体积小等方面。
1.3课题现状
1）本次调研搜集了大量的软启动器相关知识，并且在专业指导老师的全程指导下进行了全面的归纳、整理和总结。
2）调研报告紧密结合党和国家关于节能和绿色建筑的设计理念，软启动器具有零污染、低能耗、易操作、易控制和易推广等许多优点。
3）尽管软启动器已经被应用到了实际产生，但一些厂家对软启动器节能效果的认识不是很全面，加之考虑到其设备价格和应用后所引起的其他问题，就产生了不解和困惑。本次调研系统地概括了软启动器的性能和使用技巧，通过科学的理论内容、准确的实验数据为厂家提供了一份专业的指导说明书。
4）本次调研首先通过比较软启动器、传统起动方式和变频器的起动性能，然后用一些具有代表性的应用实例来说明软启动器的节能效果。
1.4课题内容
首先，介绍了我国电机起动节能技术发展的状况和应用情况，并提出了论文的研究目的和主要工作。其次,详细地研究了软起动器的工作原理、节能控制方式、节能条件和应用场合，还分析了软启动器节能效果的影响因素，特别是其与负载特性的关系。然后，主要分析了软启动器在河南全新机电鲁厂和风机中的应用效果，还分别比较了其安装软启动器前后的性能。最后，通过查阅相关资料，归纳了软启动器启动时带来的问题，其主要问题包括转差率损耗、电机损耗和软启动器自身损耗，以及其对电网的影响。与此同时，概括了了软启动器节能控制方式的正确使用，并总结了本课题的研究成果。
1. 5研究方式
1）图书馆借阅书籍，电子书刊阅览，互联网查找，咨询指导老师等。
2）用MATLAB搭建异步电动机起动系统的仿真模型，验证软启动器是否能够改善和控制异步电动机的启动过程和节能效果分析。

2传统电机起动的弊端
中大功率电动机的起动问题往往采用一些传统的起动方式及设备，如:定子回路串电抗器起动、自耦变压器降压起动、Y/△变换方式起动、延边三角形起动方式等。这些传统的降压起动方式普遍存在着起动设备复杂，故障率高，而且还属于有级降压起动，部分起动方式存在起动电流大或起动转矩偏小等弊端。
例如：定子串电抗器起动，起动电流一般是标称电流的3-4倍，起动转矩是标称转矩的0.4-0.6倍;用于三端子电机，起动时不断增加阻性转矩，有高电流峰值，且设备笨重，需要维护;无起停参数调整，同时这种起动方式能源浪费也大。星-三角起动的起动电流一般是标称电流的1.8-2.6倍，而起动转矩是标称转矩的0.33倍;应用的电机一般为六端子电机，多用于空载起动或低阻性转矩起动;设备维护量较大。自耦变压器起动时其起动电流一般是标称电流的1.7-4倍，而起动转矩是标称转矩的0.4-0.55倍;多应用于三端子高功率电机，在电压变化时起动，会出现大压降和高电流峰值;设备较笨重，维护量大。一般工况中不同传统起动方式的特点如下表一所示:
表1 异步电机不同起动方式的特点
技术指标
传统起动方式
直接起动
自耦变压器起动
定子串电抗起动
星-三角起动
起动电流I为直接起动电流的倍数
100%
30%～40%
58%～70%
33%
起动转矩为直接起动转矩的倍数
100%
40%～85%
40%～60%
33%
起动级数
1
4﹑3或2
3或2
2
接到电动机
的线数
3
3
3
6
线电流过载
倍数
5～10In
1.7～4In
3～4In
1.8～2.6In
2.1对电网的影响
当电动机直接起动时，起动电流为正常工作电流的5~7倍，此电流作用在有限容量电网的阻抗上就会产生压降，电网电压降低到一定程度就会影响电网上其它设备的正常工作，要解决此问题，一个办法是加大电网容量，但电网容量的加大不仅需要增加变压器容量，线路容量致使费用大大提高，在起动结束，电机正常运行时，电网的容量得不到充分的利用，同时加大的变压器的空载损耗也大大增加了，白白的浪费了很多电能。对电网的影响主要表现在两个方面：
①超大型电机直接起动的大电流对电网的冲击几乎类似于三相短路对电网的冲击，常常会引发功率振荡，使电网失去稳定。
②起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。
2.2对电机的影响
破坏电机绝缘，降低电机寿命：
①大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化、寿命降低。
②大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命。
③高压开关合闸时触头的抖动现象会在电机定子绕组上产生操作过电压，有时会达到外加电压的5倍以上，这样高的过电压会对电机绝缘造成极大伤害。
2.3对机械设备的影响
全压直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速齿轮磨损甚至打齿、加速皮带磨损甚至拉断皮带、加速风叶疲劳甚至折断风叶等等。

3软启动器基础知识
3.1软启动器概念
软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。图3-1是软启动控制器的原理图，待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额 定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

3.2电机的软启动
软启动是非全压启动，硬启动是全压启动。大负载电器的启动瞬间电流很大，这不但对启动设备要求高而且对电路的冲击也很大，因此大设备通常都是采用软启动方式。在直接启动的时候,交流电机的电流是额定电流的6-8倍,但是产生的转矩只是2倍.软启动通过控制电压和频率,可以实现在保证转矩是2倍的额定,但是启动电流得到大幅的下降,这样就节省了能量.软启动只是电机启动时限制启动的冲击电流防止线路压降过大，优点是启动电压电流可以设定启动时间可以调节二次吸合（全压运行）时的冲击小，缺点就是内部是晶体管线路较复杂自己无法维修。
3.3软启动器节能的工作原理
3.3.1感应电动机的工作特性
当感应电动机在额定电压和额定频率下运行时：转速基本上与负载大小无关，在不超出满载范围内运行时，转速基本不变；轻载时，功率因数和效率很低，而当负载达到额定的50%以上时，功率因数和效率变化很少；电磁转矩M和定子电流I1随负载增大而增大。感应电动机额定电压和额定频率下的效率和功率因数及负荷率的近似关系如表2所示。从以上数据中，我们可以看出电动机拖动系统负荷率高的情况下，效率、功率因数都较高，是很难或不能节能的。而电动机拖动系统工作于负荷较小的状态时效率、功率因数均比较低，因此，与之相应，节能控制针对的目标就是轻载情况，这也就是软起动器节能功能经常被称为轻载节能的原因。
表2 感应电动机效率和功率因数及负荷率关系
负荷率
空载
25%
50%
75%
100%
功率因数
0.20
0.50
0.77
0.85
0.89
效率
0
0.78
0.85
0.88
0.875

3.3.2感应电动机功率和损耗
如图2-2,3所示，轻载运行降压可减小电机损耗：
△P=Pcu1+Pcu2++Pm+P （1）
式中，Pcu1:为定子铜耗，Pcu2为 转子铜耗，为铁耗，Pm为机械损耗，Ps杂散损耗。

由( 1)式和图3-4 可知电机轻载时，输出功率减小，转子铜耗减小，其它基本不变，电机的效率、功率因数低。适当降压后，铁耗随着电压的平方变化，定子铜耗减小，从而电机的损耗减小。三相交流异步电机的启动转矩Ma直接与所加电压的二次方有关，也就是说，只要降低电机接线端子上的电压就会影响这些值。软启动的工作原理是通过控制串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管的导通角使电机的端子电压从预先设定的值上升到额定电压。
3.3.3降压节能的机理
软起动器一般采用大功率双向晶闸管构成三相交流调压主回路，一般意义上晶闸管的功率大小决定了软起动器的功率大小；以微处理器及信号采样、保护环节构成控制器，通过控制晶闸管的触发角，调节晶闸管的开通时间，从而调节输出电压、输出转矩，使得起动电流缓慢上升，减少对电网的冲击；起动过程中引入电流负反馈控制，使起动电流按照一定的速度上升到设定值，从而使得电机平稳起动：对于不同负载对电机的不同起动要求，可以调整起动电流设定值，改变电机的起动时间来达到最佳起动时间控制的目的。所以电机软起动器可以实现电机无触点降压软起动、软停车，目前软起动器的发展方向是集起动、停车、保护、节能于一体的智能化综合方向发展。
由于所示的电路中没有中线，因此在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。其中一相是正向晶闸管导通，另一相则是反向晶闸管导通。为了保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，本系统采用了能够产生大于600的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路。主电路中连接电机的每相都串入反并联的两个晶闸管构成，如图3-5所示，要实现异步电动机的平稳起动，需要控制电机的输入电压，使其按照某种曲线由小到大逐渐上升，通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角口就可以实现该目标。
3.4软启动器的控制方式
晶闸管调压软启动器因为大容量晶闸管的价格优势而应用最多，但另一方面又因为它只能实现降压起动而限制了其在重载起动场合的应用。变频器软启动器因能方面地实现连续的变压变频而成为重载软启动的选择。这里我们只介绍晶闸管软启动的起动方式。
晶闸管软起动器实际上是一台晶闸管相控调压器，可以通过改变相控角来改变加在电动机定子上的电压均方根值。因此，软起动器节能也只能通过适当降低电动机定子端电压的方式。定子端电压降低后电动机工作特性的变化情况：由于电压减小总是使励磁电流减小，因此总会使功率因数提高；机械和杂散损耗通常基本不变，因此这两种损耗近似可以认为和输入电压的变化无关；电压降低，励磁电流减小，定子铁耗随之成平方关系降低；转子铜耗随电压成反比变化；定子铜耗取决于定子电流，定子电流由转子电流和励磁电流合成。
3.4.1电压斜坡式软启动
通过调节电动机输入电压的升高速率来实现电动机的软启动，适用于不同斜率电压升高量的启动，是一种常见的启动方式。
如图3-6所示，U1为电动机启动所需最小转矩对应的初始电压。当电动机启动时，软启动器的输出电压迅速上升到整定值U1，然后按设定的速率逐渐增加，直至达到电网电压。此种软启动一般适用于轻载或空载的启动，也适用于启动转矩随着转速的增大而增大的设备，如普通车床、冲床及抽水泵等。
3.4.2阶跃恒流式软启动
对于一些启动转矩要求比较大的设备（如采用斜坡启动）通常不能用正常地方式启动，需要采用阶跃恒流式的软启动方式，在初始启动时，将电动机的启动电流瞬间增大到所设定的启动电流值I、并保持电流大小直至完成启动过程，如图3-7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。该启动方式即为乙烯装置空压机电机采用的启动方式。
3.4.3脉冲恒流式软启动
它可附加在限流软启动方式中，适用于需要较高启动转矩的设备，从而较快地完成电机启动过程。用户可自行选择脉冲时间。该方式启动初始阶段有一个较大的启动冲击电流，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，以此启动设备，进而即进入恒流启动阶段，直至启动完毕。如图3-8所示。脉冲恒流软启动方式的启动冲击转矩大，适用于皮带输送机、粉碎机的满载启动等重载启动。
3.4.4电压双斜坡起动
如下图3-9所示，在起动过程中，电机的输出力矩随电压增加，在起动时提供一个初始的起动电压Us，Us根据负载可调，将Us调到大于负载静摩擦力矩，使负载能立即开始转动。这时输出电压从Us开始按一定的斜率上升(斜率可调)，电机不断加速。当输出电压达到达速电压Ur时，电机也基本达到额定转速。软起动器在起动过程中自动检测达速电压，当电机达到额定转速时，使输出电压达到额定电压。电压由零慢慢提升到额定电压，使电机启动的全过程都不存在冲击转矩，而是平滑的启动运行。
3.4.5起动性能的比较
通过比较异步电动机的各种起动方式，当电机全压起动时，对电网的冲击最大，冲击时间也最长：而通常使用的降压起动也就是硬起动，对电网的冲击虽比较小，但是由于涉及到一个线圈电压切换过程，所以出现二次冲击的不利环节；软起动由于在起动前设定了一个不对电网产生影响的起动电流，电流是缓慢增大至设定电流，故无冲击电流，所以对电网的影响最小，并且消除起动力矩的冲击。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置， 能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流、过压、过载保护等功能。
变频器由于其电气特性、复杂性和价格因素决定了其主要用于电动机调速领域，一般不单纯用于电机起动。如表3所示，软启动器与变频器的性能相近，但其价格便宜，而且特别适用于空载和轻载的情况。
表3 软起动与传统的降压起动的性能指标比较

3.5软启动节能的条件
从1970 年软起动出现开始, 就伴随着有能否实现节约能源问题。英国人曾在80 年代初就不同控制原理的软起动产品做过对比试验, 其结论是:
(1) 在额定负载下, 实际上是增加了功率消耗,主要是晶闸管串入主电路的压降损耗;
(2) 在40% ～ 80% 的额定负载下, 软起动器吸收的损耗与其节省的功率相当, 是节约的铁损被增加的铜损抵消;
(3) 在40% ～ 50% 的额定负载下, 才记录到较明显的节能效果。
因为，电动机属感性负载，电流滞后电压，大多数用电器都属此类 。为了提高功率因数须用容性负载来补偿，并电容或用同步电动机补偿。软启动节能主要是在电动机处于空载或轻载运行中体现。
当电动机处于空载或轻载运行时，适当降低其端电压可提高功率因数，减小运行电流，达节能之目的。并能根据电机的负载变化实现自动调整值的大小，从而实现高效经济运行。这是因为：异步电动机的损耗△P用下式表示：

当电动机轻载时，输出功率减少，同时转子损耗随之降低，但、、基本不变。由于励磁电流未变，定子铜损降低不多，因此电机效率和功率因数大为降低。如果在轻载时，适当降低电机输入电压，则电机铁损将随电压平方减少，励磁电流也因磁通的减小而下降，使减少，从而降低了总耗△P，使效率和功率因数得到提高，这就是电动机轻载降压节能的基本道理。但是，轻载时电压的降低不能过分，由上式可知，产生同样的轻载转矩，当电压(基本正比于磁通)过分降低后转子电流必然回升，减小了、的降低程度，甚至使它们反而增大，不能有效地通过电机效率和功率因数。此外，过分降低电压会使电机带不动负载而堵转。电力电子器件SCR的导通时间T的大小是通过检测电机的电压和电流之间位移角(亦可近似当作功率因数角)去实现的。当负载较大时，其负载电流滞后于电压的位移角(即功率因数角)较大，即功率因数低。通过检测功率因数角妒的变化就可得知电动机负载的大小，以矿的变化去控制SCR的导通时间T，使负载大时T大，电机定子电压高；反之，负载小时T小，电机定子电压低。
异步电机轻载时降压可以节能，但在不同负载下调压的SCR的导通时间T和电压、电流波形的功率因数角呈非线性变化，从而简单的恒功率因数角控制只能实现一定范围内的稳压节能运行。功率因数控制法，其原理是通过检测电机运行中的，然后根据预先设定的控制规则，当实际值低于设定值时，说明电动机为轻载，通过降低电动机的端电压来提高直到实际的测量值达到一定的稳定值为止，实现了节电；数值高表明是重载，则升高电机端电压，以保证轴上的输出功率。这是一种间接节电法：控制对象是电动机的功率因数，而目的是节电。
3.6软启动器应用场合
原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。目前的应用范围是交流380V（也可660V），电机功率从几千瓦到800kW。
软启动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软启动与软停车的场合。同样对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载场合，应用软启动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能的效果。
如果只考虑大幅度降低起动电流，降压方式软起动适合空载或轻载的鼠笼电机起动。
由于起动转矩与电流平方成正比，降压软起动在降低电流的同时也付出了起动转矩减小的代价，所以此类软起动比较适合与风机、水泵类平方转矩负载及压缩机负载，对于转动惯量较大的负载如球磨机，要负载成功起动就必须加大起动电流，起动电流不会很小，一般会超过额定电流的4 倍以上。
当然，用户也可能从保护负载的角度考虑来选取软起动。比如皮带输送机一般是带载起动的，在整套装置中皮带的成本几乎占整套系统成本的一半以上。在正常工作时皮带是匀速工作的，但每次起动时皮带都经过急剧拉伸的过程，所以大大的影响了皮带的使用寿命，使用软起动产品后，虽然起动电流比平方转矩负载大一些，但起动过程很柔和，大大的延长了皮带的寿命。

4电机节能效果的影响因素
4.1节能效果同负载特性的关系
4.1.1节能效果同负荷率的关系
从前面小节的分析中得出，降低定子电压是否提高效率取决于转子电流和定子励磁电流的大小。表4是不同负载下节能效果而随着，负载率的不同，其节能效果不同，甚至有时不节能。根据电动机的转子折算电流公式分析可知转子折算电阻和转子折算阻抗与转差S有关。对于满载或重载运行的电动机，随着端电压的降低，电动机的励磁电流将会减少。随着励磁电流的减少，磁通和电动势也随之减小，铁耗将下降。同时，随电压平方变化的电动机转矩也迅速下降而小于负载转矩，电动机只能依靠增大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。转差率的增大，引起转子电流增大，同时引起定子和转子电压间的相角增大，导致定子电流增大，从而使定子和转子铜耗大大增加，甚至可能发生电动机烧毁事故。因而，一般规程都规定了电动机正常运行时电压变化范围不得超过额定电压的95%～110%。因此对重载电机来说，电机消耗的部分能量降低的不多，反而引入的晶闸管调节电压电子电路压降，抵消了电机降低的能耗，故很难做到节约能源。然而对于轻载运行的电动机，情况截然不同，供电电压适当降低是有利的。因为在轻载运行时，电动机的实际转差率大大小于额定值，转子电流很小，在降压运行时，转子电流增加的数值有限。另一方面，由于电压的降低，使空载电流和铁损大幅减少，电动机的总损耗就可降低，定子温升，运行效率和功率因数同时得到改善。可见，电动机的运行经济性与电动机负载率同运行电压是否合理匹配关系极大。
表4负载率和节电率的关系
负载率
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
节电率（%）
33.4
29.5
22.1
14.6
10.2
7.3
3.4
2.2
0.3

4.1.2节能效果同负载特性的关系
各种不同特性的负载下，电动机的工作特性变化情况不同，因此节能效果也不同。定子端电压降低时几种典型负载类型机械特性曲线：感应电机在不同电压下的机械特性曲线示意图如图4-1中1、2、3曲线，图4-1中P1为恒转矩负载特性曲线，P2为恒功率负载特性曲线，P3为平方转矩负载特性曲线。
恒转矩负载：除了上述共同的特性变化外，恒转矩负载当定子电压降低时，工作特性具有下列变化：M∝ф1 ，M不变，故I2增大，因此负载较大时I1一般增大；转差率增大，因S∝I22∝1/ U12；定子铜耗Pcu1取决于定子电流，轻载变化不大，负载大时一般增大；定子电压降低时，恒转矩负载下电动机产生较大的转差，因此转子铜耗Pcu2增大较多。
恒功率负载：定子端电压降低时，恒功率负载下电动机转差率变化较之恒转矩负载为大，因此转子铜耗Pcu2增大的更多，其它变化同恒转矩负载。
平方转矩负载：定子端电压降低时，工作点移到了B点，此时，S变化较大，速度降低较多。根据平方转矩负载的特性，相应的输出功率将变小。因此，与之平衡的电动机电磁功率也变小，电流也相应变小，则转子铜耗、定子铜耗也随之变小。因此，总的损耗将减少，但其实效率并未显著提高。如果输出转矩能够满足负载需要，则从节约输出有功功率来说，有显著作用。对于平方转矩负载来说，虽未提高效率，但电压降低节约了有功功率、降低了损耗，如果将电机同负载作为一个整体来看，则能够起到节能作用。
位势性负载：当其处于上升阶段时，近似于恒转矩负载的特性，但当其处于下降阶段时，负载转矩却同电机转矩的方向一致。因此，当位势性负载处于下降阶段时，阻转矩很小，转差率S很小且不随电压而变化，负载不需要或只需要很小的驱动转矩，所以当降低电压时，各项损耗均变小，功率因数和效率均提高。
对于电机转速无严格要求，及不需要调速运行的场合，特别是对于经常大幅度变动的负载，或者是长时间处于轻载或空载的电动机，例如轧钢机、锻压机、抽油机等负载，使用降压节能技术，可以收到明显的节电效果。其节电量视电动机的负载系数及轻载运行的时间长短而定。
4.2节能效果同其它因素的关系
软起动器节能的效果还同负载持续时间、电机极对数、电机容量有关。负载持续时间越长，节能的效果越好；电机极对数越多，节能的潜力越大；电机容量越小，节能效果越好。
分析拖动系统是否节能，不能单纯从电机效率来考量，应当运用电机的统一理论，将电机同负载作为一个整体来分析。对于恒转矩负载和恒功率负载，降低定子电压可使功率因数提高，而效率是否提高则取决负载率和负载特性；对于平方转矩负载，降低定子电压虽然不能提高效率，但可以节约输出的有功功率；对于位势性负载，在上升阶段降低定子电压，其功率因数和效率的变化同恒转矩负载，在下降阶段降低定子电压，其功率因数和效率均提高。

5异步电动机起动系统的仿真模型
异步电机属于强耦合系统，其内部电磁关系远比直流电机复杂，尤其是在异步电机动态运行时。为了验证软启动器是否能够改善和控制异步电动机的启动过程和节能效果分析，应用MATLAB搭建异步电动机起动系统的仿真模型（参见下图5-1）。 
图5-1 异步电动机起动系统的仿真模型

异步电机软起动仿真模型 它主要由三相交流电压源模块、同步环节模块、触发角控制模块、三相交流调压模块、电机及测量、电流反馈和起动控制等环节封装模块组成。其结构划分与异步电动机软起动系统原理图基本一致。该模型可以用于斜坡起动、限流起动以及其它控制方法的仿真。在此基础上还将建立三相交流电压源子模块、三相交流调压子模块、电流检测子模块和控制子模块，如：限流软启动控制子模块、电压斜坡软启动控制子模块或节能运行控制模块。通过仿真计算对电动机拖动系统进行起动可行性校验，并分析节能效果。

6软启动节能控制方式的实际应用效果
6.1软启动器在河南全新机电鲁厂的应用
对水泵类负荷来说，电动机全压起动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。
河南全新机电鲁厂1、2号水泵房承担地下厂房的渗漏水排出任务。1号水泵房6台电机额定功率为110kW，额定电流202．2 A；2号水泵房3台电机额定功率为75 kW，额定电流140 A。水泵在运行中出现的问题有：1号水泵房的1号检修深井泵，由于停泵时的水锤过大，致使原铸铁的逆止阀爆裂，现在虽然更换成了缓闭逆止阀，缓解了水锤效应，但是水锤仍会把电机的制动逆盘损坏。2号水泵房的2号低压泵，水锤效应使水泵的叶轮损坏。
电机起动时，起动电压60％Ue，当起动电流达到4倍额定电流时，输出电压保持稳定，直到电流下降到限制值以下，升压过程才会继续，保证了起动电流始终小于4倍额定电流，见图6-1。水泵停转时，水锤作用造成系统噪声大，振动大，常出现逆止阀断裂、水泵使用寿命过短甚至管路破裂等故障，在供水系统中最难解决的问题就是水泵停机时水锤造成的危害，软起动器优良的软停功能正好从根本上解决这一难题。通过对软启动器各项参数的设置使水泵获得较好的制动性能。降压时间：t2-t1=3 s，结束电压：60％Ue，如图6-2所示。

减少水锤应用：
跨越运行模式 晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，电压谐波分量可以完全忽略，这种方式常用于短时重复工作的电动机，如图6-3所示。平滑地对电动机加速和减速，使泵在启动和停机期间减少水锤。
6.2软启动器在风机中的应用
广东省燕塘企业总公司是一大型农工商贸综合经营的国有企业, 产品结构比较复杂, 其属下的燕塘牛奶公司和毛织厂每天生产时排出大量的污水, 这些污水经总公司污水处理站技术处理达到国家排放标准后排走。
在该污水处理站内, 主要的电力设备是用来拖动罗茨风机的380v、45kw鼠笼型异步电动机。该电动机原采用自耦变压器启动, 启动时产生较大的电流, 可引起电源电压的迅速下降, 从而对供电电网产生冲击, 干扰了其他用电设备的正常工作, 同时, 这一电流在电机轴上会产生突然变化的大转矩, 损坏罗茨风机。此外, 由于电机运行时 中只有0.8 左右, 因而电耗较大。为了最大限度降低电耗,改善电机启动特性曲线, 减少起动时的转矩,我们安装了降压软起动器, 同时安装了15kvar补偿电容器与之配合使用, 收到了显著的效果。
燕塘企业总公司污水处理站装的45kw罗茨风机,1996 年以前其交流电动机降压起动是采用传统的起动方式即自藕变压器起动, 虽然可以解决直接起动电流过大的问题, 但由于是有级降压起动, 起动时电流仍然很大1996年, 我们安装了美国ALLEN -BRADLEY公司的固态器件降压软起动器, 这是电机更新换代节能科技产品, 经过一年多来的使用, 表明自藕变压器与软起动器两种起动方式分别有如下的特点。
（1） 自藕变压器的特点： 1）减少起动电流,避免了对罗茨风机及电网的冲击。2） 线路结构简单便于维护。 3）投资少, 耐用但作用单一, 有级降压起动且不节能。
（2）软起动器的工作原理特点：软起动器的工作过程是改变电源的供电频率, 可改变其同步转速, 通过改变控制电压和频率使电机在起动时缓速上升, 经过一定时间后达到额定速度, 基本原理如图1 所示。
其工作原理是: 利用整流器中的6只可控硅把三相交流整流成直流, 经过中间直流环节后逆变成工频以下的频率, 如果改变逆变频率, 电机转速就得到调节。
其特点为：1接线简单, 方便, 容易控制电动机启动。2代替传统的起动方式, 克服了有级起动的缺点。3 可以监测电动机和起动器, 安全运行, 自动保护灵敏可靠。与补偿电容器配合可提高, 节省电能。
从表5可见安装软起动器后负载的 提高, 起动电流降低, 节能效果明显提高。

7软启动器节能运行带来的问题
上面在分析软起动器节能控制原理时，为了方便，忽略了一些实际问题，而在实际的工业应用当中，必须将这些问题加以考虑，才能合理的设计电动机传动系统。
7.1转差功率损耗
当降低定子电压后，随电压平方变化的电动机转矩也迅速下降而小于负载转矩，电动机只能依靠增大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。转差率的增大，引起转子电流增大，同时引起定子和转子电压间的相角增大，导致定子电流增大，从而使定子和转子铜耗增加，这部分损耗就称之为转差损耗。转差功率的损耗系数是衡量传动系统效率的重要指标，同时，转差功率损耗还涉及到电动机转子的温升问题。下面对几种典型负载类型分析其转差功率损耗系数。
；α=-1、0、1、2

其中，K、C为常数；Ps为转差功率；n为实际转速；n1为额定转速；α为负载系数，恒功率负载为-1、恒转矩负载为0，与转矩成比例负载为-1，平方转矩负载为2；TL为负载转矩。
对于位势性负载处在下降阶段时，由于近似无转差，因此转差功率损耗系数为零；对于恒功率负载，，转差损耗系数，当S=1时，K→+∞；对于其它负载，当S=0时，，，对上式求导得产生最大转差损耗系数，此时的转差率为。
不同负载性质的转差功率损耗系数如表6所示。当电动机定子端电压下降时，只有位势性负载处于下降阶段时，转差率S很小且不随电压而变化，其它几种负载的转差率S都随定子端电压下降而变大。而由以上转差功率损耗系数表可以看出，位势性负载和平方转矩负载的转差功率损耗系数明显比其它几种负载小，因此以热的形式消耗在电动机转子中的转差功率比较小，因此位势性负载和平方转矩负载比较适合于降压节能。而恒转矩负载和恒功率负载转差功率损耗系数较大，将会引起电动机转子较大的发热，因此不太适合于降压节能。
α
-1
0
1
2
位势性负载
S
1
1
0.5
0.33
0
KS
+∞
1
0.25