李俊杰

（益陽(yáng)市大東口（明山）電排管理站 益陽(yáng)市 413000）

在現(xiàn)代水利系統(tǒng)中，各種規(guī)格的高壓交流電動(dòng)機(jī)正普遍應(yīng)用，已成為水利系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?。?duì)于大功率交流電動(dòng)機(jī)而言，在工頻直接起動(dòng)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生5～7倍于電機(jī)額定電流，并且會(huì)維持10多秒時(shí)間。這一沖擊電流一方面會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降、繼電保護(hù)誤動(dòng)作、干擾同一母線上的其他設(shè)備正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)；另一方面，將降低電動(dòng)機(jī)和配電母線上高壓開(kāi)關(guān)的使用壽命。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50055-2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，即不能滿足 “頻繁起動(dòng)不宜低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%，不頻繁起動(dòng)時(shí)，不宜低于額定電壓的85%，配電母線上未接照明或其他對(duì)電壓波動(dòng)較敏感的負(fù)荷，不應(yīng)低于額定電壓的80%”，電動(dòng)機(jī)就要求采取降壓或其他適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)方式。

1 中小型電機(jī)的起動(dòng)方式

1.1 高壓鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式

（1）星-三角降壓起動(dòng)。凡定子繞組具有6個(gè)出線端子并以三角形接法作正常運(yùn)行的鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，可以采用星-三角起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的定子繞組星形連接，起動(dòng)力矩和起動(dòng)電流為原有起動(dòng)力矩和起動(dòng)電流的1/3，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，將電動(dòng)機(jī)定子繞組換接成正常的三角形連接。可適應(yīng)（6～10）kV高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

（2）自耦變壓器降壓起動(dòng)。定子串自耦變壓器降壓起動(dòng)，也稱為補(bǔ)償器起動(dòng)，通常用于起動(dòng)力矩要求較高的場(chǎng)合。采用自耦變壓器降壓起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，是可以調(diào)節(jié)起動(dòng)電流和起動(dòng)力矩。自耦變壓器上一般有3個(gè)抽頭，其電壓等級(jí)一般規(guī)定為40%、60%、80%，改變這3個(gè)抽頭的接線位置，便可調(diào)整起動(dòng)力矩?？捎酶邏赫婵战佑|器切換。起動(dòng)完畢則用另一個(gè)高壓真空接觸器切除自耦變壓器，把電機(jī)直接接入電網(wǎng)至正常運(yùn)行狀態(tài)。可適應(yīng)（6～10）kV高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

1.2 交流繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式

（1）轉(zhuǎn)子接入變阻器的起動(dòng)。繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用變阻器起動(dòng)時(shí)，首先是將變阻器全部電阻接入轉(zhuǎn)子繞組電路中，轉(zhuǎn)子串入電阻后，起動(dòng)電流減小，但轉(zhuǎn)子電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相角也減小，電流的有功分量增加，因此，在一定范圍內(nèi)能使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增加。待轉(zhuǎn)速升高后，再一級(jí)一級(jí)將電阻切出。起動(dòng)完畢，將全部電阻切除，而使轉(zhuǎn)子繞組中的變阻器短接。

（2）轉(zhuǎn)子接入頻敏變阻器的起動(dòng)。交流繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)接頻敏變阻器起動(dòng)，是將頻敏變阻器接入轉(zhuǎn)子回路，以降低起動(dòng)電流的起動(dòng)方式。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大可帶負(fù)載起動(dòng)。

頻敏電阻器是一種無(wú)觸點(diǎn)的電磁元件，相當(dāng)于一個(gè)鐵芯很大、損耗特大的等值阻抗。它的阻抗是隨著通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的頻率變化而改變，由于轉(zhuǎn)子電流、頻率與轉(zhuǎn)差率成正比。電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)差率較大，轉(zhuǎn)子電流頻率也大，相應(yīng)頻敏變阻器阻抗亦大，故能限制轉(zhuǎn)子起動(dòng)電流。隨著轉(zhuǎn)子速度不斷升高，即轉(zhuǎn)差率逐漸減小，轉(zhuǎn)子電流頻率也逐漸下降，頻敏變阻器的阻抗也逐漸減?。╢2=S×f1，式中f2:轉(zhuǎn)子電流頻率，f1:定子電流頻率50Hz，S:轉(zhuǎn)差率）。采用頻敏變阻器能實(shí)現(xiàn)無(wú)極起動(dòng)。有接近于恒力矩的起動(dòng)特性，其元件靜止，很少維護(hù)。控制原理見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子串頻敏變組器起動(dòng)系統(tǒng)圖

圖1中電機(jī)起動(dòng)時(shí)：高壓配電室開(kāi)關(guān)柜送電，電機(jī)定子受電則電機(jī)起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子回路中的中壓接觸器KM打開(kāi)，則頻敏變阻器BP接入轉(zhuǎn)子回路，以限制起動(dòng)電流。起動(dòng)（6～8）s左右可自動(dòng)投入KM中壓接觸器，切除頻敏變阻器，則電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，可適應(yīng)（6～10）kV高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

2 大型高壓交流同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式

2.1 定子串水阻軟起動(dòng)

液體電阻起動(dòng)與傳統(tǒng)定子串電阻起動(dòng)相似。它在電機(jī)的定子回路串入液體電阻，通過(guò)改變極板的距離，相應(yīng)地改變極板間的液體電阻，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極降壓起動(dòng)。速度均勻上升、平穩(wěn)起動(dòng)?？刂圃硪?jiàn)圖2。

圖2 定子串水電阻起動(dòng)系統(tǒng)圖

圖2中起動(dòng)時(shí)高壓配電室開(kāi)關(guān)柜送電，高壓起動(dòng)柜內(nèi)高壓真空接觸器KM1合，KM2斷開(kāi)水電阻R接入，以限制起動(dòng)電流，（6～8）s后KM2合，KM1斷開(kāi)進(jìn)入電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)。由于控制方便，液阻容量大，價(jià)格低廉，不產(chǎn)生高次諧波和能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。液體電阻軟起動(dòng)器得到了廣泛的應(yīng)用。但是，對(duì)于大容量電機(jī)，每次起動(dòng)后電解液會(huì)有(10～ 30)℃的溫升，使軟起動(dòng)的重復(fù)性差。同時(shí)，液體電阻箱需正常添加液體以保持液位。

2.2 串固態(tài)晶閘管軟起動(dòng)

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，晶閘管軟起動(dòng)器的性能越來(lái)越優(yōu)越，不僅有效解決了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊問(wèn)題，還具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以根據(jù)負(fù)載變化調(diào)整起動(dòng)參數(shù)，從而達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

固態(tài)軟起動(dòng)一般有下列幾種起動(dòng)方式：①斜坡升壓軟起動(dòng)；②斜坡恒流軟起動(dòng)；③階段起動(dòng)；④脈沖沖擊起動(dòng)；⑤電壓雙斜坡起動(dòng)；⑥限流起動(dòng)（起動(dòng)電流限制可設(shè)定）。晶閘管軟起動(dòng)器常采用如圖3所示三相交流調(diào)壓電路。

圖3 定子串固態(tài)軟起動(dòng)系統(tǒng)圖

圖3中在三相電源和電機(jī)之間接入三對(duì)反并聯(lián)晶閘管VD調(diào)壓電路，通過(guò)改變晶閘管VD的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)輸出電壓，使電機(jī)的起動(dòng)電流平穩(wěn)上升，減少對(duì)電流的沖擊。起動(dòng)時(shí)，高壓配電室開(kāi)關(guān)柜送電，晶閘管VD受電，KM打開(kāi)，通過(guò)改變反并聯(lián)晶閘管VD控制模式達(dá)到預(yù)期起動(dòng)要求。起動(dòng)完畢KM合上電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 靜止變頻器軟起動(dòng)

這種軟起動(dòng)方式是采用電力半導(dǎo)體功率器件，通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)頻率和電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)速的?，F(xiàn)在使用的高壓變頻器主要采用“交-直-交”式（VVVF變頻或矢量變頻控制），先把工頻交流電源經(jīng)過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源。通過(guò)功率器件的有序開(kāi)關(guān)，形成各種頻率和電壓的SVPWM電壓波形，施加于電機(jī)端。起動(dòng)過(guò)程中，頻率改變的同時(shí)，保證電機(jī)磁通近似不變，即電壓頻率之比為常數(shù)。起動(dòng)方式同樣也有若干種。比固態(tài)軟起動(dòng)器起動(dòng)方式更豐富，性能更好。其控制原理見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 定子串變頻器軟起動(dòng)系統(tǒng)圖

圖4中起動(dòng)時(shí)首先經(jīng)高壓配電室開(kāi)關(guān)柜把電源送至高壓變頻器，通過(guò)變頻器內(nèi)部各種參數(shù)的設(shè)置，達(dá)到優(yōu)良的起動(dòng)性能。起動(dòng)完畢，KM高壓真空接觸器吸合，同時(shí)高壓變頻器可退出，電機(jī)電源直接接入工頻運(yùn)行。高壓同步電機(jī)勵(lì)磁柜可綜合控制。

圖5為三相10kV進(jìn)10 kV出高壓變頻器各功能塊的控制方框圖。本柜有各種現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕。有監(jiān)視、顯示觸摸屏。并可進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和通訊。

2.4 軟起動(dòng)器比較

圖5 10kV高壓變頻器原理圖

采用軟起動(dòng)器可以控制電動(dòng)機(jī)電壓在起動(dòng)過(guò)程中逐漸升高，從而控制起動(dòng)電流，使電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)，機(jī)械和電應(yīng)力降至最小?？蛇m應(yīng)（6～10）kV高壓電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。水電阻、固態(tài)軟起動(dòng)器、變頻器三種軟起動(dòng)方式的對(duì)比如附表所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

各種起動(dòng)方式各有其自身優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)工況和工作需要進(jìn)行選擇。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，各種新技術(shù)的不斷推出，必將有各種性價(jià)比更優(yōu)越的元器件和起動(dòng)方式出現(xiàn)。

附表 三種軟起動(dòng)方式對(duì)比

[1]GB50055-2011.通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]王建華.電氣工程師手則（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.