中压（3～10KV）电动机启动方法的分析与比较

潘政刚¹     迟连道²      穆凯¹

摘要：本文分别对中压电动机传统的启动方法及近些年常用的几种软启动方法进行了原理性分析，在对这些启动方法的综合指标进行比较的基础上，指出了开关变压器技术应用于中压电动机软启动是目前启动方法中的首选方法。

关键词：中压电动机、全压直接启动、软启动、开关变压器技术

1、引言

交流电动机的启动一直是人们关注的一个课题，尤其是高压大容量交流电动机随着其用量的急剧增加，软启动问题就变得更加突出。

众所周知，普通鼠笼式电动机在空载全压直接启动时，启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，该启动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。

电动机全压启动时的大电流在定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。

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。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。

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。

中压（3－10KV）电动机的容量都比较大，一般都在200KW以上。近些年来，许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大，如在钢铁、化工行业，10000KW以上的电动机的使用已越来越多，以上问题也变得越来越严重，人们对其关注的程度也越来越高。

2、传统的启动方式

2.1直接全压启动

电动机直接全压启动时，过大的启动电流会在线路上产生较大的压降，使电网电压波动很大，影响并联在电网上的其它设备的正常运行，一般的要求是经常启动的电动机引起的电网电压变化不大于10%，偶尔启动的电动机引起的电网电压变化不大于15%。还可以按电源的情况来决定是否允许电动机直接启动，如表1所示：

表1：按电源容量确定电动机直接启动时的功率

电动机启动时会产生短时的冲击电流，如果将这种短时间的冲击电流按周期函数分解，它将包含短时间的谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流。

我们知道，用电负荷中电动机所占比例最大，在电气原动力中占90%，用电量占60%以上，数量如此巨大的电动机在启动时，都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。

直接全压启动还会在高压开关关合时产生陡度很大的 操作过电压，使定子绕祖上电压分布不均匀，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。

综合考虑，在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接启动方式，大家来保证电网的供电质量。在我国，当前在低压电机上采用软启动的方式已经很普遍，但在中压电机启动方面由于设备和技术的原因采用软启动方式还比较少。

2.2定子回路串电抗器减压启动

定子回路串电抗器减压启动方式如图1所示，启动时K₂闭合，电抗器与电机M串联接入电网，待电机转速接近额定转速之后，K₁闭合、K₂断开，将电抗器L切除，电机加速至额定转速运转。

设电动机串入电抗器启动时，它的端电压UL与直接启动时所加的额定电压U_N之比为K（K＜1），即       U_L=KU_N 。                        （1）

由于电动机阻抗Z_m一定，这时电动机的启动电流I_S将随电压成正比而降低，即：

                            （2）

式中  I_Sd ——直接全压启动时的电流                               

根据启动转矩公式，可知启动转矩T_S与所加电压的平方成正比，即

= =K²                                            （3）

或                    T_S=K²T_Sd                                                （4）

式中T_Sd ——直接启动时的启动转矩

由上述公式可见，串电抗器后，启动电流成比例减小，启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启动时阻力矩的情况，只有启动转矩大于阻力转矩时电机才能顺利启动。

串联电抗器启动为有级降压启动，在全压切换时转矩有跃变，会产生机械冲击。与直接全压启动相比，操作过电压的几率会小些。但由于高频振荡的随机性，大幅值的操作过电压还是有可能出现的。

2.3自耦变压器减压启动

如图2所示，启动时K₂、K₃闭合，电机降压启动，当电机转速接近于额定转速时K₂、K₃断开，K₁闭合，电机被加速至额定转速运行。

自耦变压器T一般都有几个抽头，启动电流和启动转矩可以靠改变抽头来调节，设自耦变压器二次电压与一次电压之比为K，则在启动时加在电动机上电压为:

U_L=KU_n                                             （5）

(5)式中Un ——电网电压。电动机的电流即自耦变压器的二次电流I₂为：

I₂= = =K =KI_Sd                                 （6）

(6)式中Z_m ——电动机启动时的阻抗

I_Sd ——电动机直接启动时的电流

由于电动机接在自耦变压器的二次侧，故电网供给的启动电流I_S即是自耦变压器的一次电流I₁，于是有：                    I_S=I₁=KI₂=K²I_Sd                                     （7）

由此可见，当用自耦变压器减压启动时，起动电流只有直接启动时的K²倍。同样由于转矩和电压的平方成正比，起动转矩也只有直接启动时的K²倍，即：

T_S= K²I_Sd                                                (8)

与电抗器降压启动相比，在获得同样启动转矩的情况下，自耦变压器式降压启动的启动电流较小，适合于阻力矩比较大的情况。

自耦变压器减压启动的主要缺点是在开关切换的过程中，电动机有短时断电的情况，这会造成大电流冲击和转矩突变。

在开关切换时，不能先合K₁后断K₂、K₃，这样会造成自耦变压器部份绕组短路，只有先断开K₂、K₃再合K₁，其转换时间即为电机的断电时间。

在电机断电时，其定子电流消失，在转子将产生一个感应电流来维持其磁通不变，这个磁通随着转子的转动而旋转，随电流的衰减而减小，它在定子绕组中感应出电势。当K₁闭合时，再次接通电源，如果此时感应电势的相位与外加电源的相位相反，将会产生一个很大的冲击电流，而转矩也会发生一个瞬变且可能是一个负的峰值，这对电机和拖动机械是极其不利的。

自耦变压器启动产生过电压的情况与串联电抗器启动的情况相同。

2.4以小拖大启动

对于特大型电动机，以往没有好的启动方法又不允许直接启动，有选择以小拖大的方式启动，根据大电机的静阻转矩，GD₂和要求的启动时间来选择小电机的容量，两台电机的主轴机械连接。

启动时先把小电机接入电源，将大电机拖动至额定转速附近时再把大电机接入电源，二者轴间连接脱开，小电机断电。

这种启动方法的缺点是占地面积大，维护工作量大，有时还有联轴器打不开的情况，小电机被大电机拖着空转，造成电能的浪费。

3、几种软启动方法

低压电机软启动装置现在已有很多应用，它通过调节正反并联可控硅导通角的办法来调节电动机的端电压，使电动机端电压逐渐上升，达到软启动的作用，它限制了电动机的启动电流（一般在3倍额定电流以下），减小了对电网的冲击，提高了供电质量；提高了电机及机械设备的寿命；减少了停工台时；提高了生产效率。

中压电机的软启动装置由于受可控硅器件耐压的限制一直不好解决，但由于中压电机的应用越来越多且向大型化发展，其软启动问题便是必须解决的问题而摆在人们面前，经过不断地努力，已有几种软启动方法出现，下面是几种被人们采用的软启动方法。

3.1用中压变频器来做软启动装置

用变频器来启动电机，其启动性能很好，但中压变频器价格昂贵，另外由于变频技术还处于发展时期，其可靠性还不是很高，用户的维修技术还跟不上，这便是这种方法尚不是应用很多的原因，一般都在进口设备上采用。

用变频器来启动电机，可以做到无操作过电压，但变频器的输出电压中含有大量的高次谐波，也会对电机造成伤害。

3.2采用可控硅串联技术的软启动装置

采用可控硅串联技术的中压电机软启动装置对元器件特性参数的一致性要求很高，元器件的筛选率很低，而且筛选仪器的价格很高，这致使装置的价格较高。另外在使用一段时间后，元器件的参数还会发生变化，使元器件的均压性能降低，极易造成整串元器件的损坏，使这种装置的可靠性降低，一旦元器件损坏，用户很难修复，另外价格也很高，所以现在应用的还比较少。

可控硅串联式软启动装置的输出电压连续可调（从零开始），因而不会产生过电压。

3.3水电阻和液变电阻式软启动装置

水电阻式是靠极板的移动和大电流使水汽化（极板表面）形成高电阻改变液体的电阻来控制启动电流（电压），而液变电阻是靠掺入杂质的多少，极板的大小及大电流使极板附近的水汽化产生的高电阻来控制启动电流，二者都是串在定子回路中，如图3所示。启动完毕之后K2将电阻短接。

水电阻和液变电阻式软启动装置受环境温度的影响比较大，主要是由于对汽化电阻的影响较大，因此启动电流控制不准确，另外二者在启动时会产生很大的能量损耗，使水温迅速升高，所以对连续启动次数是有限制的。

由电机学可知，启动电流与加在电机上的电压成正比，假定电机全压启动时电流为5I_n，如果要以3 I_n来软启动，则电机上的电压U_d要达0.6U，因为电机在启动时的功率因数很小（仅0.2左右），可近似认为U_d=U_x（电机感抗上的电压），由此算出水电阻电压U_R+U_r（电机电压的阻性分量）≈0.8U，从中去掉U_r（小于0.2U）可得：U_R≈0.6U，这时水电阻上消耗的功率为：P_R= U_R·3I_n=1.8· U·I_n=1.8 P_n。就是说如果电机为10000KW，则启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汽化，汽化电阻不好控制且受环境温度的影响，这便是控制精度不高的原因，有时甚至有启动失败的情况。

由大量的实验可知，电动机启动时，在达到额定转速的80%之前，启动电流没有明显的下降，即使在软启动情况下，在达到额定转速的80%附近也有个启动电流的最大值，此最大值与电机的负荷状况及加速过程等情况有关，一般在（1.5~3.5）I_n之间。

液变电阻软启动装置以电流为调节变量，由于液变电阻受环境温度的影响较大，有时会发生汽化电阻太大，启动电流不能达到此最大值的情况，这时电机会长时间达不到额定转速，造成启动失败。如果第二次启动则必须等待降温，可能要几个小时，这种情况对连续化大生产的工厂来说是不允许的，造成的损失是不可估量的。

水电阻式软启动装置由于极板是移动的，不会产生上述的问题，但是水的汽化压力会使极板剧烈振动，使其寿命缩短，在大功率电机的情况下，这个问题将变得非常严重。

用水电阻启动电机时，水电阻串在电机的末端，高压开关的前面是电源，后面是电机定子绕组。开关关合时，全压加在电机绕组的首端，产生操作过电压的情况与直接全压启动的情况时一样的。会对电机绝缘造成极大的伤害。

采用水电阻来启动电机，在很早以前曾经用过（也主要是在低压电机上用），由于它有一定的缺点，逐渐用得较少了，近些年来由于对软启动的要求越来越迫切，进口装置又价格太高，在人们还未找到高性/价比的软启动装置时，水电阻（含液变）方式又被重新用起来，它是与我国还不是很富裕的国情相适应的产物，目前在国内用的还比较多，笔者认为中、小型不经常启动的电机使用该装置还是可以的，要加强维护以免发生事故，对于大型电机和经常启停的电机，使用该装置是有很大风险的，应该慎用。

3.4开关变压器式中压电动机软启动装置

哈尔滨帕特尔科技有限公司研制成功的一种能实现中压电机软启动的新技术——开关变压器技术（已申请专利），这一技术使中压电机软启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，而且价格低，原设备改造方便。

开关变压器式中压电机软启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可控硅和控制系统相连，通过改变其低压绕组上电压来改变高压绕组上的电压，从而达到改变电机端电压的目的，以实现电机的软启动。在启动过程中，开关变压器始终处于开和关两种工作状态，开关变压器损耗很小。

开关变压器低压侧的电压很低，不必采用可控硅的串联技术。可控硅的控制技术当今已十分成熟，开关变压器也是一种高可靠性设备，因此，由此项技术构成的软启动装置具有很高的可靠性。

系统结构框图如图5所示，开关K₁和电机M是原系统，开关K₂、开关变压器、可控硅和可编程序控制器（PLC）构成软启动系统。

当电机启动时，首先合上K₂，使开关变压器与电机串联接在电源上，PLC控制可控硅的导通与截止，使开关变压器低压侧的电压由大到小变化，高压侧电压也由大到小，电机的端电压则由小到大变化，电机的转速逐渐上升，当接近额定转速时，合上开关K₁，断开开关K₂，软启动完毕，电机以额定转速运转。

由于该装置的输出电压可以从零起连续可调，因此在启动时也不会产生操作过电压，可以有效的延长电机的使用寿命。

前已述及，该装置有可靠性高、启动容量大、价格低等特点，此外，该装置对工作环境的要求不高。比如首台800KW装置在大庆油田野外工作，经受了零下30多度（摄氏）的低温考验，经受了多次的吊车搬运和拖拉机拖运的考验；对安装的水平度也没要求，耐震动能力强，与其它各种用于中压电动机软启动的装置相比，具有明显的优势。

4、各种软启动装置之比较

前面述及各种软启动方式时都对其优缺点进行了论述，现将其列表比较如表2所示：

表2：各种软启动方式之比较

由此表可见，开关变压器式中压软启动装置具有最高的性能价格比，它价格大大低于进口装置（仅为其 ～ ）而性能却不亚于进口装置，与水电阻（含液变电阻）式装置相比，价格高得不多（为其2倍左右），而性能上有全面的提高，无论从科技进步方面来看还是从企业的自身利益上来看，开关变压器式中压软启动装置应该是企业的首选产品。 

参考文献:

1．周希章、周全。电动机的起动、制动和调速，机械工业出版社，2001年

2．[英]M.G.SAY著.钱庆镳等译。交流电机，中国计量出版社，2000年

3．陈振明等主编。常用电动机维护与故障处理，2000年