（2-6）
由等效电路可见，异步电动机输入的电功率P1一部分消耗在钉子绕组的电阻而称为定子铜耗Pcu1，一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗PFe，剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功耗Pem。
其中Pem为：
（2-7）
电磁转矩为：
（2-8）
其中，
为同步角速度；
为转子机械角速度；Pem为机械功率。
由式（2-7）和式（2-8）可得：
（2-9）
根据T形等效电路可得：
（2-10）
将式（2-10）代入（2-9）得：
（2-11）
刚起动时，转子n=0，转差率s=1，此时启动转矩为：
（2-12）
同时，由于激磁电流相对较小即
，
近似为1，由式（2-6）的启动电流为：
（2-13）
由式（2-12）和式（2-13）可知，起动转矩正比于定子端电压的平方，起动电流正比于定子电压。
起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，如果电压较高，则起动转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。
而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面：
希望电动机起动时能产生足够的起动转矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时，也希望起动电流不要太大。
因为在供电变压器的容量比较小的情况下，过大的起动电流将造成较大的线路压降，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常运行。
下面针对异步电动机的起动特性，分析起动方式的原理和应用。
2.2三相异步电机的启动方法
三相异步电动机的起动方法主要有直接起动、传统减压启动和软启动三种启动方法。
下面就分别做详细介绍。
2.2.1直接起动
直接起动，也叫全压起动。
起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压（即全压）直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。
一般情况下，直接起动时起动电流为额定电流的3～8倍，起动转矩为额定转矩的1～2倍。
根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到8～12倍。
直接起动的起动线路是最简单的，如图2-2所示。
然而这种起动方法有诸多不足。
对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流会造成电动机的发热，缩短电动机的使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路电压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。
这是因为Ts及Tm均与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使Ts及Tm均下降到低于Tz。
一般情况下，异步电动机的功率小于7．5kW时允许直接起动。
如果功率大于7．5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。
如果不能满足上式的要求，则必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流Ist限制到允许的数值。
图2-2直接启动原理图
2.2.2传统减压起动
减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，待起动后，再把电压恢复到额定值。
减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。
因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。
传统减压起动的具体方法很多，这里介绍以下三种减压起动的方法：
（1）定子串接电阻或电抗起动
定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。
由三相异步电动机的等效电路可知：
起动电流正比于定子绕组的电压，因而定子绕组串电阻或电抗可以达到减小起动电流的目的。
但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的更多。
因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。
对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。
如图2-3所示：
当起动电机时，合上开关Q，交流接触器KM断开，使电源经电阻或电抗R流进电机。
当电机起动完成时KM吸合，短接电阻或电抗R。
图2-3定子串电阻或电抗起动原理图
（2）星-三角形（丫-△）起动
星-三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形（丫）接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形（△）接法，使电动机转为正常运行的一种起动方式。
星-三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组的六个出线端都要引出来，略显麻烦。
图2-4为星-三角形起动法的原理图。
接触器KM2和KM3互锁，即其中一个闭合时，必须保证另一个断开。
KM2闭合时，定子绕组为星形（丫）接法，使电动机起动。
切换至KM3闭合，定子绕组改为三角形（△）接法，电动机转为正常运行。
由控制电路中的时间继电器KT确定星-三角切换的时间。
定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接（全压）时的l/
，故星-三角形起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的1／3。
由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。
图2-4星-三角形起动法的原理图
（3）自耦变压器起动
自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上，待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。
图2-5所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。
控制过程如下：
合上空气开关Q接通三相电源。
按启动按钮后KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头（例如65％）将三相电压的65％接入电动。
当时间继电器KT延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，切断自耦变压器电源，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。
自耦变压器一般有65％和80％额定电压的两组抽头。
若自耦变压器的变比为k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的l／k2。
自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式（丫接法或△接法）的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。
图2-5异步电动机的自耦变压器起动法
自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用非常广泛，有手动及自动控制线路。
其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、体积大、价格高、维护检修费用高。
2.2.3软启动
软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。
在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。
它是软起动中的一个重要类别。
按限流器件不同可分为：
以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。
晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的结果。
10年前，电气工程界就有人预言，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。
目前在低压（380V）内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍，甚至更低。
而其主要性能却优于液阻软起动。
与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法比拟的。
但是晶闸管软起动产品也有缺点。
一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的5～10倍，二是晶闸管引起的高次谐波比较严重。
2.3软起动的原理及分析
2.3.1晶闸管调压原理
晶闸管的控制方式有两种：
一是相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，即把晶闸管作为静止接触器，交替的接通与切断几个周波的电源电压，用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值，从而达到调压的目的。
但周波控制用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机的重起动过程。
当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时问隔较长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有很大的差别，这样就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全。
故在异步电动机的调压控制中，晶闸管调压一般采用相位控制。
采用相位控制时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。
谐波在异步电机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。
此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压回路带有感性负载时，只有当移相角大于负载的功率因数角时，才能起到调压的作用。
当
<
时，电流导通的时间将始终保持在180°。
其情况与
=0时一样，相控不起任何调压作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，出现只有一个方向上的晶闸管工作，负载上出现直流分量，对晶闸管造成危害。
为了保证晶闸管的安全，在使用相控晶闸管电路时采用宽脉冲触发，移相范围限制在
≤
<180°。
本系统软起动器采用晶闸管调压原理，通过调节电动机定子输入端电压的大小和相位实现软起动的各种功能。
本系统软起动器采用了如图2-6所示的主电路。
用三组反并联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。
图2-6软起动主回路原理图
为了方便分析，做以下假定：
（1）电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零；
（2）各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大；导通状时压降为零；
（3）电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势；
（4）稳态运行时，电机的转速为常数。
由于主电路中没有中线，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60°的双窄脉冲的触发电路。
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就可以实现该目标。
该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。
电机获得的电压是非正弦的，但是每相电压的正负半周是对称的。
晶闸管任意一相的电压波形如图2-7所示，其中电网电压的波形是完整的正弦波，
是晶闸管的触发角，
是负载的功率因数角（也叫晶闸管的续流角），
是晶闸管的导通角。
由图2-7可以很容易地推导出触发角
，功率因数角
以及导通角
之间的关系：
公式（2-15）
图2-7任意相晶闸管的工作波形
其中晶闸管的输出电压是介于导通角
之间的波形。
通过改变导通角
的大小，就可以改变晶闸管的输出电压，从而改变了电机的输入电压。
由式（2-15）可以得知，导通角
与触发角
、功率因数角
都有关。
对于恒定的负载而言，功率因数角
是常量，导通角
仅仅与触发角
有关。
此时，只要改变晶闸管触发角
就可以改变晶闸管的输出电压。
但是对于异步电动机而言，功率因数角
是个变量，并且是电机转速的函数。
在电机起动过程中，随着转速逐渐变大，功率因数角
也在不断变化。
因此，改变晶闸管触发角
的同时也要兼顾功率因数角
的变化情况。
只有这样，才能实现异步电动机的输入电压按照预定规律变化的要求[4]。
2.3.2软起动的起动方式
软起动器的功能主要是实现软起动和软停车，而软停车相当于是软起动的逆过程。
三相异步电动机软起动器拥有多种起动模式，可以满足不同的起动要求。
下面详细介绍：
（1）限流起动
限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式，起动波形如图2-8所示。
主要用于轻载起动的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。
这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整起动电流的限定值Im。
其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。
该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。
图2-8限流启动波形
（2）电压斜坡起动
输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无级，主要用在重载起动。
它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利，起动时间长，对电动机不利。
改进的方法是采用双斜坡起动，如图2-9所示。
输出电压先迅速升至U（U，为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值），然后按设定的斜率逐渐升高电压。
直至达到额定电压，初始电压和电压上升率可根据负载特性调整。
在加速斜坡时同期闻，电动机电压逐渐增加，加速斜坡时间在一定时间范围内可调整，加速斜坡时间一般在2～60秒之间。
这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电动机。
图2-9电压斜坡启动波形
（3）转矩控制起动
主要用于重载起动，如图2-10所示。
它是按照电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压。
其优点是起动平滑、柔性好、对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，使最优的重载起动方式。
其缺点就是起动时间较长。
图2-10转矩控制启动波形
（4）转矩加突跳控制起动
转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样，也是用在重载起动的场合。
所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。
但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷。
转矩加突跳控制起动如图2-11所示。
图2-11转矩加突跳控制起动波形
（5）电压控制起动
电压控制起动是在保证起动压降一定的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能地缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式，如图2-12所示。
图2-12电压控制起动波形
3软启动器的硬件电路设计
3.1主要器件的介绍
3.1.1KJ004功能介绍
该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。
元件引脚功能见表3-1：
锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。
对不同的移项控制V1，只有改变
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