使用軟啟動單元解決馬達啟動和網路安全問題

以 AC 線路供電且額定馬力達數十到數百 HP 的三相非同步馬達，是許多商業和工業應用的驅動力。通常，這種馬達的馬達驅動電流大約介於 10 A 至 1000 A，線路電壓範圍從稍微高於 200 V_AC，到最高 700 V_AC。設計人員面臨的問題在於，這種馬達啟動時耗用的湧入電流極大，可能會破壞馬達並影響負載。

AC 線路和馬達之間的軟啟動器控制單元，可管理馬達啟動加速和扭力，以控制這種湧入電流，藉此達到最佳馬達效能並盡量減少不利後果。更進階的軟啟動器會添加其他複雜的特點，以便將效能最大化，提供電氣與散熱保護，包括一套完備的連接選項以及網路攻擊的防護。

本文會先概述軟啟動器的功能。然後介紹並展示如何套用 Schneider Electric 的 Altivar Soft Starter ATS480 控制單元。

軟啟動器功能

軟啟動器會搭配馬達使用，以便在啟動時的過渡階段，降低湧入電流和控制扭力。軟啟動器會逐漸增加對馬達施加的電壓，藉此達到平順的加速及最小的抖動 (加速變化率)。

啟動器通常會提供一種佈建，可讓使用者調整啟動扭力和加速時間，以配合不同的應用。可大幅降低啟動電流以達到分離效果，並在加速的過程中抑制電流。

新款的軟啟動器則有更多功能可提高效率、利用動態功率因數 (PF) 校正來維持高功率因數、增強電氣安全、偵測線路和馬達異常，也可提供網路連線以及因應網路安全問題。

先進的軟啟動器具備許多功能和特點，Schneider Electric 的 Altivar Soft Starter ATS480 系列就是範例之一 (圖 1)。

圖 1：除了核心功能，Altivar Soft Starter ATS480 系列還新增了許多進階特點。(圖片來源：Schneider Electric)

這些單元採用了六個閘流管和一套扭力控制演算法，能針對高達 900 kW 的三相鼠籠式非同步馬達，控制其加減速和停止動作。此系列型號眾多，可支援 208 至 690 V 的工作電壓和 17 至 1200 A 的電流。所有單元皆符合全球標準、認證和法規要求；可滿足對效能、安全性、效率、電磁相容性 (EMC)、污染等級以及衝擊與振動的不同要求。

ATS480 單元採用許多不同類型的線路、啟動器和負載保護，包括：

• 相位故障 (線路)
• 整合式熱保護 (馬達)
• 熱保護 (啟動器)
• 電流過載 (馬達)
• 欠載 (馬達)
• 啟動時間過長、轉子鎖定 (馬達)
• 馬達欠相 (馬達)
• 線路電源欠相 (線路、馬達)
• 直接連接至正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻或鉑 100 (PT100) 2 線或 3 線電阻溫度偵測器 (RTD) 探針，藉此提供熱保護 (馬達)

電路連接方面有許多可能性，可滿足目標應用的各種不同需求。例如，其中一個基本配置就鎖定在本機控制，其用意在於，即便在遠端控制下，錯誤重置後仍需手動介入才可重新啟動 (圖 2)。在此配置中，操作人員需按下 S3 按鈕重新啟動。

圖 2：此為軟啟動器多種接線選項的其中一種；當錯誤重置後，使用者需按 S3 手動重新啟動。(圖片來源：Schneider Electric)

表 1 中定義了元件代號的具體資訊。

表 1：此為圖 2 的元件代號。(圖片來源：Schneider Electric)

ATS480 單元也有離散的常開型 (NO) 和常閉型 (NC) 機電繼電器觸點 (額定值為 2 A/250 V_AC)，以及 30 V 開集極數位輸出。藉由這些觸點和輸出，可以簡化指示燈或輔助設備等附加特點的實作。

連線與網路安全

除了先進的軟啟動功能外，所有 ATS480 單元也支援眾多連線選項。每個 ATS480 單元都有兩個 RJ45 連接埠，可用於連接配置和韌體更新，並可外接純文字或圖形顯示的終端機。此外，每個單元都配備一個插槽，能額外連接一個支援 Modbus TCP、Ethernet/IP、CANopen、PROFINET 或 PROFIBUS DP 格式的通訊模組。

這種連線不免會帶來安全問題。為了解決這些疑慮，此系列單元中嵌入了網路安全「最佳實務」，防止員工或承包商刻意動手腳 (駭客攻擊)，及其他無心之過。這些保護包含了帳戶管理 (包括使用者驗證和授權)，以及多層密碼保護。對各種連接埠、功能和來源也刻意實施限制。

高階安全性包闊利用深入的主動防禦措施，以管理網路安全相關事件，包括具有時間和使用者戳記的詳細活動日誌。也利用數位簽章的韌體和加密金鑰，以強化安裝的韌體和任何升級活動的真實性。如此便能確保每次啟動時都使用有效的韌體。

也可配合人機介面

除了眾多連線外，許多軟啟動裝置還需為操作員提供立即直接取用的能力。此取用能力是指在馬達或裝置上，或附近設有十分顯眼、明確標示的獨立開關，藉此進行基本的 RUN (執行) 和 STOP (停止) 啟動作業。法規安全標準通常會有這些強制規定。

為了落實這些要求，ATS480 單元能連接兩個獨立的執行和停止開關，或單一個執行／停止開關 (圖 3)。

圖 3：軟啟動器能透過連接，使用兩個獨立的停止和執行按鈕，或一個雙重作用開關。(圖片來源：Schneider Electric)

若要進行基本的設定、執行和詢問功能，設計人員可使用 VW3A1113 八行純文字顯示終端機 (圖 4)。使用隨附的 RJ45 連接器，就可將此終端機連接並安裝在軟啟動器的前端，或利用遠端安裝配件安裝於外殼門處。

圖 4：VW3A1113 純文字顯示終端機利用隨附的 RJ45 連接器接至軟啟動器，可支援基本設定、執行和詢問功能。(圖片來源：Schneider Electric)

此單元提供多種語言 (英文、法文、西班牙文、義大利文、德文和中文，其他語言需另外下載)，且需要密碼才能登入，以確保系統安全。連接後可用於：

• 控制、調整和設置軟啟動器
• 顯示馬達的電流值、輸入／輸出和機器資料
• 儲存和下載配置
• 將已啟動的軟啟動器之一，複製其配置至另一個已啟動的軟啟動器上

若要進行更進階的診斷、控制、監測和檔案管理，可使用 Schneider 的 Device Type Manager (DTM) 與 SoMove 軟體搭配 PC 圖形終端機的顯示配置。

封裝和尺寸取決於額定功率

Altivar Soft Starter ATS480 系列單元雖然提供相同的功能、能力、使用者介面和連線，但驅動功率等級有所不同。這會影響封裝和尺寸，只要從系列中功率最低和最高的單元就能輕易看出差異。

ATS480D17Y (圖 5 左側) 額定使用 208 至 690 V_AC 的線路、以 17 A 的電流供電和控制三相 AC 馬達，並以 110 至 230 V_AC 的控制電源運作。此裝置高 275 mm、寬 160 mm、深 8 mm，重量不到 5 kg。

圖 5：Altivar Soft Starter ATS480 系列中最小型 (左) 和最大型 (右) 的單元雖然功能類似，但電流處理和重量規格有很大的落差。(圖片來源：Schneider Electric)

相較之下，ATS480M12Y (圖 5，右側) 也使用 208 至 690 V_AC 線路，但額定電流強大許多，可達 1200 A，並以 110 至 230 V_AC 的控制電源運作。此裝置雖然和上述 17 A 單元具有類似的特點及功能，但尺寸大得多，高 890 mm，寬 770 mm，深 329 mm，重量達 115 kg。

結論

軟啟動器是多相 AC 線路和中大型三相 AC 馬達之間的重要橋樑，可用於管理湧入電流。Schneider Electric 的 Altivar Soft Starter ATS480 系列支援 17 A 至 1200 A 的馬達，具有多種網路連線及增強的網路安全性。亦提供多種功能，可提高效能、安全性與可靠性。