从电力电子技术看中高压电机软起动技术的发展
日期：2010-9-8 21:03:06 点击：
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作者： 未知
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摘 要：本文从当今电力电子技术的难题谈到中高压电机软起动技术的发展、好处及使用情况。重点探讨了电机软起动的益处及今后的发展方向。
关键字：晶闸管 可控硅
一、引言
电力电子技术是应用于电子技术领域的电子技术，是与电子、控制、电力紧密相关的学科，1957年晶闸管问世，带来了电力电子学的革命，电力电子技术得到了飞速的发展。
晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器，也被简称为可控硅。其特点是开通时刻可以控制，电流过零时关断，为半控性器件。晶闸管发明之初，由于其各方面性能明显胜过以前的汞弧整流器，因而受到普遍欢迎，从此开辟了电力电子技术迅速发展的新时代。20世纪80年代以来，晶闸管的某些应用开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但由于其能承受的电压和电流容量仍是目前电力器件中最高的，因此在大容量场合仍具有重要的地位。其特点主要如下：
（１）耐压高：当前已有8500V的产品
（２）电流大：当前已有5000A的产品
（３）压降低：导通时管压降<2V
（４）功率损耗小，寿命长
（５）耐瞬时过电流冲击能力强等
二、中压（6～10 kV）电机常用的起动方法
交流电动机是在各种领域中应用最为广泛的电动机，为解决交流电动机在起动过程中对电网、机械的冲击，人们采取过很多办法，传统的有串电阻起动、串电抗器起动、星—角转换起动、自耦降压起动、变频起动等。
用晶闸管控制的电机软起动装置是在19世纪出现的。当时美国航天局有一位“弗兰克”的工程师取得了一项专利，叫“功率周波控制器”，利用晶闸管反并联、调节晶闸管的导通角达到交流调压的目的，为解决在空载和轻载时交流异步电动机功率因数过低的问题，此技术得到了应用。后来又引入电流反馈技术，使该项控制水平大幅度提高，得到广泛的采用，美国将采用此技术的装置命名为“节电器”。
三、电机软起动的好处
（1）可减小对电网的冲击，可降低变压器的容量
普通鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起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，该起动电流将引起电网电压急剧下降，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。因此，一般要求经常起动的电动机引起的电压波动不大于10%；偶尔起动的电动机引起的电压波动不大于15%。采用软起动后起动电流可降为额定电流的1.5～3倍，可大大降低电网电压的波动率。
对于由单独变压器供电的电动机。当采用直接全压起动时，要求电动机的容量不大于变压器容量的80%。当采用软起动时，变压器的容量可以和电动机的视在功率相同（一般为S=1.1PN）。
变压器——-电动机组的等效电路如图1所示。U0为无穷大电网。U1为电机端电压。XT为变压器的短路阻抗，在额定情况下，当电机电流等于变压器额定电流时。XT上的压降为变压器的短路电压值UK。如果软起动时电机的最大电流为3IN。则XT上的压降为3UK。中小型电力变压器的UK=（4～10.5）%UN,大型变压为UK=（12.5～17.5）%UN,在一般情况下，只要电机起动时的端电压不低于额定电压的65%（最大电流时）即可起动成功。
额定运行时，I=IN、U0-U1=UK、U1=UN。如果按极限情况计算：UK=17.5%;I=3IN。则：U1=U0-3UK=UN-217.5%UN=65%UN。也可满足起动要求。其它情况定会U1＞65%。更不成问题。
对于电机和其它负荷共用变压器的情况，一般要求经常起动的电动机容量不大于变压器容量的20%；偶尔起动的电动机容量不大于变压器容量的30%。
如果按全压直接起时Imax=6IN，软起动时Imax=3IN，则从等电流等线路压降方面考虑，经常起动的电动机容量可达变压器容量的40%；偶尔起动的电动机容量可达变压器容量的60%。
（2）可减小对电机的伤害，延长电机寿命
1.电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，加大了定子线圈（尤其是端部）与铁芯的磨损，会破坏绕组绝缘；鼠笼条上的冲击力也容易引起断裂，引起电机故障。电动力的大小与电流的平方成正比。直接全压起动时的电动力是正常额定运行时电动力的36倍（按Imax=6IN）。软起动时的电动力是正常额定运行时电动力的9倍。可见效果是非常明显的。
2.电动机直接全压起动时的大电流会使定转子绕组产生大量的焦耳热。烧损绕组绝缘，降低电机寿命。软起动可以大大降低发热量。提高电机寿命。高热量的产生在最大电流处。焦耳热与电流的平方成正比，因此集中的高热量降低 倍。一般软起动时都是空载或轻载起动，最大电流常在2IN左右，这时高热量仅为直起的 。无疑对延长电机寿命有极大好处。
3.电机直接全压起动时，额定电压瞬时加在电机绕组上。这时会产生操作过电压，在最不利的情况下过电压会达到额定电压的5倍，这对电机绝缘将造成极大的伤害。许多电机的损坏发生在合闸时就是由于产生操作过电压的原因。
（3）可减小对机械的伤害，延长机械寿命
电动机直接全压起动时的最大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，加大了皮带的磨损甚至拉断皮带；对于水泵类设备来说，会产生“水锤效应”损坏管道和叶轮。软起动时电机缓慢加速，力矩逐步加大，完全免除了上述危害。软起动时电机转速缓慢上升，有利于润滑油脂的充分到位，还免除了干磨现象。这些都极大程度地减小了对电机的伤害，有利于提高机械设备的寿命。
四、电力电子技术的难题
（1）用电负荷的单机容量越来越大，要求电力电子装置的容量也越来越大，对电力电子器件的电压容量和电流容量的要求也就越来越大，这是当前电力电子技术的一个难点问题。当前人们只有靠串并联技术来解决这个问题，但是可靠性一直困扰着串并联技术的大量应用。
如果电力电子器件的电压电流容量得以解决，则摆在人们面前的将是一个非常美好的前景：交流电网的不可控问题将得以解决，使人们从繁杂的计算和对事故的恐慌中解放出来；所有用电设备将有序工作：无冲击、无负序、无谐波……
（2）串并联应用
对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作。
2.1晶闸管的串联
当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。理想串联希望各器件承受电压相等，但实际上因 器件特性之间的差异，一般都会存在电压分配不均匀的问题。串联的器件流过的漏电流总是相同的，但由于静态伏安特性的分散性，各器件所承受的电压是不等的。图2a表示两个晶闸管串联时，在同一漏电流IR下所承受的正向电压是不同的。若外加电压继续升高，则承受的电压高的器件将首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，两个器件都失去控制作用。同理，反向时，因伏安特性不同而不均压，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。这种由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。
为达到静态均压，首先应选择参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压，如图2b中的RP。RP的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小的多，这样才能使每一个晶闸管分担的电压取决于电阻的分压。
类似的，由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题成为动态不均压问题。为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外，还可以用RC并联支路做动态均压，如图2b所示。对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发可以显著减少器件开通时间上的差异。
2.2晶闸管的并联
大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。当晶闸管并联时就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流不佳，有的器件电流不足，有的过载，有碍提高整个装置的输出，甚至造成器件和装置的损坏。均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件。此外，还可以采用均流电抗器。同样，采用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。比较起来，即使采取冗余设计，串联也比并联的风险性要大些，所以在进行电路设计时，如果通过电路变换两种方法都能达到要求，应首选并联，均流的实现相对容易些。
五、软起动装置性能的比较
目前国内外的中高压软起动产品主要有两种，一种为应用高压变频器软起动另一种应用可控硅做软起动，在此笔者简要的介绍一下两种装置的性能。
（1）高压变频器软起动
变频器装置主要是用在交流电机的调速上，具有明显的节能效果。如果把它用在电机软起动上，则不应再把它的调速性能与我公司产品相比较。把变频装置用来做软起动，在整个起动过程中电机不会有过流现象，起动转矩大，具有很好的起动性能。但对于起动转矩小的风机水泵类负荷，变频装置的这一优点则表现不出来。同时还存在以下不足：
1.变频技术还处于发展阶段，由于开关损耗还比较大，所以可靠性还比较低，故障率比较高，属于可维修性设备。各单位往往由于维修技术跟不上而造成停工时间长，某钢铁公司曾发生35000KW高炉鼓风机一个多星期才起动起来的事例。也有搁置一旁不敢用的情况。
2.变频装置输出电压中，谐波的含量大，会在电机齿槽上产生局部过热现象，烧毁绝缘，影响电机使用寿命。在调速应用时要使用特殊设计的变频电机就是这个原因。
3.用变频装置做软起动，当达到亚同步转速要从变频电源向工频电源切换时，必须有良好的同步功能（有的变频装置不具备此功能），否则会产生机械冲击，损伤机械设备。
4.变频装置价格昂贵
5.变频装置电路原理复杂，对维修技术水平要求高，维修时间长。
（2）晶闸管软起动
此种方法有两种拓扑结构，一是将晶闸管直接串联应用、二是开关变压器技术，此两种方式主电路形式如下：
图3a中电路清晰结构简单，但存在元件参数一致性及输出谐波问题，虽有占地空间较小的优势但安全稳定性堪忧。
图3b中电路结构也很清晰，与a相比虽有占地空间稍大问题，但不存在参数一致性要求也不存在输出谐波污染问题，安全稳定。
笔者个人认为就目前电力电子器件的情况来说b更有技术优势，但随着电力电子技术不断的升级改进，在软起动领域中b最终将被a所取代。
六、结语
中压电机软起动器现已广泛的应用于冶金、石化、医药、市政等领域。采用传统的起动方案存在诸多缺陷，而对于大容量设备来讲其问题就更为突出，随着软起动器不断的在生产实践中大量的应用，选择软起动电动机，将是未来的必然趋势。
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一、引言
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电力电子技术是应用于电子技术领域的电子技术，是与电子、控制、电力紧密相关的学科，1957年晶闸管问世，带来了电力电子学的革命，电力电子技术得到了飞速的发展。
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晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器，也被简称为可控硅。其特点是开通时刻可以控制，电流过零时关断，为半控性器件。晶闸管发明之初，由于其各方面性能明显胜过以前的汞弧整流器，因而受到普遍欢迎，从此开辟了电力电子技术迅速发展的新时代。20世纪80年代以来，晶闸管的某些应用开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但由于其能承受的电压和电流容量仍是目前电力器件中最高的，因此在大容量场合仍具有重要的地位。其特点主要如下：
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（１）耐压高：当前已有8500V的产品
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（２）电流大：当前已有5000A的产品
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（３）压降低：导通时管压降<2V
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（４）功率损耗小，寿命长
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（５）耐瞬时过电流冲击能力强等
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二、中压（6～10 kV）电机常用的起动方法
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三、电机软起动的好处
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（1）可减小对电网的冲击，可降低变压器的容量
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普通鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起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，该起动电流将引起电网电压急剧下降，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。因此，一般要求经常起动的电动机引起的电压波动不大于10%；偶尔起动的电动机引起的电压波动不大于15%。采用软起动后起动电流可降为额定电流的1.5～3倍，可大大降低电网电压的波动率。
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对于由单独变压器供电的电动机。当采用直接全压起动时，要求电动机的容量不大于变压器容量的80%。当采用软起动时，变压器的容量可以和电动机的视在功率相同（一般为S=1.1PN）。
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变压器——-电动机组的等效电路如图1所示。U0为无穷大电网。U1为电机端电压。XT为变压器的短路阻抗，在额定情况下，当电机电流等于变压器额定电流时。XT上的压降为变压器的短路电压值UK。如果软起动时电机的最大电流为3IN。则XT上的压降为3UK。中小型电力变压器的UK=（4～10.5）%UN,大型变压为UK=（12.5～17.5）%UN,在一般情况下，只要电机起动时的端电压不低于额定电压的65%（最大电流时）即可起动成功。
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额定运行时，I=IN、U0-U1=UK、U1=UN。如果按极限情况计算：UK=17.5%;I=3IN。则：U1=U0-3UK=UN-217.5%UN=65%UN。也可满足起动要求。其它情况定会U1＞65%。更不成问题。
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（2）可减小对电机的伤害，延长电机寿命
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1.电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，加大了定子线圈（尤其是端部）与铁芯的磨损，会破坏绕组绝缘；鼠笼条上的冲击力也容易引起断裂，引起电机故障。电动力的大小与电流的平方成正比。直接全压起动时的电动力是正常额定运行时电动力的36倍（按Imax=6IN）。软起动时的电动力是正常额定运行时电动力的9倍。可见效果是非常明显的。
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2.电动机直接全压起动时的大电流会使定转子绕组产生大量的焦耳热。烧损绕组绝缘，降低电机寿命。软起动可以大大降低发热量。提高电机寿命。高热量的产生在最大电流处。焦耳热与电流的平方成正比，因此集中的高热量降低 倍。一般软起动时都是空载或轻载起动，最大电流常在2IN左右，这时高热量仅为直起的 。无疑对延长电机寿命有极大好处。
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3.电机直接全压起动时，额定电压瞬时加在电机绕组上。这时会产生操作过电压，在最不利的情况下过电压会达到额定电压的5倍，这对电机绝缘将造成极大的伤害。许多电机的损坏发生在合闸时就是由于产生操作过电压的原因。
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电动机直接全压起动时的最大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，加大了皮带的磨损甚至拉断皮带；对于水泵类设备来说，会产生“水锤效应”损坏管道和叶轮。软起动时电机缓慢加速，力矩逐步加大，完全免除了上述危害。软起动时电机转速缓慢上升，有利于润滑油脂的充分到位，还免除了干磨现象。这些都极大程度地减小了对电机的伤害，有利于提高机械设备的寿命。
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四、电力电子技术的难题
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（1）用电负荷的单机容量越来越大，要求电力电子装置的容量也越来越大，对电力电子器件的电压容量和电流容量的要求也就越来越大，这是当前电力电子技术的一个难点问题。当前人们只有靠串并联技术来解决这个问题，但是可靠性一直困扰着串并联技术的大量应用。
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如果电力电子器件的电压电流容量得以解决，则摆在人们面前的将是一个非常美好的前景：交流电网的不可控问题将得以解决，使人们从繁杂的计算和对事故的恐慌中解放出来；所有用电设备将有序工作：无冲击、无负序、无谐波……
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（2）串并联应用
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对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作。
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2.1晶闸管的串联
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当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。理想串联希望各器件承受电压相等，但实际上因 器件特性之间的差异，一般都会存在电压分配不均匀的问题。串联的器件流过的漏电流总是相同的，但由于静态伏安特性的分散性，各器件所承受的电压是不等的。图2a表示两个晶闸管串联时，在同一漏电流IR下所承受的正向电压是不同的。若外加电压继续升高，则承受的电压高的器件将首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，两个器件都失去控制作用。同理，反向时，因伏安特性不同而不均压，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。这种由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。
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为达到静态均压，首先应选择参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压，如图2b中的RP。RP的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小的多，这样才能使每一个晶闸管分担的电压取决于电阻的分压。
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类似的，由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题成为动态不均压问题。为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外，还可以用RC并联支路做动态均压，如图2b所示。对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发可以显著减少器件开通时间上的差异。
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2.2晶闸管的并联
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大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。当晶闸管并联时就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流不佳，有的器件电流不足，有的过载，有碍提高整个装置的输出，甚至造成器件和装置的损坏。均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件。此外，还可以采用均流电抗器。同样，采用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。比较起来，即使采取冗余设计，串联也比并联的风险性要大些，所以在进行电路设计时，如果通过电路变换两种方法都能达到要求，应首选并联，均流的实现相对容易些。
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五、软起动装置性能的比较
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（1）高压变频器软起动
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变频器装置主要是用在交流电机的调速上，具有明显的节能效果。如果把它用在电机软起动上，则不应再把它的调速性能与我公司产品相比较。把变频装置用来做软起动，在整个起动过程中电机不会有过流现象，起动转矩大，具有很好的起动性能。但对于起动转矩小的风机水泵类负荷，变频装置的这一优点则表现不出来。同时还存在以下不足：
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1.变频技术还处于发展阶段，由于开关损耗还比较大，所以可靠性还比较低，故障率比较高，属于可维修性设备。各单位往往由于维修技术跟不上而造成停工时间长，某钢铁公司曾发生35000KW高炉鼓风机一个多星期才起动起来的事例。也有搁置一旁不敢用的情况。
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2.变频装置输出电压中，谐波的含量大，会在电机齿槽上产生局部过热现象，烧毁绝缘，影响电机使用寿命。在调速应用时要使用特殊设计的变频电机就是这个原因。
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3.用变频装置做软起动，当达到亚同步转速要从变频电源向工频电源切换时，必须有良好的同步功能（有的变频装置不具备此功能），否则会产生机械冲击，损伤机械设备。
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4.变频装置价格昂贵
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（2）晶闸管软起动
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此种方法有两种拓扑结构，一是将晶闸管直接串联应用、二是开关变压器技术，此两种方式主电路形式如下：
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图3b中电路结构也很清晰，与a相比虽有占地空间稍大问题，但不存在参数一致性要求也不存在输出谐波污染问题，安全稳定。
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六、结语
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