高压电机软启动的现状与发展

高压电机软启动的现状与发展

晏有矿135********

（上海大屯能源股份有限公司铝加工筹建处，江苏，徐州221600）

[摘要] 高压电机的软启动在近几年得到快速的发展，控制原理也多种多样，使设计和用户单位的难以选择，本文通过对各种高压电机软启动方案的基本原理、特征参数进行对比分析，并另外介绍一种新的启动控制方案，论述其原理及特点。其目的在于找到一种适合我国电力运行现状的最佳电机控制方案。

[关键词] 高压电机软启动发展

1、引言

近几年来,随着中国经济的快速发展,许多行业的生产规模越来越大,使用高压异步电动机的数目也越来越多,单机容量也越来越大，高压电机的可靠起动问题成为摆在用户面前的难题，而高压电机的起动，会对电网造成较强干扰，尤其在工业领域中的重载起动，有时可能对设备构成严重威胁。因而三相异步电动机的软起动越来越受到相关技术人员的重视。

对于大功率高压电动机而言，软起动比直接起动具有如下优势：

1）减少起动过程引起的电网电压下降，使之不影响共网其它电气设备的正常运行；

2）减小电动机的冲击电流，避免电动机局部过热，危害电动机寿命；

3）减小硬起动带来的机械冲力，减缓传动机械（轴、啮合齿轮等）的磨损；

4）减少电磁干扰，避免冲击电流以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。

基于上述原因，对高压电机软启动的研究就具有十分重要的意义。目前无级调节的软启动主要有三种：以电解液限流的液阻软起动、以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动、以磁饱和电抗器为限流元件的磁控软起动。笔者在此对上述软启动方案的原理、优缺点作一简要阐述，并介绍一种可控变压电抗器式软启动方案，以期对工程技术人员在软启动的选择上提供一定的帮助。

2、液阻软启动

液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。其阻值正比于二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制，且液阻的热容量大。液阻的这两大特点，恰恰是软起动所需要的，加上另一个十分重要的优势即低成本，使液阻软起动得到了广泛的应用。但是液阻软启动的缺点也十分明显：1）基于液阻限流，液阻箱容积大，且一次软起动后电解液通常会有10℃～30℃的

温升，使软起动的重复性差；

2）移动极板需要伺服机构，移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化和控制的精确性；

3）液阻软起动装臵液箱中的液态，需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要定期处理；

4）液阻软起动装臵不适合放臵在易结冰或颠簸的环境中。

液阻软起动装臵可以串在绕线式电动机转子回路中以实现重载软起动，在软起动过程中不产生高次谐波，且售价低廉，这是它的突出优点。有人预言它即将被淘汰，但是现在还为时过早。

3、晶闸管软启动

这种起到方式首先在国外中高压供电领域获得应用，近年来在国内的保有量在增长。它是应用了可控硅串联技术，通过光纤传输控制信号，控制可控硅的同时导通和关断，从而控制电机的起动过程。

其优点在于：晶闸管具有调节快速性好，闭环控制，控制方式的菜单化等优点；而且体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全。

其缺点在于：首先，由于晶闸管的电压耐受能力在国际上都没有得到解决，所以，在3kV以上电压系统，它的每个高压桥臂上都有三到四个晶闸管串联，这样，同步触发是关键技术，解决不好就会造成控制失败；另外晶闸管的耐压均匀性问题，即它对每个晶闸管的一致性有非常高的要求，如果个别晶闸管参数发生变化或性能较差，就会导致整个设备的连锁烧损；三是高压产品的价格偏高，因此在国内中高压系统没有普及。4、磁控式软启动

磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。将三相电抗器串在电源和电动机定子之间实现降压是两者的共同点。磁控软起动不同于电抗器软起动的主要特点是其电抗值可控。总体说来，起动开始时电抗器的电抗值较大，在软起动过程中，通过反馈调节使电抗值逐渐减小，及至软起动完成后被旁路。

电抗值的变化是通过控制直流励磁电流，改变铁心的饱和度实现的，所以叫做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍，它也可以称为“磁放大器”。

磁控软启动的优点在于：首先，电抗值的调节是静止的，无接触的，非机械式的。这就为微电子技术的介入打开了大门。所以，在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动

是完全相同的。说磁控软起动能够实现软停止，能够具有晶闸管软起动所具有的几乎全部功能，其原因盖出于此。

磁饱和电抗器具有0.1s量级的惯性，这使得磁控软起动的快速性比晶闸管软起动慢一个数量级。而对于电动机系统的大惯性来说，磁控软起动的惯性是不足为虑的。

其缺点在于：首先，磁控软启动的调节范围有限，起动时施加在电机上的电压不能被控制得很低，启动电流不能从0开始；同时起动时需要较大启动电流时，磁控也不能提供（最大3.5倍额定）；而且切换时施加在电机的电压达不到额定电压，最大在93％全电压左右，所以切换时有一定得机械冲击。其次，磁控软起动的电抗器饱和引起非线性，会产生高次谐波。只是磁饱和电抗器产生的高次谐波比工作于斩波状态的晶闸管要小一些。再次，磁控软起动装臵需要有相对功率较大的辅助电源，噪声较大。

5、可控变压电抗器式软启动

5.1基本原理

在定子回路串联电抗器或采用自耦变压器降压起动、在转子回路中串联液体电阻器起动及在定子回路串磁饱和电抗器起动。由于这些起动方式使用的设备调节范围有限，不能随意调节起动转矩，不能做到起动特性和负载转矩特性完善配合，所以仍然存在大的冲击电流和机械冲击。而且它们都没有软停止功能，因此对于像水泵（会产生水锤效应）之类的负载也不适用。

可控变压电抗器软启动的基本原理是：启动电抗器设臵一个低压绕组，以实现电抗器的变压可控。把变压电抗器的原边串入电机定子回路，通过控制可控硅短接变压电抗器的副边，通过改变其低压绕组上的电压来改变高压绕组的电压来改变原边电流，从而控制电机的起动过程，以实现电动机的软起动。此种方式软起动是通过变压器的降压原理，避免了可控硅的直接串联，从而回避了技术难点。

5.2技术优点

原理上磁控软启动和可控变压电抗器式软启动均是调节电机主回路串联的电抗器的电抗值，但调节的效果是不同的，相比之下，变压电抗器式软启动有如下特点：

1）电压和电流能从零起连续可调，对电动机无操作过电压伤害，无转矩冲击，对电网无冲击；转速慢慢上升，有利于润滑，能延长电动机及机械设备的使用寿命；高压开关合闸时电流（或电压）为零，能显著提高开关寿命。

2）控制灵活，重复精度高。

3）在起动过程中，能在额定电流以内给电动机以充分加速，因此能最大限度地降低起动电流的最大值，最大值保持时间短。

4）可控变压电抗器是一种高可靠性设备;低压侧电压低，不用采用晶闸管串联;晶闸管的控制技术很成熟，因此该装臵为高可靠性设备。

5）该装臵本身功耗很小，可以连续起动，可以一拖多（容量可不同）。

6）变压电抗器具有很大的电感值，晶闸管产生的高次谐波主要被电抗器承担，不会干扰电源和电动机。

5.3实际使用后观察到的效果如下：

1）电流、电压从零起调，可以保证起动电流值最小，这可尽可能地减小起动过程对电网的冲击；

2）每次起动电流、电压完全一致，不受环境影响；

3）可连续起动、可做到一拖多，不要求电机容量相同；

4）控制准确、重复精度高，无起动失败现象；

5）电抗器的温升很小，软起控制箱内无大功率的器件，整个装臵的能耗很小；另外起动电流的控制精度很高，故该装臵可以做到免维护，软起动控制室可以做到免值守。

6、结束语

1）随着高压电机的应用越来越普遍，研究高压电机的软启动对于保障电网的安全运行、延长设备的使用寿命、实现电机的精确控制等具有重要的意义。

2）针对不同的应用场合，电机的大小不同，控制要求不同等应有针对性的选择。固态软启动应该是未来的发展方向。

3）可控变压电抗器式软启动结合了磁控软启动、可控硅软启动的优点，克服了它们各种的缺点，是一种高可靠性的软启动方案。

参考文献：

[1] 甘世红,楮建新,顾伟,高越农. 高压异步电动机软起动方法综述[J]. 电气传动, 2005, (10)

[2] 王颖. 中压电动机传统起动方式的危害性[J]. 大电机技术, 2003,(04)。

[3] 张斌,尚刚,欧英,刘志星. 高压交流感应电机软启动技术的发展[J]. 变流技术与电力牵引, 2006,(02)

[作者简介]

晏有矿（1973-），男，工程师，毕业于上海电力学院，长期从事发电厂电气技术工作，现工作于上海大屯能源铝板带筹建处。