交流电动机起动方式浅析

/大力电工 吴思思/

0 引言

随着科技的发展，我们的日常生活、工农业生产中，广泛使用着各种各样的机械设备。使其运转的电力拖动控制系统亦经过了一系列的发展，目前，由于交流电动机较之直流电动机，结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，从而使得交流电动机在工农业生产中得到了广泛的应用。但其在额定电压下直接起动时电流通常是额定电流的5～6倍左右，过大的起动电流会对电机自身、负载、电网造成一系列的危害，主要表现在如下两个方面：对电网冲击大；起动过程中对负载机械造成冲击。

为了弥补以上两点不足，大型交流异步电动机的软起动技术应运而生，其目的主要在于满足以下几个方面的要求：减小起动电流，避免压降过大，对电网及电网下其他设备的冲击；起动力矩满足机械起动要求,提供足够的加速力矩。动力矩必须大于静阻力矩，确保电机顺利起动；起动过程中转矩平稳上升，避免对工艺设备的冲击；减少起动过程中功率的消耗。

1 交流电动机软起动方式

软起动设备采用不同的控制手段实现起动过程中对电压、电流的调节，以适应不同的应用场合。主要有液态电阻软起动、晶闸管软起动、定子串电阻/电抗起动、变频器软起动等，下面分别予以简要介绍。

1.1 液态电阻起动

液阻是一种由电解液形成的电阻，其导电的本质是离子导电。液阻的起动性能及优点是，系统功率因数高、电网电压波动较小、起动平稳无冲击，液阻软起动装置售价低廉，在软起动过程中不产生谐波，广泛用于绕线式异步电动机的起动。然而液阻软起动的使用也存在一些问题：

1）在高电压大电流环境中调整电极板是危险的，移动极板需要一套机构，它的移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化；

2）液阻软起动需要维护，液箱中的水需要定期补充；电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要作表面处理；

3）液阻软起动装置不宜放在易结冰或颠簸的现场。

1.2 晶闸管软起动

晶闸管软起动的基本原理是采用晶轧管技术进行电压调节，是由多个晶轧管串并联而成，通过控制晶轧管的触发角来控制输出电压的大小，可以满足电机起动过程中不同的电流及电压要求。在电机起动过程中，起动装置按照预先设定的起动曲线，加大晶闸管触发角，逐步提高电机的端电压，使电机平滑加速，从而减少了电机起动时对电网、电机本身、相连设备的电气及机械冲击。当电机达到正常转速后，旁路真空接触器接通，电机起动完毕。此后，软起动装置继续监控电机并提供各种故障保护。

晶闸管软起动的特点是：参数可调，起动方式多样；起动性能稳定，重复精度高；体积小，寿命长，安装维护方便。不足之处是起动过程中对电网的谐波电流注入量比较大，对谐波控制要求较高的工矿企业应采取相应措施。

1.3 定子串电阻/电抗器降压起动

串电阻降压起动就是在定子侧串联可变电阻，随着转速升高分级切除电阻直至电阻完全被切除，最后电机在额定电压下运行。电阻降压起动属于能耗式降压起动，起动时消耗大量的电能；同时起动频次较低，控制精度受外界的影响很大，起动电流偏大，对负载有较大冲击，体积和重量较大，维护量大。它的优点是技术简单、价格低廉、无谐波。

采用电抗器类（磁控）软起动，特点是控制较灵活，起动电流的设置较方便。缺点是本来电机起动时的功率因数就低，因串接电抗器而变得更低，因此对电力系统没有太多的好处，母线压降大。选用电抗器时便会陷入这样的矛盾之中：为了减小起动电流总希望电抗值大一些，但这样又容易造成起动失败，尤其是当电网电压不稳定和负载状况经常变化时，为了保证起动的成功率，电抗值就要小一些，但这样起动电流又偏大，所以电抗器适于电网电压和负载(起动时)比较稳定的情况。

1.4 变频软起动

变频器可以改变供电频率，从而改变电机的同步转速，实现软起动。在起动过程中，通过变频，逐步提高同步转速，实现良好的静、动态起动性能。变频软起动的起动电流小，可限制在1.5倍的电动机额定电流以下，同时起动转矩大，可达到电机额定转矩的1.5倍，在此范围内可以任意调节，实现恒转矩起动。变频软起动很重要的优势在于，电压和频率都能连续地从零开始调节，同时做到无过流。

变频软起动的缺点主要有三点：器件损耗大，故障率较高，需要经常维修；谐波注入量大，污染电网；设备非常昂贵，尤其是作为软起动设备时。

1.5 配合无功补偿的自耦变压器起动

自耦变压器起动是指电动机起动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的起动电压。待电动机起动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运行。三相自耦变压器一次侧接电网，二次侧接电动机，一般有几个分接头，可选择不同的电压比，相对于不同起动转矩的负载，在电动机起动后再将其切除。其优点是起动电压可以选择，如0.65、0.8或0.9Un，根据需要调整k值以适应不同负载的要求。起动特性如下：

由上可以看到自耦变压器起动时起动电流与k2成正比，所需电网电流较小，适合阻力矩比较大的情况，价格较低。与电抗器降压起动相比，在获得同样起动转矩的情况下，自耦变压器式降压起动需电网提供的起动电流较小，对电网电压的影响小，适合于阻力矩比较大的情况，以及电网短路容量较小的情况，这是它优于电抗器起动的地方。

值得注意的是，与电抗器一样，自耦变压器同样可以等效成一理想变压器与电感元件串联，在起动的很短时间内，由于电机几乎不输出有功，加之与电感元件串联，功率因数进一步恶化，如图1所示。

图1

由上图可以看到，在起动回路中电动机等效电阻RD在转差率S=1时为0，故起动回路为电机等效电感与自耦变压器等效电感相串联，大量的无功功率从电网注入电机起动回路用于建立电动机旋转磁场，进而提供起动转矩，故无功注入是必要的，问题是在注入过程中，感性电流在流过系统阻抗Xs时，必然会造成系统压降增大和大量无功功率的有功损耗。如果能够提供另一无功源，减轻电网提供无功的压力，那么势必会减少由于电网无功电流的注入引起的电网电压波动，我们自然想到了电容无功补偿装置。如图2所示。

图2

从感性元件和容性元件的特性可以知道，单纯的感性或容性负荷，都是会消耗无功容量，但是两者并联，在保证不发生并联谐振的前提下，可以尽量减少电源的无功注入，基于以上原理，在电机采用自耦变压器起动时采用电容器并联方式，用于补偿电动机所需要的感性无功。

在补偿点的选择上，可以选择自耦变压器的一次侧和二次侧，或者两侧都补偿一定量的容性无功。如何选择补偿点，应根据系统配置和电机起动要求综合判定，如电机容量较小，而且母线上预伏负荷比重较大时，起动成套装置应把电容补偿点设计在自耦变压器一次侧。电容器电压等级按电网标称电压选取，在起动完成后，成套装置的电容补偿部分，仍可起到补偿电网无功的作用，为用户节省了开支。如果电机容量较大，母线上预付负荷较少，从母线到电机端电缆较长，这样补偿点宜选择在自耦变压器，以减少无功在电缆中的流动，电容器电压等级应按二次侧最高电压选择，以避免在起动过程中由于起动回路阻抗变化引起电容器过压。

2 结束语

交流电动机因结构简单、运行可靠和价格便宜而被广泛采用，在额定电压下直接起动时却对电网的影响大，对电动机及机械设备有一定的伤害，合理的选择软起动设备可以保护电机，延长电机使用寿命，保护电网和机械设备。不同的方式在解决不同的问题时表现出来的性能是不完全相同的，选择的时候不仅要考虑设备的先进性，也要考虑其经济性能，针对软起动设备的特殊性，亦要考虑设备的可靠性，及后期管理、维护的工作量。

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