1 引言
隨著經濟發展，冶金、煤炭、化工等產業規模化和單機容量的不斷增大，高壓(3~10kv)大功率電機在工業生產中的比重越來越大，而電力系統的容量未同比增加，能否成功解決好大容量電機的起動問題直接關係到電網穩定、電機的使用壽命及經濟執行，高壓電機軟起動這一課題也就因此而生。
低壓電機軟起動技術已經十分成熟，而中高壓電機的軟起動由於電力電子元件的限制，發展的速度就顯得十分緩慢，在當前使用的起動方法中，有不少方法自稱為「軟起動」，但什麼是真正意義的高壓電機軟起動目前還沒有乙個統一的規定，為此筆者提出一下幾點淺薄見解，拋磚引玉以方便各行業人士對高壓電機軟起動裝置做出更合理的選擇。
高壓電機軟起動這一概念是由低壓電動機引申過來的。低壓電動機軟起動裝置是利用閘流體來實現三相交流調壓，使電動機電壓和電流全範圍可調，完全區別於傳統的起動方法，高壓電動機軟起動也應該遵循這一原則，即:軟起動應該作到對電動機及及機械的傷害降到接近於零值;電壓和電流的調節應該作到全範圍連續可調並能使起動電流最大值降到最低;對電網無衝擊;控制精度的重複性應達到100%。
基於此，筆者將當前的起動方法分為三種:
(1) 直接起動;
(2) 減壓起動;
(3) 軟起動。
2 全壓直接起動及其危害
(1) 電動機直接全壓起動時, 過大的起動電流(5~7in)會**路上產生較大的壓降，使電網電壓波動很大，影響併聯在電網上的其它裝置的正常執行，一般的要求是經常起動的電動機引起的電網電壓變化不大於10%，偶爾起動的電動機引起的電網電壓變化不大於15%。還可以按電源的情況來決定是否允許電動機直接起動，如附表所示:
(2) 直接全壓起動的危害性主要有如下幾點:
(a) 普通鼠籠式電動機在空載全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的5-7倍。當電動機容量相對較大時，該起動電流將引起電網電壓急劇下降，電壓頻率也發生變化，這會破壞同電網其它裝置的正常執行，甚至會引起電網失去穩定，造成更大的事故;
(b) 電動機直接全壓起動時的大電流在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產生很大的衝擊力，會破壞繞組絕緣和造成鼠籠條斷裂，引起電機故障，大電流還會產生大量的焦耳熱，損傷繞組絕緣，減少電機壽命;
(c) 電動機直接全壓起動時的起動轉矩約為額定轉矩的2倍，對於齒輪傳動裝置來說，很大的衝擊力會使齒輪磨損加快甚至破碎;對於皮帶傳動裝置來說，加大了皮帶磨損甚至拉斷皮帶。對於水幫浦類負荷來說，電動機全壓起動時，水流會在很短的時間內達到全速，在遇到管路拐彎時，高速的水流衝擊到管壁上，產生很大的衝擊力，形成水錘效應，會破壞管道。如果水幫浦前面的管路比較長，當水幫浦電機突然停止時，高速的水流會衝擊到水幫浦的葉輪上，產生很大的衝擊力，會使葉輪變形或損壞。
直接起動時電機速度上公升很快，潤滑油往往不能及時到位，會引起軸承幹磨，降低其使用壽命;
(d) 電動機在起動時, 會產生短時間的諧波電流, 使電網的諧波大量增加。電網諧波含量的增加，將導致電氣裝置壽命縮短，網損加大，系統發生諧波諧振的可能性增加。同時，還可能引起繼電保護和自動裝置誤動，儀表指示和電度計量不准以及通訊受干擾等一系列問題;
(e) 直接全壓起動還會在高壓開關關合時產生陡度很大的操作過電壓，使定子繞組上電壓分布不均勻，對其絕緣造成極大的傷害。許多電機的自身故障都是由於絕緣受到傷害而引起的。
以上各點都會使裝置增加停工台時，影響生產的正常進行，增加維修費用。綜合考慮，在經濟條件允許的情況下應盡量避免採用電動機的直接起動方式，以保證電網的供電質量。在這種情況下高壓電動機的軟起動作為乙個重要的課題被提出來。
3 減壓起動及其優缺點
3.1 定子迴路串電抗器減壓起動
串電抗器後，起動電流成正比減小，起動轉矩則成平方關係地減小，因此電抗器阻值的選擇必須依據電機起動時阻力矩的情況，只有起動轉矩大於阻力矩電機才能順利起動。如圖1所示起動時先合上3q再合上1km電機即串入電抗起動，待起動完成後合上2km開啟1km，切除電抗器，電機進入全壓執行。
圖1 定子迴路串電抗器減壓起動
串電抗器起動時，串入電抗器之前電機速度為零，故這時要求的im較大，這就要求串入電抗器後電機的端電壓不能太小，一般選擇在0.7un左右，其起動電流也在直接全壓起動電流的0.7倍左右。
選用電抗器時便會陷入這樣的矛盾之中:為了減小起動電流總希望電抗值大一些, 但這樣又容易造成起動失敗，尤其是當電網電壓不穩定和負載狀況經常變化時;為了保證起動的成功率, 電抗值就要小一些, 但這樣起動電流又偏大，所以電抗器適於電網電壓和負載(起動時)比較穩定的情況。
串聯電抗器起動為有級降壓起動, 起動過程中轉矩會有二次突變, 仍會產生較大的機械衝擊, 對機械及電機仍會有損傷，只是程度有所降低;對電網的影響也未達到最低。
在操作過電壓方面，由於初始電壓為0.7un左右，操作過電壓的機率也隨之降低一些，但由於高頻振盪疊加的隨機性，操作過電壓的幅值並不會降低。
3.2 自耦變壓器減壓起動
自耦變壓器降壓起動時接線如圖2所示。起動時先合3q，再合1km，電動機的定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上降壓起動。當轉速上公升到接近穩定時，合2km，斷1km，將自耦變壓器切除，電機進入全壓執行狀態，起動結束。
圖2 自耦變壓器減壓起動
與電抗器降壓起動相比,在獲得同樣起動轉矩的情況下,自耦變壓器式降壓起動需電網提供的起動電流較小,對電網電壓的影響小,適合於阻力矩比較大的情況,以及電網短路容量較小的情況.這是它優於串電抗器起動的地方。
自耦變壓器減壓起動的主要缺點是在開關切換的過程中,仍然有較大的轉矩突變,對電動機及機械裝置仍有較大的傷害,操作過電壓方面與電抗器的情況一樣。
3.3 液阻起動方法
可變電阻一般由水和電解質組成，利用極板的移動或通電後水溫的變化來達到調壓電阻的變化，前者簡稱「液態式」，後者簡稱「熱變式」。我們暫且統稱之為水電阻式。
可變電阻式減壓起動為能量損耗性減壓起動，起動時把大量的能量消耗在水電阻上，然後逐漸向電動機轉移能量，使電動機公升速。當起動時電液阻的功耗非常大致使極板附近的水迅速汽化，形成高阻值的汽化電阻，它是水電阻的主要成分。
水電阻減壓起動的上述特點決定它有如下的主要弱點:
(1) 由於起動電流的設定值是由汽化電阻決定的, 因此在水汽化之前的很短時間內水電阻很小，這時的電流會遠大於設定值,在電網容量不是很大的情況下,此大電流會使電網電壓急劇下降,影響其他裝置的正常執行，失去減壓起動的意義;
(2) 汽化電阻與許多因素有關，如環境溫度、極板情況、電源狀況等，因此起動電流的控制精度很差，變化範圍大;
(3) 起動時產生的熱量使水公升溫，要再次起動則須等水降溫後方可，因此對連續起動的次數是有限制的，電動機越大越不允許連續起動;
(4) 水電阻減壓起動時, 有時會發生汽化電阻太大, 起動電流不能跨過門檻值的情況而造成起動失敗(尤其是熱變電阻式)。這也是水電阻式的起動電流設定值不能較小的原因;
(5) 水電阻減壓起動時, 常常把水電阻接在電機的星點處，開關關合時，全電壓加在電動機繞組的首端，產生操作過電壓的情況與全壓直接起動的情況是一樣的，會對電動機的絕緣造成很大的傷害;
(6) 水電阻減壓起動時，起動電流設定值一般在3in以上，電機端電壓在0.6un左右，仍會產生較大的轉矩衝擊，對電動機和機械裝置都會造成較大的傷害;
(7) 水電阻減壓起動時, 因一開始便有較大的電流值，因此電動機仍有較大的加速度，在潤滑油尚未到位的情況下電動機有較高的速度，仍會形成幹磨，影響軸承壽命。與低壓電動機軟起動技術的效能相比，水電阻的弱點似乎偏多了些，如果把它稱之為軟起動實在是有些不妥，故暫稱之為改進型減壓起動方法。
3.4 可變電感減壓起動方法(磁控)
該技術源於磁放大器技術。在30年前，在無功補償領域中，磁放大器曾一度處於領先地位但現在以處於衰敗的地位。
可變電感一般由飽和電抗器構成，通過調節控制繞組中直流電流的大小改變鐵心的飽和度，從而改變電抗值的大小，原理如圖3所示。
圖3 可變電感減壓起動方法
與水電阻相比，該起動方法前進了一步，即可控性較好，重複精度較好。但它尚有如下弱點:
(1) 起動電流仍然偏大, 一般在3in以上，與電抗器相比電流降低得不多，只是恆流效能較好，能保證起動的成功率，但對電網仍有較大的衝擊，對電機及機械仍有轉矩衝擊;
(2) 飽和電抗器一般也接在電動機星點處, 開關關合時，全電壓加在電動機繞組的首端，產生操作過電壓情況與全壓直接起動的情況是一樣的，會對電動機絕緣造成很大的傷害。如果飽和電抗器接於電動機與電源之間，由於初加電壓有所降低(一般在0.6un左右)，產生過電壓的機率會少一些，但由於高頻振盪電壓的隨機性，過電壓的幅值並不會降低多少，對電動機仍有傷害;
飽和電抗器減壓起動方法是從傳統的電抗器減壓起動衍生出來的，效能有所提高，但尚有較多的弱點，達不到低壓電動機軟起動的水平，因此只能稱之為改進型的減壓起動方式。如果能把電抗值的調節範圍做大，使起動時的電動機電壓和電流都能從零(或很小的乙個值)起調，再把它放在電源側，則會克服上述弱點，稱之為軟起動也便當之無愧了。
4 軟起動方法及其優缺點
4.1 高壓(3～10kv)變頻器作為軟起動裝置
變頻器主要是用在交流電動機調速上，具有明顯的節能效果，特大型電動機(10000kw以上)由於以前找不到合適的軟起動裝置，故多選用變頻器來做軟起動裝置。
用變頻器做軟起動裝置其效能是非常理想的，它的電壓和頻率都能連續從零起調，保持電動機有較小的轉差率，因此可以做到無過流，起動力矩大，具有很好的起動效能，但它也有如下弱點:
(1) 變頻技術還處於發展階段, 開關器件的開關損耗還比較大, 所以可靠性還比較低, 故障率比較高, 屬於可維修性裝置。變頻器電路複雜, 對維修技術水平要求高, 往往由於技術跟不上(圖紙資料不全)而造成停工時間很長, 影響生產;
(2) **特別昂貴, 而且後續的備件費用也非常高;
(3) 變頻器輸出電壓中高次諧波的含量大, 對電動機的傷害大，在調速應用時要使用特殊設計的變頻電動機就是這個原因。
隨著變頻技術的進步及**的降低，變頻器作為軟起動裝置的應用也會越來越多。
4.2 閘流體串聯式軟起動裝置
該方式的電路形式是直接由低壓軟起動電路演變過來的，由於電源電壓高，單隻閘流體不能滿足其耐壓要求，故選用多隻閘流體串聯。這種裝置的起動效能能達到全方位的軟起動效能，即電壓、電流都能從零起連續可調，能完全免除對電網的衝擊和對電動機及機械裝置的衝擊，控制靈活，重複精度高。
由於技術上的原因，該方式尚存在如下弱點:
(1) 由於採用可控矽串聯，因此對元件特性引數的一致性要求很高，不容易得到保證，元件在使用一段時間後特性引數還會發生變化，使均壓效能變差，很容易造成整串元件的損壞，致使該裝置的可靠性比較低;
(2) 諧波比較大;
(3) 另外該裝置的**也比較高, 後續的備件費用也高,故該裝置在國內應用的還比較少。
4.3 開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置
哈爾濱帕特爾科技****最近研製成功一種能實現高壓電動機軟起動的新技術-開關變壓器技術(專利技術)，這一技術使高壓電動機軟起動裝置成為一種可靠性非常高的裝置，最大容量可以做到50000kw以上，而且**低，原裝置改造方便，原理如圖4。
圖4 開關電壓器軟起動
開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置是用開關變壓器來隔離高壓和低壓，開關變壓器的低壓繞組與閘流體和控制系統相連，通過改變其低壓繞組上的電壓來改變高壓繞組上的電壓，從而達到改變電動機端電壓的目的，以實現電動機的軟起動。其特點如下:
(1) 電壓和電流能從零起連續可調, 對電動機無操作過電壓傷害，無轉矩衝擊，對電網無衝擊; 轉速慢慢上公升，有利於潤滑，能延長電動機及機械裝置的使用壽命; 高壓開關合閘時電流(或電壓)為零，能顯著提高開關壽命。
(2) 控制靈活, 重複精度高。
(3) 在起動過程中, 能在額定電流以內給電動機以充分加速。因此，能最大限度的降低起動電流最大值，最大值保持時間短。
(4) 開關變壓器是一種高可靠性裝置; 低壓側電壓低，不須採用閘流體串聯;閘流體的控制技術很成熟，因此該裝置為高可靠性裝置。
(6) 該裝置本身功耗很小, 可以連續起動, 可以一拖多(容量可不同)。
(7) 開關變壓器具有很大的電感值，閘流體產生的高次諧波大部分加在它上面，加到電源和電動機上的高次諧波很少。
5 結束語
高壓電機都承擔著工礦企業重點大型裝置的正常運轉任務，能否保證其安全、可靠、長壽命的執行直接關係著工礦企業產品生產的連續高效性，所以正確合理的選擇軟起動裝置也就顯得格外重要。
全壓直接起動對電網影響較大，對電機及機械裝置都非常不利，減壓起動與直接起動相比效能有所改善，而只有軟起動裝置各項技術指標可達最佳效果，而市場中產品眾多，效能也不盡相同，為此筆者提出了以上粗淺的看法，希望能夠引起也內專家注意促進這一課題盡快的完善起來。
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