高壓大功率異步電動機軟起動技術綜述

王宏華

(河海大學能源與電氣學院,江蘇南京,211100)

0 引言

眾所周知，為了兼顧技術性和經濟性，大容量異步電動機需設計成高電壓等級，如過去生產的3 kV、6 kV高壓異步電動機容量下限一般分別為100～150 kW、200～250 kW。目前，6 kV電壓等級正淡出市場，10 kV漸成主流，我國工業化的快速發展促進了電動機制造與應用向高壓大功率方向發展，冶金、石化、水泥、化工、造紙等行業對MW級電動機的需求日益增大[1]。據1995年《電動機調速技術產業化途徑與對策的研究報告》，高壓大容量電動機與低壓小容量電動機的比例為1∶4[3]，預計到2016年，該比例可望提高至1∶2[2]。

高壓大功率異步電動機若采用傳統起動方法(加大電網容量直接起動或定子串電抗器、自耦變壓器減壓起動)，則存在增加電網壓力、運行效率低、起動過程中電流有兩次沖擊等弊端，因此，對于高壓大功率異步電動機同樣迫切需要采用軟起動技術。據不完全統計，2007年全球高壓大功率軟起動市場規模為50.17億元，2011年則增加為92.33億元[1]。

高壓大功率軟起動可按行業領域細分為變頻軟起動、降壓軟起動及降補軟起動。通常所稱的軟起動一般指降壓軟起動，其包括可變電阻式、磁控電抗器式、晶閘管串聯式、開關變壓器式等多種方式。

目前，德國Siemens公司、瑞典ABB公司和日本東芝三菱公司屬于全球高壓大功率軟起動行業第一陣營。我國軟起動行業經過20多年的發展，已自然形成分別主營高、低壓軟起動器的一批企業，其中大力電工、追日電氣、大禹電氣、萬洲電氣等公司是國內高壓大功率軟起動行業的知名企業[1]。

1 高壓異步電動機降壓軟起動技術

1.1 可變電阻式降壓軟起動

該方法通過在籠型異步電動機的定子回路串接可變的液態電阻實現降壓軟起動，有“液態式(水電阻)”和“熱變式”兩類典型產品。其中，“液態式”軟起動器主要由電解液、驅動機構和動、定極板組成，起動過程中，驅動機構自動改變動、定極板間的距離，從而使電解液阻值由起始時的最大值平滑減小，以使電動機端電壓由小至額定電壓無級改變?！盁嶙兪健避浧饎悠髦饕呻姌O、導流機構和電阻率具有負溫度特性的熱敏電解液組成，隨著起動電流使電解液溫度逐步升高，串接在定子回路的“熱變電阻”逐步減小，從而使電動機端電壓平滑上升。

可變電阻式降壓軟起動器適用于短時間內無需頻繁起制動的3～10 kV、大中型異步電動機，其也可串接于繞線型異步電動機轉子中以滿足重載起動所需，適應范圍寬、價格低廉(僅為晶閘管軟起動器的1/6～1/8左右)、起動過程功率因數高、無高次諧波是其突出優點。我國已成功開發出高壓可變電阻式軟起動裝置[1][8-9]，并且廣泛應用于高爐鼓風機、空壓機、球磨機、礦山提升機、原油管道離心泵、水泵、除塵器引風機等高壓異步電動機起動。

可變電阻式為耗能型減壓起動方式，且存在阻值受環境溫度等因素影響、控制精度低等缺點。為了提高起動過程控制精度，文獻[10]在水電阻軟起動器中引入模糊-PID電流閉環控制，文獻[11]則不僅采用了電流閉環控制，且增設了溫度閉環控制，以實現起動電阻的溫度自動校正功能。

1.2 磁控電抗器降壓軟起動

傳統的定子串固定電抗器減壓起動方法在起動后期、起動結束時分別存在轉矩不足、二次電流沖擊等缺點，磁控飽和電抗器則是對這些局限的改進，其通常有3對與定子串聯的交流繞組(工作繞組)和一個3相共有的直流勵磁繞組(控制繞組)，通過調節控制繞組中的直流勵磁，可改變鐵心磁阻的大小，實現工作繞組電感的平滑調節，如圖1所示。

圖1 磁控高壓異步電動機軟起動器基本結構框圖定支架有限元模型

圖1 中，當電動機正常運行時，真空斷路器K閉合，將磁控電抗器短接以降低損耗；在起動或停車時，K斷開，受電動機電流、勵磁電流雙閉環控制的磁控電抗器串入定子回路，連續調節電動機端電壓，實現軟起動或軟停車。以實現恒流軟起動為例，在起動初始，勵磁電流控制器輸出值小，晶閘管相控整流的移相觸發角大，直流勵磁電流小，磁控電抗器鐵心的飽和程度低，工作繞組電感值大，有效限制了電動機電流；隨著電動機轉速升高，直流勵磁電流逐漸增大，飽和電抗器的電感逐漸減小，電動機端電壓平滑升高以維持電動機電流恒定；而當起動結束時，因飽和電抗器的電感已相當小，故K將其短接所引起的二次電流沖擊十分有限。

磁控電抗器有磁閥式、他勵式、自勵式等多種結構。采用自勵直流助磁控制的閥式磁控電抗器具有諧波較小、無需輔助直流勵磁電源、伏安特性線性化較好等優點[12-13]，故應用廣泛。

磁控電抗器式軟起動器克服了可變電阻式軟起動器固有的缺點，具有可靠性高、易維護、受環境溫度影響小、可多次連續軟起動、價廉(價格較可變電阻式略高，但僅為晶閘管軟起動器的1/3～1/5)等優點，適用于0.4～12 kV的籠型異步電動機、同步電動機[14-15]。由于控制繞組的電磁慣性，磁控電抗器調節的慣性時間約為0.1～1 s，但對于大電動機通常數十秒的起動時間而言，其響應速度能夠滿足要求。在20世紀初，我國就開發出高壓磁控軟起動器，并首先成功應用于煉鐵廠高爐風機籠型異步電動機(2MW/6kV)軟起動[4，15]。目前，國產高壓磁控軟起動器在軸流風機(7.66 MW/6 kV)、除塵風機(2.5 MW/10 kV)、除焦水泵(3.15MW/6 kV)、壓縮機(925 kW/10 kV)、氧壓機等高壓電動機軟起動中均有應用。

1.3 晶閘管串聯式高壓軟起動器

圖2為晶閘管直接串聯式高壓異步電動機軟起動器基本結構框圖，其直接由低壓晶閘管軟起動器的結構演變而來，低壓軟起動器的各種控制方式(如轉速-電流雙閉環控制、功率因數角閉環控制、轉矩閉環控制等)均可應用于晶閘管串聯式高壓軟起動。圖2中，一對反并聯晶閘管構成一個組件，每相由幾組組件串聯構成高壓晶閘管閥(一般10 kV高壓異步電動機采用5-6組5 kV的晶閘管串聯成高壓晶閘管閥[16])，晶閘管閥直接串接在定子回路中。起動時，通過調節晶閘管組件的移相觸發角使異步電動機定子端電壓逐漸增大至額定電壓，實現軟起動。起動完成后，電動機若不作輕載節能運行，則合上高壓真空接觸器K，切除晶閘管閥組。軟停車時，則斷開K，通過調節晶閘管組件的移相觸發角使異步電動機定子端電壓逐漸減小，實現平滑停車。

圖2 晶閘管串聯型高壓異步電動機軟起動器基本結構框圖

為保證串聯晶閘管觸發的一致性以及高低壓隔離，圖2中采用了間接式光觸發方式，其原理是:DSP+復雜可編程邏輯器件(CPLD)發出的觸發脈沖先經電-光轉換裝置轉換成光脈沖信號，然后通過低功耗光纖傳輸到安裝在晶閘管上的光-電脈沖變換器，其輸出信號再經功率放大后施加于晶閘管門極。

隨著高壓晶閘管及其串聯應用技術的發展，晶閘管直接串聯形式的高壓軟起動器在體積、質量、電氣性能、控制特性、可維護性、節約有色金屬等方面，與其他高壓軟起動器相比均有較大優勢[5]。目前，國外知名電氣公司如ABB、SIEMENS、摩托托尼、AB等已推出晶閘管高壓軟起動器產品，如德國SIEMENS公司生產的6.9 kV/1 200 A晶閘管高壓軟起動器；美國的BS公司生產6～13.8 kV的晶閘管串聯式軟起動器，最大功率可達10 MW[4]。

近年來，我國在晶閘管高壓化方面已取得突破，6.5 kV和8.5 kV的高壓晶閘管系列相繼商品化[47]，高壓晶閘管串聯均壓技術[17-19]和晶閘管閥觸發技術[20-22]的研究也有較大進展，開發了 10 kV/1 MW[23]、6 kV/12 MW[24]、6 kV/2 MW[47]等多種規格的晶閘管高壓軟起動器，并成功投運實際工程。

盡管相對成熟的晶閘管低壓軟起動器控制技術可為高壓軟起動器借鑒，但晶閘管型高壓軟起動器畢竟是一項正在發展中的新技術，仍有不少需要深入研究的關鍵技術，例如，如何提高晶閘管串聯的可靠性、如何提高起動轉矩以實現重載起動等。文獻[25]以高壓軟起動器為背景，建立了晶閘管反向恢復過程動態仿真模型，設計了晶閘管串聯的動態與靜態均壓電路，并對串聯晶閘管幾種不均壓情況進行了仿真分析。文獻[26]在比較分析串聯晶閘管脈沖變壓器觸發系統、直接光觸發系統、間接光觸發系統優缺點的基礎上，針對10 kV交流電動機軟起動器，采用主從式結構及模塊化設計方案，進行了外供電源方式下的間接光觸發系統設計。文獻[27]分析了高壓晶閘管軟起動器主電路和控制電路的隔離問題及電磁兼容性，基于ANSYS對某型號軟起動器主電路周圍空氣磁場進行了有限元仿真，為主電路和觸發脈沖信號走線提供了依據。文獻[28]進行了基于DSP+CPLD的6kV、10 kV晶閘管軟起動器軟硬件設計，文獻[29]則針對泵用10 kV異步電動機，引入有功功率-電流雙閉環軟停控制算法，抑制了泵系統停車過程中的喘振。為了實現高壓異步電動機重載軟起動，文獻[30][31]研究了離散(分級)變頻軟起動控制算法。目前，國內已推出晶閘管高壓分級變頻軟起動器產品，并得到工程應用[32-33]。

1.4 開關變壓器式高壓軟起動器

高壓異步電動機開關變壓器式軟起動器是由晶閘管軟起動器派生出的一種新型高壓軟起動裝置，圖3為其基本結構框圖。圖3中，開關變壓器ST的高壓繞組(一次側)串接在異步電動機的定子回路中，而低壓繞組(二次側)則分別與一對反并聯晶閘管相連。在晶閘管導通前，ST工作在空載狀態，勵磁阻抗很大，加到電動機的電壓很小，故電動機不能起動。起動時，調節晶閘管移相觸發角，可控制二次側繞組電壓，通過ST的耦合進而調節一次側繞組電壓以調節定子端電壓，實現軟起動。起動完成后，電動機若不作輕載節能運行，則合上真空斷路器K，切除ST，電動機全壓運行。由此可見，開關變壓器式軟起動器的工作原理、控制方法與晶閘管串聯式高壓軟起動器相同，只不過其利用開關變壓器隔離了高壓和低壓，晶閘管工作在低壓側，并不直接承受高壓，故回避了晶閘管因耐壓不夠需要串聯的難題。

圖3 開關變壓器式高壓異步電動機軟起動器基本結構框圖

ST的一次繞組按星形連接。在實際裝置中，為了減少ST二次繞組的出線端子，且為了有利于消除3的倍數次諧波，二次繞組一般接成三角形(圖3未畫出二次繞組的連接)。

與磁控電抗器起動方式相比，開關變壓器式軟起動器具有電磁慣性小、控制實時性好、可靠性高、控制精度高、損耗小、適于一拖多軟起、電動機不受容量限制等優點；而與晶閘管串聯式相比，該方式在可靠性、使用壽命、維修難易程度等方面，也具有一定優勢[4-6][34]。但開關變壓器式軟起動器亦存在電流諧波含量大、電工材料用量較多的缺點，另外，其雖然不存在需要多個晶閘管串聯的問題，但當電動機容量大時，往往面臨多個晶閘管并聯均流的問題，盡管晶閘管并聯均流較晶閘管串聯均壓的實現難度小。

文獻[34]建立了開關變壓器的數學模型和基于開關變壓器的高壓異步電動機軟起動器等效電路模型，研究了恒流起動時消除轉矩脈動的最佳開關時刻，并進行了以PIC16F877單片機為核心的開關變壓器式軟起動器控制系統設計。文獻[35]針對開關變壓器式軟起動器運行中電動機電磁轉矩的振蕩問題，提出并實現了監測功率因數角變化進行功率因數角閉環控制的方案。

國內已生產出開關變壓器式高壓軟起動器系列產品，并成功應用于冶金、石化等企業的除鱗水泵(10 kV/2.8 MW)、軸流風機(10 kV/14 MW)等高壓電動機軟起動[36]和抽水蓄能機組一拖多軟起動。

由于變壓器具有變壓、變流、變阻抗的功能，因此，通過控制開關變壓器二次側晶閘管的導通角即實現了其一次側等效阻抗的調節，其效果與磁控電抗器通過調節控制繞組中的直流勵磁實現交流繞組等效電抗調節類似。有的文獻將開關變壓器方式歸于基于電力電子電抗器(可變電抗器)[37-40]的高壓軟起動器。文獻[41]結合自耦降壓與可變電抗器軟起動技術的優點，提出了自耦磁控軟起動方法，以進一步降低大功率電動機起動時從電網吸收的電流。文獻[48]在自耦磁控軟起動拓撲的基礎上，增加了無功補償和電力濾波環節，以同時實現起動限流、無功補償和起動結束后的諧波濾波。文獻[49]則在基于可變電抗器的降壓軟起動器設計中，增設了根據功率因數投切無功補償裝置的結構，同時實現了電動機降壓軟起動和無功補償。

2 高壓異步電動機變頻軟起動技術[1-2][7][42-43]

應用高壓變頻器可實現高壓大功率異步電動機最理想的平滑軟起動和軟?？刂?。在起動過程中，變頻器輸出電壓、頻率按一定比例逐步上升，不存在大的轉差功率，不僅降低了起動電流沖擊且降低了起動功耗，起動轉矩可做到與電流成正比例線性控制，通過合理設置起動頻率，起動轉矩可在額定轉矩～最大轉矩之間，可實現重載、額定負載軟起動。當變頻器輸出頻率平穩升頻到工頻，電動機變頻軟起動完成后，應采用先進的切換工頻技術平穩、無電流沖擊地從變頻器切換到工頻電網[42-43]，切換工頻技術是高壓異步電動機變頻軟起動器的主要技術壁壘[2]，其關鍵是要保證切換前變頻器輸出頻率、電壓大小及相位與工頻電網一致。

目前，20 MW以上的高壓異步電動機主要采用變頻軟起動，Siemens、ABB、東芝三菱、大力電工等公司具有20 MW以上大型異步電動機變頻軟起動裝置制造核心技術[1]。

3 高壓異步電動機降補軟起動技術[1][7][44-46]

降補軟起動是國內企業為降低高壓大功率電動機起動對電網沖擊而創新的一種混合控制型起動技術，其典型產品為降補固態軟起動裝置(TCS)。

眾所周知，大功率異步電動機在工頻起動初始的功率因數很低(一般在0.2～0.3之間[44])，故需要從電網吸收大量的無功電流，從而引起電網電壓波動。TCS降補固態軟起動裝置將無功發生器(電容器組)與電動機并聯，通過無功控制器控制電容器組的投切，提供電動機起動中所需的部分無功功率以有效降低對電網容量的要求，并將無功發生器與電動機并聯回路經降壓器(降壓變壓器，二次繞組可有幾個檔位抽頭)接入電網從而進一步降低起動時電網電流，降壓控制器則實現對二次電壓的平衡調節、弱化中性點漂移、消除轉全壓運行時的操作過電壓等功能[44]。因此，TCS降補固態軟起動裝置在大型電動機起動中，通過降壓器和無功發生器的配合，既有效降低了電網電流和電網電壓波動，又在保證起動轉矩的前提下，將電動機端電壓控制在所需要的范圍內，故適用于高壓大功率籠型異步電動機或異步起動的高壓同步電動機作軟起動之用。

文獻[45]對某石化企業的風機電機(10 kV/14 MW)采用晶閘管相控調壓軟起動、TCS降補固態軟起動等工頻降壓起動方式的性能進行了計算和對比分析，表明降補固態軟起動裝置在限制起動電流的同時，可明顯提高機端電壓，從而增大起動轉矩、縮短起動時間。另外，不產生高次諧波，電網壓降低、基本不影響電網電能品質[45]亦是降補固態軟起動裝置與磁控電抗器、開關變壓器、晶閘管軟起動器相比的突出優點。

降補軟起動技術已經產業化[1]，并已在高爐風機電動機(10 kV/19 MW)[46]、煤氣壓縮機電動機(10 kV/17 MW)等高壓大功率異步電動機起動中成功應用。

4 展望

1)隨著電動機制造與應用向超大功率方向發展，高壓大功率軟起動這一技術密集型新興產業將保持高速增長趨勢。以電力電子技術為核心，并集成了電動機技術、電網技術、計算機技術、信息與控制技術、高低壓隔離技術等的高端軟起動產品將逐步成為高壓大功率軟起動主流產品。

2)僅從技術指標看，高壓變頻器無疑代表了高壓軟起動產業的發展方向。但高壓變頻器的價格是同功率晶閘管軟起動器的3～5倍[47]，對于不需要變頻調速的應用場合，若將變頻器僅用于高壓大功率電動機軟起動，其一次投資的成本高，經濟效益低。因此，考慮性能價格比、應用場合、可靠性、惡劣環境耐受力等綜合因素，高壓大功率異步電動機降壓軟起動器不會被高壓變頻器完全取代，而且在未來一段時期內，高壓變頻軟起動、降補軟起動和以高壓晶閘管串聯式、開關變壓器式等為代表的降壓軟起動仍將繼續競相發展。

3)高壓晶閘管串聯式、開關變壓器式、磁控電抗器式軟起動均是基于晶閘管移相觸發角控制的降壓軟起動，高次諧波含量大、對電網電能品質有影響是其共同的缺點，故在采用閉環控制實現限流軟起動的同時，引入無功補償裝置改善功率因數、抑制諧波的一體化設計研究具有重要意義。

4)降補固態軟起動是可實現高壓大功率異步電動機起動對電網影響小的先進技術，與高壓變頻軟起動相比，具有一次投資小、維護簡便等優勢。隨著降補固態軟起動裝置在高壓大功率電動機軟起動市場的進一步拓展，電動機起動過程的高精度仿真分析、降壓器及無功發生器的優化設計、動態調節等相關研究有待進一步深入開展。

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