高壓電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)問題成為用戶的難題，而高壓電機(jī)的啟動(dòng)，又會(huì)對(duì)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(dòng)，有時(shí)可能對(duì)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(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)越來越受到重視，以下是對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)問題探討。

1 高壓電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)

對(duì)于大功率高壓電動(dòng)機(jī)而言，軟啟動(dòng)比直接啟動(dòng)具有下述優(yōu)勢。

（1）減小啟動(dòng)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(dòng)機(jī)的沖擊電流，避免電動(dòng)機(jī)局部過熱影響電動(dòng)機(jī)的壽命。

（3）減小硬啟動(dòng)帶來的機(jī)械沖力，減緩傳動(dòng)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(duì)高壓電機(jī)軟啟動(dòng)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(dòng)主要有以下3中，即以電解液限流的液阻軟啟動(dòng)、以晶閘管為限流器件的晶閘管軟啟動(dòng)和以磁飽和電抗器為限流元件的磁控軟啟動(dòng)。同時(shí)，還有一種可控變壓電抗器式軟啟動(dòng)方案，軟啟動(dòng)方式的選擇上提供一定的幫助。

2 液阻軟啟動(dòng)

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(dòng)所需要的，加上另一個(gè)十分重要的有時(shí)即低成本，使液阻軟啟動(dòng)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，液阻啟動(dòng)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(dòng)后電解液通常會(huì)有10℃~30℃的升溫，使軟啟動(dòng)的重復(fù)性差。

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

（3）液阻軟啟動(dòng)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(huì)有一定的銹蝕，需要定期處理。

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

3 晶閘管軟啟動(dòng)

這種啟動(dòng)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(hào)，控制可控硅的同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制高壓電機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)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(gè)高壓橋臂上都有3到4個(gè)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(huì)造成控制失敗；其次晶閘管的耐壓均勻性問題，即對(duì)每個(gè)晶閘管的一致性有非常高的要求，如果個(gè)別晶閘管參數(shù)發(fā)生變化或性能較差，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的連鎖燒損；三是高壓產(chǎn)品的介個(gè)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(dòng)

（1）磁控軟啟動(dòng)是從電抗器軟啟動(dòng)衍生出來的，將三相電抗器串接在電源和電動(dòng)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(dòng)不同于電抗器軟啟動(dòng)的主要特點(diǎn)是其點(diǎn)抗值可控，啟動(dòng)開始時(shí)電抗器的電抗值較大，在軟啟動(dòng)過程中，通過反饋調(diào)節(jié)使電抗值逐漸減小，及至軟啟動(dòng)完成后被旁路。

（2）電抗器電抗值的變化時(shí)通過控制直流勵(lì)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(dòng)。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(dòng)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(dòng)與晶閘管軟啟動(dòng)是相同的，因此說磁控軟啟動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)軟停止，能夠具有晶閘管軟啟動(dòng)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(jí)的慣性，這使得磁控軟啟動(dòng)的快速性比晶閘管軟啟動(dòng)慢一個(gè)數(shù)量級(jí)；而對(duì)于電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的大慣性來說，磁控軟啟動(dòng)的慣性是不足為慮的。

（4）磁控軟啟動(dòng)的缺點(diǎn)首先是磁控軟啟動(dòng)的調(diào)節(jié)范圍有限，啟動(dòng)時(shí)施加在電動(dòng)機(jī)的電壓不能被控制得很低，啟動(dòng)電流不能從0開始；同時(shí)啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)電流而磁控不能提供（大3.5倍額定電流）；而且切換時(shí)施加在電動(dòng)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(shí)有一定的機(jī)械沖擊。其次，磁控軟啟動(dòng)時(shí)的電抗器飽和引起的非線性，會(huì)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(dòng)裝置需要有相對(duì)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(dòng)

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(dòng)、在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)液體電阻器啟動(dòng)及在定子回路中串磁飽和電抗器啟動(dòng)這些啟動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，不能做到啟動(dòng)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(duì)于水泵（會(huì)產(chǎn)生水錘效應(yīng)）之類的負(fù)載時(shí)不適用的。

（2）可控變壓器電抗器軟啟動(dòng)的基本原理是啟動(dòng)電抗器設(shè)置1個(gè)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?cè)呺娏鳎瑥亩刂齐妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。此種軟啟動(dòng)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(dòng)和可控變壓電抗器式軟啟動(dòng)都是調(diào)節(jié)電動(dòng)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(dòng)有如下特點(diǎn)。

（1）電壓和電流能從零起連續(xù)可調(diào)，對(duì)電動(dòng)機(jī)無操作過電壓傷害、無轉(zhuǎn)矩沖擊，對(duì)電網(wǎng)無沖擊；轉(zhuǎn)速慢慢上升，有利于潤滑，能延長電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備的使用壽命；高壓斷路器合閘時(shí)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(dòng)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(dòng)電流的大值，且大值的保持時(shí)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(dòng)，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(huì)干擾電源和電動(dòng)從零機(jī)。

6 總結(jié)

（1）隨著高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越普遍，研究高壓電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)對(duì)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(dòng)機(jī)的精確控制等具有重要意義。

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

（3）可控變壓電抗器式軟啟動(dòng)結(jié)合了磁控軟啟動(dòng)、可控硅軟啟動(dòng)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(dòng)方案。