摘 要：本文從當(dāng)今電力電子技術(shù)的難題談到中高壓電機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)的發(fā)展、好處及使用情況。重點(diǎn)探討了電機(jī)軟起動(dòng)的益處及今后的發(fā)展方向。
　　關(guān)鍵字：晶閘管 可控硅
　　一、引言
　　 電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電子技術(shù)領(lǐng)域的電子技術(shù)，是與電子、控制、電力緊密相關(guān)的學(xué)科，1957年晶閘管問世，帶來了電力電子學(xué)的革命，電力電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。
　　晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器，也被簡(jiǎn)稱為可控硅。其特點(diǎn)是開通時(shí)刻可以控制，電流過零時(shí)關(guān)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(shù)迅速發(fā)展的新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，晶閘管的某些應(yīng)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的，因此在大容量場(chǎng)合仍具有重要的地位。其特點(diǎn)主要如下：
　?。ǎ保┠蛪焊撸寒?dāng)前已有8500V的產(chǎn)品
　?。ǎ玻╇娏鞔螅寒?dāng)前已有5000A的產(chǎn)品
　　（３）壓降低：導(dǎo)通時(shí)管壓降<2V
　　（４）功率損耗小，壽命長(zhǎng)
　?。ǎ担┠退矔r(shí)過電流沖擊能力強(qiáng)等
　　二、中壓（6～10 kV）電機(jī)常用的起動(dòng)方法
　　 交流電動(dòng)機(jī)是在各種領(lǐng)域中應(yīng)用為廣泛的電動(dòng)機(jī)，為解決交流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)、機(jī)械的沖擊，人們采取過很多辦法，傳統(tǒng)的有串電阻起動(dòng)、串電抗器起動(dòng)、星—角轉(zhuǎn)換起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、變頻起動(dòng)等。
　　 用晶閘管控制的電機(jī)軟起動(dòng)裝置是在19世紀(jì)出現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)美國(guó)航天局有一位“弗蘭克”的工程師取得了一項(xiàng)，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(dǎo)通角達(dá)到交流調(diào)壓的目的，為解決在空載和輕載時(shí)交流異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)過低的問題，此技術(shù)得到了應(yīng)用。后來又引入電流反饋技術(shù)，使該項(xiàng)控制水平大幅度提高，得到廣泛的采用，美國(guó)將采用此技術(shù)的裝置命名為“節(jié)電器”。
　　三、電機(jī)軟起動(dòng)的好處
　?。?）可減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可降低變壓器的容量
　　 普通鼠籠式電動(dòng)機(jī)在空載全壓直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的5～7倍。當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量相對(duì)較大時(shí)，該起動(dòng)電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降，這會(huì)破壞同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)痣娋W(wǎng)失去穩(wěn)定，造成更大的事故。因此，一般要求經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)引起的電壓波動(dòng)不大于10%；偶爾起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)引起的電壓波動(dòng)不大于15%。采用軟起動(dòng)后起動(dòng)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(dòng)率。
　　 對(duì)于由單獨(dú)變壓器供電的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)采用直接全壓起動(dòng)時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)的容量不大于變壓器容量的80%。當(dāng)采用軟起動(dòng)時(shí)，變壓器的容量可以和電動(dòng)機(jī)的視在功率相同（一般為S=1.1PN）。
　　 變壓器——-電動(dòng)機(jī)組的等效電路如圖1所示。U0為無窮大電網(wǎng)。U1為電機(jī)端電壓。XT為變壓器的短路阻抗，在額定情況下，當(dāng)電機(jī)電流等于變壓器額定電流時(shí)。XT上的壓降為變壓器的短路電壓值UK。如果軟起動(dòng)時(shí)電機(jī)的電流為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(jī)起動(dòng)時(shí)的端電壓不低于額定電壓的65%（電流時(shí)）即可起動(dòng)成功。
　　

　　 額定運(yùn)行時(shí)，I=IN、U0-U1=UK、U1=UN。如果按限情況計(jì)算：UK=17.5%;I=3IN。則：U1=U0-3UK=UN-2×17.5%UN=65%UN。也可滿足起動(dòng)要求。其它情況定會(huì)U1＞65%。更不成問題。
　　 對(duì)于電機(jī)和其它負(fù)荷共用變壓器的情況，一般要求經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量不大于變壓器容量的20%；偶爾起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量不大于變壓器容量的30%。
　　 如果按全壓直接起時(shí)Imax=6IN，軟起動(dòng)時(shí)Imax=3IN，則從等電流等線路壓降方面考慮，經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量可達(dá)變壓器容量的40%；偶爾起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量可達(dá)變壓器容量的60%。
　　（2）可減小對(duì)電機(jī)的傷害，延長(zhǎng)電機(jī)壽命
　　1.電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)的大電流在電機(jī)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(huì)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(jī)故障。電動(dòng)力的大小與電流的平方成正比。直接全壓起動(dòng)時(shí)的電動(dòng)力是正常額定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)力的36倍（按Imax=6IN）。軟起動(dòng)時(shí)的電動(dòng)力是正常額定運(yùn)行時(shí)電動(dòng)力的9倍?？梢娦Ч欠浅Ｃ黠@的。
　　2.電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)的大電流會(huì)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(jī)壽命。軟起動(dòng)可以大大降低發(fā)熱量。提高電機(jī)壽命。高熱量的產(chǎn)生在電流處。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(dòng)時(shí)都是空載或輕載起動(dòng)，電流常在2IN左右，這時(shí)高熱量?jī)H為直起的 。無疑對(duì)延長(zhǎng)電機(jī)壽命有好處。
　　3.電機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)，額定電壓瞬時(shí)加在電機(jī)繞組上。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生操作過電壓，在不利的情況下過電壓會(huì)達(dá)到額定電壓的5倍，這對(duì)電機(jī)絕緣將造成的傷害。許多電機(jī)的損壞發(fā)生在合閘時(shí)就是由于產(chǎn)生操作過電壓的原因。
　?。?）可減小對(duì)機(jī)械的傷害，延長(zhǎng)機(jī)械壽命
　　 電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，對(duì)于齒輪傳動(dòng)設(shè)備來說，很大的沖擊力會(huì)使齒輪磨損加快甚至破碎；對(duì)于皮帶傳動(dòng)設(shè)備來說，加大了皮帶的磨損甚至拉斷皮帶；對(duì)于水泵類設(shè)備來說，會(huì)產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”損壞管道和葉輪。軟起動(dòng)時(shí)電機(jī)緩慢加速，力矩逐步加大，免除了上述危害。軟起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，有利于潤(rùn)滑油脂的充分到位，還免除了干磨現(xiàn)象。這些都程度地減小了對(duì)電機(jī)的傷害，有利于提高機(jī)械設(shè)備的壽命。
　　四、電力電子技術(shù)的難題
　　（1）用電負(fù)荷的單機(jī)容量越來越大，要求電力電子裝置的容量也越來越大，對(duì)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(dāng)前電力電子技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)問題。當(dāng)前人們只有靠串并聯(lián)技術(shù)來解決這個(gè)問題，但是可靠性一直困擾著串并聯(lián)技術(shù)的大量應(yīng)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(gè)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(jì)算和對(duì)事故的恐慌中解放出來；用電設(shè)備將有序工作：無沖擊、無負(fù)序、無諧波……
　?。?）串并聯(lián)應(yīng)用
　　 對(duì)較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個(gè)電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時(shí)，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。
　　

　　2.1晶閘管的串聯(lián)
　　 當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實(shí)際要求時(shí)，可以用兩個(gè)以上同型號(hào)器件相串聯(lián)。理想串聯(lián)希望各器件承受電壓相等，但實(shí)際上因 器件特性之間的差異，一般都會(huì)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(gè)晶閘管串聯(lián)時(shí)，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(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，兩個(gè)器件都失去控制作用。同理，反向時(shí)，因伏安特性不同而不均壓，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿。這種由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓?jiǎn)栴}稱為靜態(tài)不均壓?jiǎn)栴}。
　　 為達(dá)到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)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(yīng)比任何一個(gè)器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小的多，這樣才能使每一個(gè)晶閘管分擔(dān)的電壓取決于電阻的分壓。
　　 類似的，由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓?jiǎn)栴}成為動(dòng)態(tài)不均壓?jiǎn)栴}。為達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇動(dòng)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(dòng)態(tài)均壓，如圖2b所示。對(duì)于晶閘管來講，采用門強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以減少器件開通時(shí)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(gè)器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流。當(dāng)晶閘管并聯(lián)時(shí)就會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)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(gè)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，采用門強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流。當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，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(shè)計(jì)，串聯(lián)也比并聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)性要大些，所以在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，如果通過電路變換兩種方法都能達(dá)到要求，應(yīng)并聯(lián)，均流的實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易些。
　　五、軟起動(dòng)裝置性能的比較
　　 目前國(guó)內(nèi)外的中高壓軟起動(dòng)產(chǎn)品主要有兩種，一種為應(yīng)用高壓變頻器軟起動(dòng)另一種應(yīng)用可控硅做軟起動(dòng)，在此筆者簡(jiǎn)要的介紹一下兩種裝置的性能。
　?。?）高壓變頻器軟起動(dòng)
　　 變頻器裝置主要是用在交流電機(jī)的調(diào)速上，具有明顯的節(jié)能效果。如果把它用在電機(jī)軟起動(dòng)上，則不應(yīng)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(dòng)，在整個(gè)起動(dòng)過程中電機(jī)不會(huì)有過流現(xiàn)象，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，具有很好的起動(dòng)性能。但對(duì)于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)荷，變頻裝置的這一優(yōu)點(diǎn)則表現(xiàn)不出來。同時(shí)還存在以下不足：
　　1.變頻技術(shù)還處于發(fā)展階段，由于開關(guān)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(shè)備。各單位往往由于維修技術(shù)跟不上而造成停工時(shí)間長(zhǎng)，某鋼鐵公司曾發(fā)生35000KW高爐鼓風(fēng)機(jī)一個(gè)多星期才起動(dòng)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(huì)在電機(jī)齒槽上產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，燒毀絕緣，影響電機(jī)使用壽命。在調(diào)速應(yīng)用時(shí)要使用設(shè)計(jì)的變頻電機(jī)就是這個(gè)原因。
　　3.用變頻裝置做軟起動(dòng)，當(dāng)達(dá)到亞同步轉(zhuǎn)速要從變頻電源向工頻電源切換時(shí)，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(huì)產(chǎn)生機(jī)械沖擊，損傷機(jī)械設(shè)備。
　　4.變頻裝置價(jià)格昂貴
　　5.變頻裝置電路原理復(fù)雜，對(duì)維修技術(shù)水平要求高，維修時(shí)間長(zhǎng)。
　?。?）晶閘管軟起動(dòng)
　　 此種方法有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一是將晶閘管直接串聯(lián)應(yīng)用、二是開關(guān)變壓器技術(shù)，此兩種方式主電路形式如下：
　　

　　 圖3a中電路清晰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)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(gè)人認(rèn)為就目前電力電子器件的情況來說b更有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但隨著電力電子技術(shù)不斷的升級(jí)改進(jìn)，在軟起動(dòng)領(lǐng)域中b終將被a所取代。
　　六、結(jié)語
　　 中壓電機(jī)軟起動(dòng)器現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于冶金、石化、醫(yī)藥、市政等領(lǐng)域。采用傳統(tǒng)的起動(dòng)方案存在諸多缺陷，而對(duì)于大容量設(shè)備來講其問題就更為，隨著軟起動(dòng)器不斷的在生產(chǎn)實(shí)踐中大量的應(yīng)用，選擇軟起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，將是未來的必然趨勢(shì)。