高壓電機之啟動選型

陳錦飛

摘 要：本論文主要論述現今高壓電機和大功率電機的各種啟動方式的優點和缺點，以及怎樣選擇適合自已的啟動方式能更好的在今后的使用中維護好設備。

關鍵詞：高壓電機;大功率電機;軟啟動;水阻啟動;變頻調速

本著響應國家推行的淘汰落后產能，增加公司產品行業競爭力，我廠生產線新增加了一臺棒磨機設備。該設備需要用到一臺10000伏高壓電機帶動其運轉。而在大型設備中高壓電機的啟動問題又是設備技術的核心之一。所以選擇一個合適的啟動方式對今后的設備維護和優化成本非常重要。

高壓電機是通常指額定電壓高于1000V的電動機。其中6000V和10000V電壓用得比較多。我們都知道電機功率等于電壓和電流的乘積，要想得到大功率電機，如果電壓不變，要增加功率就只能增加電流。而電流又根據導線截面積的允許承受電流能力，電流越高導線截面積越大從而導致成本升高。而如果電流不變，提高電壓也可以實現大功率電機而且成本會低得多。所以當電機功率大到一定程度時都是使用高壓電機。它的優點是承受沖擊能力強，缺點是物理慣性大，整機啟動和停機制動都很困難。

目前來說電動機啟動方式包括：全壓直接啟動、自耦減壓起動、星三角型起動、變頻調速、軟起動。而軟啟動又包括水阻啟動和可控硅軟啟動，它和變頻器啟動為今后主要發展方向。

1、全壓直接啟動：普通籠型電機啟動時電流會達到其額定電流的4—7倍。當電動機功率大到一定程度時，巨大的啟動電流對電機會產生很大的沖擊力，并且瞬速發熱導致絕緣擊穿從而燒毀電機，而電機長時間在高溫下運行也會減少電機的使用壽命。再有，巨大的啟動電流會瞬間拉低電網供電電壓，從而影響其它設備的正常運行。

2、自耦減壓啟動：自耦變壓器、串聯電抗器和頻敏電阻啟動都屬于降壓啟動。自耦變壓器和串聯電抗器都為串聯在定子上，而頻敏電阻則是串入轉子中。由于降壓啟動的原因所以它們相對全壓啟動的啟動電流較小，適合于阻力矩比較大的情況。三種降壓啟動都存在一個缺點，就是半壓與全壓切換時的轉矩突變從而產生機械沖擊，進而影起操作過電壓波動。當電機功率大到一定程度時受電流所限，變壓器需要做得很大，使設備成本升高。

3、星三角型起動：星三角型啟動和自耦變壓器一樣都為降壓啟動，不同在于自耦變壓器需外部加裝變壓器設備，而星三角型則是改變電機本身內部三相繞組的不同接法來改變電壓從而降低啟動電壓，但它的電壓下降有限。優點則是省掉外部變壓器，降低成本。缺點則是只有兩種回定電壓等級，啟動沖擊力大有時降低的電壓幅度無法滿足啟動特性。

4、變頻調速啟動：變頻器調速啟動電機，其啟動性能很好，可以做到無沖擊平滑啟動。并且變頻器在生產運用中可以隨意調節速度而且還省電。但中壓變頻器由于設備原件精密，價格昂貴，特別是大功率變頻器，更是以多少千瓦功率來衡量價格。另外由于變頻技術還處于發展時期，用戶的維修技術還跟不上，所以一般都在進口設備上或要求高精度設備上采用。再有變頻器會產生許多高次諧波，會有對電網產生干擾缺點。

5、軟啟動器：它包括水阻啟動和可控硅串聯啟動。水阻啟動主要通過往液態水中加入電解質來調節液態水的導電性能，并通過調節兩極板之間的距離來調節電阻值。而可控硅串聯啟動則是利用可控硅的開關可控性來調節啟動電流和電壓。水阻啟動的優點是成本低，維護簡單，可以承受大功率大電流啟動。可控硅軟啟動可以說是變頻調速的簡化板，即都用到了IGBT的開關特性來調節電壓和電流。由于只需要對啟動負責，啟動成功后會與電機斷開，而且要求精度平滑相對不高，所以相對變頻器價格有絕對優勢，但使用過程中的省電優點也就不存在了。即使這樣，相對于只是啟動來說水阻的啟動成本低，易于維護，對環境要求低 等特點還是要優于可控硅軟啟動，特別是在大型高壓電機方面。所以可控硅軟啟動大多數用在中低壓中小功率設備上使用。

因變頻器和軟啟動是今后的發展方向，所以我們重點討論這兩種啟動方式優點和缺點。而水阻柜因性價比高，所以軟啟動我們又以水阻啟動為此類型代表。

一、水電阻的基本原理

水電阻通過溶解在水中的電解質（NaHCO3）離子導電，電解質游離于兩個極板之間，相當于一個無感性電阻式導電體，相較于頻敏電阻、自耦變壓器、電抗器等起動裝置，可以提高電動機的功率因數。水電阻串入電動機定子回路以后，不僅能提高電動機的轉差率S，起到調速的目的，還可以增大電動機起動時的轉矩，減小起動電流。當電機轉子回路串入水電阻時，可以改變極板距離來調節水電阻阻值從而調節電機的轉速，電阻值越大，電機轉速越低;電阻值為零，電機則達到全速。所以水阻啟動曲線對比其它降壓啟動曲線相對平滑。

二、變頻調速基本原理

變頻調速是通過整流-變直流-逆變的形勢來改變定子電源的頻率，從而改變同步頻率實現電機調速的。在調速的整個過程中，從高速到低速可以保持有限的轉差率，因而具有高效、調速范圍寬（10～100%）和精度高等性能，節電效果可達到20～30%，相比其它調速啟動省電顯著。

三、高壓水阻啟動與低壓變頻調速啟動比較

1、大功率變頻器產生的高次諧波對供電電網會產生很大的高頻干擾，會使電力變壓器磁通硅鋼片產生渦流發熱，干擾弱電儀表的運行，降低功率因，在電機50%的額定轉速時功率因數只有0.3～0.5。而水電阻啟動為阻性負載不僅不會產生任何諧波，而且在任何低轉速下電機功率因數都可達到0.8～0.9，從而有效地提高電網質量和功率因數，再有變頻啟動技術相對其它啟動精密，維修困難，而水電阻啟動簡單實用，維護方便。

2、變頻可以實現從零到全速的全過程調速，而水阻調速比為1：2。

3、目前在低壓配電上使用變頻器啟動最大功率已經做到315千瓦，而水電阻啟動更是做到了3200千瓦，相比下高壓變頻器則成本更高。

4、電機額定功率高于250千瓦以后一般都采用高壓。因為在運行中，低壓損耗大、電流大，設備價格高，后期維護成本高。

結束語

根據以上比較，水阻啟動與變頻啟動各有優點和缺點。變頻調速以啟動平滑無沖擊且省電顯著為優點，缺點是價格高昂，后期維護和環境要求高;水電阻啟動則對環境現場環境要求不高，可靠性好，成本低，易維護，啟動性相對平滑等優點。針對我廠生產環境現場不佳，高壓電機功率起過315KW和人員維護水平等實際情況，水阻啟動比變頻啟動性價比更優，建議使用水阻調速啟動。