使用软起动装置解决电机上电和网络安全问题

作者：Bill Schweber

由交流线路供电、额定功率从几十到几百 HP 不等的三相异步电机，是许多商业和工业应用的驱动力。这些电机的驱动电流范围通常为 10 A 至 1000 A，线路电压从 200 V交流电到 700 V交流电不等。设计人员面临的问题是，这些电机在起动时会产生较大的浪涌电流，可能会损坏电机并影响负载。

交流线路与电机之间的软起动器控制装置通过控制电机起动加速度和扭矩来控制这种浪涌电流，从而能够优化电机性能并最大限度减少不良后果。更先进的软起动器增加了一系列复杂功能，能够最大限度提高性能，提供电气和热保护，并且配备一套强大的连接选项。除此之外，还能防止网络攻击。

本文概述了软起动器的功能。然后介绍并演示了如何使用 [Schneider Electric]的 [Altivar 软起动器 ATS480]控制装置。

软起动器功能

软起动器配合电机使用，可在起动的过渡期间减小浪涌电流并控制扭矩。该器件能逐渐增大施加到电机上的电压，从而将急动度（加速度变化率）降至最低，实现平稳加速。

起动器通常允许用户调整起动扭矩和加速时间，以适应不同的应用。其不仅可以大幅减小起动电流以实现起动，而且还能在加速过程中抑制电流。

较新的软起动器还具有其他功能，如提高效率、通过动态 PF 校正维持高功率因数 (PF)、增强电气安全、检测线路和电机异常、提供网络连接以及解决网络安全问题。

Schneider Electric 的 Altivar ATS480 系列软起动器（图 1）就是先进软起动器功能和特性的一个示例。

图 1：Altivar ATS480 系列软起动器在其核心功能的基础上增加了许多先进功能。（图片来源：Schneider Electric）

这些装置集成了六个晶闸管和一种扭矩控制算法，可控制功率达 900 kW 的三相鼠笼式异步电机的加速、减速和停止。该系列的各种型号支持 208 V 至 690 V 的工作电压和 17 A 至 1200 A 的工作电流。所有装置均符合有关性能、安全性、效率、电磁兼容性 (EMC)、污染等级以及冲击和振动的全球标准、认证和法规要求。

ATS480 装置集成了多种不同类型的线路、起动器和负载保护功能，包括：

• 相位故障保护（线路）
• 集成热保护（电机）
• 热保护（起动器）
• 电流过载保护（电机）
• 欠载保护（电机）
• 起动时间过长保护、转子锁定保护（电机）
• 电机缺相保护（电机）
• 线路供电缺相保护（线路、电机）
• 热保护（电机），通过直接连接至正温度系数 (PTC) 热敏电阻或铂 100 (PT100) 2 线或 3 线电阻温度检测器 (RTD) 探头实现

电路连接存在很多可能，能够满足目标应用的多样化需求。例如，一种基本配置以本地控制为目标，要求在错误重置后需要人工干预才能重启，即使在远程控制的情况下也是如此（图 2）。如下所示，操作员按下 S3 按钮才能重启。

图 2：软起动器的众多接线选项之一；在错误重置后用户需要手动按下 S3 才能重启。（图片来源：Schneider Electric）

组件名称的具体定义见表 1。

表 1：图 2 的组件名称。（图片来源：Schneider Electric）

ATS480 装置还具有额定电流/电压为 2 A/250 V交流电的分立式常开 (NO) 和常闭 (NC) 机电继电器触点，以及 30 V 集电极开路数字输出。这些触点和输出可简化指示灯或辅助设备等附加功能的实现。

连接和网络安全

除了先进的软起动器功能外，所有 ATS480 装置还支持多种连接选项。每个 ATS480 装置都有两个 RJ45 端口，提供用于配置和固件更新的连接，同时还配备外部纯文本或图形显示终端。此外，每个装置都配有一个插槽，用于额外连接支持 Modbus TCP、Ethernet/IP、CANopen、PROFINET 或 PROFIBUS DP 格式的通信模块。

这种连接不可避免地会带来安全问题。为了解决这些问题，该系列在装置中嵌入了网络安全“最佳实践”，以防止蓄意捣乱（黑客攻击），以及员工或承包商出于善意但粗心犯错。这些保护措施涵盖账户管理，包括用户身份验证和授权，以及多层密码保护。此外，还对各种端口、功能和来源进行了谨慎地限制。

更高级别的安全措施包括深度主动防御措施，这些措施能够管理网络安全相关事件，包括详细的时间和用户标记活动日志。已安装固件和任何升级的真实性通过数字签名固件和加密密钥得以增强。这可确保每个通电周期使用的都是有效的固件。

支持人机界面

除了广泛的连接选项外，许多软起动装置还需要为操作人员提供即时和直接的访问功能。这种访问首先是通过电机或装置上或附近高度可见且标签清晰的分立式开关启动基本的“运行”和“停止”动作。监管安全标准通常会对此有强制要求。

为了符合这些要求，ATS480 装置可以连接两个独立的运行和停止开关或单个运行/停止开关（图 3）。

图 3：软起动器可以连接使用两个独立的停止和运行按钮或一个具有双重作用的开关。（图片来源：Schneider Electric）

对于基本的设置、运行和查询功能，设计人员可以使用 [VW3A1113] 八行纯文本显示终端（图 4）。此终端使用随附的 RJ45 连接器，可以连接并安装在软起动器的正面，也可以使用远程安装附件安装在外壳门上。

图 4：VW3A1113 纯文本显示终端使用随附的 RJ45 连接器连接到软起动器，并支持基本的设置、运行和查询功能。（图片来源：Schneider Electric）

为了确保系统安全，这款多语言装置（英语、法语、西班牙语、意大利语、德语和中文，还可下载其他语言）需要密码才能登录。连接后，可用于：

• 控制、调节和配置软起动器
• 显示当前的电机、输入/输出和机器数据值
• 存储和下载配置
• 将一个已上电软起动器的配置复制到另一个已上电的软起动器上

对于更先进的诊断、控制、监测和文件管理功能，Schneider 的 [设备类型管理器] (DTM) 和 [SoMove] 软件可与基于 PC 的图形终端显示装置配合使用。

额定功率决定包装和外形尺寸

虽然 Altivar ATS480 系列软起动器中的装置提供相同的功能、能力、用户界面和连接选项，但它们的驱动功率有所不同。这一参数决定了包装和外形尺寸，看看该系列最低和最高功率的产品就不难理解这一点了。

[ATS480D17Y]（图 5，左）额定用于从 208 至 690 V交流电的线路提供 17 A 的电流对三相交流电机进行供电和控制，并使用 110 VAC 至 230 V交流电的控制电源运行。该装置高 275 mm、宽 160 mm、深 8 mm，重量不到 5 kg。

图 5：Altivar ATS480 系列软起动器中的最小（左）和最大（右）装置的功能相似，但其电流处理参数和重量却有很大的不同。（图片来源：Schneider Electric）

相比之下，[ATS480M12Y]（图 5，右）的额定功率要大得多，可从 208 VAC 至 690 V交流电线路提供 1200 A 的电流，并使用 110 VAC 至 230 V交流电的控制电源运行。虽然其特性和功能与 17 A 装置几乎完全相同，但尺寸却大得多：高 890 mm，宽 770 mm，深 329 mm，重 115 kg。

总结

软起动器是多相交流线路与中型至大型三相交流电机之间的重要纽带，用于控制浪涌电流。Schneider Electric 的 Altivar ATS480 系列软起动器支持 17 A 至 1200 A 的电机，具有广泛的网络连接性和增强的网络安全性。这些器件还提供各种功能，能够提高性能、安全性和可靠性。

审核编辑 黄宇