摘 要：本文從當今電力電子技術的難題談到中高壓電機軟起動技術的發(fā)展、好處及使用情況。重點探討了電機軟起動的益處及今后的發(fā)展方向。 關鍵字：晶閘管 可控硅 一、引言 電力電子技術是應用于電子技術領域的電子技術，是與電子、控制、電力緊密相關的學科，1957年晶閘管問世，帶來了電力電子學的革命，電力電子技術得到了飛速的發(fā)展。 晶閘管是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器，也被簡稱為可控硅。其特點是開通時刻可以控制，電流過零時關斷，為半控性器件。晶閘管發(fā)明之初，由于其各方面性能明顯勝過以前的汞弧整流器，因而受到普遍歡迎，從此開辟了電力電子技術迅速發(fā)展的新時代。20世紀80年代以來，晶閘管的某些應用開始被各種性能更好的全控型器件所取代，但由于其能承受的電壓和電流容量仍是目前電力器件中最高的，因此在大容量場合仍具有重要的地位。其特點主要如下： （１）耐壓高：當前已有8500V的產(chǎn)品 （２）電流大：當前已有5000A的產(chǎn)品 （３）壓降低：導通時管壓降<2V （４）功率損耗小，壽命長 （５）耐瞬時過電流沖擊能力強等 二、中壓（6～10 kV）電機常用的起動方法 交流電動機是在各種領域中應用最為廣泛的電動機，為解決交流電動機在起動過程中對電網(wǎng)、機械的沖擊，人們采取過很多辦法，傳統(tǒng)的有串電阻起動、串電抗器起動、星—角轉(zhuǎn)換起動、自耦降壓起動、變頻起動等。 用晶閘管控制的電機軟起動裝置是在19世紀出現(xiàn)的。當時美國航天局有一位“弗蘭克”的工程師取得了一項專利，叫“功率周波控制器”，利用晶閘管反并聯(lián)、調(diào)節(jié)晶閘管的導通角達到交流調(diào)壓的目的，為解決在空載和輕載時交流異步電動機功率因數(shù)過低的問題，此技術得到了應用。后來又引入電流反饋技術，使該項控制水平大幅度提高，得到廣泛的采用，美國將采用此技術的裝置命名為“節(jié)電器”。 三、電機軟起動的好處 （1）可減小對電網(wǎng)的沖擊，可降低變壓器的容量 普通鼠籠式電動機在空載全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的5～7倍。當電動機容量相對較大時，該起動電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降，這會破壞同電網(wǎng)其它設備的正常運行，甚至會引起電網(wǎng)失去穩(wěn)定，造成更大的事故。因此，一般要求經(jīng)常起動的電動機引起的電壓波動不大于10%；偶爾起動的電動機引起的電壓波動不大于15%。采用軟起動后起動電流可降為額定電流的1.5～3倍，可大大降低電網(wǎng)電壓的波動率。 對于由單獨變壓器供電的電動機。當采用直接全壓起動時，要求電動機的容量不大于變壓器容量的80%。當采用軟起動時，變壓器的容量可以和電動機的視在功率相同（一般為S=1.1PN）。 變壓器——-電動機組的等效電路如圖1所示。U0為無窮大電網(wǎng)。U1為電機端電壓。XT為變壓器的短路阻抗，在額定情況下，當電機電流等于變壓器額定電流時。XT上的壓降為變壓器的短路電壓值UK。如果軟起動時電機的最大電流為3IN。則XT上的壓降為3UK。中小型電力變壓器的UK=（4～10.5）%UN,大型變壓為UK=（12.5～17.5）%UN,在一般情況下，只要電機起動時的端電壓不低于額定電壓的65%（最大電流時）即可起動成功。 [align=center] 圖1[/align] 額定運行時，I=IN、U0-U1=UK、U1=UN。如果按極限情況計算：UK=17.5%;I=3IN。則：U1=U0-3UK=UN-2×17.5%UN=65%UN。也可滿足起動要求。其它情況定會U1＞65%。更不成問題。 對于電機和其它負荷共用變壓器的情況，一般要求經(jīng)常起動的電動機容量不大于變壓器容量的20%；偶爾起動的電動機容量不大于變壓器容量的30%。 如果按全壓直接起時Imax=6IN，軟起動時Imax=3IN，則從等電流等線路壓降方面考慮，經(jīng)常起動的電動機容量可達變壓器容量的40%；偶爾起動的電動機容量可達變壓器容量的60%。 （2）可減小對電機的傷害，延長電機壽命 1.電動機直接全壓起動時的大電流在電機定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，加大了定子線圈（尤其是端部）與鐵芯的磨損，會破壞繞組絕緣；鼠籠條上的沖擊力也容易引起斷裂，引起電機故障。電動力的大小與電流的平方成正比。直接全壓起動時的電動力是正常額定運行時電動力的36倍（按Imax=6IN）。軟起動時的電動力是正常額定運行時電動力的9倍。可見效果是非常明顯的。 2.電動機直接全壓起動時的大電流會使定轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生大量的焦耳熱。燒損繞組絕緣，降低電機壽命。軟起動可以大大降低發(fā)熱量。提高電機壽命。高熱量的產(chǎn)生在最大電流處。焦耳熱與電流的平方成正比，因此集中的高熱量降低 倍。一般軟起動時都是空載或輕載起動，最大電流常在2IN左右，這時高熱量僅為直起的 。無疑對延長電機壽命有極大好處。 3.電機直接全壓起動時，額定電壓瞬時加在電機繞組上。這時會產(chǎn)生操作過電壓，在最不利的情況下過電壓會達到額定電壓的5倍，這對電機絕緣將造成極大的傷害。許多電機的損壞發(fā)生在合閘時就是由于產(chǎn)生操作過電壓的原因。 （3）可減小對機械的傷害，延長機械壽命 電動機直接全壓起動時的最大轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，對于齒輪傳動設備來說，很大的沖擊力會使齒輪磨損加快甚至破碎；對于皮帶傳動設備來說，加大了皮帶的磨損甚至拉斷皮帶；對于水泵類設備來說，會產(chǎn)生“水錘效應”損壞管道和葉輪。軟起動時電機緩慢加速，力矩逐步加大，完全免除了上述危害。軟起動時電機轉(zhuǎn)速緩慢上升，有利于潤滑油脂的充分到位，還免除了干磨現(xiàn)象。這些都極大程度地減小了對電機的傷害，有利于提高機械設備的壽命。 四、電力電子技術的難題 （1）用電負荷的單機容量越來越大，要求電力電子裝置的容量也越來越大，對電力電子器件的電壓容量和電流容量的要求也就越來越大，這是當前電力電子技術的一個難點問題。當前人們只有靠串并聯(lián)技術來解決這個問題，但是可靠性一直困擾著串并聯(lián)技術的大量應用。 如果電力電子器件的電壓電流容量得以解決，則擺在人們面前的將是一個非常美好的前景：交流電網(wǎng)的不可控問題將得以解決，使人們從繁雜的計算和對事故的恐慌中解放出來；所有用電設備將有序工作：無沖擊、無負序、無諧波…… （2）串并聯(lián)應用 對較大型的電力電子裝置，當單個電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。 [align=center] a） 伏安特性差異 b） 串聯(lián)均壓差異 圖2[/align] 2.1晶閘管的串聯(lián) 當晶閘管的額定電壓小于實際要求時，可以用兩個以上同型號器件相串聯(lián)。理想串聯(lián)希望各器件承受電壓相等，但實際上因 器件特性之間的差異，一般都會存在電壓分配不均勻的問題。串聯(lián)的器件流過的漏電流總是相同的，但由于靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件所承受的電壓是不等的。圖2a表示兩個晶閘管串聯(lián)時，在同一漏電流IR下所承受的正向電壓是不同的。若外加電壓繼續(xù)升高，則承受的電壓高的器件將首先達到轉(zhuǎn)折電壓而導通，使另一個器件承擔全部電壓也導通，兩個器件都失去控制作用。同理，反向時，因伏安特性不同而不均壓，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。這種由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓問題稱為靜態(tài)不均壓問題。 為達到靜態(tài)均壓，首先應選擇參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓，如圖2b中的RP。RP的阻值應比任何一個器件阻斷時的正、反向電阻小的多，這樣才能使每一個晶閘管分擔的電壓取決于電阻的分壓。 類似的，由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓問題成為動態(tài)不均壓問題。為達到動態(tài)均壓，同樣首先應選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外，還可以用RC并聯(lián)支路做動態(tài)均壓，如圖2b所示。對于晶閘管來講，采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減少器件開通時間上的差異。 2.2晶閘管的并聯(lián) 大功率晶閘管裝置中，常用多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流。當晶閘管并聯(lián)時就會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而存在電流分配不均勻的問題。均流不佳，有的器件電流不足，有的過載，有礙提高整個裝置的輸出，甚至造成器件和裝置的損壞。均流的首要措施是挑選特性參數(shù)盡量一致的器件。此外，還可以采用均流電抗器。同樣，采用門極強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流。當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。比較起來，即使采取冗余設計，串聯(lián)也比并聯(lián)的風險性要大些，所以在進行電路設計時，如果通過電路變換兩種方法都能達到要求，應首選并聯(lián)，均流的實現(xiàn)相對容易些。 五、軟起動裝置性能的比較 目前國內(nèi)外的中高壓軟起動產(chǎn)品主要有兩種，一種為應用高壓變頻器軟起動另一種應用可控硅做軟起動，在此筆者簡要的介紹一下兩種裝置的性能。 （1）高壓變頻器軟起動 變頻器裝置主要是用在交流電機的調(diào)速上，具有明顯的節(jié)能效果。如果把它用在電機軟起動上，則不應再把它的調(diào)速性能與我公司產(chǎn)品相比較。把變頻裝置用來做軟起動，在整個起動過程中電機不會有過流現(xiàn)象，起動轉(zhuǎn)矩大，具有很好的起動性能。但對于起動轉(zhuǎn)矩小的風機水泵類負荷，變頻裝置的這一優(yōu)點則表現(xiàn)不出來。同時還存在以下不足： 1.變頻技術還處于發(fā)展階段，由于開關損耗還比較大，所以可靠性還比較低，故障率比較高，屬于可維修性設備。各單位往往由于維修技術跟不上而造成停工時間長，某鋼鐵公司曾發(fā)生35000KW高爐鼓風機一個多星期才起動起來的事例。也有擱置一旁不敢用的情況。 2.變頻裝置輸出電壓中，諧波的含量大，會在電機齒槽上產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，燒毀絕緣，影響電機使用壽命。在調(diào)速應用時要使用特殊設計的變頻電機就是這個原因。 3.用變頻裝置做軟起動，當達到亞同步轉(zhuǎn)速要從變頻電源向工頻電源切換時，必須有良好的同步功能（有的變頻裝置不具備此功能），否則會產(chǎn)生機械沖擊，損傷機械設備。 4.變頻裝置價格昂貴 5.變頻裝置電路原理復雜，對維修技術水平要求高，維修時間長。 （2）晶閘管軟起動 此種方法有兩種拓撲結(jié)構(gòu)，一是將晶閘管直接串聯(lián)應用、二是開關變壓器技術，此兩種方式主電路形式如下： [align=center] （a） （b） 圖3[/align] 圖3a中電路清晰結(jié)構(gòu)簡單，但存在元件參數(shù)一致性及輸出諧波問題，雖有占地空間較小的優(yōu)勢但安全穩(wěn)定性堪憂。 圖3b中電路結(jié)構(gòu)也很清晰，與a相比雖有占地空間稍大問題，但不存在參數(shù)一致性要求也不存在輸出諧波污染問題，安全穩(wěn)定。 筆者個人認為就目前電力電子器件的情況來說b更有技術優(yōu)勢，但隨著電力電子技術不斷的升級改進，在軟起動領域中b最終將被a所取代。 六、結(jié)語 中壓電機軟起動器現(xiàn)已廣泛的應用于冶金、石化、醫(yī)藥、市政等領域。采用傳統(tǒng)的起動方案存在諸多缺陷，而對于大容量設備來講其問題就更為突出，隨著軟起動器不斷的在生產(chǎn)實踐中大量的應用，選擇軟起動電動機，將是未來的必然趨勢。