1 引言
隨著生產(chǎn)現(xiàn)代化程度的不斷提高,市場對電機的需求也將越來越大。預(yù)計到2010年，全國發(fā)電裝機容量將達到6.6億千瓦左右[1]，平均每年將投產(chǎn)發(fā)電裝機容量3700萬千瓦以上[1]，年均增長7.8%左右，而電動機的需求與發(fā)電設(shè)備的需求呈1∶3.51[1]的正比關(guān)系。而隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，大型動力設(shè)備的應(yīng)用急劇增加，一度造成我國大型電機生產(chǎn)廠家的高壓大容量電機供不應(yīng)求。據(jù)統(tǒng)計2004年全年電機行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值為993億元[1]，其中高壓大型交流感應(yīng)電機的產(chǎn)值超過30億元[1]。
大型交流感應(yīng)電機的大量應(yīng)用，必將引起人們對其驅(qū)動調(diào)速問題的關(guān)注；對于沒有調(diào)速要求的大型交流感應(yīng)電機，另一個令人棘手的問題—大型交流感應(yīng)電機的起動問題，引起了人們更加廣泛的注意。
大型交流感應(yīng)電機的大量應(yīng)用,大大促進了軟起動技術(shù)在我國的發(fā)展,應(yīng)用了多種技術(shù)于軟起動領(lǐng)域，出現(xiàn)了許多新型的軟起動產(chǎn)品，甚至有學(xué)者提出了“軟起動學(xué)科”的概念。筆者試圖通過介紹先后出現(xiàn)的應(yīng)用不同技術(shù)的軟起動產(chǎn)品，對其性能、技術(shù)特點進行比較,從而得出軟起動技術(shù)的發(fā)展方向。
2 傳統(tǒng)的降壓起動方法
2.1 定子串電抗器的降壓起動方法
在電機的定子回路串入一定值的電感，即可限制住定子的起動電流，也相當于降低了加在電機定子上的電壓。在電機起動結(jié)束后，再將電抗器切除。由于電機起動時的電磁轉(zhuǎn)矩與電機定子所加電壓的平方成正比，電抗器的電感不能選得太大，必須選得使電機的起動轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，同時還需留有一定的余量，以免電網(wǎng)電壓跌落以及其它擾動使電機起動失敗。
因此，電機定子串聯(lián)固定電抗器起動的方法適應(yīng)性差，同時在電抗器被切除時，還存在二次的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊。目前應(yīng)用的場合已很少。
2.2 用自耦變壓器的降壓起動方法
自耦變壓器的高壓繞組接電網(wǎng)，低壓繞組接電機，通過自耦變壓器逐步升高加到電機上的電壓，以限制電機的起動電流。與串固定電抗器起動方式相比，可以調(diào)節(jié)電機上的初始起動電壓，可以適應(yīng)不同的負載要求。同時，由于變壓器作用，流過電網(wǎng)的電流也被縮小了相同變比的倍數(shù)，進一步減小了對電網(wǎng)的沖擊。但是，用于起動的高壓自耦變壓器是有級的，而且不能全范圍改變電壓，在改變電壓級別和切除自耦變壓器時，都存在對電機的二次沖擊。并且裝置體積大，故障率較高，維護工作量大，目前應(yīng)用的也不多了。
需要說明的是，在低壓電機的起動中原來普遍應(yīng)用的星—三角變換起動的方式，只適用于電機額定運行于三角型接法的場合，但高壓電機基本額定運行于星型連接，因此星—三角變換的方法在高壓電機的起動上基本見不到。
3 液阻式的降壓起動方法
該方式在電機定子回路內(nèi)串入高壓電阻，在起動過程中不斷減小電阻值，起動完成后完全切除電阻。由于該電阻實質(zhì)上是離子導(dǎo)電的電解液，因此可以稱為液阻。由于在起動過程中調(diào)整電阻值的方法不同，出現(xiàn)了兩種派生產(chǎn)品。
3.1 熱變電阻軟起動裝置
該裝置由液體電阻箱、電極、柜體及相關(guān)控制電路組成。電阻值的改變是利用電機起動電流使電解液升溫，而電解液的負溫度特性使其自身的電阻率降低來達到的。可以看到，它雖然實現(xiàn)了加到電機上電壓的連續(xù)可調(diào)，但調(diào)節(jié)范圍窄，液溫達60℃后仍有40%～60%的電阻存在，在投入和切除時都有沖擊。為使電阻的變化與電機的起動過程匹配,對電阻箱的容積和配液量都有確定的要求，因此熱變電阻對電機負載的變化適應(yīng)性不強，同時環(huán)境溫度的變化對熱變電阻的阻值有較大影響，難以實現(xiàn)連續(xù)多次起動。
3.2 液態(tài)軟起動裝置
該裝置在電解液中有兩個導(dǎo)電極板:一個固定極板和一個動極板。有一套伺服機構(gòu)驅(qū)動動極板，通過改變兩個導(dǎo)電極板在電解液中的距離而改變起動電阻值。可見其電阻值的變化范圍較熱變電阻要大，可以使電機在2.5～3倍額定電流下起動，同時通過測量電解液的溫度改變極板的初始位置可以校核起動電阻初始值，比熱變電阻的溫度適應(yīng)性要強。但其投入時電機的電流是階躍上升的，雖然減小了沖擊，但沖擊仍存在。液阻的負溫度系數(shù)特性同樣使其對連續(xù)起動的要求適應(yīng)性差。
液阻性軟起動的共同優(yōu)點是不產(chǎn)生諧波,而共同的缺點是體積大,其液體的性質(zhì)使其應(yīng)用環(huán)境受到一定限制,且是能耗器件,其消耗在電阻上的能量還是可觀的。
4 磁控軟起動裝置
軟起動裝置的一個發(fā)展趨勢是利用成熟的電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)對傳統(tǒng)的起動裝置進行改進，磁控軟起動裝置就是一個很好的例子，它是從電抗器軟起動發(fā)展而來的。圖1為其工作原理框圖。
圖1 磁控軟起動裝置工作原理框圖
由圖1可見，電抗器演變成了電感值可調(diào)的飽和電抗器，通過電力電子器件—晶閘管控制飽和電抗器的直流勵磁電流，來改變飽和電抗器電感值從而達到改變電機起動電流的目的。由于系統(tǒng)控制采用了現(xiàn)代控制器件—plc，實現(xiàn)了電機起動電流的閉環(huán)控制，使電機可以恒流或按要求的曲線起動，大大改善了軟起動裝置的起動性能。
電力電子器件及plc本身的響應(yīng)速度是很快的。可以達到周波級，但飽和電抗器具有較大的磁慣性，達到秒級，使整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到制約。同時電力電子器件具有極大的功率放大倍數(shù),所需的控制功率極小,器件本身的功耗也很小,但飽和電抗器的功率放大倍數(shù)約為20～50倍,因而系統(tǒng)仍需要較大的控制功率。但是在該裝置中電力電子器件的功率等級只需達到飽和電抗器的控制功率就夠了。
5 開關(guān)變壓器軟起動裝置
開關(guān)變壓器軟起動裝置也是近年來出現(xiàn)的一種利用電力電子器件—晶閘管的開關(guān)特性來使變壓器的輸出電壓連續(xù)可調(diào)，從而實現(xiàn)高壓電機軟起動的裝置。圖2是其工作原理圖。
圖2 開關(guān)變壓器軟起動裝置工作原理圖
與自耦變壓器軟起動裝置相反，開關(guān)變壓器的高壓繞組接在電機的定子側(cè)，低壓繞組接晶閘管，通過低壓側(cè)晶閘管的通斷，來控制開關(guān)變壓器高壓側(cè)的阻抗，等效控制了加到電機上的電壓。通過改變晶閘管的導(dǎo)通角，開關(guān)變壓器軟起動裝置可以獲得連續(xù)可調(diào)的、較寬的電壓變化范圍。
開關(guān)變壓器軟起動裝置利用變壓器實現(xiàn)高低壓隔離和降壓作用，避免了一直讓國內(nèi)廠商棘手的晶閘管串聯(lián)應(yīng)用問題，但付出的代價也是昂貴的:一套滿足起動容量的變壓器加一套等容量的電力電子裝置，雖然晶閘管的工作電壓降低了，但其通過的電流卻同比放大了。
6 晶閘管移相調(diào)壓軟起動裝置
晶閘管移相調(diào)壓軟起動裝置即人們常說的固態(tài)軟起動，在低壓領(lǐng)域因其技術(shù)可靠和優(yōu)異的性能而得到廣泛的應(yīng)用。但在3kv及以上的中、高壓電機的起動應(yīng)用中，因為晶閘管器件的電壓水平不夠而必須面臨串聯(lián)應(yīng)用，被許多的國內(nèi)廠商視為畏途。
近年來,國內(nèi)廠商在svc領(lǐng)域也取得了突破,在鋼鐵領(lǐng)域的許多招標中取代了進口產(chǎn)品。單就可靠性要求而言，hvdc和svc比軟起動裝置的要求高得多。因此晶閘管軟起動裝置在高壓電機軟起動中的應(yīng)用并沒有技術(shù)上的太大障礙。
近年來，我國在功率半導(dǎo)體器件—晶閘管的高壓化方面也取得突破，6.5kv和8.5kv的高壓晶閘管系列相繼商品化，使我國高壓晶閘管的串聯(lián)應(yīng)用技術(shù)達到國際水平。
2002年由株洲變流技術(shù)國家工程研究中心開發(fā)的6kv,2000kw晶閘管軟起動裝置在中原油田一次投運成功，其后有幾十臺高壓晶閘管軟起動裝置在鋼廠、煤礦、紙廠、水廠、化工廠投入運用。圖3為高壓晶閘管軟起動裝置工作原理圖。
圖3 高壓晶閘管軟起動裝置工作原理圖
高壓晶閘管軟起動裝置直接將晶閘管串入高壓電機的定子回路，通過移相控制加到電機上的電壓。用現(xiàn)代dsp控制器進行閉環(huán)控制，可以實現(xiàn)多種控制方式，具有自診斷和多種保護功能。由于晶閘管是控制器件和dsp控制器的強大功能，整個裝置的響應(yīng)速度在一個周波內(nèi)，可以作為電機的綜合保護器。
影響高壓晶閘管軟起動裝置推廣應(yīng)用的重要原因是目前其價格還比較高，雖然國產(chǎn)化后其價格已僅為進口同類產(chǎn)品的一半或更低，但比液阻等軟起動裝置要高出不少，一個重要的因數(shù)是目前的晶閘管元件價格較高，但隨著高壓晶閘管軟起動裝置的不斷推廣應(yīng)用，隨著晶閘管元件的應(yīng)用批量不斷增大及其產(chǎn)生成品率的不斷提高，其價格會處于不斷下降的趨勢。
7 變頻變壓的軟起動裝置
變頻器主要用于交流電機的調(diào)速應(yīng)用和有重載起動要求的場合。變頻器用于交流電機起動時，具有降壓起動方式所無法比擬的技術(shù)性能優(yōu)勢，但目前其價格是同功率晶閘管軟起動產(chǎn)品的3～5倍。在起動高壓特大容量交流同步電機的應(yīng)用中，象超過20mw的高爐風(fēng)機、抽水蓄能電站的抽水電機等，目前都無一例外地用上了國外著名公司—abb或西門子的自控式同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，甚至有的是用一拖二的方案。圖4為用于自控式同步電機起動的交—直—交變頻器原理圖。
圖4 自控式同步電機起動的交—直—交變頻器原理圖
圖4中變頻器為電流型，采用晶閘管做開關(guān)器件,利用同步電機的反電勢實現(xiàn)晶閘管的換流。在高壓電機起動的實際應(yīng)用中,采用的是高—低—高的方式,整流器側(cè)有降壓變壓器,降到2.9kv,逆變側(cè)用輸出變壓器將電壓升到電機電壓10kv。用該變頻器起動,電流沖擊小,起動力矩大,起動快,起動功率只需電機功率的約四分之一。
作為軟起動裝置的最高技術(shù)產(chǎn)品，國外的變頻軟起動不論是裝置容量還是可靠性，都比國內(nèi)的降壓軟起動產(chǎn)品有較大的優(yōu)勢。
8 結(jié)束語
據(jù)業(yè)內(nèi)有關(guān)專家估算，未來中國軟起動器的市場需求總量每年至少有10億元人民幣以上[1]，其中高壓軟起動約有3億元左右的市場需求。巨大的市場需求不斷促使新的廠家進入該領(lǐng)域，但由于我國在高壓軟起動技術(shù)領(lǐng)域缺乏統(tǒng)一的國家標準，也造成了多種技術(shù)方案和不同技術(shù)水平的產(chǎn)品同臺競技的局面，使用戶在應(yīng)用中難以適從。
雖然變流技術(shù)在其它各個工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但目前高壓軟起動市場約70%的市場份額被傳統(tǒng)的起動方式所占據(jù)[1]。從前面的介紹可以看到，變流技術(shù)的加入,使軟起動產(chǎn)品的技術(shù)性能不斷得到提升,也加快了我國軟起動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著現(xiàn)代變流技術(shù)的發(fā)展,隨著電力電子器件向更高電壓、更高功率方向發(fā)展和成本的更加降低,隨著企業(yè)對自動控制要求的不斷提高,可以預(yù)見,完全運用變流技術(shù)的軟起動產(chǎn)品,將在軟起動領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)起動方式而占據(jù)主導(dǎo)地位,將軟起動行業(yè)的技術(shù)水平推向一個更高的臺階。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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