什么是电机启动器？什么是软起动？什么是变频起动？

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今天我们一起学习一下电机启动器。

在实际应用中，设备的电路一般会分为一次回路和二次回路。

二次回路的电源电压主要由AC220V和DC24V构成，比如电脑、显示器的电源、交流接触器的线圈、交流的指示灯等都是使用AC220V电源。而PLC的IO模块、通讯模块、传感器、变送器大多都是使用的DC24V电源。

那么我们如何启动和停止三相380伏的交流工业电机 呢？

答案就是：使用电机启动器 。

1、电机启动器类型

电机启动器，又称电机控制器，其类型很多。

电机控制器主要作用就是控制电机电源的通断。一旦控制器被激活，电流就可以通过控制器流向电机，从而为电机绕组通电，电机开始旋转。

电机控制器的激活通常由控制器内置的机电设备（通常会用到接触器 ）来完成。根据具体工况和也会用到其他方法。

电机控制器通常带有电路断开装置、接触器或其他类型的电机执行器、电路过载保护 （比如熔断器）和电机过载保护 （比如热继电器）。

电机控制器可以按启动方法和启动器类型进行分组。

2、电机控制器启动方法

电机控制器可按启动方式 进行分类。

1) 全电压、非反向 (FVNR)

第一种启动类型是全电压、不可逆电机控制器。

顾名思义，当控制器的单个接触器启动时，这种电机控制器类型（也称为FVNR ）允许 向电机施加全线电压。

使用FVNR电机控制器，线路相位的位置是固定的，电机只能在一个旋转方向上运行。FVNR 可以被认为是跨线 控制器。

2) 全电压换向

在全电压换向电机控制器中，控制器有两个独立的驱动状态：

一个用于正向操作电机一个允许电机反向运行。

这是通过添加第二个接触器来实现的 。

正向接触器的作用与FVNR中的相同反向接触器交换两相的位置。

这种两相的反转导致电机绕组中的磁场反转，从而导致电机以相反的方向旋转。

特殊的物理保护措施 可防止两个接触器同时动作造成的破坏性影响。（通过两个接触器之间的机械互锁来实现，即一个接触器线圈得电的同时，另一个接触器线圈回路无法得电。）

3) 降低电压

第三种电动机启动方式称为降压启动。大型电机可能具有非常高的启动电流，这可能对电机或电机控制器本身有害。

这种类型的电机控制器通过在电机首次启动时向电机施加降低的电压来限制启动电流量。

有几种方法可以实现这一点，例如自耦变压器、星三角和软启动器。这些将在后面描述。

4) 多速

最后一种电机启动方法是多速。多速电机控制器使用固态 或变换装置，以允许以不同的速度控制电机。这些方法中的两种，变速驱动和2速控制将在后面描述。

3、电机控制器的类型

既然我们已经通过启动方法描述了电机控制器的四个大类，现在我们将描述六种主要的电机启动器类型。

1) 手动

第一种是手动电机启动，需要操作员手动打开和关闭电机。

出于安全考虑，手动电机启动仅限于10马力以下的电机。它们可用于单相或三相应用。（对于到底多少kW的电机能够直接启动，标准不一，跟所在的变压器负荷相关；通常来说AC380V、7.5kW以下的电机都是可以通过接触器直接启动的。）

2) 磁电机启动器

磁电机启动器或直接在线启动器 是最常见的单速启动器类型。

对于磁力启动器，连接到 PLC 数字输入的按钮或选择开关用于激活 PLC数字输出。PLC输出将接入一个线圈（可以控制的是中间继电器的线圈、也可以控制接触器的线圈），该线圈以磁性方式使启动器触点保持闭合，从而允许电流通过电机。

磁电机启动器与 FVNR 和全电压可逆电机控制器一起使用。

3) 自耦变压器电机启动器

自耦变压器电机启动器通常用于低压启动应用，尤其是大型电机。

当电机启动时，两个接触器吸合。其中一个接触器使变压器电路通电，另一个则迫使变压器进入星形配置。变压器的抽头输出在启动时连接到电机引线。一旦电机达到全电压的 85% 到 90%，星形接触器打开，然后变压器充当扼流圈来限制电机的电压和电流。然后主接触器闭合，电机控制器充当全电压给电机的 FVNR。

4) 星三角

星三角降压电机启动与自耦变压器启动有关，因为在电机控制方案中使用了三个独立的接触器。

在星三角模式下，电机以星形 配置启动，在电机额定全电流的三分之一左右启动电机。电机旋转到接近全速后，电机切换到三角形 配置以连续运行。

5) 软启动器

软启动器是另一种用于限制启动电流的方法。软启动器使用三端双向可控硅开关等固态电子器件来限制启动电压和电流。

软启动器允许电压在电机启动期间逐渐增加。允许电机以受控方式缓慢加速。

6）变频驱动（VFD）

变频驱动器或VFD类似于软启动器，但它还能通过改变电机的输出频率来改变电机的速度。

由于在此过程中电压也得到调节，因此使用 VFD 也降低了启动电流。

4、概括总结

本文简要概述了四种类型的电机控制器启动技术和六种类型的电机启动装置。

电机控制器启动方法

全电压，不反转 (FVNR)（电机只有正向转动）全电压反转（根据工况需要，电机有正反两个方向可以运行）降压（自耦变压器、星三角、软启动器）多速（变频器）

电机控制器启动器类型

手动磁力自耦变压器星三角软启动器变频驱动器 (VFD)

接触器、软启动器、变频器，如何选择适合的电机启动方式？

图片来源：CDM Smith

作者：Lilly Vang

　　了解常见的电机启动方法及其之间的差异，有助于企业为任何给定过程选择最佳方案。

　　感应电机将电能转换为机械能。在转换过程中，电源连接到电机定子，产生旋转磁场，使转子旋转并启动电机。当电机启动时，它会产生很大的启动电流。

　　该启动电流也被称为浪涌电流，通常比电机的额定电流高5到8倍。高浪涌电流很容易损坏或烧毁电机的绕组，并导致电源电压大幅下降，从而损坏连接到同一电源的其它负载。因此，通过提供电机启动器或驱动器来保护电机免受浪涌电流的影响是非常重要的。

　　无论是排气扇、鼓风机还是压缩机，电机启动器都是任何电机的重要组成部分。电机的启动和运行有多种选择，包括带接触器的跨线启动器、带自耦变压器的降压软启动器（RVAT）或带固态控制和变频器（VFD）的降压软启动器（RVSS）。每种方法在成本、规格和功能方面都各有其优缺点。

　　01 全压电机启动器

　　电机启动最基本的方法之一是跨线启动，也称为全电压或直接启动。全压电机启动器通常包括三个部件：接触器、电机电路保护器和过载继电器。图1详细说明了全压电机启动器的通用接线图。

▲图1：通用全压电机启动器的接线图。

　　接触器是常开触点，当接触器线圈通电时闭合电路。接触器线圈通常连接到120伏控制逻辑中的控制继电器，使电机可以根据应用情况而打开/关闭。例如，如果抽水井中的水位很高，则需要打开潜水电机将水泵送到另一位置。或者如果水位低，则需要关闭电机以防止干运行，否则会损坏电机。

　　过载继电器保护电机不受过载或失速而导致过热的影响。过载继电器（无论是热继电器还是电继电器）将监测流经电路的热量或电流。如果热量或电流在一定时间内高于极限，过载继电器将跳闸，这将触发辅助触点，从而切断接触器线圈的电源并使电机断电。

　　图1所示的电机电路保护器是一种过流保护装置（OCPD），可为电机电路提供保护。该OCPD可以是断路器或保险丝。当电机启动器直接连接到电源，这意味着在电机启动时会瞬间施加全电压、电流和扭矩。因此，电机会迅速加速到全速，同时也会有一个持续时间很短的高浪涌电流。电流会随着电机的加速而减小，当电机全速运转时，电流将达到电机的额定电流。

　　由于其操作简单，全压启动器切换不会像变频器那样会引起谐波。使用全压启动器时，电机将持续稳定地以 0%或100%的速度运行，这对于需要进行速度控制的应用（如气味控制鼓风机等）来说并不理想。

　　当关停电机时，它的电源会被立即切断。然后电机转速自行向下降低，这可能导致急停或快速停止。对于较大的电机，这可能会由于过热而损坏电机绕组。

　　由于电机发热、电压下降、大电流需求以及对其它连接电气设备的影响，不建议大型电机采用全压启动。这种启动方法产生的浪涌电流最大，对于大型电机来说，可能需要超大发电机或超大的电力系统电源。然而，与其它电机启动方法相比，全电压电机启动器对于小型电机来说可能是最便宜、最紧凑的选择。

　　02 软启动器

　　在启动过程中，暂时减少提供给交流电机的转矩和电流的装置，被称为软启动器。这些装置旨在减少电机、配电设备和任何供电发电机系统上的机械应力。软启动器可以是机械的，也可以是电气设备的。用于软启动的常见的两种电气设备是RVSS和RVAT软启动器。

　　RVSS的设计旨在控制启动电压，通过降低电机扭矩为电机提供平稳、受控的启动。对于停止，电机也可以逐渐减速，而不必硬停。图2显示了75马力潜水井泵控制面板中RVSS的图片。

▲图2：水井潜水泵控制面板中的降压软启动器。

　　电压控制方法来自可控硅整流器，也称为晶闸管，与控制器一起操作，以设置启动转矩和电流，并缓慢地使电机加速。一旦电机全速运转，许多现代RVSS将使用内部旁路接触器为电机供电。这样做是为了减少启动器磨损，延长其使用寿命。相对于全电压启动器，RVSS的一个缺点是在启动过程中发热增加、所需间隔量增加以及设备的初始成本增加。

　　RVAT则是使用自耦变压器的次级，利用预设的输出抽头为电机提供降低的电压。这些抽头通常为50%、65%和80%。在启动过程中，降低的电压用于使电机旋转，直至达到设定的时间或线路电流，然后电机绕过RVAT以100%电压运行。在停机过程中，没有软停止，电机立即断开，就像全电压启动器一样。

　　与RVSS相比，它的缺点是设备占地面积增加、设备重量增加、变压器产生的热量增加以及由于输出抽头数量有限而对启动速度的控制有限。鉴于所有这些缺点以及RVAT软启动器的成本大致相同的事实，RVSS通常是首选解决方案也就不足为奇了。与RVSS相比，RVAT的唯一优势在于其设计简单而稳固，需要的零件数量有限。

　　03 变频器

　　变频器不仅可用于缓慢启动和停止电机，还可用于控制交流电机的速度。变频器的工作方式是将输入交流电转换为直流电，使用电感电容滤波器平滑直流电，最后使用由绝缘栅双极晶体管（IGBT）组成的逆变器，通过脉宽调制将直流电转换为模拟正弦波。

　　功率转换的确切方法将取决于变频器是使用脉冲整流器（如6、12或18脉冲），还是使用有源前端驱动装置。6脉冲接线图见图3，有源前端接线图见图4。

▲图3：通用6脉冲变频驱动电路接线图。

▲图4：通用有源前端变频驱动电路接线图。

　　每种类型都有其优点和缺点，尤其是在处理与变频器相关的缺点时。这些缺点包括谐波、反射波、发热和初始成本增加。

　　谐波是变频器线路侧的一个问题，由整流器和逆变器导致，具有各种负面影响，如导致电容器组故障、烧坏电机绕组、断路器跳闸和变压器过热。一些变频器会产生更多谐波，例如，6脉冲变频器产生的谐波要多于18脉冲变频器，而18脉冲变频器比有源前端变频器产生更多谐波。

　　一般来说，6脉冲变频器的价格是更便宜的，18脉冲和有源前端变频器的成本大致相同。请注意，即使选择了6脉冲变频器也有减少谐波的方法，如在线电抗器或外部谐波校正单元。

　　由于IGBT的快速切换会引起变频器负载侧的反射波，反射波会产生过电压，损坏电缆绝缘、电机绕组和电机绝缘。出于这个原因，考虑逆变器负载电机非常重要，它是为了处理更大的电压差。另一种解决方案是安装负载电抗器、dv/dt滤波器或正弦波滤波器，或者将变频器安装在靠近电机的位置，因为随着距离的增加反射波会加大。

　　产生的热量来自变频器（将交流电转换为直流电）的许多部件，以及IGBT切换以产生模拟正弦波。虽然可以降低开关频率以减少热量产生，但这并不总是可行的，因为它会增加变频器的谐波和电机的噪音。

　　防止过热的最佳方法，是使用散热器和风扇通过变频器外壳中的通风口散热。理想情况下，变频器安装在环境控制的电气建筑或房间内，但许多供应商确实提供带空调装置、安装在室外的变频器。安装在电机控制中心的变频器如图5所示。

▲图5：安装在水再生设施电机控制中心的6脉冲变频器。

　　此外，成本增加也是一个主要缺点，变频器的成本往往高于RVAT或RVSS方案。然而，在带来增加的初始成本和其它缺点的同时，变频器确实也会带来很多的好处和性能提升，例如改善功率因数、实现速度控制并降低能耗。

　　功率因数的改善，是由变频器内的直流母线电容器引起的。直流母线电容器为电机提供无功电流，这是感应转子磁场所必需的。这意味着来自公用事业的输入电源电流，只需要有功功率。这就可以帮助避免公用事业的功率因数损失，减少配电网络上的电流，并降低电力公司的费用。

　　速度控制是一种通过改变变频器的输出电压和电流来控制电机速度的能力，以达到所需的扭矩和理想的速度。这可以使用基于所需应用的开环控制方法或闭环控制方法来实现。在开环系统中，变频器经过调谐以确保精确的速度控制，而闭环系统则监测电机的电压和电流，以读取电机速度并进行相应的调整。

　　降低能耗是降低电机速度并因此降低电机负载的结果。能够节省如此多的能源，其原因就是速度和功耗之间的关系。例如，电机速度降低50%，功率需求降低到原始功率需求的12.5%；75%的电机速度，可以将功率需求降低到42%；90%的电机速度，则可以将功率需求降低到73%。

　　在选择电机启动方法时，根据所需的电机应用和电机规格有多种解决方案可以选择。对于不需要速度控制的较小电机，全压启动方法可能是最优的选择。软起动器更适用于大型电机降低浪涌电流的需求，但不提供速度控制。

　　变频器是大型电机或需要速度控制或受益于速度控制的电机的绝佳选择。然而，它们会将谐波引入电气系统，这可能需要加以缓解。选择适合的解决方案可以确保在任何设施中都有一个高效且具有成本效益的系统。

　　关键概念：

　　■ 了解电机启动器的用途和常见类型。

　　■ 要保护电机免受浪涌电流的影响，需要工厂工程师了解电机启动器何时能使系统受益。

　　■ 了解低压感应电机常见的启动方法，以及每种启动方法的优缺点。

　　思考一下：

　　您的工厂采用哪些方法提升电机效率？

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