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【摘要】敘述各種高壓軟啟動(dòng)裝置的情況，比較了它們的優(yōu)劣，從而為高壓軟啟動(dòng)裝置的選型做參考。圖9幅。

【關(guān)鍵詞】水阻軟啟動(dòng) 干式移磁無級(jí)調(diào)壓軟啟動(dòng) 開關(guān)變壓器軟啟動(dòng) 晶閘管軟啟動(dòng) 磁閥式軟啟動(dòng) 變頻軟啟動(dòng) 

1、前言

在我們高壓電機(jī)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)中，主要的控制對(duì)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)和壓縮機(jī)等重載啟動(dòng)，都有巨大的沖擊電流，往往可達(dá)電動(dòng)機(jī)額定電流的6～8倍，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了很大的沖擊，影響了其他電器設(shè)備的運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)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(huì)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(huì)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(dòng)時(shí)的沖擊電流，減少它的危害，需要采用高壓軟啟動(dòng)裝置。

目前，有各種類型的高壓軟啟動(dòng)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(dòng)機(jī)上的啟動(dòng)電壓，減少啟動(dòng)電流。高壓軟啟動(dòng)裝置采用不同的控制手段實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過程中對(duì)電壓、電流的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(yùn)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(dòng)、控制、保護(hù)、軟停之用 。

2、高壓軟啟動(dòng)裝置目前的情況

目前主要有水阻軟啟動(dòng)、干式移磁式軟啟動(dòng)、開關(guān)變壓器軟啟動(dòng)、晶閘管式軟啟動(dòng)、磁閥式軟起動(dòng)、變頻器軟啟動(dòng)等幾種高壓軟啟動(dòng)方式。

⑴ 高壓水阻軟起動(dòng)裝置

它旳工作原理是在電動(dòng)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(dòng)初始時(shí)刻自動(dòng)投入，限制啟動(dòng)電流過大，并且調(diào)節(jié)導(dǎo)電極板，使阻值在預(yù)定起動(dòng)時(shí)間內(nèi)均勻無級(jí)減小，并在阻值幾近為0時(shí)刻切除，從而使電動(dòng)機(jī)電流及轉(zhuǎn)速無級(jí)勻滑變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速均勻上升、平穩(wěn)起動(dòng)。其基本工作原理可參看圖1。

這種設(shè)備的啟動(dòng)電流可以控制在1.5～3.5Ie（Ie為電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流），起動(dòng)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍：20—60S現(xiàn)場(chǎng)可調(diào)。

這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，且不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波污染。

但是，液態(tài)軟起動(dòng)裝置體積龐大，需要有液態(tài)電阻柜、星點(diǎn)柜、高壓斷路器柜等。安全性能差。啟動(dòng)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(shí)需要另外加溫液體，南方則會(huì)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(dòng)設(shè)備，有時(shí)需要加強(qiáng)制冷卻。由于每次啟動(dòng)都會(huì)使液體加溫，故不宜多次連續(xù)啟動(dòng)。另外，每次啟動(dòng)時(shí)液體電阻上消耗的功率很大，約為電動(dòng)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(shí)甚至有啟動(dòng)失敗的情況。屬于淘汰技術(shù)。

（2）干式移磁無級(jí)調(diào)壓式軟啟動(dòng)

干式移磁無級(jí)調(diào)壓軟啟動(dòng)其實(shí)質(zhì)是一種可變電感式軟啟動(dòng)，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，串接一個(gè)可變的電感，這樣降低了加在電動(dòng)機(jī)上的電壓，減少了啟動(dòng)時(shí)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(dòng)電流在1.0Ie～4Ie范圍內(nèi)。實(shí)現(xiàn)軟停止時(shí)，先斷開真空接觸器，串入一個(gè)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(dòng)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(dòng)裝置有下面的特點(diǎn) ：

⑴ 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全部器件安裝在一個(gè)柜體內(nèi)的一體化設(shè)計(jì)，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(yùn)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(dòng)，重復(fù)性高；

⑶ 不產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)諧波影響小，不用另加濾波裝置；

⑷ 可起動(dòng)電機(jī)的容量200kW～90000kW或更大；

⑸ 抽屜式設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)軟停止；

⑺ 無操作過電壓，對(duì)電機(jī)傷害小；

⑻ 起動(dòng)時(shí)間短，根據(jù)電動(dòng)機(jī)容量的大小，只要5S～60S；

⑼ 維護(hù)修理簡(jiǎn)單，一般技術(shù)工人都能掌握；費(fèi)用低，與變頻相比每臺(tái)可節(jié)約幾十萬到幾百萬的費(fèi)用。

但干式移磁式軟啟動(dòng)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(dòng)裝置

晶閘管軟啟動(dòng)裝置用控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)啟動(dòng)電壓，啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)通角小，啟動(dòng)電壓低，然后逐步加大導(dǎo)通角，逐步提高啟動(dòng)電壓，這樣避免了啟動(dòng)的沖擊電流。該裝置采用多個(gè)可控硅串并連而成，可滿足不同的電流及電壓要求，啟動(dòng)完成后，用QF真空接觸器將晶閘管裝置短接。

晶閘管調(diào)壓?jiǎn)?dòng)的結(jié)構(gòu)原理圖可參看圖5，其調(diào)壓?jiǎn)?dòng)的波形圖可參看圖6。

晶閘管軟啟動(dòng)的特點(diǎn)：(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(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全，與高壓液態(tài)水阻軟起動(dòng)相比較，是更新?lián)Q代產(chǎn)品。

晶閘管軟啟動(dòng)的缺點(diǎn)：(1) 每個(gè)橋臂上有3～4個(gè)晶閘管串聯(lián)，同步觸發(fā)是關(guān)鍵技術(shù)，解決不好就會(huì)造成控制失?。?/span>(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(guó)家4%的要求；(4) 電子元件眾多，可靠性低，故障點(diǎn)多，難維護(hù)，要求維護(hù)水平高，對(duì)操作人員的要求比較高。 

晶閘管可以實(shí)現(xiàn)軟停止，但是，由于是采用降壓?jiǎn)?dòng)的辦法，所以無法實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)的功能。

（4）磁閥式軟起動(dòng)

磁閥式軟起動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)。 

磁控軟啟動(dòng)的特點(diǎn)是 ：

⑴ 采用磁閥結(jié)構(gòu)，電抗值調(diào)整穩(wěn)定；

⑵ 自耦勵(lì)磁獨(dú)特設(shè)計(jì)，無需外加直流勵(lì)磁電源；

⑶ 電抗器本體采用敞開式干式結(jié)構(gòu)，H級(jí)絕緣，散熱好，起動(dòng)工作次數(shù)不限；

⑷ 控制系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏人機(jī)對(duì)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(dòng)的缺點(diǎn)：(1) 鐵芯是變截面的，制造比較困難，調(diào)整范圍小（0.5-1倍可調(diào)）；(2) 磁控軟啟動(dòng)不能提供重載啟動(dòng)的功能；(3) 磁控軟起動(dòng)的電抗器飽和會(huì)引起非線性，產(chǎn)生高次諧波；(4) 磁控軟起動(dòng)裝置需要相對(duì)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(dòng)

變頻器可以同時(shí)改變供電電壓和頻率，從而改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。在啟動(dòng)過程中，通過電壓調(diào)節(jié)和變頻，逐步提高同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)啟動(dòng)性能。

變頻軟啟動(dòng)的啟動(dòng)電流小，可限制在1.5倍的電動(dòng)機(jī)額定電流以下，同時(shí)啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。變頻軟啟動(dòng)的很重要的優(yōu)勢(shì)在于，電壓和頻率都能連續(xù)地從零開始調(diào)節(jié)，同時(shí)做到無過流。

變頻軟起動(dòng)在理論上是非常理想的，它不產(chǎn)生過電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)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(diǎn)處產(chǎn)生的總諧波畸變率大約在8%～20%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)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(dòng)的缺點(diǎn)：(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(jià)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(guó)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(qǐng)外國(guó)專家前來修理，費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)、后續(xù)的維修費(fèi)用是相當(dāng)高的。

3、各種軟啟動(dòng)的性能比較

各種軟啟動(dòng)方式的性能比較，如表1所示。

表1 各種軟啟動(dòng)裝置方式的性能比較

4、高壓軟起動(dòng)選型的探討

在軟啟動(dòng)中，大部分負(fù)載都是輕載啟動(dòng)的，上面提到的各種軟啟動(dòng)裝置都沒有問題，能夠達(dá)到減少啟動(dòng)電流，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，平穩(wěn)啟動(dòng)電動(dòng)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(dòng)設(shè)備的過程中，應(yīng)該考慮二個(gè)問題，一個(gè)是軟停止問題，另外一個(gè)是重載啟動(dòng)問題。

有一些設(shè)備要求有軟停功能，軟停功能提供一個(gè)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(gè)概念。在貨物傳送過程中，突然停車，會(huì)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(duì)于吊車、吊橋、運(yùn)貨車采用軟停后可以防止運(yùn)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(gè)值得考慮的問題是重載啟動(dòng)問題。有許多負(fù)載是重載啟動(dòng)的，如：球磨機(jī)、礦山皮帶運(yùn)輸機(jī)、大型閘門起吊等等。上述的各種軟啟動(dòng)裝置，除了變頻器外，都是采用降壓原理來減少?zèng)_擊電流的。根據(jù)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)原理可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是和加在電動(dòng)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(dòng)的，都不能滿足重載啟動(dòng)的要求。

當(dāng)前重載啟動(dòng)性能最好的軟啟動(dòng)裝置只有變頻器軟啟動(dòng)裝置。從變頻器的工作原理可知,變頻器軟啟動(dòng)裝置之所以能夠適用于重載起動(dòng),是由于它在減小起動(dòng)電壓的同時(shí)也降低了起動(dòng)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(dòng)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(dòng)，由于其昂貴的價(jià)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(dòng)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(dòng)的要求，但價(jià)格比變頻器要便宜多了。

水阻式軟啟動(dòng)的裝置價(jià)格相對(duì)比較便宜，對(duì)中小型不經(jīng)常啟動(dòng)的電機(jī)使用該裝置還是可以的，但不能用于重載啟動(dòng)，也沒有軟停止的功能，要加強(qiáng)維護(hù)以免發(fā)生事故，對(duì)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(xiǎn)的，應(yīng)該慎用。

干式移磁無級(jí)調(diào)壓式軟啟動(dòng)裝置是一種相當(dāng)不錯(cuò)的設(shè)備，大中小各種容量的電動(dòng)機(jī)都適用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全部器件只安裝在一個(gè)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(dòng)的場(chǎng)合，均可采用。

磁閥式軟啟動(dòng)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(dòng)仍是不宜的，也產(chǎn)生諧波。

晶閘管式軟啟動(dòng)裝置有很好的軟啟動(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)的場(chǎng)合。

變頻器式軟啟動(dòng)裝置具有最優(yōu)良的性能，可以滿足一切需要軟啟動(dòng)的場(chǎng)合，無論是重載啟動(dòng)，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(jià)格高，也需要諧波治理。最理想的情況是需要調(diào)速的場(chǎng)合，再兼做軟啟動(dòng)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(dòng)技術(shù)提出的背景，集中介紹了五種高壓電機(jī)軟啟動(dòng)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(diǎn)。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家主要采用晶閘管軟啟動(dòng)和變頻軟啟動(dòng)，電壓等級(jí)在12KV以上，容量也在5MW以上，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)上液態(tài)電阻軟啟動(dòng)裝置逐步被其他高壓軟啟動(dòng)裝置替代，設(shè)計(jì)院如果沒有業(yè)主的特別要求，一般情況下不會(huì)設(shè)計(jì)高壓水阻軟起動(dòng)裝置，目前高壓干式調(diào)壓軟起動(dòng)柜因?yàn)榉€(wěn)定性強(qiáng)，免維護(hù)性能突出，一體化設(shè)計(jì)整體解決方案，已經(jīng)廣泛被業(yè)主和設(shè)計(jì)院認(rèn)可。

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