高壓電動機(jī)軟啟動問題探討

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，使用高壓異步電動機(jī)的數(shù)目也越來越多，單機(jī)容量也越來越大。高壓電機(jī)的可靠啟動問題成為用戶的難題，而高壓電機(jī)的啟動，又會對電網(wǎng)造成較強(qiáng)干擾，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域中的重在啟動，有時可能對設(shè)備和電網(wǎng)的運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因而三相異步電動機(jī)的軟啟動越來越受到重視，以下是對高壓電動機(jī)軟啟動問題探討。

1 高壓電動機(jī)的軟啟動

對于大功率高壓電動機(jī)而言，軟啟動比直接啟動具有下述優(yōu)勢。

（1）減小啟動過程引起的電網(wǎng)下降，使之不影響共網(wǎng)其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

（2）減小電動機(jī)的沖擊電流，避免電動機(jī)局部過熱影響電動機(jī)的壽命。

（3）減小硬啟動帶來的機(jī)械沖力，減緩傳動機(jī)械（軸、嚙合齒輪等的磨損。

（4）減少電磁干擾，避免沖擊電流以電磁波的形式干擾電子設(shè)備和電氣儀表的正常運(yùn)行。

基于上述原因，對高壓電機(jī)軟啟動的研究就具有十分重要的意義。目前無極調(diào)節(jié)的軟啟動主要有以下3中，即以電解液限流的液阻軟啟動、以晶閘管為限流器件的晶閘管軟啟動和以磁飽和電抗器為限流元件的磁控軟啟動。同時，還有一種可控變壓電抗器式軟啟動方案，軟啟動方式的選擇上提供一定的幫助。

2 液阻軟啟動

液阻是一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電本質(zhì)是陰陽離子。其阻值正比于2塊電極板的距離，反比于電解液的電導(dǎo)率，極板距離和電導(dǎo)率都便于控制，且液阻的熱容量大。液阻的這兩大大特點(diǎn)，恰恰是軟啟動所需要的，加上另一個十分重要的有時即低成本，使液阻軟啟動得到了廣泛的應(yīng)用。但是，液阻啟動柜也有十分明顯的缺點(diǎn)。

（1）基于液阻限流，液阻箱容積大，且一次軟啟動后電解液通常會有10℃~30℃的升溫，使軟啟動的重復(fù)性差。

（2）移動極板需要伺服機(jī)構(gòu)，移動速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)啟動方式的多樣化和控制的精確性。

（3）液阻軟啟動裝置液箱中的液態(tài)，需要定期補(bǔ)充。電極板長期浸泡于電解液中，表面會有一定的銹蝕，需要定期處理。

（4）液阻軟啟動裝置不合適放置在易結(jié)冰或顛簸的環(huán)境中。

液阻軟啟動裝置可以串接在繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，以實(shí)現(xiàn)重載電動機(jī)的軟啟動，在軟啟動過程中不產(chǎn)生高次諧波，且售價低廉，這是它的突出優(yōu)點(diǎn)。

3 晶閘管軟啟動

這種啟動方式首先在國外中高壓壓供電領(lǐng)域中獲得應(yīng)用，近年來在國內(nèi)的使用量在增長。它應(yīng)用了可控硅串聯(lián)技術(shù)，通過光纖傳輸控制信號，控制可控硅的同時導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制高壓電機(jī)的啟動過程。

其優(yōu)點(diǎn)在于：晶閘管具有調(diào)節(jié)快速度好、閉環(huán)控制、控制方式的菜單化等優(yōu)點(diǎn)，而且體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)量小、功能齊全、菜單豐富、啟動重復(fù)性好、保護(hù)周全。

其缺點(diǎn)在于：首先，處于晶閘管的電壓耐受能力在國際上都沒有得到解決，所以，在3kV以上電壓系統(tǒng)，它的每個高壓橋臂上都有3到4個晶閘管串聯(lián)，這樣，同步觸發(fā)是關(guān)鍵技術(shù)，解決不好就會造成控制失敗；其次晶閘管的耐壓均勻性問題，即對每個晶閘管的一致性有非常高的要求，如果個別晶閘管參數(shù)發(fā)生變化或性能較差，就會導(dǎo)致整個設(shè)備的連鎖燒損；三是高壓產(chǎn)品的介個偏高，因此在國內(nèi)中高壓系統(tǒng)中沒有普及。

4 磁控軟啟動

（1）磁控軟啟動是從電抗器軟啟動衍生出來的，將三相電抗器串接在電源和電動機(jī)定子之間實(shí)現(xiàn)降壓是兩者的共同點(diǎn)。磁控軟啟動不同于電抗器軟啟動的主要特點(diǎn)是其點(diǎn)抗值可控，啟動開始時電抗器的電抗值較大，在軟啟動過程中，通過反饋調(diào)節(jié)使電抗值逐漸減小，及至軟啟動完成后被旁路。

（2）電抗器電抗值的變化時通過控制直流勵磁電流改變鐵心的飽和度實(shí)現(xiàn)的，所以叫做磁控軟啟動。因此磁飽和電抗器的輸出功率比控制功率大幾十倍，也稱為“磁放大器”。

（3）磁控軟啟動的優(yōu)點(diǎn)首先是電抗值的調(diào)節(jié)是靜止的、無接觸的、非機(jī)械式的，這就為微電子技術(shù)的介入打開了大門。所以，在工作原理上磁控軟啟動與晶閘管軟啟動是相同的，因此說磁控軟啟動能夠?qū)崿F(xiàn)軟停止，能夠具有晶閘管軟啟動所具有的幾乎全部功能，其原因蓋出于此。磁飽和電抗器具有0.1s量級的慣性，這使得磁控軟啟動的快速性比晶閘管軟啟動慢一個數(shù)量級；而對于電動機(jī)系統(tǒng)的大慣性來說，磁控軟啟動的慣性是不足為慮的。

（4）磁控軟啟動的缺點(diǎn)首先是磁控軟啟動的調(diào)節(jié)范圍有限，啟動時施加在電動機(jī)的電壓不能被控制得很低，啟動電流不能從0開始；同時啟動時需要較大的啟動電流而磁控不能提供（大3.5倍額定電流）；而且切換時施加在電動機(jī)的電壓達(dá)不到額定電壓，大在93%全電壓左右，所以切換時有一定的機(jī)械沖擊。其次，磁控軟啟動時的電抗器飽和引起的非線性，會產(chǎn)生高次諧波，只是磁飽和電抗器產(chǎn)生的高次諧波比工作于斬波狀態(tài)的晶閘管要小一些。第三，磁控軟啟動裝置需要有相對功率較大的輔助電源，噪聲較大。

5 可控變壓電抗器式軟啟動

5.1 基本原理

（1）由于在定子回路串聯(lián)電抗器或采用自耦變壓器降壓啟動、在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)液體電阻器啟動及在定子回路中串磁飽和電抗器啟動這些啟動方式使用的設(shè)備調(diào)節(jié)范圍有限，不能隨意調(diào)節(jié)啟動轉(zhuǎn)矩，不能做到啟動特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性完善配合，所以仍然存在大的沖擊電流和機(jī)械沖擊。而且它們都沒有軟停止功能，因此對于水泵（會產(chǎn)生水錘效應(yīng)）之類的負(fù)載時不適用的。

（2）可控變壓器電抗器軟啟動的基本原理是啟動電抗器設(shè)置1個抵押繞組實(shí)現(xiàn)電抗器的變壓可控，在變壓電抗器的原邊串入電機(jī)定子回路，通過控制可控硅短接變壓電抗器的副邊，通過改變其低壓繞組上的電壓來改變高壓繞組的電壓來改變原邊電流，從而控制電動機(jī)的起動過程，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的軟起動。此種軟啟動方式是通過變壓器的降壓原理，避免了可控硅的直接串接，從而回避了技術(shù)能點(diǎn)。

5.2技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

原理上磁控軟啟動和可控變壓電抗器式軟啟動都是調(diào)節(jié)電動機(jī)主回路串聯(lián)的電抗器的電抗值，但調(diào)節(jié)效果是不同的，相比之下，變壓電抗器式軟啟動有如下特點(diǎn)。

（1）電壓和電流能從零起連續(xù)可調(diào)，對電動機(jī)無操作過電壓傷害、無轉(zhuǎn)矩沖擊，對電網(wǎng)無沖擊；轉(zhuǎn)速慢慢上升，有利于潤滑，能延長電動機(jī)及機(jī)械設(shè)備的使用壽命；高壓斷路器合閘時電流（或電壓）為零，能顯著提高斷路器壽命。

（2）控制靈活，重復(fù)精度高。

（3）在啟動過程中，能在額定電流以內(nèi)給電機(jī)以充分加速，因此能大限度地降低啟動電流的大值，且大值的保持時間短。

（4）可控變壓器是一種高可靠性設(shè)備，低壓側(cè)電壓低，不用采用晶閘管串聯(lián)，可控硅的控制技術(shù)很成熟，因此該裝置為高可靠性設(shè)備。

（5）該裝置本身功耗很小，可以連續(xù)啟動，可以一拖多（容量可不同）。

（6）變壓電抗器具有很大的電感值，晶閘管產(chǎn)生的高次諧波主要由電抗器承擔(dān)，不會干擾電源和電動從零機(jī)。

6 總結(jié)

（1）隨著高壓電動機(jī)的應(yīng)用越來越普遍，研究高壓電動機(jī)的軟啟動對于保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行、延長設(shè)備的使用壽命、實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的精確控制等具有重要意義。

（2）針對不同的應(yīng)用場合、電動機(jī)容量的不同、控制要求的不同等，應(yīng)針對性地選擇電動機(jī)的啟動方式，固態(tài)軟啟動應(yīng)該是未來的發(fā)展方向。

（3）可控變壓電抗器式軟啟動結(jié)合了磁控軟啟動、可控硅軟啟動的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的各種缺點(diǎn)，是一種高可靠性的軟啟動方案。