使用軟起動裝置解決電機上電和網絡安全問題

作者：Bill Schweber

由交流線路供電、額定功率從幾十到幾百 HP 不等的三相異步電機，是許多商業和工業應用的驅動力。這些電機的驅動電流范圍通常為 10 A 至 1000 A，線路電壓從 200 V交流電到 700 V交流電不等。設計人員面臨的問題是，這些電機在起動時會產生較大的浪涌電流，可能會損壞電機并影響負載。

交流線路與電機之間的軟起動器控制裝置通過控制電機起動加速度和扭矩來控制這種浪涌電流，從而能夠優化電機性能并最大限度減少不良后果。更先進的軟起動器增加了一系列復雜功能，能夠最大限度提高性能，提供電氣和熱保護，并且配備一套強大的連接選項。除此之外，還能防止網絡攻擊。

本文概述了軟起動器的功能。然后介紹并演示了如何使用 [Schneider Electric]的 [Altivar 軟起動器 ATS480]控制裝置。

軟起動器功能

軟起動器配合電機使用，可在起動的過渡期間減小浪涌電流并控制扭矩。該器件能逐漸增大施加到電機上的電壓，從而將急動度（加速度變化率）降至最低，實現平穩加速。

起動器通常允許用戶調整起動扭矩和加速時間，以適應不同的應用。其不僅可以大幅減小起動電流以實現起動，而且還能在加速過程中抑制電流。

較新的軟起動器還具有其他功能，如提高效率、通過動態 PF 校正維持高功率因數 (PF)、增強電氣安全、檢測線路和電機異常、提供網絡連接以及解決網絡安全問題。

Schneider Electric 的 Altivar ATS480 系列軟起動器（圖 1）就是先進軟起動器功能和特性的一個示例。

圖 1：Altivar ATS480 系列軟起動器在其核心功能的基礎上增加了許多先進功能。（圖片來源：Schneider Electric）

這些裝置集成了六個晶閘管和一種扭矩控制算法，可控制功率達 900 kW 的三相鼠籠式異步電機的加速、減速和停止。該系列的各種型號支持 208 V 至 690 V 的工作電壓和 17 A 至 1200 A 的工作電流。所有裝置均符合有關性能、安全性、效率、電磁兼容性 (EMC)、污染等級以及沖擊和振動的全球標準、認證和法規要求。

ATS480 裝置集成了多種不同類型的線路、起動器和負載保護功能，包括：

• 相位故障保護（線路）
• 集成熱保護（電機）
• 熱保護（起動器）
• 電流過載保護（電機）
• 欠載保護（電機）
• 起動時間過長保護、轉子鎖定保護（電機）
• 電機缺相保護（電機）
• 線路供電缺相保護（線路、電機）
• 熱保護（電機），通過直接連接至正溫度系數 (PTC) 熱敏電阻或鉑 100 (PT100) 2 線或 3 線電阻溫度檢測器 (RTD) 探頭實現

電路連接存在很多可能，能夠滿足目標應用的多樣化需求。例如，一種基本配置以本地控制為目標，要求在錯誤重置后需要人工干預才能重啟，即使在遠程控制的情況下也是如此（圖 2）。如下所示，操作員按下 S3 按鈕才能重啟。

圖 2：軟起動器的眾多接線選項之一；在錯誤重置后用戶需要手動按下 S3 才能重啟。（圖片來源：Schneider Electric）

組件名稱的具體定義見表 1。

表 1：圖 2 的組件名稱。（圖片來源：Schneider Electric）

ATS480 裝置還具有額定電流/電壓為 2 A/250 V交流電的分立式常開 (NO) 和常閉 (NC) 機電繼電器觸點，以及 30 V 集電極開路數字輸出。這些觸點和輸出可簡化指示燈或輔助設備等附加功能的實現。

連接和網絡安全

除了先進的軟起動器功能外，所有 ATS480 裝置還支持多種連接選項。每個 ATS480 裝置都有兩個 RJ45 端口，提供用于配置和固件更新的連接，同時還配備外部純文本或圖形顯示終端。此外，每個裝置都配有一個插槽，用于額外連接支持 Modbus TCP、Ethernet/IP、CANopen、PROFINET 或 PROFIBUS DP 格式的通信模塊。

這種連接不可避免地會帶來安全問題。為了解決這些問題，該系列在裝置中嵌入了網絡安全“最佳實踐”，以防止蓄意搗亂（黑客攻擊），以及員工或承包商出于善意但粗心犯錯。這些保護措施涵蓋賬戶管理，包括用戶身份驗證和授權，以及多層密碼保護。此外，還對各種端口、功能和來源進行了謹慎地限制。

更高級別的安全措施包括深度主動防御措施，這些措施能夠管理網絡安全相關事件，包括詳細的時間和用戶標記活動日志。已安裝固件和任何升級的真實性通過數字簽名固件和加密密鑰得以增強。這可確保每個通電周期使用的都是有效的固件。

支持人機界面

除了廣泛的連接選項外，許多軟起動裝置還需要為操作人員提供即時和直接的訪問功能。這種訪問首先是通過電機或裝置上或附近高度可見且標簽清晰的分立式開關啟動基本的“運行”和“停止”動作。監管安全標準通常會對此有強制要求。

為了符合這些要求，ATS480 裝置可以連接兩個獨立的運行和停止開關或單個運行/停止開關（圖 3）。

圖 3：軟起動器可以連接使用兩個獨立的停止和運行按鈕或一個具有雙重作用的開關。（圖片來源：Schneider Electric）

對于基本的設置、運行和查詢功能，設計人員可以使用 [VW3A1113] 八行純文本顯示終端（圖 4）。此終端使用隨附的 RJ45 連接器，可以連接并安裝在軟起動器的正面，也可以使用遠程安裝附件安裝在外殼門上。

圖 4：VW3A1113 純文本顯示終端使用隨附的 RJ45 連接器連接到軟起動器，并支持基本的設置、運行和查詢功能。（圖片來源：Schneider Electric）

為了確保系統安全，這款多語言裝置（英語、法語、西班牙語、意大利語、德語和中文，還可下載其他語言）需要密碼才能登錄。連接后，可用于：

• 控制、調節和配置軟起動器
• 顯示當前的電機、輸入/輸出和機器數據值
• 存儲和下載配置
• 將一個已上電軟起動器的配置復制到另一個已上電的軟起動器上

對于更先進的診斷、控制、監測和文件管理功能，Schneider 的 [設備類型管理器] (DTM) 和 [SoMove] 軟件可與基于 PC 的圖形終端顯示裝置配合使用。

額定功率決定包裝和外形尺寸

雖然 Altivar ATS480 系列軟起動器中的裝置提供相同的功能、能力、用戶界面和連接選項，但它們的驅動功率有所不同。這一參數決定了包裝和外形尺寸，看看該系列最低和最高功率的產品就不難理解這一點了。

[ATS480D17Y]（圖 5，左）額定用于從 208 至 690 V交流電的線路提供 17 A 的電流對三相交流電機進行供電和控制，并使用 110 VAC 至 230 V交流電的控制電源運行。該裝置高 275 mm、寬 160 mm、深 8 mm，重量不到 5 kg。

圖 5：Altivar ATS480 系列軟起動器中的最?。ㄗ螅┖妥畲螅ㄓ遥┭b置的功能相似，但其電流處理參數和重量卻有很大的不同。（圖片來源：Schneider Electric）

相比之下，[ATS480M12Y]（圖 5，右）的額定功率要大得多，可從 208 VAC 至 690 V交流電線路提供 1200 A 的電流，并使用 110 VAC 至 230 V交流電的控制電源運行。雖然其特性和功能與 17 A 裝置幾乎完全相同，但尺寸卻大得多：高 890 mm，寬 770 mm，深 329 mm，重 115 kg。

總結

軟起動器是多相交流線路與中型至大型三相交流電機之間的重要紐帶，用于控制浪涌電流。Schneider Electric 的 Altivar ATS480 系列軟起動器支持 17 A 至 1200 A 的電機，具有廣泛的網絡連接性和增強的網絡安全性。這些器件還提供各種功能，能夠提高性能、安全性和可靠性。

審核編輯 黃宇