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【摘要】敘述各種高壓軟啟動裝置的情況，比較了它們的優(yōu)劣，從而為高壓軟啟動裝置的選型做參考。圖9幅。
【關(guān)鍵詞】水阻軟啟動 干式移磁無級調(diào)壓軟啟動 開關(guān)變壓器軟啟動 晶閘管軟啟動 磁閥式軟啟動 變頻軟啟動
1、前言
在我們高壓電機(jī)自動化的控制系統(tǒng)中，主要的控制對象是各種類型的大型水泵和壓縮機(jī)等設(shè)備，其中遇到的問題是水泵的高壓大型電動機(jī)啟動和壓縮機(jī)等重載啟動，都有巨大的沖擊電流，往往可達(dá)電動機(jī)額定電流的6～8倍，對電網(wǎng)產(chǎn)生了很大的沖擊，影響了其他電器設(shè)備的運行。電動機(jī)全壓啟動時的大電流在定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會破壞繞組絕緣和造成鼠籠條斷裂，引起電機(jī)故障，大電流還會產(chǎn)生大量的焦耳熱，損傷繞組絕緣，減少電機(jī)壽命。
為了降低啟動時的沖擊電流，減少它的危害，需要采用高壓軟啟動裝置。
目前，有各種類型的高壓軟啟動裝置，采用了不同的工作原理，但總的目的都是控制加在電動機(jī)上的啟動電壓，減少啟動電流。高壓軟啟動裝置采用不同的控制手段實現(xiàn)起動過程中對電壓、電流的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于額定電壓3kV—10kV 的電力、建材、化工、冶金鋼鐵、造紙等行業(yè)。能很好地與水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、粉碎機(jī)、攪拌機(jī)、球磨機(jī)、礦山升降機(jī)、皮帶運輸機(jī)等各種機(jī)電設(shè)備配套使用，作為三相電壓3kV-10kV中高壓電機(jī)的起動、控制、保護(hù)、軟停之用 。
2、高壓軟啟動裝置目前的情況
目前主要有水阻軟啟動、干式移磁式軟啟動、開關(guān)變壓器軟啟動、晶閘管式軟啟動、磁閥式軟起動、變頻器軟啟動等幾種高壓軟啟動方式。
⑴ 高壓水阻軟起動裝置
它旳工作原理是在電動機(jī)定子回路串入一特制水電阻，為了增加水的電導(dǎo)率，加入了一些無機(jī)鹽，該電阻在電機(jī)起動初始時刻自動投入，限制啟動電流過大，并且調(diào)節(jié)導(dǎo)電極板，使阻值在預(yù)定起動時間內(nèi)均勻無級減小，并在阻值幾近為0時刻切除，從而使電動機(jī)電流及轉(zhuǎn)速無級勻滑變化，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速均勻上升、平穩(wěn)起動。其基本工作原理可參看圖1。
這種設(shè)備的啟動電流可以控制在1.5～3.5Ie（Ie為電動機(jī)額定運行電流），起動時間調(diào)節(jié)范圍：20—60S現(xiàn)場可調(diào)。
這種設(shè)備的優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，價格較低，且不會對電網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波污染。
但是，液態(tài)軟起動裝置體積龐大，需要有液態(tài)電阻柜、星點柜、高壓斷路器柜等。安全性能差。啟動性能受液體電阻受環(huán)境溫度影響較大，需要經(jīng)常調(diào)整無機(jī)鹽的比例，尤其是北方低溫時需要另外加溫液體，南方則會由于形成液態(tài)電阻的局部電液溫度過高，產(chǎn)生氣泡甚至電弧光的現(xiàn)象，極不利于起動設(shè)備，有時需要加強(qiáng)制冷卻。由于每次啟動都會使液體加溫，故不宜多次連續(xù)啟動。另外，每次啟動時液體電阻上消耗的功率很大，約為電動機(jī)額定功率的1.6～1.8倍，如此大的功率使極板附近的水汽化，汽化電阻不好控制且受環(huán)境溫度的影響，這便是控制精度不高的原因，有時甚至有啟動失敗的情況。屬于淘汰技術(shù)。
（2）干式移磁無級調(diào)壓式軟啟動
干式移磁無級調(diào)壓軟啟動其實質(zhì)是一種可變電感式軟啟動，在電動機(jī)啟動時，串接一個可變的電感，這樣降低了加在電動機(jī)上的電壓，減少了啟動時的沖擊電流，然后逐漸將鐵芯移出線圈，慢慢減少電感。這種裝置可以控制啟動電流在1.0Ie～4Ie范圍內(nèi)。實現(xiàn)軟停止時，先斷開真空接觸器，串入一個小電感（鐵芯在線圈之外），然后慢慢增大電感（鐵芯逐步插入線圈中），這樣讓電動機(jī)慢慢停止下來。其基本結(jié)構(gòu)可參看圖2。
干式移磁式軟啟動裝置有下面的特點 ：
⑴ 結(jié)構(gòu)簡單，全部器件安裝在一個柜體內(nèi)的一體化設(shè)計，占地面積小，沒有復(fù)雜的電力電子器件，可靠性高?；旧鲜敲饩S護(hù)的，方便于安裝、調(diào)試和運行；
⑵ 干式移磁式損耗很小，發(fā)熱量不大，可反復(fù)多次頻繁起動，重復(fù)性高；
⑶ 不產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)諧波影響小，不用另加濾波裝置；
⑷ 可起動電機(jī)的容量200kW～90000kW或更大；
⑸ 抽屜式設(shè)計，檢修方便，各方面承受能力強(qiáng)，不受外部環(huán)境，溫度，濕度和地理位置的影響，環(huán)境溫度可以-50度至60度。
⑹ 可以實現(xiàn)軟停止；
⑺ 無操作過電壓，對電機(jī)傷害?。?/span>
⑻ 起動時間短，根據(jù)電動機(jī)容量的大小，只要5S～60S；
⑼ 維護(hù)修理簡單，一般技術(shù)工人都能掌握；費用低，與變頻相比每臺可節(jié)約幾十萬到幾百萬的費用。
但干式移磁式軟啟動裝置也有不足之處 ：柜體比較重，有一定噪聲（但可做消音處理）。
（3）高壓晶閘管軟起動裝置
晶閘管軟啟動裝置用控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)啟動電壓，啟動時，導(dǎo)通角小，啟動電壓低，然后逐步加大導(dǎo)通角，逐步提高啟動電壓，這樣避免了啟動的沖擊電流。該裝置采用多個可控硅串并連而成，可滿足不同的電流及電壓要求，啟動完成后，用QF真空接觸器將晶閘管裝置短接。
晶閘管調(diào)壓啟動的結(jié)構(gòu)原理圖可參看圖5，其調(diào)壓啟動的波形圖可參看圖6。
晶閘管軟啟動的特點：(1) 是固態(tài)而非液態(tài)所以安全性能高；(2) 具有調(diào)節(jié)快速性好，采用閉環(huán)控制，控制方式菜單化；(3) 菜單豐富，啟動重復(fù)性好，保護(hù)周全，與高壓液態(tài)水阻軟起動相比較，是更新?lián)Q代產(chǎn)品。
晶閘管軟啟動的缺點：(1) 每個橋臂上有3～4個晶閘管串聯(lián)，同步觸發(fā)是關(guān)鍵技術(shù)，解決不好就會造成控制失??；(2) 晶閘管耐壓的均勻性要求很高；(3) 諧波比較大，需要有諧波治理的裝置配合，才能滿足諧波數(shù)值不超過國家4%的要求；(4) 電子元件眾多，可靠性低，故障點多，難維護(hù)，要求維護(hù)水平高，對操作人員的要求比較高。
晶閘管可以實現(xiàn)軟停止，但是，由于是采用降壓啟動的辦法，所以無法實現(xiàn)重載啟動的功能。
（4）磁閥式軟起動
磁閥式軟起動的工作原理和串電感調(diào)壓的工作原理是完全一致的。在特制的鐵芯上，繞組抽頭接入晶閘管，控制晶閘管產(chǎn)生直流磁化電流，從而改變鐵芯的導(dǎo)磁率，也就改變了鐵芯的電感，這樣降壓來啟動電動機(jī)。
磁控軟啟動的特點是 ：
⑴ 采用磁閥結(jié)構(gòu)，電抗值調(diào)整穩(wěn)定；
⑵ 自耦勵磁獨特設(shè)計，無需外加直流勵磁電源；
⑶ 電抗器本體采用敞開式干式結(jié)構(gòu)，H級絕緣，散熱好，起動工作次數(shù)不限；
⑷ 控制系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏人機(jī)對話系統(tǒng)，可靠性高；
⑸ 環(huán)保無漏磁，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。
磁控軟起動的缺點：(1) 鐵芯是變截面的，制造比較困難，調(diào)整范圍?。?/font>0.5-1倍可調(diào)）；(2) 磁控軟啟動不能提供重載啟動的功能；(3) 磁控軟起動的電抗器飽和會引起非線性，產(chǎn)生高次諧波；(4) 磁控軟起動裝置需要相對功率較大的輔助電源，噪聲較大，并無法做消音處理。
（6）變頻器軟啟動
變頻器可以同時改變供電電壓和頻率，從而改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)軟啟動。在啟動過程中，通過電壓調(diào)節(jié)和變頻，逐步提高同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)良好的靜態(tài)、動態(tài)啟動性能。
變頻軟啟動的啟動電流小，可限制在1.5倍的電動機(jī)額定電流以下，同時啟動轉(zhuǎn)矩大，可達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍，在此范圍內(nèi)可以任意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動。變頻軟啟動的很重要的優(yōu)勢在于，電壓和頻率都能連續(xù)地從零開始調(diào)節(jié)，同時做到無過流。
變頻軟起動在理論上是非常理想的，它不產(chǎn)生過電流，起動轉(zhuǎn)矩大，起動性能好。但是在當(dāng)前的技術(shù)水平下，變頻器制造技術(shù)尚不是很完善，自身損耗大、可靠性低、諧波含量大，尤其是諧波問題，應(yīng)該引起我們足夠的重視。變頻裝置在連接點處產(chǎn)生的總諧波畸變率大約在8%～20%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)的4%要求，所以應(yīng)該選擇有諧波治理功能的變頻器，或者另加諧波治理裝置。
變頻軟啟動的缺點：(1) 器件損耗大，故障率較高，需要經(jīng)常維修；(2) 高次諧波輸出大；另外可靠性問題、維護(hù)修理問題、價格問題等等都是需要考慮的。（3）也有噪音（無法做消音處理)。
另外，高壓大型變頻裝置國內(nèi)目前尚不能制造，完全依賴進(jìn)口，技術(shù)復(fù)雜、資料不全給維護(hù)修理造成了非常大的困難，一旦出現(xiàn)故障只有請外國專家前來修理，費用高、時間長、后續(xù)的維修費用是相當(dāng)高的。
各種軟啟動方式的性能比較，如表1所示。
表1 各種軟啟動裝置方式的性能比較
|
|
水阻式 |
干式移磁式 |
晶閘管式 |
磁閥式 |
變頻器式 |
|
連續(xù)啟動 |
不能 |
可以 |
可以 |
可以 |
可以 |
|
啟動損耗 |
大 |
小 |
小 |
較小 |
小 |
|
高次諧波 |
無 |
無 |
較大 |
較小 |
大，可消除 |
|
軟停止 |
不能 |
較易 |
易 |
較易 |
易 |
|
重復(fù)性 |
較差 |
穩(wěn)定 |
穩(wěn)定 |
穩(wěn)定 |
穩(wěn)定 |
|
使用壽命 |
短 |
長 |
長 |
長 |
長 |
|
維護(hù)量 |
大 |
很小 |
較大 |
較大 |
較大 |
|
維護(hù)難易 |
一般 |
易 |
很難 |
一般 |
很難 |
|
一拖多 |
不行 |
可以 |
可以 |
可以 |
可以 |
|
重載啟動 |
不行 |
可以較重載 |
不行 |
不行 |
可以重載 |
|
價格 |
低 |
中 |
中 |
低 |
高 |
4、高壓軟起動選型的探討
在軟啟動中，大部分負(fù)載都是輕載啟動的，上面提到的各種軟啟動裝置都沒有問題，能夠達(dá)到減少啟動電流，降低對電網(wǎng)的沖擊，平穩(wěn)啟動電動機(jī)的目的?？梢愿鶕?jù)工程的具體情況，按表1的各種性能、參數(shù)合理選擇。在選擇軟啟動設(shè)備的過程中，應(yīng)該考慮二個問題，一個是軟停止問題，另外一個是重載啟動問題。
有一些設(shè)備要求有軟停功能，軟停功能提供一個遞減的輸出電壓，慢慢停機(jī)的功能。在停機(jī)過程中減小輸出轉(zhuǎn)矩，這和電力剎車是完全不同的兩個概念。在貨物傳送過程中，突然停車，會引起貨物的碰撞或倒塌，如果使用軟停功能則可以使停車過程變緩，從而避免此類生產(chǎn)故障發(fā)生。對于吊車、吊橋、運貨車采用軟停后可以防止運行過程中的不穩(wěn)定以及突然停止所產(chǎn)生的不穩(wěn)定及故障。
還有一個值得考慮的問題是重載啟動問題。有許多負(fù)載是重載啟動的，如：球磨機(jī)、礦山皮帶運輸機(jī)、大型閘門起吊等等。上述的各種軟啟動裝置，除了變頻器外，都是采用降壓原理來減少沖擊電流的。根據(jù)電動機(jī)拖動原理可知，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是和加在電動機(jī)上的電壓平方成正比的，而和電源的頻率成反比。因此，凡是采用降壓原理做軟啟動的，都不能滿足重載啟動的要求。
當(dāng)前重載啟動性能最好的軟啟動裝置只有變頻器軟啟動裝置。從變頻器的工作原理可知,變頻器軟啟動裝置之所以能夠適用于重載起動,是由于它在減小起動電壓的同時也降低了起動頻率，電壓和頻率的同步連續(xù)變化可以使氣隙磁通基本保持恒定,從而保證了起動轉(zhuǎn)矩。但是，變頻器最大的作用是用來調(diào)速的，如果不需要調(diào)速，只是做軟啟動，由于其昂貴的價格，就得不償失了。
目前，也有在研制用改進(jìn)型晶閘管軟啟動裝置，這種裝置也是可以調(diào)頻調(diào)壓的，可以滿足重載啟動的要求，但價格比變頻器要便宜多了。
水阻式軟啟動的裝置價格相對比較便宜，對中小型不經(jīng)常啟動的電機(jī)使用該裝置還是可以的，但不能用于重載啟動，也沒有軟停止的功能，要加強(qiáng)維護(hù)以免發(fā)生事故，對于大型電機(jī)和經(jīng)常啟停的電機(jī)，使用該裝置是有很大風(fēng)險的，應(yīng)該慎用。
干式移磁無級調(diào)壓式軟啟動裝置是一種相當(dāng)不錯的設(shè)備，大中小各種容量的電動機(jī)都適用，結(jié)構(gòu)簡單，全部器件只安裝在一個柜體里面，使用、維護(hù)方便，還有軟停止的功能，只要不是特重載啟動的場合，均可采用。
磁閥式軟啟動裝置和開關(guān)變壓器式的情況雷同，雖然都采用了晶閘管控制，但是晶閘管都是在低壓下工作，是成熟的技術(shù)，但是用在重載啟動仍是不宜的，也產(chǎn)生諧波。
晶閘管式軟啟動裝置有很好的軟啟動性能，只是晶閘管在高壓下工作，并且每相還需要3～4只晶閘管串聯(lián)，需要有良好的均壓技術(shù)和同步觸發(fā)技術(shù)，維護(hù)水平要求高，啟動時產(chǎn)生諧波較多，需要增加治理諧波的設(shè)備，也不能用在重載啟動的場合。
變頻器式軟啟動裝置具有最優(yōu)良的性能，可以滿足一切需要軟啟動的場合，無論是重載啟動，或者是軟停止功能，均有最佳的表現(xiàn)。但是電子線路復(fù)雜，維護(hù)難度高，價格高，也需要諧波治理。最理想的情況是需要調(diào)速的場合，再兼做軟啟動裝置，這樣就物盡其用了。
6、結(jié)束語
本文介紹了高壓電機(jī)軟啟動技術(shù)提出的背景，集中介紹了五種高壓電機(jī)軟啟動技術(shù)方式，分析了它們的工作原理，并比較了各自的優(yōu)缺點。
國外發(fā)達(dá)國家主要采用晶閘管軟啟動和變頻軟啟動，電壓等級在12KV以上，容量也在5MW以上，國內(nèi)的市場上液態(tài)電阻軟啟動裝置逐步被其他高壓軟啟動裝置替代，設(shè)計院如果沒有業(yè)主的特別要求，一般情況下不會設(shè)計高壓水阻軟起動裝置，目前高壓干式調(diào)壓軟起動柜因為穩(wěn)定性強(qiáng)，免維護(hù)性能突出，一體化設(shè)計整體解決方案，已經(jīng)廣泛被業(yè)主和設(shè)計院認(rèn)可。
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