电动机启动方法的分析与比较

随着我国工业化规模的不断扩大，大型动力设备应用的急剧增加，国产高压大容量电机曾一度供不应求。大型交流感应电机的大量应用，引起人们对其驱动调速问题的关注。对于没有调速要求的大型交流感应电机，启动这个令人棘手的问题，引起了人们更加广泛的注意。
交流感应电机通常采用三种启动方式：直接启动、（恒频）降压启动及变频变压启动。直接启动是直接给电机加额定电压，启动速度快，但危害大，主要表现在：
（1）对电网的冲击
直接启动时的启动电流可达额定电流的4～7倍，造成电网电压跌落，欠压保护可能动作，导致设备跳闸，使电机启动失败并影响其他用电设备的正常运行。
（2）对电机的冲击
过大的启动电流会使电机的绕组迅速发热，加速其绝缘老化，从而影响电机的电气命；直接启动产生的过大冲击转距往往使电动机转子笼条、端环断裂，定子端部绕组绝缘磨损、击穿或转轴扭曲等。
（3）对生产机械的冲击
突然的冲击转距往往易损伤与电动机相连的联轴节或传动齿轮，撕裂传动皮带；过大的冲击力会造成传动的其他设备非正常的磨耗和老化，影响设备精度，缩短其寿命；而直接启动过程中压力的突变可能对泵系统的管道、阀门造成损伤。
所有这些都会给设备的安全运行带来威胁，频繁启停更是如此，因而就研究产生了各种减小电动机启动冲击的方法，其中绝大多数都是采用基于降低电动机的初始端电压的软启动。 近年来，大型交流感应电机的大量应用，大大促进了软启动技术在我国的发展，多种技术应用于软启动领域，出现了许多新型的软启动产品，甚至有学者提出了“软启动学科”的概念。笔者试图通过介绍先后出现的应用不同技术的软启动产品，对其性能、技术特点进行比较，预测软启动技术的发展方向。
传统的降压启动法
1 定子串联电抗器降压启动法
在电机的定子回路中串联电抗器可限制定子的启动电流，相当于降低了加在电机定子上的电压。在电机启动结束后，再将电抗器切除。由于电机启动时的电磁转矩与电机定子上所加电压的平方成正比，电抗器的电感值不能选得太大，必须使电机的启动转矩大于负载转矩，同时还需留有一定的余量，以免电网电压跌落以及其他扰动使电机启动失败。电机定子串联固定电抗器启动的方法适应性差，且电抗器被切除时还存在二次的电流冲击和转矩冲击的危险，目前已很少使用。
2 自耦变压器降压启动法
自耦变压器的高压绕组与电网相接，低压绕组接电机，通过自耦变压器逐步升高加在电机上的电压，以限制电机的启动电流。与串联固定电抗器的启动方式相比，该方法可以调节电机上的初始启动电压，以适应不同的负载要求。同时，由于变压器的作用，流过电网的电流也被缩小了相同变比的倍数，进一步减小了对电网的冲击。但是，用于启动的高压自耦变压器是有级调节的（不能全程改变电压），在改变电压级别和切除自耦变压器时，仍存在对电机的二次冲击。另外，装置体积大，故障率较高，维护工作量大，目前应用的也不多了。
需要说明的是，低压电机原来普遍采用的星形—三角形变换启动方式，只适用于电机额定运行于三角形连接的场合，但高压电机通常额定运行于星形连接，因此星形—三角形变换的方法基本不用于高压电机的启动。
传统的启动方法除了在启动性能上离人们的要求存在差距之外，还需消耗大量的有色金属，因此已逐渐被近年来出现的新的启动方式所取代。
3液阻式降压启动法
液阻式降压启动方式是在电机定子回路内串联高压电阻，在启动过程中不断减小电阻值，启动完成后完全切除电阻。由于该电阻实质上是离子导电的电解液，因此可称为液阻。根据阻值调整方法的不同，派生了两种产品。
3．1 热变电阻软启动装置
热变电阻软启动装置由液体电阻箱、电极、柜体及相关控制电路组成。电解液为负温度特性。电阻值的改变是利用电机启动电流使电解液升温，其自身的电阻率降低来实现的。可以看到，虽然它可连续调节加在电机上的电压，但调节范围窄，液温达到 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启动过程匹配，对电阻箱的容积和配液量都有明确的要求。热变电阻对电机负载变化的适应性差，而环境温度的变化对热变电阻的阻值有较大影响，故难以实现连续多次启动。
3．2 液态软启动装置
液态软启动装置的电解液中有两个导电极板，即固定极板和动极板。伺服系统驱动动极板，通过改变两个导电极板在电解液中的距离来改变启动电阻值。其阻值的变化范围较热变电阻的大，可以使电机在2.5～3倍额定电流下启动。同时，通过测量电解液的温度改变极板的初始位置，可以校核启动电阻的初始值。该装置的温度适应性比热变电阻的要好，投入时，电机的电流呈阶跃上升，虽然冲击减小了，但存在。液阻的负温度系数特性同样使其难以适应连续启动的要求。
液阻式软启动装置的共同优点是不产生谐波，而共同的缺点是体积大，耗能，应用在一定程度上受限制。对于大型电机的一次启动，其消耗在电阻上的能量还是可观的。
4磁控软启动装置
软启动装置的一个发展趋势是利用成熟的电力电子技术和现代控制技术对传统的启动装置进行改进，磁控软启动装置就是一个很好的例子，它是从电抗器软启动发展而来的。其工作原理框图见图1
由图可见，电抗器改成了电感值可调的饱和电抗器，通过晶闸管控制饱和电抗器的直流励磁电流，改变饱和电抗器电感值，从而达到改变电机启动电流的目的。由于系统控制采用了现代可编程逻辑控制器（PLC），实现了电机启动电流的闭环控制，使电机可以恒流或按要求曲线启动，大大改善了软启动装置的启动性能。
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，为秒级，使整个系统的响应速度受到制约。电力电子器件功率放大倍数大，所需的控制功率很小，器件本身的功耗也不大，但受饱和电抗器的影响（其功率放大倍数约为20～50倍），系统仍需要较大的控制功率。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。
5 开关变压器软启动装置
开关变压器软启动装置是近年来出现的另一种利用晶闸管的开关特性连续调节变压器的输出电压、从而实现高压电机软启动的装置。图2是其工作原理图。
与自耦变压器软启动装置相反，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，等效控制了加在电机上的电压。通过改变晶闸管的导通角，可以获得连续可调的电压，其变化范围较宽。
开关变压器软启动装置利用变压器实现高低压隔离和降压，回避了一直让国内厂商棘手的晶闸管串联应用问题，但也付出了昂贵代价：需要一套满足启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。

6 晶闸管移相调压软启动装置
晶闸管移相调压软启动装置，即人们常说的固态软启动，在低压领域因其技术可靠和性能优越而得到广泛的应用。但在3kV及以上的中、高压电机的启动应用中，因为晶闸管器件的电压等级不如电机的高，必须串联应用，故不被多数国内厂商所接纳。
其实，晶闸管的串联应用技术在70年代即已成熟，最早应用于高压直流输电（HVDC）和静态无功补偿装置(SVC)。我国最早自主开发的针对高压直流输电的晶闸管移相调压软启动装置在80年代就用于浙江舟山的直流输电项目，串联的晶闸管多达192只，至今已有20多年的使用历史。近年来，国内厂商在SVC领域也取得了突破性进展，在钢铁领域的许多招标中取代了进口产品。对HVDC和SVC的可靠性要求比软启动装置的要高得多，因此高压电机采用晶闸管软启动装置在技术上没有太大障碍。
高压晶闸管软启动装置直接将晶闸管串入高压电机的定子回路，通过移相控制加在电机上的电压。用DSP控制器进行闭环控制，可以实现多种控制方式，具有自诊断和多种保护功能。
这是国外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，近年来在国内的保有量正在迅速增长。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以上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。