泵站大中型高壓交流電動機的幾種起動方式

李俊杰

（益陽市大東口（明山）電排管理站 益陽市 413000）

在現代水利系統中，各種規格的高壓交流電動機正普遍應用，已成為水利系統的主要動力。對于大功率交流電動機而言，在工頻直接起動過程中，會產生5～7倍于電機額定電流，并且會維持10多秒時間。這一沖擊電流一方面會導致電網電壓下降、繼電保護誤動作、干擾同一母線上的其他設備正常運行，嚴重時導致設備停機；另一方面，將降低電動機和配電母線上高壓開關的使用壽命。根據國標GB 50055-2011《通用用電設備配電設計規范》要求，即不能滿足 “頻繁起動不宜低于系統標稱電壓的90%，不頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%，配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，不應低于額定電壓的80%”，電動機就要求采取降壓或其他適當的起動方式。

1 中小型電機的起動方式

1.1 高壓鼠籠式感應電動機的起動方式

（1）星-三角降壓起動。凡定子繞組具有6個出線端子并以三角形接法作正常運行的鼠籠式感應電動機，可以采用星-三角起動，起動時電動機的定子繞組星形連接，起動力矩和起動電流為原有起動力矩和起動電流的1/3，當電動機轉速達到一定數值時，將電動機定子繞組換接成正常的三角形連接。可適應（6～10）kV高壓電動機起動。

（2）自耦變壓器降壓起動。定子串自耦變壓器降壓起動，也稱為補償器起動，通常用于起動力矩要求較高的場合。采用自耦變壓器降壓起動的優點，是可以調節起動電流和起動力矩。自耦變壓器上一般有3個抽頭，其電壓等級一般規定為40%、60%、80%，改變這3個抽頭的接線位置，便可調整起動力矩。可用高壓真空接觸器切換。起動完畢則用另一個高壓真空接觸器切除自耦變壓器，把電機直接接入電網至正常運行狀態。可適應（6～10）kV高壓電動機起動。

1.2 交流繞線式感應電動機的起動方式

（1）轉子接入變阻器的起動。繞線式感應電動機采用變阻器起動時，首先是將變阻器全部電阻接入轉子繞組電路中，轉子串入電阻后，起動電流減小，但轉子電流與感應電動勢的相角也減小，電流的有功分量增加，因此，在一定范圍內能使起動轉矩增加。待轉速升高后，再一級一級將電阻切出。起動完畢，將全部電阻切除，而使轉子繞組中的變阻器短接。

（2）轉子接入頻敏變阻器的起動。交流繞線式感應電動機接頻敏變阻器起動，是將頻敏變阻器接入轉子回路，以降低起動電流的起動方式。起動轉矩大可帶負載起動。

頻敏電阻器是一種無觸點的電磁元件，相當于一個鐵芯很大、損耗特大的等值阻抗。它的阻抗是隨著通過轉子電流的頻率變化而改變，由于轉子電流、頻率與轉差率成正比。電動機剛起動時，轉差率較大，轉子電流頻率也大，相應頻敏變阻器阻抗亦大，故能限制轉子起動電流。隨著轉子速度不斷升高，即轉差率逐漸減小，轉子電流頻率也逐漸下降，頻敏變阻器的阻抗也逐漸減小（f2=S×f1，式中f2:轉子電流頻率，f1:定子電流頻率50Hz，S:轉差率）。采用頻敏變阻器能實現無極起動。有接近于恒力矩的起動特性，其元件靜止，很少維護。控制原理見圖1。

圖1 轉子串頻敏變組器起動系統圖

圖1中電機起動時：高壓配電室開關柜送電，電機定子受電則電機起動，起動時轉子回路中的中壓接觸器KM打開，則頻敏變阻器BP接入轉子回路，以限制起動電流。起動（6～8）s左右可自動投入KM中壓接觸器，切除頻敏變阻器，則電機進入正常運行狀態，可適應（6～10）kV高壓電動機起動。

2 大型高壓交流同步電動機的起動方式

2.1 定子串水阻軟起動

液體電阻起動與傳統定子串電阻起動相似。它在電機的定子回路串入液體電阻，通過改變極板的距離，相應地改變極板間的液體電阻，從而實現電機的無極降壓起動。速度均勻上升、平穩起動。控制原理見圖2。

圖2 定子串水電阻起動系統圖

圖2中起動時高壓配電室開關柜送電，高壓起動柜內高壓真空接觸器KM1合，KM2斷開水電阻R接入，以限制起動電流，（6～8）s后KM2合，KM1斷開進入電機正常運行狀態。由于控制方便，液阻容量大，價格低廉，不產生高次諧波和能夠實現無極調節等優點。液體電阻軟起動器得到了廣泛的應用。但是，對于大容量電機，每次起動后電解液會有(10～ 30)℃的溫升，使軟起動的重復性差。同時，液體電阻箱需正常添加液體以保持液位。

2.2 串固態晶閘管軟起動

隨著電力電子技術、計算機技術和現代控制理論的發展，晶閘管軟起動器的性能越來越優越，不僅有效解決了電動機起動過程中電流沖擊和轉矩沖擊問題，還具有很強的適應性，可以根據負載變化調整起動參數，從而達到最優的控制效果。

固態軟起動一般有下列幾種起動方式：①斜坡升壓軟起動；②斜坡恒流軟起動；③階段起動；④脈沖沖擊起動；⑤電壓雙斜坡起動；⑥限流起動（起動電流限制可設定）。晶閘管軟起動器常采用如圖3所示三相交流調壓電路。

圖3 定子串固態軟起動系統圖

圖3中在三相電源和電機之間接入三對反并聯晶閘管VD調壓電路，通過改變晶閘管VD的導通角調節輸出電壓，使電機的起動電流平穩上升，減少對電流的沖擊。起動時，高壓配電室開關柜送電，晶閘管VD受電，KM打開，通過改變反并聯晶閘管VD控制模式達到預期起動要求。起動完畢KM合上電機進入正常運行狀態。

2.3 靜止變頻器軟起動

這種軟起動方式是采用電力半導體功率器件，通過同時調節頻率和電壓來進行調速的。現在使用的高壓變頻器主要采用“交-直-交”式（VVVF變頻或矢量變頻控制），先把工頻交流電源經過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源。通過功率器件的有序開關，形成各種頻率和電壓的SVPWM電壓波形，施加于電機端。起動過程中，頻率改變的同時，保證電機磁通近似不變，即電壓頻率之比為常數。起動方式同樣也有若干種。比固態軟起動器起動方式更豐富，性能更好。其控制原理見圖4和圖5。

圖4 定子串變頻器軟起動系統圖

圖4中起動時首先經高壓配電室開關柜把電源送至高壓變頻器，通過變頻器內部各種參數的設置，達到優良的起動性能。起動完畢，KM高壓真空接觸器吸合，同時高壓變頻器可退出，電機電源直接接入工頻運行。高壓同步電機勵磁柜可綜合控制。

圖5為三相10kV進10 kV出高壓變頻器各功能塊的控制方框圖。本柜有各種現場操作按鈕。有監視、顯示觸摸屏。并可進行遠程遙控和通訊。

2.4 軟起動器比較

圖5 10kV高壓變頻器原理圖

采用軟起動器可以控制電動機電壓在起動過程中逐漸升高，從而控制起動電流，使電機平穩起動，機械和電應力降至最小。可適應（6～10）kV高壓電動機起動。水電阻、固態軟起動器、變頻器三種軟起動方式的對比如附表所示。

3 結 語

各種起動方式各有其自身優點，可根據工況和工作需要進行選擇。隨著現代控制理論的發展，各種新技術的不斷推出，必將有各種性價比更優越的元器件和起動方式出現。

附表 三種軟起動方式對比

[1]GB50055-2011.通用用電設備配電設計規范[S].

[2]胡崇岳.現代交流調速技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]王建華.電氣工程師手則（第3版）[M].北京：機械工業出版社，1998.