高压电动机软起动技术

中高压电动机软启动装置哈尔滨九洲电气股份有限公司第一部分：高压软启动的基本原理

通过增加附加装置，减小对电机本身和电网的应力冲击，使电动机在从零升速至额定转速的起动过程更加平稳，这个过程叫电机软起动，这种附加装置叫电机软起动器（我们这里的电机均指交流电机）。软起动是相对直接起动而言的。什么样的电机可以直接起动？从某种角度来说，如果忽略直接起动对电机和负载的影响，只要电网容量足够大，任何电机都可以直接起动。那么为什么还要用软起动器？1、什么是交流电机软起动1、电网容量是有限的。当电动机直接起动时，起动电流为正常工作电流的5—7倍，此电流作用在有限容量电网的阻抗上就会产生压降，电网电压降低到一定程度就会影响电网上其它设备的正常工作，要解决此问题，一个办法是加大电网容量，但电网容量的加大不仅需要增加变压器容量，线路容量致使费用大大提高，在起动结束，电机正常运行时，电网的容量得不到充分的利用，同时加大的变压器的空载损耗也大大增加了，白白的浪费了很多电能。所以，改造项目需要对电机扩容，而原设计电网容量无法改变时。或新项目考虑到增加电网容量的成本，都要考虑用软起动器。２、电动机为什么需要软起动2、过大的启动电流和过小的启动转矩造成的危害无法忽略

普通异步电动机启动电流达到额定电流的5--7倍，而启动转矩只有额定转矩的0.4--1.6倍。它在电网条件（电机启动时的电网压降小于10%）和工艺条件（启动转矩满足）允许的情况下，可以直接启动。但过大的启动电流给电机和电网造成了极大的危害。当电机启动电流达到额定电流的6--7倍时，线圈发热量是电机在正常运行时的36--49倍，产生的电磁力同样达到了36--49倍。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条（特别是转子常利用趋肤效应现象，降低启动电流，转子铜条在启动时，表面的温度达到350℃以上）的使用寿命。所以，从保护电机的角度也应当使用软起动器。按照工作频率是否恒定，软起动装置可分为变频软起动和限流（降压）软起动。按照电机工作的电压等级，软起动装置可分为低压软起动和中（高）压软起动，即6KV与10KV软起动器。3、电机软起动装置的分类变频软起动是最为理想的软起动器，它是所有软起动器中唯一可以在额定电流内成功起动的软起动器。价格是制约其推广应用的主要因素。人们购置变频调速装置一般都是着眼于调速,只有在对起动电流有严格要求的场合才有可能应用。3.1变频软起动通过串入有限流作用的电力器件实现的软起动，叫做降压或限流软起动，是软起动中的一个主要类别。降压或限流软起动又可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的；后者的调节是连续的。传统的软起动均是有级的，如星角变换软起动，电抗器软起动等等。随着技术的进步，传统方式已基本被淘汰了。

3.2限流（降压）软起动现阶段在国内应用的软起动器基本都可以连续调节，主要有以下四种：a、以电解液限流的液阻软起动(水电阻）和热变电阻软起动；b、以开关变压器为限流器件的开关变压器方式的软起动；c、以磁饱和电抗器（SR）为限流器件的磁控软起动；d、以晶闸管（SCR）为限流器件的晶闸管软起动。

3.3现阶段在国内应用的软起动器类型

a、起动电流一定大于电机额定工作电流。降压软起动电流是电机额定电流的2～4倍（电流太小可能克服不了阻转矩）。在引起电网压降方面，软起动虽然比硬起动好，但对电网还是有冲击的。所需要的电流倍数仅仅与电机参数以及负载阻转矩有关，与降压软起动装置类型无关。b、适合空载或轻载的鼠笼电机起动。由于起动转矩与电流平方成正比，降压软起动在降低电流的同时也付出了起动转矩减小的代价，所以此类软起动适合与风机、水泵类平方转矩负载，其他类负载要看是否轻载起动，如球磨机，如带离合器在起动完成后再加载的就属于轻载起动，可以应用。一般来说，线绕电机的负载多为重载，不适合做降压软起动。4、电机降压软起动的特点c、起动性性能受多方面参数影响如：电动机容量、电网容量、电网允许压降、飞轮惯量、负载惯量折算等等。在项目前期进行的起动性能计算（仿真计算）比变频软起动复杂得多。诸多参数只要有一项不准确，就可能影响计算结果的准确性，甚至得出相反的结果。软起动装置由一面柜组成，内含旁路接触器，如果是改造项目，用户有高压柜且一拖一，可只要起动柜，如一拖多，则配相应的旁路柜。5、可控硅方式软起动系统的组成由于电压斜坡控制是开环控制，因此斜坡上升率不能随系统自动调节，往往会使电流超出所希望的值，因此发展了电流限幅控制方式。电流限幅起动控制方式作为一种闭环控制方式，起动过程中需要不断的采样和调整电机电流，使之具有如图实线所示的起动电流曲线，电机电流由0迅速升至用户的设定值，然后保持这个电流直至起动结束。这种控制方式特别适用于恒转矩负载，可以设置电流上限，在电网容量有限的场合使电机以最小的起动电流快速起动。

6、电流限幅起动方式电流斜坡起动方式的电流波形如图所示。同样，初始电流为能使电机运转所需的最小电流。这种控制方式使电机电流按照设定的曲线逐步上升，直到达到设定的最大电流值，然后保持直到起动完成。电流斜坡的斜率同样也可以设置成多段，也可以加突跳电流。

这种控制方式是电流斜坡控制方式的扩展，特别适用于风机、水泵类负载。风机、水泵类负载具有平方转矩特性，起动初始所需转矩很小，随着转速上升，所需转矩近似成平方关系增加。因此，起动初始宜施加小的起动电流，随着转速的上升，起动电流也随之上升，这样有利于负载平稳的起动，同时也使电机较少的发热。

7、电流斜坡起动方式电压斜坡启动：用该方式起动电机时，软起动器的电压快速升至U1，然后在设定的时间t内逐渐上升，电机随着电压的上升不断加速，达到额定电压和额定转速时，起动过程完成8、电压斜坡启动有一些负载，在静止状态下有比较大的静阻力矩，在电机起动初始需要很大的转矩使电机转起来，当电机一旦转起来，阻力矩反而减小了。针对这种负载，在电压斜坡起动的初始阶段，可以加上一个短时的高电压UK(其值和时间可以设置)以克服初始阻力矩，这就是所谓的电压突跳起动控制方式,9、电压突跳起动控制方式软停车：在该方式下停止电机时，电机的输出电压由额定电压在设定的软停时间内逐步降低至零，停车过程完成。该方式常用于水泵负载，它成功地解决了传统停车过程中的“水锤”现象(即瞬间停机引起流体原来状态的剧烈变化，造成流体对管道的冲击)。10、软停车感应电机在不同电压下的机械特性曲线如图1中1、2、3、4和5曲线，图1中P1为恒转矩负载特性曲线，P2为平方转矩负载特性曲线，虚线为电动机起动曲线。可以看出，宜选取e点所对应的电压作为起始电压，这样，既保证了足够的起始转矩，而且由于起始电压较小，有效的限制了起动电流。随着转速的提高，转子等效阻抗不断变大，端电压可以由一个较低的初始电压逐渐的提高，完全可以将定子电流控制在一个较小的范围内。11、电动机启动转矩特性曲线第二部分：软起动的与比较水电阻式软起动：水电阻软起动是在电机的定子或转子回路中串入液体电阻的起动方式。该装置在电解液中有两个导电极板:一个固定极板和一个动极板。有一套伺服机构驱动动极板，通过改变两个导电极板在电解液中的距离而改变起动电阻值。其电阻值的变化范围较热变电阻要大，可以使电机在2.5～3倍额定电流下起动，同时通过测量电解液的温度改变极板的初始位置可以校核起动电阻初始值，比热变电阻的温度适应性要强。但其投入时电机的电流是阶跃上升的，虽然减小了冲击，但冲击仍存在。液阻的负温度系数特性同样使其对连续起动的要求适应性差。水电阻起动最大的优点就是：a、价格便宜。由于没有采用现代功率电子器件，而采用落后的机械调节极板距离的方式，技术含量低，所以售价相对较低。b、可以用于绕线电机。由于水电阻可串入绕线电机的转子回路，可以重载起动。c、液阻性软起动的共同优点是不产生谐波,1、水电阻软启动水电阻的缺点也是显而易见的：d、体积大。由于无法利用功率电子器件的开关控制特性，只能把电机起动时的电压降在水电阻的溶液中。如果起动一千千瓦的电动机，则起动过程中水电阻消耗的平均功率可达几百千瓦，如此大的功率最终转化为热量，需要很大体积的溶液箱承受此功率，占用了很大的空间。e、工程总造价水电阻式占地面积大，需要更大的配电室面积，在需要重新修建配电室的情况，工程总造价就上来了。f、水电阻还有寿命低、环境适应性差的缺点。由于存在需要机械调节的移动极板，降低了装置的可靠性。同时环境温度对其起动性能有很大影响，比如温度低于溶液的冰点致使溶液结冰，使装置无法使用等。g、无法频繁起动、不适合一拖多。初次起动后，如果要再次起动，就需等溶液温度降低，需要等待很长时间，否则溶液有可能因温度过高而大量汽化。同理如果系统设计成一拖多工作方式，如果水电阻功率按单台设计，电机就不可能依次起动，必须等待。如果水电阻功率按多台累加设计，则大大的增加了系统的成本和体积，价格上已无优势了。h、此外水电阻式存在水的蒸发问题、污染问题等，如果换水时间掌握不好可能会出现更大的问题，所以此类产品属于国家不建议推广产品，无法获得3C等认证。热变电阻软启动器：该装置由液体电阻箱、电极、柜体及相关控制电路组成。电阻值的改变是利用电机起动电流使电解液升温，而电解液的负温度特性使其自身的电阻率降低来达到的。它虽然实现了加到电机上电压的连续可调，但调节范围窄，液温达60℃后仍有40%～60%的电阻存在，在投入和切除时都有冲击。为使电阻的变化与电机的起动过程匹配,对电阻箱的容积和配液量都有确定的要求，因此热变电阻对电机负载的变化适应性不强，同时环境温度的变化对热变电阻的阻值有较大影响，难以实现连续多次起动。他的优缺点同液态电阻启动装置。

2、热变电阻软启动3、开关变压器方式的软起动开关变压器的高压绕组接在电机的定子侧，低压绕组接晶闸管，通过低压侧晶闸管的通断，来控制开关变压器高压侧的阻抗，等效控制了加到电机上的电压。通过改变晶闸管的导通角，开关变压器软起动装置可以获得连续可调的、较宽的电压变化范围。

开关变压器软起动装置利用变压器实现高低压隔离和降压作用，避免了一直让国内厂商棘手的晶闸管串联应用问题，但付出的代价也是昂贵的:一套满足起动容量的变压器加一套等容量的电力电子装置，虽然晶闸管的工作电压降低了，但其通过的电流却同比放大了。通过晶闸管控制饱和电抗器的直流励磁电流，来改变饱和电抗器电感值从而达到改变电机起动电流的目的。由于系统控制采用了PLC，实现了电机起动电流的闭环控制，使电机可以恒流或按要求的曲线起动，大大改善了软起动装置的起动性能。

电力电子器件及PLC本身的响应速度是很快的。可以达到周波级，但饱和电抗器具有较大的磁惯性，达到秒级，使整个系统的响应速度受到制约。同时电力电子器件具有极大的功率放大倍数,所需的控制功率极小,器件本身的功耗也很小,但饱和电抗器的功率放大倍数约为20～50倍,因而系统仍需要较大的控制功率。但是在该装置中电力电子器件的功率等级只需达到饱和电抗器的控制功率就够了。4、磁控软起动

5、可控硅串入方式软起动这是目前中高压领域广泛应用的起动方式，是国际上的主流起动方式也是我公司主推的软起动方式。它是应用了可控硅串联技术，通过光纤传输控制信号，控制可控硅串的同时导通和关断，从而控制电机的起动过程。可控硅方式软起动有诸多优点：a、体积小，重量轻。b、控制迅速，响应快。c、可频繁起动，d、可靠性高，起动成功率有保证。鉴于以上优点，可控硅方式软起动是除变频起动外，其它几种软起动中性能最优的起动方式。至于价格方面，由于此项技术门槛较高，以前此类产品均为进口，给人以高价的印象，随着半导体元件的价格降低和国内有实力的公司介入，价格已达到了人们可以接受的程度，而且从发展的角度看，半导体功率器件的技术越来越成熟，售价不断降低，而制造变压器、电抗器等金属材料的价格却在逐年提高，所以可控硅方式软起动必将取代其它几种方式软起动成为未来软起动的主流。a、可靠性高采用美国罗克韦尔的技术路线，经过多年的生产实践技术路线成熟，检测手段完善：静态自检、运行中动态检测。采用先进的晶闸管串联和先进的动态均压技术，使控制简单，调节方便，整机应用灵活，运行可靠。强弱电间隔离完善，系统强弱电间采用光纤隔离，避免了强弱电间的相互干扰，增强了系统工作的可靠性。b、性能指标高

采用双DSP控制系统及大规模门阵列CPLD线路实现控制高实时性的要求，大大提高了晶闸管控制的实时性，达到了控制的快速性。

高效率，本项目高压软启动器具有>96%的高效率