论文部分内容阅读
摘 要 现代工业生产中，大功率电机（5000kW～60000kW）的应用越来越多，但随之而来的大功率电机启动过程中对电网和机械设备的冲击和破坏问题也日趋严重。由此而产生的电机启动方式有：直接启动、星三角启动、自耦降压启动、水电阻启动、变频启动及软起等。目前，市场上占有率比较高的是固体晶闸管软起。在此，我们重点分析一下晶闸管软起的应用前景。
关键词 启动原理；结构；特性
中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0186-01
1 软启动器的工作原理及特性
1）软起原理。
软启动器主要是利用固态晶闸管可灵活控制导通性的开关特性，它串接于电源和电机之间，当电机启动时，闸管的输出电压由设定的较低电压逐渐增加，同时电机開始转动，随着电压的增加逐渐加速，直到电机达到额定转速，晶闸管全导通，电机端电压达到额定电压，启动完成。
2）软起特性。
由于软起采用晶闸管这一可控元件，在电机启动和使用过程中有以下明显特征。
①启动电机可调节大小，可实现电流平滑、较小（一般为电机额定电流的2-4倍），对电网无较大冲击，不会造成电网电压较大波动。
②启动初始转矩较小（一般仅为直起转矩的25%以下），启动全程不存在冲击转矩，不会对机械连接设备造成较大冲击。
③可控性好，有各种常态保护，电流限制、最长启动时间保护、启动次数及周期设定等，避免启动电机过程中出现过流、过热、时间过长，启动频繁等问题的出现。
④启动完成后，切换到旁路运行，延长了软起寿命，避免了谐波对电网的污染。
⑤多种启动方式设定（脉冲启动、阶跃启动、斜坡恒流启动、斜坡升压启动），满足不同条件设备的需求。
⑥多种结构方式，如一拖一、一拖多、双条节、软停等功能可以为用户节约大量设备费用，更加灵活设计启动方式。
⑦设备体积小，节省空间面积，而且免于维护保养。可节约大量厂房和运营维护费用。
2 软起和其他启动方式性能比较
1）和直接全压启动比较。
①启动电流。
直接全压启动电机，启动电流可达到电机额定电流的4-8倍，对电网和其他设备影响很大，可能造成电网电压急剧下降，威胁到其他设备的安全运行。
软起启动电机启动电流为电机额定电流的2-4倍。对电网的冲击较小，造成电网压降一般不会高于10%（国家规定不能高于15%），对其他设备运行无安全隐患。
②对电机冲击。
直接启动电机时，电机端子电压直接有0V变为额定电压，一瞬间会产生巨大冲击，会在电机定子上产生过电压。过高的电压会影响电机绝缘。
软起启动电机时，电机端子电压是有设定值逐步增加到额定电压的，不会对电机一瞬产生巨大冲击，可完全免除过电压。
③对机械设备的影响。
直接启动电机时，启动转矩较大，很容易造成机械连接设备突然受理损伤。而使用软起启动电机时，启动转矩不会超过额定转矩，不会对机械设备造成大的冲击。
2）和其他启动方式比较。
①星三角启动比较。
星三角启动结构简单，成本较低。但是启动工程中切换接触器时会造成电流冲击，而软起完全没有。因此，星三角启动方式适合较小的低压电机启动时使用。
②自耦降压启动比较。
自耦降压启动可按允许的启动电流和所需的启动转矩来选择自耦变压器的不同抽头实现降压启动，但是成本较高，体积较大，不适合高压大功率电机启动。
③变频启动比较。
变频启动是利用变频原理改变电网频率和电机端电压的方式来启动电机。变频启动电流比软起启动电机电流还要小，不仅能降低启动电流，减小启动转矩，而且还能调节电机速度，达到节能效果。可以说变频启动时最先进的电机启动方式。
但是，变频启动也有几个致命的缺点。首先，变频过程中会产生大量谐波，对电网造成污染，影响其他设备运行，而且变频器需要定期维修保养。其次，变频器一般体积较大，占用大量厂房（同等规格的变频器大约为软起体积的4倍以上），对环境和温度要求严苛，需要配备风道、空调等其他辅助设备。再次，变频器尤其是高压大功率变频器成本非常高（价格是软起的3倍以上），对于只启动不要求调速的设备来说，使用变频器没有节能效果，反而造成投资浪费。
3 软起的实际应用
晶闸管技术虽然已经有几十年发展历史了，但是软起方面的应用，尤其是国内高压大功率软起的应用是近十几年来的事情。发展初期主要被国外一些大的品牌（SOLCON、西门子、ABB、GE等）所垄断。随着国产大功率晶闸管技术的日益成熟，近年来国产品牌软起也得到了广泛应用。现在国内较为成熟的软起品牌有能科、西普、和平、利亿达、雷诺尔等。
1）应用领域及类型。
可以这样说，但凡用到电机需要驱动的地方，都可能用到软起，尤其是有大功率电机驱动设备的地方更是如此。
①主要应用的行业有石油化工、钢铁冶炼、交通隧道、水利水电、船舶运输、航天航空等，涉及到国民经济的各个领域。
②主要应用的设备类型主要是鼠笼式（异步电机、同步电机都包含）电机所驱动的风机、水泵、压缩机、球磨机、吊臂、轮船侧推起等。
2）使用寿命、运行维护。
由于软起的原理特性决定，软起只是在电机的启动过程中晶闸管投入工作，电机启动完成后切入旁路运行，晶闸管推出工作状态。这样大大延长了设备的使用寿命，一般说来一台合格的软起设备可使用数十年之久。同时软起具有完备的保护和检测功能，确保了设备的可靠运行。
对于软起的维护来说更是简单省事，软起基本上属于免维护设备，不需要后期投入任何维保费用。
3）其他功能。
随着软起控制功能的逐步完善、现在绝大多数软起都可以实现如下新增功能。
①软起配备了智能人机界面和后台通讯（支持多种通讯协议）功能，可随时随地简介的观察电机启动、运行过程中的电流、电压、温度、故障信息及历史记录。可通过后台进行操作巡检。
②一台软起设备，可同拖动多台电机分时段启动。节约了大量设备投入。同时软起的双条件功能可满足一台软起拖动多台不同功率电机公用一台软起启动的要求。
③软起的相序忽略功能有效的解决了特殊工况（矿井风机）下要求电机能实现正反转功能，软起不能报相序错误的问题。以前电机正反转功能是通过增加切换柜来实现的。
总之，固态晶闸管软起技术的日益成熟有效的解决了大功率电机启动过程中带来的诸多问题，不失为现代晶闸管技术应用领域的成功典范。
作者简介
李延刚，男，陕西西安人，助理工程师，主要从事高压传动电气相关工作。
关键词 启动原理；结构；特性
中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0186-01
1 软启动器的工作原理及特性
1）软起原理。
软启动器主要是利用固态晶闸管可灵活控制导通性的开关特性，它串接于电源和电机之间，当电机启动时，闸管的输出电压由设定的较低电压逐渐增加，同时电机開始转动，随着电压的增加逐渐加速，直到电机达到额定转速，晶闸管全导通，电机端电压达到额定电压，启动完成。
2）软起特性。
由于软起采用晶闸管这一可控元件，在电机启动和使用过程中有以下明显特征。
①启动电机可调节大小，可实现电流平滑、较小（一般为电机额定电流的2-4倍），对电网无较大冲击，不会造成电网电压较大波动。
②启动初始转矩较小（一般仅为直起转矩的25%以下），启动全程不存在冲击转矩，不会对机械连接设备造成较大冲击。
③可控性好，有各种常态保护，电流限制、最长启动时间保护、启动次数及周期设定等，避免启动电机过程中出现过流、过热、时间过长，启动频繁等问题的出现。
④启动完成后，切换到旁路运行，延长了软起寿命，避免了谐波对电网的污染。
⑤多种启动方式设定（脉冲启动、阶跃启动、斜坡恒流启动、斜坡升压启动），满足不同条件设备的需求。
⑥多种结构方式，如一拖一、一拖多、双条节、软停等功能可以为用户节约大量设备费用，更加灵活设计启动方式。
⑦设备体积小，节省空间面积，而且免于维护保养。可节约大量厂房和运营维护费用。
2 软起和其他启动方式性能比较
1）和直接全压启动比较。
①启动电流。
直接全压启动电机，启动电流可达到电机额定电流的4-8倍，对电网和其他设备影响很大，可能造成电网电压急剧下降，威胁到其他设备的安全运行。
软起启动电机启动电流为电机额定电流的2-4倍。对电网的冲击较小，造成电网压降一般不会高于10%（国家规定不能高于15%），对其他设备运行无安全隐患。
②对电机冲击。
直接启动电机时，电机端子电压直接有0V变为额定电压，一瞬间会产生巨大冲击，会在电机定子上产生过电压。过高的电压会影响电机绝缘。
软起启动电机时，电机端子电压是有设定值逐步增加到额定电压的，不会对电机一瞬产生巨大冲击，可完全免除过电压。
③对机械设备的影响。
直接启动电机时，启动转矩较大，很容易造成机械连接设备突然受理损伤。而使用软起启动电机时，启动转矩不会超过额定转矩，不会对机械设备造成大的冲击。
2）和其他启动方式比较。
①星三角启动比较。
星三角启动结构简单，成本较低。但是启动工程中切换接触器时会造成电流冲击，而软起完全没有。因此，星三角启动方式适合较小的低压电机启动时使用。
②自耦降压启动比较。
自耦降压启动可按允许的启动电流和所需的启动转矩来选择自耦变压器的不同抽头实现降压启动，但是成本较高，体积较大，不适合高压大功率电机启动。
③变频启动比较。
变频启动是利用变频原理改变电网频率和电机端电压的方式来启动电机。变频启动电流比软起启动电机电流还要小，不仅能降低启动电流，减小启动转矩，而且还能调节电机速度，达到节能效果。可以说变频启动时最先进的电机启动方式。
但是，变频启动也有几个致命的缺点。首先，变频过程中会产生大量谐波，对电网造成污染，影响其他设备运行，而且变频器需要定期维修保养。其次，变频器一般体积较大，占用大量厂房（同等规格的变频器大约为软起体积的4倍以上），对环境和温度要求严苛，需要配备风道、空调等其他辅助设备。再次，变频器尤其是高压大功率变频器成本非常高（价格是软起的3倍以上），对于只启动不要求调速的设备来说，使用变频器没有节能效果，反而造成投资浪费。
3 软起的实际应用
晶闸管技术虽然已经有几十年发展历史了，但是软起方面的应用，尤其是国内高压大功率软起的应用是近十几年来的事情。发展初期主要被国外一些大的品牌（SOLCON、西门子、ABB、GE等）所垄断。随着国产大功率晶闸管技术的日益成熟，近年来国产品牌软起也得到了广泛应用。现在国内较为成熟的软起品牌有能科、西普、和平、利亿达、雷诺尔等。
1）应用领域及类型。
可以这样说，但凡用到电机需要驱动的地方，都可能用到软起，尤其是有大功率电机驱动设备的地方更是如此。
①主要应用的行业有石油化工、钢铁冶炼、交通隧道、水利水电、船舶运输、航天航空等，涉及到国民经济的各个领域。
②主要应用的设备类型主要是鼠笼式（异步电机、同步电机都包含）电机所驱动的风机、水泵、压缩机、球磨机、吊臂、轮船侧推起等。
2）使用寿命、运行维护。
由于软起的原理特性决定，软起只是在电机的启动过程中晶闸管投入工作，电机启动完成后切入旁路运行，晶闸管推出工作状态。这样大大延长了设备的使用寿命，一般说来一台合格的软起设备可使用数十年之久。同时软起具有完备的保护和检测功能，确保了设备的可靠运行。
对于软起的维护来说更是简单省事，软起基本上属于免维护设备，不需要后期投入任何维保费用。
3）其他功能。
随着软起控制功能的逐步完善、现在绝大多数软起都可以实现如下新增功能。
①软起配备了智能人机界面和后台通讯（支持多种通讯协议）功能，可随时随地简介的观察电机启动、运行过程中的电流、电压、温度、故障信息及历史记录。可通过后台进行操作巡检。
②一台软起设备，可同拖动多台电机分时段启动。节约了大量设备投入。同时软起的双条件功能可满足一台软起拖动多台不同功率电机公用一台软起启动的要求。
③软起的相序忽略功能有效的解决了特殊工况（矿井风机）下要求电机能实现正反转功能，软起不能报相序错误的问题。以前电机正反转功能是通过增加切换柜来实现的。
总之，固态晶闸管软起技术的日益成熟有效的解决了大功率电机启动过程中带来的诸多问题，不失为现代晶闸管技术应用领域的成功典范。
作者简介
李延刚，男，陕西西安人，助理工程师，主要从事高压传动电气相关工作。