1 概述

　　随着经济的发展，许多行业的规模越来越大，使用中压电动机的数量也越来越多，单机容量越来越大。
　　中、大容量电动机的起动一直是人们关心的一个课题，如果全压直接起动，过大的起动电流将引起电网电压较大的波动，影响其他设备的正常运转；很大的起动转矩会对电动机本身及其所带机械设备造成损伤等等。因此人们不断的研制各种起动方法来克服直接起动带来的诸多弊端。
　　在当前使用的诸多起动方法中，有不少方法称之为“软起动”，但是什么是真正的意义的“软起动”?软起动的益处有哪些?目前尚未见到统一的规定，笔者认为对软起动应该有一个统一的认识，以方便使用者对起动装置作出正确的选择，在这里笔者提出几点粗浅的认识以作为引玉之砖，以使软起动这一概念尽快完善起来。
　　软起动这一概念是由低压电动机引申过来的。低压电动机软起动装置是利用晶闸管来实现三相交流调压，使电动机电压和电流全范围可调，完全区别于传统的起动方法，中压电动机软起动也应该遵循这一原则，即:软起动应该作到对电动机及及机械的伤害降到接近于零值；电压和电流的调节应该作到全范围连续可调并能使起动电流最大值降到最低;对电网无冲击;控制精度的重复性应达到100％。基于此，笔者认为当前应用的起动方法可分为三类：传统起动方法、改进型减压起动方法及软起动方法。

2 传统起动方法

2.1 全压直接起动
　　全压直接起动有许多危害性，软起动应该对这些危害性都有很大的改善，所以让我们先来了解一下全压直接起动的各种危害性。
　　全压直接起动的危害性主要有如下几点。
　　(1)普通鼠笼式电动机在空载全压起动时，起动电流会达到额定电流的5～7倍。当电动机容量相对较大时，该起动电流会引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会影响同电网其它设备的正常运转，甚至会引起电网失去稳定，造成重大事故。
　　(2)电动机直接全压起动时的大电流在电动机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和使鼠笼条断裂，引起电动机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损坏绕组绝缘和缩短电动机寿命。
　　(3)电动机直接全压启动时的启动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎；对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。对于水泵类负荷来说，电动机全压启动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。直接起动时电机速度上升很快，润滑油往往不能及时到位，会引起轴承干磨，降低其使用寿命。
　　(4)电动机在起动时，会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。同时，还可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。
　　(5)直接全压起动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压(具有关资料介绍操作过电压可达额定电压的5倍以上)，使定子绕组上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大的伤害。许多电机的自身故障都是由于绝缘受到伤害而引起的。
　　以上各点都会使设备增加停工台时，影响生产的正常进行，增加维修费用。
2.2 定子回路串电抗器减压起动
　　串电抗器后，起动电流成正比减小，起动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机起动时阻力矩的情况，只有起动转矩大于阻力矩电机才能顺利起动。
　　由调压软起动的试验可知，电机在达到80％额定转速附近时，有一个起动电流的最大值IM，该值和电机的负载情况及加速过程有关，一般在1.5IN～3.5IN之间变化，如果电机在起动时不能垮过该门坎值IM，则电机将达不到额定转速而长时间停在某一速度上，造成起动失败。
　　串电抗器起动时，串入电抗器之前电机速度为零，故这时要求的IM较大，这就要求串入电抗器后电机的端电压不能太小，一般选择在0.7UN左右，其起动电流也在直接全压起动电流的0.7倍左右。
　　选用电抗器时便会陷入这样的矛盾之中：为了减小起动电流总希望电抗值大一些，但这样又容易造成起动失败，尤其是当电网电压不稳定和负载状况经常变化时；为了保证起动的成功率，电抗值就要小一些，但这样起动电流又偏大，所以电抗器适于电网电压和负载(起动时)比较稳定的情况。
　　串联电抗器起动为有级降压起动，起动过程中转矩会有二次突变，仍会产生较大的机械冲击，对机械及电机仍会有损伤，只是程度有所降低；对电网的影响也未达到最低。
　　在操作过电压方面，由于初始电压为0.7UN左右，操作过电压的几率也随之降低一些，但由于高频振荡叠加的随机性，操作过电压的幅值并不会降低。
2.3 自耦变压器减压起动
　　与电抗器降压起动相比，在获得同样起动转矩的情况下，自耦变压器式降压起动需电网提供的起动电流较小，对电网电压的影响小，适合于阻力矩比较大的情况，以及电网短路容量较小的情况，这是它优于电抗器的地方。
　　自耦变压器减压起动的主要缺点是在开关切换的过程中，仍然有较大的转矩突变，对电动机及机械设备仍有较大的伤害，操作过电压方面与电抗器的情况一样。

3 改进型减压起动

　　改进型减压起动方法的主接线如图1所示，在电动机D定子绕组的前端或星点端串入可变阻抗Z，Z的变化范围一般不大。可变阻抗的目的是为了避免出现起动失败的情况，这也是将其称之为改进型的原因。
　　阻抗Z常见有两种形式:可变电阻R和可变电感L。
3.1 可变电阻式减压起动方法
　　可变电阻一般由水和电解质组成，利用极板的移动或通电后水温的变化来达到电阻的变化，前者简称“液态式”，后者简称“热变式”。我们暂且统称之为水电阻式。
　　可变电阻式减压起动为能量损耗性减压起动，起动时把大量的能量消耗在水电阻上，然后逐渐向电动机转移能量，使电动机升速。
　　由电机学可知，起动电流与加在电动机两端的电压成正比。假定电动机全压起动时的起动电流为5IN，如果现在要从3IN来减压起动，则电动机的端电压UD=0.6U，因为电动机在起动时的功率因数很小(仅0．2左右)故可近似认为UDX=UD=0.6U，这样我们就可计算出UR+UDR=O.8U，如图2所示。其中电动机电压的阻性分量UDR≤0.2U，可得UR≈0.6U，这时水电阻上消耗的功率PR=√3UR·3IN=1.8√3U·IN=1.8PN。

图1

　　就是说如果电动机为10000kW，则起动时水电阻上消耗的功率为18000kW。如此大的功率使极板附近的水迅速汽化，形成高阻值的汽化电阻，它是水电阻的主要成分。
水电阻减压起动的上述特点决定它有如下的主要弱点。
　　(1)由于起动电流的设定值是由汽化电阻决定的，因此在水汽化之前的很短时间内水电阻很小，这时的电流会远大于设定值，在电网容量不是很大的情况下，此大电流会使电网电压急剧下降，影响其他设备的正常运行，失去减压起动的意义。
　　(2)汽化电阻与许多因素有关，如环境温度、极板情况、电源状况等，因此起动电流的控制精度很差，变化范围大。
　　(3)起动时产生的热量使水升温，要再次起动则要等水降温后方可，因此对连续起动次数是有限制的，电动机越大越不允许连续起动。
　　(4)水电阻减压起动时，有时会发生汽化电阻太大，起动电流不能跨过门槛值的情况造成起动失败(尤其是热变电阻式)。这也是水电阻式的起动电流设定值不能较小的原因。
　　(5)水电阻减压起动时，常常把水电阻接在电机的星点处，开关关合时，全电压加在电动机绕组的首端，产生操作过电压的情况与全压直接起动的情况是一样的，会对电动机的绝缘造成很大的伤害。
　　(6)水电阻减压起动时，起动电流设定值一般在3IN以上，时机端电压在0.6UN左右，仍会产生较大的转矩冲击，对电动机和机械设备都会造成较大的伤害。
　　(7)水电阻减压起动时，因一开始便有较大的电流值，因此电动机仍有较大的加速度，在润滑油尚未到位的的情况下电动机有较高的速度，仍会形成干磨，影响轴承寿命。与低压电动机软起动技术的性能相比，水电阻的弱点似乎偏多了些，如果把它称之为软起动实在是有些不妥，故暂称之为改进型减压起动方法。
3.2 可变电感减压起动方法
　　可变电感一般由饱和电抗器构成，通过调节控制绕组中直流电流的大小改变铁心的饱和度，从而改变电抗值的大小。
　　与水电阻相比，该起动方法前进了一步，即可控性较好，重复精度较好。但它尚有如下弱点：
　　(1)起动电流仍然偏大，一般在3IN以上，与电抗器相比电流降低得不多，只是恒流性能较好，能保证起动的成功率，但对电网仍有较大的冲击，对电机及机械仍有转矩冲击；
　　(2)饱和电抗器一般也接在电动机星点处，开关关合时，全电压加在电动机绕组的首端，产生操作过电压情况与全压直接起动的情况是一样的，会对电动机绝缘造成很大的伤害。如果饱和电抗器接于电动机与电源之间，由于初加电压有所降低(一般在0.6UN左右)，产生过电压的几率会少一些，但由于高频振荡电压的随机性，过电压的幅值并不会降低多少，对电动机仍有伤害。
　　饱和电抗器减压起动方法是从传统的电抗器减压起动衍生出来的，性能有所提高，但尚有较多的弱点，达不到低压电动机软起动的水平，因此只能称之为改进型的减压起动方式。如果能把电抗值的调节范围做大，使起动时的电动机电压和电流都能从零(或很小的一个值)起调，再把它放在电源侧，则会克服上述弱点，称之为软起动也便当之无愧了。

4 软起动方法

图2

　　如上所述，软起动就是要在各方面都达到“软”的效果，纵观当前市场上的各种产品，只有三种产品可称之为中压电动机软起动装置。
4.1 中压(3～lOkV)变频器作为软起动装置
　　变频器主要是用在交流电动机调速上，具有明显的节能效果，特大型电动机(10000kW以上)由于以前找不到合适的软起动装置，故多选用变频器来做软起动装置。
　　用变频器做软起动装置其性能是非常理想的，它的电压和频率都能连续从零起调，保持电动机有较小的转差率，因此可以做到无过流，起动力矩也大，具有很好的起动性能，但它也有如下弱点。
　　变频技术还处于发展阶段，开关器件的开关损耗还比较大，所以可靠性还比较低，故障率比较高，属于可维修性设备。变频器电路原理复杂，对维修技术水平要求高，往往由于技术跟不上(图纸资料不全)而造成停工时间很长，影响生产。
价格特别昂贵，而且后续的备件费用也非常高。
　　变频器输出电压中、高次谐波的含量大，对电动机的伤害大，在调速应用时要使用特殊设计的变频电动机就是这个原因。
　　随着变频技术的进步及价格的降低，变频器作为软起动装置的应用也会越来越多。
4.2 晶闸管串联式软起动装置
　　该方式的电路形式是直接由低压软起动电路演变过来的，由于电源电压高，单只晶闸管不能满足其耐压要求，故选用多只晶闸管串联。这种装置的起动性能能达到全方位的软起动性能，即电压、电流都能从零起连续可调，能完全免除对电网的冲击和对电动机及机械设备的冲击，控制灵活，重复精度高。
　　由于技术上的原因，该方式尚存在如下弱点。
　　(1)由于采用晶闸管串联，因此对元件特性参数的一致性要求很高，不容易得到保证，元件在使用一段时间后特性参数还会发生变化，使均压性能变差，很容易造成整串元件的损坏，致使该装置的可靠性比较低。
　　(2)谐波比较大。
　　(3)另外该装置的价格也比较高，后续的备件费用也高，故该装置在国内应用的还比较少。
4.3 开关变压器式中压电动机软起动装置
　　哈尔滨帕特尔科技有限公司最近研制成功一种能实现中压电动机软起动的新技术一开关变压器技术(专利技术)，这一技术使中压电动机软起动装置成为一种可靠性非常高的设备，最大容量可以做到50000kW以上，而且价格低，原设备改造方便。
　　开关变压器式中压电动机软起动装置是用开关变压器来隔离高压和低压，开关变压器的低压绕组与晶闸管和控制系统相连，通过改变其低压绕组上的电压来改变高压绕组上的电压，从而达到改变电动机端电压的目的，以实现电动机的软起动。其特点如下。
　　(1)电压和电流能从零起连续可调，对电动机无操作过电压伤害，无转矩冲击，对电网无冲击；转速慢慢上升，有利于润滑，能延长电动机及机械设备的使用寿命；高压开关合闸时电流(或电压)为零，能显著提高开关寿命。
　　(2)控制灵活，重复精度高。
　　(3)在起动过程中，能在额定电流以内给电动机以充分加速，因此能最大限度的降低起动电流最大值，最大值保持时间短。
　　(4)开关变压器是一种高可靠性设备;低压侧电压低，不用采用晶闸管串联；晶闸管的控制技术很成熟，因此该装置为高可靠性设备。
　　(5)该装置本身功耗很小，可以连续起动，可以一拖多(容量可不同)。
　　(6)开关变压器具有很大的电感值，晶闸管产生的高次谐波大部分加在它上面，加到电源和电动机上的高次谐波很少。
　　该装置的综合性能优于用变频器起动的情况，而价格大大低于变频器，是当前市场上性／价比最高的软起动产品。

5 结束语

　　传统起动方法对电网的影响大，对电动机及机械设备有一定的伤害;改进型减压起动方法与传统起动方法相比有所改善；软起动的各项指标均可达到最佳水平，在选择软起动装置时，应考虑其综合效益，使系统的运行(维修)费用最低。当前市场上自称为软起动装置的产品非常多，性能参差不齐，给用户的选择带来许多不便，因此明确软起动的含义，辨明各种产品的性能具有非常重要的意义，笔者在这里提出了一些粗浅的看法，望业内专家也能来关注这一问题，使软起动技术不断完善进步。

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