大功率異步電動機的軟起動

1 引言
三相異步電動機應用領域非常廣泛。而三相異步電動機的起動，會對電網造成較強干擾，尤其在工業領域中的重載起動，有時可能對設備構成嚴重威脅。因而三相異步電動機的軟起動越來越受到相關技術人員的重視。
對于大功率異步電動機而言，軟起動比硬起動（即直接起動）具有如下優勢：
1）減少起動過程引起的電網電壓降使之不影響共網其它電氣設備的正常運行；
2）減小電動機的沖擊電流沖擊電流會造成電動機局部過熱，危害電動機壽命；
3）減小硬起動帶來的機械沖力沖力將加速傳動機械（軸、嚙合齒輪等）的磨損；
4）減少電磁干擾沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行。
總之，軟起動使電動機可以起停自如，提高作業率，因而有其重要作用。
2 軟起動的分類
軟起動可分為有級和無級兩類，前者的調節是分檔的；后者的調節是連續的。早先的軟起動均是有級的，如Y/△變換軟起動、自耦變壓器軟起動、電抗器軟起動等。無級調節主要有三種：以電解液液阻限流的軟起動、以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動、以磁飽和電抗器為限流元件的磁控軟起動。
變頻器也是一種軟起動裝置，而且是比較理想的一種，它可以在限流的同時保持高的起動轉矩。價格貴是制約其推廣應用的主要因素。人們購置變頻器一般都是著眼于調速，所以，常常不把它歸類于軟起動裝置。筆者認為應對變頻器的軟起動功能給予特別的重視。
2.1 液阻軟起動
液阻是一種由電解液形成的電阻，它導電的本質是離子導電。其阻值正比于二塊電極板的距離，反比于電解液的電導率，極板距離和電導率都便于控制，且液阻的熱容量大。液阻的這兩大特點（阻值可以無級控制和熱容量大），恰恰是軟起動所需要的，加上另一個十分重要的優勢即低成本，使液阻軟起動得到了廣泛的應用。
但液阻軟起動也有如下缺點：
1）基于液阻限流，液阻箱容積大，且一次軟起動后電解液通常會有10℃～30℃的溫升，使軟起動的重復性差；
2）移動極板需要有一套伺服機構，移動速度較慢，難以實現起動方式的多樣化；
3）液阻軟起動裝置液箱中的水，需要定期補充。電極板長期浸泡于電解液中，表面會有一定的銹蝕，需要作表面處理（一般2～3次/年）；
4）液阻軟起動裝置不適合放置在易結冰或顛簸的環境中。
液阻軟起動裝置可以串在繞線式電動機轉子回路中以實現重載軟起動，在軟起動過程中不產生高次諧波，且售價低廉，這是它的突出優點。有人預言它即將被淘汰，但是現在還為時過早。
2.2 晶閘管軟起動
晶閘管軟起動產品問世不過30年左右的時間。目前在低壓（380V）范圍內，晶閘管軟起動產品的價格大約已經下降到液阻軟起動的2倍。而其主要性能卻大大優于液阻軟起動。與液阻軟起動相比，它的體積小，結構緊湊，幾乎免維護，功能齊全，起動重復性好，保護周全，這些都是液阻軟起動無法達到的。
但是，晶閘管軟起動也有如下缺點：
1）高壓產品的價格太高，是液阻的5～10倍；
2）晶閘管引起的高次諧波較嚴重。
在這幾個缺點中，價格高是一個重要因素。對于資金緊張者，無力選用它；對于資金充裕者，何不直接選用高壓變頻裝置？這就是高壓晶閘管軟起動比較受冷落的原因。
2.3 磁控軟起動
磁控軟起動是從電抗器軟起動衍生出來的。將三相電抗器串在電源和電動機定子之間實現降壓是兩者的共同點。磁控軟起動不同于電抗器軟起動的主要點是其電抗值可控。總體說來，起動開始時電抗器的電抗值較大，在軟起動過程中，通過反饋調節使電抗值逐漸減小，及至軟起動完成后被旁路。
電抗值的變化是通過控制直流勵磁電流，改變鐵心的飽和度實現的，所以叫做磁控軟起動。因為磁飽和電抗器的輸出功率比控制功率大幾十倍，它也可以稱為“磁放大器”。
顯然，電抗值的調節是靜止的，無接觸的，非機械式的。這就為微電子技術的介入打開了大門。所以，在工作原理上磁控軟起動與晶閘管軟起動是完全相同的。說磁控軟起動能夠實現軟停止，能夠具有晶閘管軟起動所具有的幾乎全部功能，其原因蓋出于此。
磁飽和電抗器具有0.1s量級的慣性，這使得磁控軟起動的快速性比晶閘管軟起動慢一個數量級。而對于電動機系統的大慣性來說，磁控軟起動的慣性是不足為慮的。
有人說磁控軟起動不產生高次諧波,這是不對的。只要飽和就引起非線性，就會產生高次諧波。只是磁飽和電抗器產生的高次諧波比工作于斬波狀態的晶閘管要小一些。磁控軟起動裝置需要有相對功率較大的輔助電源，噪聲較大則是其不足之處。
2.4 變頻器
隨著電力電子技術的飛速發展，變頻調速裝置應運而生。三相異步電動機的起停技術發生了劃時代的變化。對于變頻器，輸出頻率范圍可以從0.1Hz～500Hz。調速精度一般不低于1％，有的可高達0.02％，瞬時過力矩可為200％(2s內)或170％(60s內)。智能化設計，可以與上位控制計算機接口，具有斷相與相序檢測，缺相保護，連續計算I2t值并考慮速度影響進行過熱保護。同時變頻器也可以設定為軟起動工作方式，其最主要的特點是節能。當然對一些不需要調速的場合，軟起停裝置的應用依然非常普遍，在大功率電機的起停控制中占有不可動搖的地位。
目前，制約變頻器作為軟起動裝置大范圍地應用于三相異步電機的原因，僅僅是一次性投資較高，低壓變頻器價格700～1200元/kW，而高壓變頻器價格進口為2000～2500元/kW，國產為1200～1500元/kW。相信隨著電力電子技術的不斷發展，新的功率器件的不斷涌現，變頻器的價格將會進一步下調。
3 結語
三相異步電動機的軟起動方式很多。隨著技術進步的加速，各種新的軟起動控制方式也脫穎而出。比較各種軟起動方式的優缺點，可從中選擇出適合特定應用場合的最佳軟起動方案。