不同启动方式在暖通空调领域上的应用

电机启动的基本原理：

电机起动性能规定使用全电压起动器或降压起动器能达到的极限值。当尝试以下方式时考虑电机起动特性尤其重要：

-将起动电流降至最小；

-将起动扭矩增至最大。

电机性能：

1.转子的设计影响起动性能。

2.定子的设计影响全速性能。

3.转子杆的形状、位置和材料影响引入电流和电机起动时产生的扭矩。

典型电机数据：

电机起动性能可通过检查电机数据表得到确认。

数据表详述了110kW电机系列选用的性能数据。

全电压起动条件下最大电机起动电流是由电机锁定转子电流（LRC）确定的。LRC等级在电机间有显著变化。在实例中，电机H引入的起动电流比电机E多55%。

在实例中，电机A起动时产生的扭矩是电机I的两倍。

确定电机起动性能时必须合并考虑LRC & LRT。

降压起动扩大电机差异。扭矩减少值是电流降底值的平方。如何计算起动扭矩？

依照实例，计算电机B、C和D在3×FLC条件下的起动扭矩。

满电压起动：

电流瞬间上升至LRC水平，由此引起的电流瞬变可对电源产生不良的影响；电机速度增加时电流下降。电机负载只影响加速所需的时间，而不影响始终为LRC的电流值。电流瞬间上升至LRC水平，由此引起的电流瞬变具有破坏性。电机达到满速前，典型转矩在升至失步转矩前由LRT降至脱扣力矩。

满电压起动限制：

1.电流瞬变；2.电流值；3.扭矩瞬变；4.扭矩值。

降压起动通过逐渐利用满电压的方式力图克服这些限制。

降压起动：

降低起动电流。起动扭矩减少值是电流降低值的平方。

电流只能降到电机扭矩输出超过负载要求的扭矩的那个点。为确保有效运行，降压起动器须使电机在使用满电压之前加速到90％左右。如果低于此速度，电流将逐步达到LRC水平，从而失去降压起动器的任何优点。

降压起动器：

机电：自耦变压器，一次电路电阻，星形/三角形。

电子：软起动。

自耦变压器：超动期间自耦变压器起动器使用自耦变压器降低电压。变压器有一套输出电压开关，可用以设置起动电压。

电机电流随起动电压下降而降低，且通过变压器的作用进一步降低最后产生的线路电流小于电机实际电流。

限制：60%分接头：限定电压分接头；限定每小时的起动次数；在所有速度下扭矩值降低；价值高。

50%分接头：初始起动电压是由分接头选择设定的，而起动时间是由定时器控制的。如果起动电压太低或起动时间设置不正确，变至满电压的过程将发生在电机未达全速之时，因此导致高电流和扭矩步进。

一次电路电阻：电阻器与隔离接触器和电机之间的每一相实行串接。电阻器降压导致电机降压，从而降低起动电流和扭矩。

设置4×FLC起动电流。

限制： 很难改变电阻；大量散热；限定每小时的起动次数；如果电阻器没有完全冷却，起动特性会在各起动间发生差异；难以起动高惯性负载。

设置3.5×FLC起动电流。

起动电压是由所使用的电阻器确定的。如果电阻太高，则扭矩不足以加速电机达到全速。降压起动时间是由预置计时器控制的。如果时间太短，电机不会在电阻器跨接之前达到全速。

星形/三角形：电机最初以星形配置进行连接，然后，在预设时间之后，电机会与电源断开，并再次以三角形配置进行连接。当电机以三角形连接时，则星形配置电流和扭矩是满电压电流和扭矩的三分之一。

不足的扭矩以星形配置加速该负载。

限制：不能调节。星形和三角形之间的开路瞬变会破坏电流和扭矩瞬变。

开路瞬变转换：当起动器以转换顺序通过开路段时发生。[1]连接降压；[2]与降压（开路）断开；[3]连接满电压。

开路瞬变起动造成严重的电流和扭矩瞬变，这对电源和机械设备可能比满电压起动更加有害。

当电机旋转、然后与电源断开时，起到发电机的作用。输出电压可与电源振幅相同。再合闸时，仍可有明显的电压出现在电机终端。

再合闸瞬间电机产生的电压可与电源电压相等但正好失相。这等于再合闸电机上有两倍的电源电压。这一结果是两倍锁定转子电流的电流和四倍锁定转子扭矩的扭矩瞬变。

软起动器：软起动器通过与电机电源串接的固态AC开关（ACR）控制电机电压。

起动电流可达最低；没有电流步进；没有扭矩步进；良好的起动扭矩特性。

电机特性决定软起动器所能达到的极限。

在以下情况下要特别注意电机特性：

将起动电流降至最低是十分重要的；

将起动扭矩增至最大是十分重要的；

涉及大型电机（200kW+）；星形/三角形起动是最廉价和最通用的降压起动系统。但其运作性能有破坏性。

压缩机的启动方式：

直接启动：这种启动方式主要应用在小功率空压机上，启动电流一般为额定电流的7-8倍，启动瞬间对电网危害较大。

常用于相对较小的压缩机（制冷压缩机、空气压缩机等）。通常由1接触器、1空开，1热继组成。

星角启动：启动电流为额定电流的3-4倍，启动电流比直接启动电流小。

在星角切换过程中会有大约为额定电流4-6倍的尖峰电流。对电网及设备也有相当的危害。

目前由于成本原因，此方式广泛的应用在压缩机起停中，但是随着软启动器和变频器的广泛应用。越来越多的应用被软启动器和变频所替代（尤其大功率的压缩机）。

软启动方式：

采用软启动方式的好处：

减少维护：传统的星角启动方式在电机启动过程中，接触器吸合断开会通过很大的电流，造成接触器寿命减少采用软启动器控制机组主电机，通过可控硅SCR的门极触发控制电路的控制，控制或限制电机启动电流；增加系统可靠性。

传统星角启动方式，通过元件组合才能实现实现过载，欠载，相序保护，造成接线麻烦，故障率高。系统可靠性差；启动器本身集成多种保护，接线少，系统可靠性强。

启动电流为额定电流的2－3倍，启动较平稳。

需加旁路接触器，启动完毕后切换到旁路工作。

软启动方式不能调速。对于相应压缩机调速节能方式无能为力。

软启动起集成多种保护功能，是二此回路更加简单，维护方便。

集成通讯口，容易接入整体系统中。

涵盖软启动器方式的所有优点。相对软启动方式具有更好的优点：启动电流更小，1.5In以下，所以所需的电网容量也最小，启动最平稳。

可实现压缩机调速，根据实际负荷调整压缩机的转速，实现节能。

相对于软启动器，保护更加丰富，诊断更加容易，人机界面更加友好。

实现更多通讯方式，方便集成不同控制系统中。

离心式制冷机组变频控制：

导叶和调速配合进行能量调节。

通过调节电动机转速和优化压缩机导流叶片位置，使机组在各种工况下，尤其部分负荷情况下，始终保持最佳效率。

当满负荷运转时，导叶全开，此时电机速度逻辑完全由温差控制，当冷负荷减小时，电动机转速减小，并通过压缩机的压头和系统最小允许转速来控制电机速度逻辑，直至最小转速，当最小转速时，控制导叶开启角度。

空气压缩机变频控制：

传统方式：储气罐压力控制压缩机加卸载，此种情况压力成波浪型。

变频方式：采用变频器控制方式，可以根据储气罐压力变送器信号调整变频器输出从而控制电机转速，达到排气压力平稳。

几种方式比较：

软起动在中央空调中的应用：

软起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。软起动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。使用软起动器启动电动机时，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。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软起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，延长软起动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软起动器同时还提供软停车功能，软停车与软起动过程相反，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。

1.中央空调机组中软起动的负载特点以及起动方法：

在中央空调机组中，软起动器的启动负载主要包括是风机电机、压缩机电机等，机型主要有离心式冷水机组、螺杆式冷水机组、组合风柜等。以离心式冷水机组为例，通常机组起动的时候，导叶为关闭状态，主电机起动完成之后才慢慢打开导叶、执行器执行动作过行加载。因此，软起动器在电机实际启动过程中，一般可以将起动的对象按空载或者轻载处理。

软起动器适用于中央空调机组的启动方式常包括以下几种：

1.1电压斜坡软起动

向电机提供电压谐波，产生恒定的转矩增加，这是最常用的软起形式。该起动模式使设定起始转矩值和斜波的持续时间以达到全电压状态，在斜波之后，旁路接触器闭合。

图1 电压斜坡软起动

1.2限流起动。

在起动阶段限制供给电动机的最大电流。当由于起动时间长或者为保护电机，有必要限制最大起动电流是，可以采用这种模式。这种起动模式能够将设定作为堵转电流的百分数的最大起动电流和限流的持续时间。限流时间后，旁路接触器接通。

图2 限流起动

软起动与传统星三角、闭式星三角启动的区别：

1、笼型电机传统的减压起动方式有Y-Δ、闭式星三角起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。

以离心机的启动波形为例，各种起动方式的起动电流波形如下：

星三角启动时：星型启动时启动电流比较大，星三角切换的时候，有瞬间的掉电，时间大概为66毫秒，此时还有个二次冲击的电流，，虽然持续的时间比较短，但是比星型启动时候还要大。

当采用闭式星三角启动时，电流波形如下：

闭式星三角：闭式星三角起动比星三角起动多了一个电阻器和一个交流接触器，因此在切换的时候不会出现掉电情况，但仍存在二次冲击电流，只是幅值相对比较小。

软起动：从图3-4可以看出，使用软起动启动时，电流比较平滑，不会出现电流的突然变大、或者起动过程中有掉电的情况。

2、软起动与传统减压起动方式的不同之处是：

（1）无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。

（2）恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。

（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。

（4）软起动器将晶闸管等组合到一起，使用软起动器时，只需要选择好软起动器；而采用星三角主回路上需要3交流接触器和1个热继电器保护，采用闭式星三角启动时，主回路上需要4个交流接触器、1个热继电器和1个电阻器。相比之下，星三角以及闭式星三角所需要的元器件繁多，控制回路繁琐，电控柜所需要的空间大，可靠性相对较差，同时星三角以及闭式星三角对负载的保护功能也少于软起动器。

从启动波形可以看出，使用软起动，启动是电流波形比较平滑，不会有冲击电流。晶闸管的输出电压逐渐增加，直到晶闸管全导通。

3、软起动和闭式星三角启动方式成本对比：

我们对两种启动方式所设计的启动柜报价进行对比：

备注：表中软启动器、断路器、交流接触器、热继电器等主要元器件选用ABB厂家，软启选用伊顿的产品，选择依据主要根据《工业与民用配电设计手册》第三版。对于允许电机较长时间在额定电流1.1运行的中央空调机组，将电机的额定电流的1.1倍当做元器件负责的额定值计算。

由表中的数据可以看出，在600kW的电机上，使用软起动方式起动，价格成本上会有优势；而在600kW以下，使用闭式星三角成本相对会低些，当然，软启动器中欧美品、日本品、国产品的价格差异也是很大的，实际上采用日本或国产品，软启动器的优势会更加明显。

4、软起动器具有的保护功能

（1）过载保护功能：软起动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号。

（2）缺相保护功能：工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应。

（3）过热保护功能：通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。

（4）其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它联锁保护。

因此在中央空调机组中采用软启动器，不但可以省去原主回路和控制回路中常见的三相电源相序控制器、热继电器，而且保护动作更加准确。

软起动常用电路：

常见的软起动主回路的电路主要有下面几种：

1、标准接法电路：

2、6引线内三角电路：

6引线电机内三角电路

3、2引线内三角电路：

12引线电机内三角电路

在中央空调中，电机一般是有3引线或者是6引线，因此软起动基本上是使用第1 和第2种接线方式。若选择标准接法的电路，则软起动器可以承受的电流务必大于或者等于电机的最大电流。如果选择第2种方法，即内三角电路，则软起动器可以承受的电流就需要的电机最大电流的1/1.732倍，这样可以大大减少软起动器的成本，但使用内三角电路有个缺点，当主回路上的断路器合闸之后，即使机组没有启动，电机的接线端上还是带电。

软起动器的选型：

选择软起动器时有几个比较关键的技术参数需要考虑一下。

1、使用环境：

软起动器内部有电路板、可控硅、晶闸管等，这些元器件对环境都是有一定的要求的。使用环境的海拔高度、环境温湿度、污染等级都可能对软起动器有影响。在中央空调机组中使用软启动器，必须选用对PCB板进行过专门的防潮处理的型号。

2、软起动器的额定容量：

在确定负载的电压、负载的类型（商用大机组一般是空载起动，可按照轻过载或者无过载选择）后，还有一个非常关键的参数，就是电流。电流选择过大，则浪费成本；选择过小，机组无法完成起动，没法正常运行。

对于标准电路的接法，一般要求软起动器的额定电流大于等于负载允许运行的最大电流；对于内三角接法的电路，一般要求软起动器的额定电流大于等于负载允许运行的最大电流/1.732。

软起动器参数的设置注意事项：

1、不同的厂家的软起动器设置的参数会有或大或小的差别，例如伊顿厂家的软起动器的控制面板是以拨码的方式进行设置参数，需要将拨码打到ON或者OFF,而ABB厂家的软起动器则需要进入通过按钮调整液晶面板显示的参数。但是有几个参数或者是保护基本上都会有的：过载保护、缺相保护、堵转保护、起动时间过长保护。这几个一般都需要设置成有效。

2、软起动器通常会提供可选择的起动方式，例如电压斜坡软起动或者是限流起动方式。无论是使用电压斜坡起动还是使用限流起动，参数务必设置合适，不然的话负载将无法完成起动。电机起动，需要外部给一个力矩，而这力矩的到底是多大才合适，主要取决于两个条件：一是电机本身特性；二是电机所带的负载情况。在空载的情况下，电机的起动主要取决于电机的本身特性。要使电机完成起动，外部给予电机的力矩必需大于电机的最小力矩。外部这个力矩的大小，却是由软起动器的参数设置来完成的。因此，通常我们在设置电流（或者是力矩）时，参数需要适当。一般情况下，我们设置的限电流值一般在额定的3-4倍之间；若是设置限制力矩，一般是在36-45%之间。以伊顿内三角接法的软起动器为例，是设计力矩的。伊顿软起转矩力矩与电流百分比计算大概如下表：

软起转矩力矩与电流百分比计算

例如，将转矩参数设置为36%，这时限制的电流为60%*6*额定电流，约为额定电流的3.6倍；如果设置为45%，这时限制的电流为67%*6*额定电流，约为额定电流的4.02倍。

3、设置参数的时候，务必考虑机组的启动的时间。若设置的时间过短，电机同样会没法完成启动。

本段内容作者：魏强，赖元华。

变频器软起动器在暖通空调行业的应用：

热力行业：

在锅炉控制系统中，有以下几个重要的调节控制功能：

燃烧调节：以供水温度为主调节量，采用风-煤配比控制，通过调节炉排转速和鼓风机频率使供水温度达到设定温度；

根据炉膛负压信号及鼓风量信号构成前馈-反馈控制，调节引风机电机频率，使炉膛负压保持在一定的范围内；根据汽包水位、蒸汽流量和给水流量对锅炉水位实行三冲量调节。

在热力供暖系统中，可以应用到变频器或软起动器的传动点如下：

鼓风机：提高煤的燃烧效率，使供水温度达到设定温度；

引风机：保证适当的风-煤比控制，并使炉膛负压保持在一定的范围内；

循环泵：实现整个供暖系统的循环；

补水泵：及时补充回水管路所散失的水份；

炉排：调节进煤量。

以40吨热水锅炉为例，变频或软起动器的应用大致如下：

鼓风机：75KW的变频器；

引风机：132KW的变频器；

循环泵：功率由系统配置和供热面积决定；

补水泵：22KW的变频器（一用一备)；

炉排：1.1-11KW的变频器（7-35Hz)；

鼓风和引风电机的控制通常用变频控制，目的在于：

节能；风-煤比的控制；

鼓、引风机功率较大，采用变频控制可减少对电网的冲击。

对于循环泵来说，因为负责整个供暖系统的热能循环，为避免锅炉气化，管道或锅炉爆裂，通常采用一用一备或两用一备的方案，有以下几种组合：

两台变频器；一变频，一软起；两台软起动器。

通风系统：

隧道通风风机包括射流风机和轴流风机两种。

射流风机：

与车辆的前进方向一致；

功率集中在22KW-55KW之间；

可双方向运行；不需变频，只需软起即可；

每间距150米的横断面上有4台软起，左右前进方向各2台。

轴流风机：

当隧道较长，为补充射流风机通风的不足而从隧道一直开到山顶的竖井。

因工艺复杂，造价昂贵，通常只有长于4公里的隧道才可能安装轴流风机。

一般用变频调速，功率集中在160-500KW，只需一个方向运行即可。

变频器通常分2组，一组用于进新鲜空气，另一组用于将污浊空气抽出去。每组有2台或4台变频器。

中央空调送风系统：

送风系统有两种控制方式，即恒风量（CAV）控制和变风量（VAV）控制。

通过变频器控制风机转速，调节风量，保持静压恒定，保持送回风匹配控制。

回风系统大多用于大型空调系统中，主要用来维持被调节空间的正常压力。

一般情况下，控制目标主要使送风量和回风量之间维持一定的差值。

控制方式可以通过采集送回风的流量，根据流量差来调节回风风机的速度，或根据风道的静压来控制风机速度。

中央空调的中央送风机：

中央空调的末端送风机多采用开/关控制方式，难以完全满足人们对舒适感的要求。

自动起停风机－只是在需要时运行；

可连续调速，满足舒适度要求；节能；

减少设备磨损；

自动捕捉旋转负载→无跳闸运行；

跳跃频率→消除共振；噪声低；

可进行断带检测；

大中型空调系统：

冷水机组按照冷源可分为吸收式制冷机组和电制冷：

吸收式制冷机组较常见的是溴化锂吸收式制冷机组。

功率通常在2.2-15KW之间；

溶液泵多采用变频控制，进行冷量调节。

电致冷机组有离心式，螺杆式，活塞式等。

功率集中在75-160KW之间；

通常采用软起动或星-三角方案。

冷冻水循环系统（一）：

冷冻泵用于完成冷冻水在系统中的循环。在冷冻水的循环系统中，经过制冷后变成一定温度的冷冻水从制冷机组流出（出水），由冷冻泵送到各楼层、房间，流经各房间并进行热交换后，回到制冷机组（回水），并如此反复循环。

由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。所以对冷冻泵进行变频改造，根据回水温度就能够很方便地实现房间温度的恒定。当回水温度高，说明房间温度也高，这时就通过变频器提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度，使房间温度降低；反之，当回水温度低，说明房间温度低，则可以通过变频器降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，让房间温度升高。

中央空调冷冻水循环系统（二）：

需要注意的是，在各类制冷机组中， 冷冻水的流量调节范围的较为严格的限制，通常不能低于额定流量的75%-80%，如不能保证冷冻机蒸发器通过足够的水量，则可能冻坏蒸发器。因此，不论使用何种调节方法，其流量调节的范围不应低于系统的报警阀值。可将变频器的下限频率设置在一个适当值来解决这一问题。

中央空调冷却水循环系统：

在冷却水的循环系统中，水流进制冷机组（进水），和其冷凝器进行热交换，带走制冷机组制冷过程中产生的热量，再由冷却泵送上冷却塔（回水）， 部分水在冷却塔喷淋过程中蒸发，而留下的水得到冷却后又流进制冷机组，并如此反复循环。

由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单测水温不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。

冷却塔风机主要是用来加快冷却水在喷淋过程中的散热速度，根据季节变化通过变频器来改变风机的转速。天热的时候，转速调高一些；天凉时，转速调低一点，配合冷却泵的变频调节，达到最佳的节能效果。

冷却塔风机的特点：

冷却塔风机惯量大，驱动轴长；

起停过程中机械冲击大，双速电动机常常使驱动轴产生变形和扭曲；

VSD解决方案=平滑速度变化，降低机械冲击。

齿轮箱：电动机太慢会损坏齿轮箱；

VSD 解决方案=设定下限频率。

变频器在冷却塔风机上的应用。

真正适用于HVAC的 PID控制器：

调节过程平滑；温度传感器可直接接到变频器；

一旦温度反馈丢失，仍可驱动风机，按设定的方式运行。

系统成本降低：

无需外部的 PI D控制器或I/O 模块；节能。

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