當(dāng)前我國經(jīng)濟已經(jīng)進入了一個新的發(fā)展階段，大型企業(yè)和大型裝備越來越多，大型電機（5000kW～60000kW）的應(yīng)用越來越多，大型電機的起動方法也越來越受到人們的重視。
社會發(fā)展是有階段性的。在不同階段，人們的生產(chǎn)手段、生產(chǎn)工具和生活用品都有很大的不同。上世紀80～90年代，我國的經(jīng)濟實力尚較薄弱，當(dāng)時的小水泥和小鋼鐵發(fā)展很快，1000kW～4000kW電機的應(yīng)用增長很快，與當(dāng)時的經(jīng)濟基礎(chǔ)相適應(yīng)的液態(tài)起動裝置出現(xiàn)，它經(jīng)濟實用，解決了電機起動中的一些問題。對當(dāng)時的經(jīng)濟發(fā)展起到了一定的作用。到世紀之交時期，我國經(jīng)濟實力已有較大的發(fā)展，生產(chǎn)手段和生產(chǎn)工具亦有了較大發(fā)展，電機容量也有了很大增長，人們開始不滿足液態(tài)起動裝置的低性能，于是晶閘管串聯(lián)式（固態(tài)）軟起動裝置的應(yīng)用開始增加，繼而又出現(xiàn)了開關(guān)變壓器式軟起動裝置和磁飽和電抗器式（磁控）起動裝置，變頻裝置用于電機軟起動的情況也越來越多，當(dāng)前這四種產(chǎn)品是大型電機起動市場的主流產(chǎn)品，液態(tài)起動裝置則應(yīng)用在小型（5000kW以下）電機上較多。另外，兩種老式起動方法（自耦變壓器和變壓器-電動機組）也常常出現(xiàn)在20000kW以下電機的起動上。
大型電機驅(qū)動的設(shè)備一般都是企業(yè)的核心設(shè)備，直接影響企業(yè)的生產(chǎn)狀況，因此人們應(yīng)該對其起動給予特別的關(guān)注，合理的選擇起動裝置將給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟效益。但是電機起動技術(shù)畢竟不是一個企業(yè)的核心技術(shù)，許多企業(yè)的電氣工作者很少有時間來研究各種起動方法之間的差別，往往會造成不恰當(dāng)?shù)倪x擇，有時甚至不得不做出第二次選擇，給企業(yè)造成不應(yīng)有的損失。因此，如實地說明各種起動方法的性能及其差別是非常重要的。為此我們在這方面做拋磚之嘗試，如有不完善和不妥之處，望不吝添金加玉。
一、電動機直接全壓起動的危害性及軟起動好處
⒈ 引起電網(wǎng)電壓波動，影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的運行
交流電動機在全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的4~7倍，當(dāng)電機的容量相對較大時，該起動電流會引起電網(wǎng)電壓的急劇下降，影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運行。
軟起動時，起動電流一般為額定電流的2~3倍，電網(wǎng)電壓波動率一般在10%以內(nèi)，對其它設(shè)備的影響非常小。
⒉ 對電網(wǎng)的影響
對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：
①超大型電機直接起動的大電流對電網(wǎng)的沖擊幾乎類似于三相短路對電網(wǎng)的沖擊，常常會引發(fā)功率振蕩，使電網(wǎng)失去穩(wěn)定。
②起動電流中含有大量的高次諧波，會與電網(wǎng)電路參數(shù)引起高頻諧振，造成繼電保護誤動作、自動控制失靈等故障。
軟起動時起動電流大幅度降低，以上影響可完全免除。
⒊ 傷害電機絕緣，降低電機壽命
①大電流產(chǎn)生的焦耳熱反復(fù)作用于導(dǎo)線外絕緣，使絕緣加速老化、壽命降低。
②大電流產(chǎn)生的機械力使導(dǎo)線相互摩擦，降低絕緣壽命。
③高壓開關(guān)合閘時觸頭的抖動現(xiàn)象會在電機定子繞組上產(chǎn)生操作過電壓，有時會達到外加電壓的5倍以上，這樣高的過電壓會對電機絕緣造成極大傷害。
軟起動時，最大電流降低一半左右，瞬間發(fā)熱量僅為直起的1/4左右，絕緣壽命會大大延長；軟起時電機端電壓可以從零起調(diào)，可完全免除過電壓傷害。
⒋ 電動力對電機的傷害
大電流在電機定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會造成夾緊松動、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。
軟起動時，由于最大電流小，則沖擊力大大減輕。
⒌ 對機械設(shè)備的傷害
全壓直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩大約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，這么大的力矩突然加在靜止的機械設(shè)備上，會加速齒輪磨損甚至打齒、加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶、加速風(fēng)葉疲勞甚至折斷風(fēng)葉等等。
軟起動的轉(zhuǎn)矩不會超過額定轉(zhuǎn)矩，上述弊端可以完全克服。
當(dāng)采用減壓起動時，上述危害只有一定程度的降低；當(dāng)采用軟起動時，上述危害幾乎完全消失；獨立變壓器供電方式直接起動只能在電網(wǎng)電壓波動方面有所緩解，而其它方面的危害都照樣存在。
超大型電動機的價值都很高，在生產(chǎn)中也都起著核心作用。它的一點故障便會造成很大的經(jīng)濟損失，對它采用完善的保護是非常必要的。比如說對一臺電機我們不能指望它的各處絕緣都是完全一致的，可能在某一點就有個薄弱環(huán)節(jié)，出廠試驗時它能通過，但在長時間的沖擊下這個薄弱環(huán)節(jié)會逐漸首先顯露出來，使其壽命縮短。如果我們采取軟起動，則可以大大延長電機的使用壽命，這兩種方案哪一個合算呢？這是顯而易見的。
二、開關(guān)變壓器技術(shù)簡介
哈爾濱帕特爾科技有限公司研制的開關(guān)變壓器技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成功的應(yīng)用到高壓電機軟起動上。至今已有40多套在使用，起動最大電動機12000kW。由于該技術(shù)的主電路是完全線性化的，實際上任何容量的電動機（比如60000kW）軟起動都可以做到，只是人們的認識和擔(dān)心需要等待（哈爾濱帕特爾科技有限公司從實驗室的100W手電鉆到第一臺800kW，再到現(xiàn)在的12000kW都是一次設(shè)計成功，因為只要把功率電路成比例放大就可以了，其它控制完全一樣）。下面列出幾個主要業(yè)績：
⒈ 2001年9月首臺800kW（一拖二）軟起動裝置應(yīng)用于大慶油田鉆井機組。
⒉ 2003年12月南京鋼鐵公司8000kW軟起動裝置（一拖二）成功投運。
⒊ 2005年9月24日濟南鮑德氣體10800kW制氧離心空氣壓縮機軟起動成功。
⒋ 2007年4月北京燕山石化12000kW軟起動裝置（一拖一，采用變壓器并聯(lián)技術(shù)）成功起動。
開關(guān)變壓器式高壓電動機軟起動裝置是對可控硅串聯(lián)式軟起動裝置的改進，它用開關(guān)變壓器（TK）的高壓繞組來代替可控硅串，而把可控硅放在開關(guān)變壓器的低壓側(cè)（如圖1所示）這樣可控硅不用串聯(lián)，可靠性大大提高；且由于開關(guān)變壓器漏抗的分壓濾波作用，加到電源上的諧波大大減少。其它方面：電壓電流可全范圍線性調(diào)節(jié)；可輸出任意波形；可構(gòu)成閉環(huán)控制，時間常數(shù)小、反應(yīng)迅速；電動機功率增加時只要增加功率器件的容量即可；開關(guān)變壓器工作于開關(guān)狀態(tài)，開通時只有銅損，隔斷時只有鐵損，起動過程中開關(guān)變壓器損耗很小，可連續(xù)起動；由于是純調(diào)壓軟起動，故一拖多時電動機的容量可以相差很遠。這一切使開關(guān)變壓器式高壓電動機軟起動裝置成為當(dāng)前性/價比最高的高壓電動機軟起動裝置。
主電路如圖1所示：K1為運行柜，它與電動機D構(gòu)成正常工作時的運行系統(tǒng)；K2為起動柜，它與開關(guān)變壓器TK構(gòu)成起動回路。當(dāng)電動機起動時，合上K2，給可控硅SCR加上觸發(fā)信號即可實現(xiàn)相控調(diào)壓軟起動；起動結(jié)束后，合上K1、斷開K2，電動機即轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)。
起動回路的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
軟起動不同時段的電流由程序給定，主電路中的電流由采樣單元采集，PLC比較電流反饋值和給定值，根據(jù)差值調(diào)節(jié)觸發(fā)單元的輸入電壓，改變SCR的導(dǎo)通角，從而使主電路中的電流與給定值相等。
修改程序中起動各時段電流的大小和保持時間，即可得到各種不同的起動電流曲線。
圖 1 圖 2
由控制系統(tǒng)框圖可見，如果從虛線處隔開，右側(cè)為功率主回路，左側(cè)為控制環(huán)節(jié)。當(dāng)電動機功率不同時，只要更改TK、CT及SCR即可，其控制環(huán)節(jié)不用改變。
三、開關(guān)變壓器式高壓電動機軟起動裝置與變頻器裝置的比較
變頻器裝置主要是用在交流電機的調(diào)速上，具有明顯的節(jié)能效果。如果把它用在電機軟起動上，則不應(yīng)再把它的調(diào)速性能與我公司產(chǎn)品相比較。把變頻裝置用來做軟起動，在整個起動過程中電機不會有過流現(xiàn)象，起動轉(zhuǎn)矩大，具有很好的起動性能。但對于起動轉(zhuǎn)矩小的風(fēng)機水泵類負荷，變頻裝置的這一優(yōu)點則表現(xiàn)不明顯。與我公司產(chǎn)品相比它也存在一些不足：
1.變頻技術(shù)還處于發(fā)展階段，由于開關(guān)損耗還比較大，所以可靠性還比較低，故障率比較高，各單位往往由于維修技術(shù)跟不上而造成停工時間長。某鋼鐵公司曾發(fā)生35000KW高爐鼓風(fēng)機一個多星期才起動起來的事例。
2.變頻裝置輸出電壓中，高次諧波的含量大，會在電機齒槽上產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，燒毀絕緣，影響電機使用壽命。在調(diào)速應(yīng)用時要使用特殊設(shè)計的變頻電機就是這個原因；而我公司產(chǎn)品高次諧波含量小，對電機的傷害小。
3.用變頻裝置做軟起動，當(dāng)達到亞同步轉(zhuǎn)速要從變頻電源向工頻電源切換時，必須有良好的同步功能（有的變頻裝置不具備此功能），否則會產(chǎn)生機械沖擊，損傷機械設(shè)備。
4.變頻裝置價格高
5.變頻裝置電路原理復(fù)雜，對維修技術(shù)水平要求高，維修時間長，而我公司產(chǎn)品一般技術(shù)工人即能維修，提供的圖紙資料齊全。
與變頻裝置相比，開關(guān)變壓器式軟起動裝置的不足之處僅僅是起動過程中有過流現(xiàn)象，但時間并不長；過電流倍數(shù)也不大，空載起動不超過額定電流的2倍，負載起動（風(fēng)機泵類負荷）不超過額定電流的3倍。
四、開關(guān)變壓器式（A）和可控硅串聯(lián)式（B）軟起動裝置之比較
二者都是相位控制調(diào)壓軟起動裝置。主要性能有許多相近之處，二者比較尚有如下差別：
1.可靠性
B裝置由于采用可控硅串聯(lián)，因此對元器件特性參數(shù)的一致性要求很高。不容易得到保證。元器件在使用一段時間后特性參數(shù)會發(fā)生變化，使均壓性能降低，極易造成整串元器件的損壞，一旦損壞用戶很難修復(fù)；而 A 裝置由于采用了開關(guān)變壓器技術(shù)，元器件不用串聯(lián)。因此可靠性大大提高。使用壽命遠大于B。
2.高次諧波
二者雖然都是相控。產(chǎn)生諧波的情況是一樣的。但 A 裝置的開關(guān)變壓器具有很大的電感量。諧波電壓大部分加在它上面，加到電源上的諧波電壓較小。所以 A 比 B 對電機的高次諧波傷害要小得多。
3.體積
B 比 A 的體積小，占地面積小。
⒋ 成本
A的可靠性是靠成本來換取的，A用的可控硅數(shù)量少、電流大；B用的可控硅數(shù)量多、電流小，二者在這方面的投入相差不多。而A增加了一個容量很大的開關(guān)變壓器，故成本高。
五、開關(guān)變壓器式（A）和磁控式（B）軟起動裝置之比較
1.控制性能
A的輸出電壓、電流全范圍可調(diào)。電壓、電流波形可任意設(shè)定，是嚴格意義上的軟起動產(chǎn)品。
B的調(diào)節(jié)范圍較小，一般只能做恒流式起動。
“磁控”即飽和電抗器，它是靠改變鐵芯的磁飽和度來改變其電抗值，從而改變其與電機的分壓。鐵磁性材料的磁化曲線如右圖3所示，磁飽和電抗器靠改變其直流激磁Φ0來改變電抗器的電抗值。由圖可見磁化曲線的斜率（對應(yīng)電抗值）變化范圍較小，只有α角的范圍。因此B的阻抗值變化范圍不大。電機端電壓的調(diào)節(jié)范圍不大。
用固定的電抗器起動時，電壓是不可調(diào)的。隨著電機的加速，起動電流將下降，如果電網(wǎng)容量不足，很容易引起起動失敗（或切換到全壓時沖擊很大）。飽和電抗器與固定電抗器相比，僅在于它能保持電流不下降，但能不能造成起動失敗（或起動時間過長或切換時沖擊過大），還要看最大電抗值的選擇。最大電抗 圖 3
值選的小些，起動失敗的可能性小,但合閘時對電網(wǎng)和機械設(shè)備的沖擊大，最小電抗值選的大些，則容易造成起動失敗。所以說B不能稱為軟起動產(chǎn)品，只是比電抗器好一點的減壓起動產(chǎn)品。
A在起動過程中可以連續(xù)大范圍調(diào)節(jié)電壓和電流，這就從原理上保證了起動不失敗。從應(yīng)用實例上也證明了這一點：在鄂鋼10000KW電機軟起時，電網(wǎng)容量較小（該廠說140MVA，老外計算后說103MVA）,但由于A的調(diào)節(jié)范圍大，仍能做到了無沖擊軟起。
2.發(fā)熱方面
A工作于開關(guān)狀態(tài)，開通時開關(guān)變壓器（TK）上電壓很小，無鐵損，只有銅損。關(guān)斷時TK中電流很小，無銅損，只有鐵損。TK發(fā)熱很小。
B始終工作在飽和區(qū)附近，鐵芯磁通量很大，鐵損很大；另外飽和電抗器有一直流激磁繞組，激磁功率很大（據(jù)磁控廠家自己的文章說，7000KW電機起動的輔助電源要180KVA）。這也引起繞組和鐵芯發(fā)熱。
由于發(fā)熱，B的連續(xù)起動性能非常差。這一點對設(shè)備安裝和設(shè)備維修是非常不利的，設(shè)備安裝時一般都要經(jīng)過多次起動，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題；設(shè)備維修后也常常需要多次起動來檢查維修質(zhì)量，連續(xù)起動性能差將延誤工作的進行。
由于發(fā)熱，繞組絕緣容易老化，引起設(shè)備壽命降低。
3.沖擊方面
A的電壓和電流都可以從零連續(xù)調(diào)節(jié)，對電網(wǎng)無沖擊，電壓波動小，電機的轉(zhuǎn)速也是從零起慢慢上升，達到了真正的軟起動。
B只能以恒流方式工作，且電流不能較小，故在上電時對電網(wǎng)有沖擊，電機轉(zhuǎn)速也一下子上升到某一數(shù)值，這對于安裝非常精密的軸流風(fēng)機葉片來說，是非常不利的，會增加風(fēng)機的故障率。
4.控制精度
A完全等同可控硅相位控制，線性度高、控制精度高、響應(yīng)速度快（10ms），控制實時性好。
B由于受發(fā)熱和鐵芯磁化曲線非線性等因素影響，控制精度低、線性度差、響應(yīng)速度慢（幾百ms）、控制實時性差。
5.一拖多性能
A完全是調(diào)壓軟起，輸出電壓與負載無關(guān)，加上發(fā)熱小可連續(xù)起動，因此非常適于一拖多軟起，降低總造價，且電機不受容量限制，例如在鄂鋼的一拖三軟起，最大電機10000kW，最小電機1000 kW，相差10倍。
B靠分壓減壓起動，電機端電壓與電機容量（阻抗）有關(guān)，如果用B起動多臺電機，則容量不能相差較多，否則大電機阻抗小、分壓低、電流小；小電機阻抗大、分壓高、電流大，另外由于B的連續(xù)起動性能差，一拖多也無實際意義。
近幾年，又有一種被稱為“磁控”的新型可控硅飽和電抗器式軟起動裝置出現(xiàn)，它與老式“磁控”裝置的不同之處是直流激磁電源的取法不同，它直接取自高壓電源，從結(jié)構(gòu)上看簡便了許多，但其性能和老式“磁控”相差不多。
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