高壓電動機軟啟動問題探討

近幾年來，隨著我國經濟的快速發展，許多行業的生產規模越來越大，使用高壓異步電動機的數目也越來越多，單機容量也越來越大。高壓電機的可靠啟動問題成為用戶的難題，而高壓電機的啟動，又會對電網造成較強干擾，尤其是在工業領域中的重在啟動，有時可能對設備和電網的運行安全構成嚴重威脅，因而三相異步電動機的軟啟動越來越受到重視，以下是對高壓電動機軟啟動問題探討。

1 高壓電動機的軟啟動

對于大功率高壓電動機而言，軟啟動比直接啟動具有下述優勢。

（1）減小啟動過程引起的電網下降，使之不影響共網其他電氣設備的正常運行。

（2）減小電動機的沖擊電流，避免電動機局部過熱影響電動機的壽命。

（3）減小硬啟動帶來的機械沖力，減緩傳動機械（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備和電氣儀表的正常運行。

基于上述原因，對高壓電機軟啟動的研究就具有十分重要的意義。目前無極調節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，它導電本質是陰陽離子。其阻值正比于2塊電極板的距離，反比于電解液的電導率，極板距離和電導率都便于控制，且液阻的熱容量大。液阻的這兩大大特點，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用。但是，液阻啟動柜也有十分明顯的缺點。

（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，使軟啟動的重復性差。

（2）移動極板需要伺服機構，移動速度較慢，難以實現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，需要定期補充。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冰或顛簸的環境中。

液阻軟啟動裝置可以串接在繞線式電動機轉子回路中，以實現重載電動機的軟啟動，在軟啟動過程中不產生高次諧波，且售價低廉，這是它的突出優點。

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域中獲得應用，近年來在國內的使用量在增長。它應用了可控硅串聯技術，通過光纖傳輸控制信號，控制可控硅的同時導通和關斷，從而控制高壓電機的啟動過程。

其優點在于：晶閘管具有調節快速度好、閉環控制、控制方式的菜單化等優點，而且體積小、結構緊湊，維護量小、功能齊全、菜單豐富、啟動重復性好、保護周全。

其缺點在于：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，它的每個高壓橋臂上都有3到4個晶閘管串聯，這樣，同步觸發是關鍵技術，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發生變化或性能較差，就會導致整個設備的連鎖燒損；三是高壓產品的介個偏高，因此在國內中高壓系統中沒有普及。

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定子之間實現降壓是兩者的共同點。磁控軟啟動不同于電抗器軟啟動的主要特點是其點抗值可控，啟動開始時電抗器的電抗值較大，在軟啟動過程中，通過反饋調節使電抗值逐漸減小，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現的，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）磁控軟啟動的優點首先是電抗值的調節是靜止的、無接觸的、非機械式的，這就為微電子技術的介入打開了大門。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實現軟停止，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量級；而對于電動機系統的大慣性來說，磁控軟啟動的慣性是不足為慮的。

（4）磁控軟啟動的缺點首先是磁控軟啟動的調節范圍有限，啟動時施加在電動機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的電壓達不到額定電壓，大在93%全電壓左右，所以切換時有一定的機械沖擊。其次，磁控軟啟動時的電抗器飽和引起的非線性，會產生高次諧波，只是磁飽和電抗器產生的高次諧波比工作于斬波狀態的晶閘管要小一些。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電抗器或采用自耦變壓器降壓啟動、在轉子回路中串聯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備調節范圍有限，不能隨意調節啟動轉矩，不能做到啟動特性和負載轉矩特性完善配合，所以仍然存在大的沖擊電流和機械沖擊。而且它們都沒有軟停止功能，因此對于水泵（會產生水錘效應）之類的負載時不適用的。

（2）可控變壓器電抗器軟啟動的基本原理是啟動電抗器設置1個抵押繞組實現電抗器的變壓可控，在變壓電抗器的原邊串入電機定子回路，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，從而控制電動機的起動過程，實現電動機的軟起動。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，從而回避了技術能點。

5.2技術優點

原理上磁控軟啟動和可控變壓電抗器式軟啟動都是調節電動機主回路串聯的電抗器的電抗值，但調節效果是不同的，相比之下，變壓電抗器式軟啟動有如下特點。

（1）電壓和電流能從零起連續可調，對電動機無操作過電壓傷害、無轉矩沖擊，對電網無沖擊；轉速慢慢上升，有利于潤滑，能延長電動機及機械設備的使用壽命；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，重復精度高。

（3）在啟動過程中，能在額定電流以內給電機以充分加速，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備，低壓側電壓低，不用采用晶閘管串聯，可控硅的控制技術很成熟，因此該裝置為高可靠性設備。

（5）該裝置本身功耗很小，可以連續啟動，可以一拖多（容量可不同）。

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

6 總結

（1）隨著高壓電動機的應用越來越普遍，研究高壓電動機的軟啟動對于保障電網的安全運行、延長設備的使用壽命、實現電動機的精確控制等具有重要意義。

（2）針對不同的應用場合、電動機容量的不同、控制要求的不同等，應針對性地選擇電動機的啟動方式，固態軟啟動應該是未來的發展方向。

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