第一節(jié) 電機(jī)軟啟動(dòng)裝置基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

軟啟動(dòng)器主電路圖

軟啟動(dòng)器基本接線圖

1、限流起動(dòng)

用該方式起動(dòng)電機(jī)時(shí)，軟起動(dòng)器的輸出電壓迅速增加，直到輸出電流達(dá)到限流值，保持輸出電流不大于該值，電壓逐步升高，使電動(dòng)機(jī)加速，當(dāng)達(dá)到額定電壓、額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出電流迅速下降至額定電流，起動(dòng)過(guò)程完成，如圖：

限流起動(dòng)過(guò)程圖

2、電壓斜坡軟起動(dòng)

用該方式起動(dòng)電機(jī)時(shí)，軟起動(dòng)器的電壓快速升至U1，然后在設(shè)定的時(shí)間t內(nèi)逐漸上升，電機(jī)隨著電壓的上升不斷加速，達(dá)到額定電壓和額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)過(guò)程完成，如圖：

電壓斜坡軟起動(dòng)過(guò)程圖

3、斜坡限流起動(dòng)

用該方式起動(dòng)電機(jī)時(shí)，輸出電壓以設(shè)定的時(shí)間平穩(wěn)上升，同時(shí)輸出電流以一定的速率增加，當(dāng)起動(dòng)電流增至限定值IM時(shí)，電流保持恒定，直至起動(dòng)完成如圖：

斜坡限流起動(dòng)過(guò)程圖

4、軟停車

在該方式下停止電機(jī)時(shí)，電機(jī)的輸出電壓由額定電壓在設(shè)定的軟停時(shí)間內(nèi)逐步降至零，過(guò)程完成，如圖：

軟停車過(guò)程圖

第二節(jié) 電機(jī)軟啟動(dòng)裝置新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

軟啟動(dòng)器主回路采用晶閘管，通過(guò)逐步改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)抬升電壓，完成啟動(dòng)過(guò)程，這是軟啟動(dòng)器的基本原理。目前在低壓軟啟動(dòng)器市場(chǎng)產(chǎn)品繁多，但是高壓軟啟動(dòng)器產(chǎn)品還是比較少。高壓軟啟動(dòng)器與低壓軟啟動(dòng)器基本原理一樣，但是高壓軟啟動(dòng)器與低壓軟啟動(dòng)器相比，有些地方存在著其特殊性：

1、高壓軟啟動(dòng)器在高壓環(huán)境下工作，各種電氣元器件的絕緣性能一定要好，電子芯片的抗干擾能力要強(qiáng)。高壓軟起動(dòng)器組成電氣柜時(shí)，電氣元器件的布局以及與高壓軟啟動(dòng)器與其它電氣設(shè)備的連接也是非常重要的。

2、高壓軟啟動(dòng)器必須有一個(gè)高性能的控制核心，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行及時(shí)和快速地處理。因此這個(gè)控制核心一般采用高性能的DSP芯片，而不是低壓軟啟動(dòng)器的普通單片機(jī)芯。低壓軟啟動(dòng)器主回路由三組反并聯(lián)的晶閘管組成。而在高壓軟啟動(dòng)器中，由于目前單只高壓晶閘管的耐壓能力不夠，所以必須由多個(gè)高壓晶閘管串聯(lián)進(jìn)行分壓。但是每個(gè)晶閘管的性能參數(shù)沒(méi)有完全一致。晶閘管參數(shù)的不一致，會(huì)導(dǎo)致晶閘管開(kāi)通時(shí)間不一致，從而導(dǎo)致晶閘管的損壞。因此在晶閘管的選配上，必須保證每一相的晶閘管參數(shù)盡可能地一致，并且每一相晶閘管的RC濾波電路的元件參數(shù)盡可能一致。

高壓軟啟動(dòng)器的一個(gè)難點(diǎn)在晶閘管的觸發(fā)上。由于主回路有多個(gè)晶閘管，每個(gè)晶閘管需要一塊觸發(fā)板來(lái)完成觸發(fā)。觸發(fā)電路屬于控制電路，根據(jù)觸發(fā)電路與主回路的電氣關(guān)系，觸發(fā)電路有兩種形式：1）觸發(fā)電路與主回路隔離。隔離元器件有兩種：一種方式是采用光耦，但是光耦在開(kāi)通時(shí)和關(guān)斷時(shí)存在著死區(qū)，高壓條件下，無(wú)論是啟動(dòng)或軟停車，實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。并且由于單個(gè)光耦耐壓能力不夠，必須進(jìn)行光耦的串聯(lián)，但是各個(gè)光耦的不一致性會(huì)導(dǎo)致其在高壓條件下存在著被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。盡管低壓軟啟動(dòng)器采用這種方式非常方便有效，但在高壓條件下，還是存在不少困難。一種方式是采用脈沖變壓器。這種方式比較成熟可靠，在脈沖變壓器的原邊輸入脈沖，在次邊產(chǎn)生的脈沖波加在晶閘管的門極和陰極之間來(lái)完成觸發(fā)。觸發(fā)脈沖高電平和低電平的時(shí)間比也很重要，高電平時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)觸發(fā)板上的電源消耗大，高電平的時(shí)間短，不能充分開(kāi)通晶閘管。這種方式由于脈沖變壓器的功率限制，在觸發(fā)超大功率晶閘管時(shí)存在著一定的困難。不過(guò)通過(guò)恰當(dāng)?shù)靥幚砻}沖變壓器的原邊脈沖波，還是可以實(shí)現(xiàn)的。2）觸發(fā)電路與主回路有一個(gè)等電勢(shì)。這種方式避開(kāi)了脈沖變壓器的功率限制，但對(duì)觸發(fā)電路處理要求更高。

不論何種觸發(fā)電路，都要求有一個(gè)良好的觸發(fā)電源，這個(gè)電源給多塊觸發(fā)板供電。首先這個(gè)電源必須非常穩(wěn)定，其次這個(gè)電源能夠自我調(diào)整，適應(yīng)于各種功率的晶閘管的觸發(fā)。晶閘管充分觸發(fā)需要多少能量提供多少能量，既不多給，也不少給。多給會(huì)燒壞晶閘管，少給會(huì)開(kāi)不通晶閘管。

3、高壓軟起動(dòng)器的工作環(huán)境容易受到各種電磁干擾，因此觸發(fā)信號(hào)的傳遞必須安全可靠。高壓軟起動(dòng)器中，傳遞觸發(fā)信號(hào)，一般采用光纖傳輸，能有效地避免各種電磁干擾。通過(guò)光纖傳遞信號(hào)，也有兩種方式：一種多光纖方式，一種單光纖方式。多光纖方式即每塊觸發(fā)板有一路光纖；單光纖方式即每一相只有一路光纖，信號(hào)傳遞到一塊主觸發(fā)板，再由主觸發(fā)板傳遞到同一相的其他觸發(fā)板。由于各路光纖光電傳輸過(guò)程中損耗不盡一致，因此從觸發(fā)一致性上看，單光纖的方式比多光纖可靠。

4、高壓軟啟動(dòng)器對(duì)信號(hào)的檢測(cè)比低壓軟啟動(dòng)器要求更高。高壓軟起動(dòng)器所在的環(huán)境存在著大量的電磁干擾，并且高壓軟啟動(dòng)器所用的真空接觸器和真空斷路器在其分?jǐn)嗪烷]合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾。所以對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)不僅要進(jìn)行硬件濾波，也要進(jìn)行軟件濾波，去掉干擾信號(hào)。

5、軟啟動(dòng)器在完成啟動(dòng)過(guò)程后，要切換到旁路運(yùn)行狀態(tài)，如何平滑地切換到運(yùn)行狀態(tài)，這也是軟啟動(dòng)器的一個(gè)難點(diǎn)，如何選準(zhǔn)旁路點(diǎn)非常重要。旁路點(diǎn)早了，電流沖擊非常大，即使在低壓條件下，也會(huì)造成三相電源中斷路器跳閘，甚至?xí)p壞斷路器。高壓條件下危害更大。旁路點(diǎn)遲了，電機(jī)抖動(dòng)得厲害，影響負(fù)載正常工作。因此，旁路信號(hào)的硬件檢測(cè)電路必須非常精確，并且程序處理也要恰到好處。

綜上所述，盡管低壓軟啟動(dòng)器和高壓軟啟動(dòng)器的基本原理一致，但高壓軟啟動(dòng)器存在的諸多技術(shù)難題，使得在低壓軟啟動(dòng)器遍地開(kāi)花的情況下，高壓軟啟動(dòng)器的成熟產(chǎn)品并不多見(jiàn)。

電子晶閘管軟啟動(dòng)器與電磁式啟動(dòng)器相比各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于電磁式開(kāi)關(guān)觸頭壓降比晶閘管壓降小得多，損耗小，而電子晶閘管軟啟動(dòng)器消耗熱耗散功率，損耗大。因此，使用電子晶閘管軟啟動(dòng)器時(shí)，最好加裝旁路接觸器。軟停機(jī)時(shí)將接觸器打開(kāi)，軟啟動(dòng)器投入，晶閘管全導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)軟停機(jī)。

株洲電力機(jī)車 研究 所綜合自己在高電壓大功率半導(dǎo)體制造、電力電子及其控制等方面多年的成功經(jīng)驗(yàn)以及引進(jìn)、吸收國(guó)外著名公司高壓晶閘管閥成熟技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出了TGQ-1高壓電機(jī)軟起動(dòng)器。本軟起動(dòng)器通過(guò)應(yīng)用大功率高壓晶閘管技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)，解決了高壓大容量拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵及磨機(jī)等負(fù)載的交流電機(jī)起動(dòng)和軟停機(jī)的難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)和軟起動(dòng)器本身的保護(hù)。

第三節(jié) 電機(jī)軟啟動(dòng)裝置國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，高壓晶閘管軟起動(dòng)器只有ABB、SIEMENS等少數(shù)幾家國(guó)際大公司能夠生產(chǎn)。

第四節(jié) 電機(jī)軟啟動(dòng)裝置技術(shù)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

1、單片機(jī)控制的晶閘管觸發(fā)器

晶閘管在燒結(jié)爐、電弧爐等整流場(chǎng)合主要采用移相觸發(fā)控制，即通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的相位實(shí)現(xiàn)控制輸出。傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)器采用模擬控制電路，無(wú)法克服其固有缺點(diǎn)。數(shù)字式控制電路與模擬式相比，主要優(yōu)點(diǎn)是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高，但其缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，移相觸發(fā)角較大時(shí)控制精度不高。

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，由單片機(jī)組成的控制電路的優(yōu)勢(shì)越明顯，除具有與數(shù)字式觸發(fā)電路相同的優(yōu)點(diǎn)外，更因其移相觸發(fā)角通過(guò)軟件計(jì)算完成，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，溫漂影響小，控制精度可通過(guò)軟件補(bǔ)償，移相范圍可任意調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，目前已獲得業(yè)界的廣泛認(rèn)可。

單片機(jī)控制的晶閘管觸發(fā)器主要由同步信號(hào)檢測(cè)、CPU硬件電路、復(fù)位電路和觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路4部分組成。CPU通過(guò)檢測(cè)電路獲知觸發(fā)信號(hào)，依據(jù)所要控制的電路要求，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定的程序流程，在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)單片機(jī)I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號(hào)，復(fù)位電路可保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。

晶閘管觸發(fā)器的組成

2、高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

國(guó)內(nèi)電氣公司數(shù)字式軟起動(dòng)產(chǎn)品適用電機(jī)的電壓等級(jí)均是低壓（380V）的。但是，在3~10KV這樣的電壓等級(jí)范圍內(nèi)，人們對(duì)軟起動(dòng)需求的迫切性絲毫不亞于低壓。電網(wǎng)短路容量與電機(jī)容量的比值越小，軟起動(dòng)的迫切性越高。

高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件的問(wèn)題。各類高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置分類的主要標(biāo)準(zhǔn)就是所采用的執(zhí)行元件。例如，以‘水電阻’為執(zhí)行元件的就分類為液態(tài)電阻、熱變電阻軟起動(dòng)裝置，以SCR為執(zhí)行元件的就分類為晶閘管軟起動(dòng)裝置，以飽和電抗器為執(zhí)行元件的就分類為磁控軟起動(dòng)裝置。軟起動(dòng)裝置的一切控制均以執(zhí)行元件的特性和需求為著眼點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)電氣公司跨進(jìn)高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)領(lǐng)域有3個(gè)可行的途徑。

第一個(gè)途徑

是仿照國(guó)外公司，通過(guò)SCR器件的串連走向高壓。為此，要盡量提高所用SCR器件的耐壓等級(jí)和開(kāi)關(guān)速度，改進(jìn)它的觸發(fā)系統(tǒng)，提高觸發(fā)和關(guān)斷的同時(shí)性。在這條路上，個(gè)別廠家已經(jīng)進(jìn)行了一些積極的探索，據(jù)說(shuō)已具備生產(chǎn)用以軟起動(dòng)1000KW高壓電動(dòng)機(jī)晶閘管裝置的能力，其預(yù)計(jì)價(jià)格據(jù)說(shuō)僅為進(jìn)口產(chǎn)品的1/3。但是，在決定跟進(jìn)晶閘管途徑時(shí)，它的高風(fēng)險(xiǎn)（源于SCR的串、并聯(lián)）、高成本、大諧波污染等，是值得決策者三思的。

第二個(gè)途徑

以‘開(kāi)關(guān)變壓器’為主要特征。它仍然是以SCR為電力電子器件的。以‘開(kāi)關(guān)變壓器’為中介，可以繞過(guò)SCR器件串連均壓的難關(guān)。‘開(kāi)關(guān)變壓器’的原邊串連在電動(dòng)機(jī)定子回路里，在較低電壓的變壓器副邊通斷SCR可以折合為原邊電路的通斷。此途徑保留了第一途徑的主要優(yōu)點(diǎn)。第二途徑惹出的新問(wèn)題是‘開(kāi)關(guān)變壓器’的成本、占用空間，以及并聯(lián)SCR的均流問(wèn)題。

第三個(gè)途徑

就是借助高壓磁飽和電抗器[1~4]。在第三途徑里，磁飽和電抗器的作用是在直流側(cè)以20~50倍的功率放大倍數(shù)間接控制高壓電動(dòng)機(jī)定子電流。磁飽和電抗器完成高、低壓的隔離。在這一途徑里，同樣需要采用接成三相整流橋的SCR，對(duì)于不大于50兆瓦的電動(dòng)機(jī)而言，SCR完全不必串連或并聯(lián)。

磁飽和電抗器作為高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置的執(zhí)行元件，具有其它執(zhí)行元件不可替代的優(yōu)點(diǎn)，諸如可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好、穩(wěn)定性好、體積小（5600KW，10KV含飽和電抗器在內(nèi)的柜體尺寸為1.6*1.6*2.5米）、成本低等等。

高壓磁控軟起動(dòng)裝置的價(jià)格比液態(tài)軟起動(dòng)裝置相當(dāng)。

飽和電抗器材料的主要構(gòu)成為硅鋼片和銅線。

硅鋼片重量與鐵芯截面積S和磁路長(zhǎng)度L的乘積成正比。窗口面積與S成正比。因?yàn)镾與電動(dòng)機(jī)容量P的1/2方成正比，L與P的1/4方（S的1/2方）成正比，所以，硅鋼片重量與P的3/4方成正比。銅線消耗量的情況也類似。所以，磁飽和電抗器的成本價(jià)與容量P的3/4方成正比。如果P=A電機(jī)軟起動(dòng)裝置的單位容量成本價(jià)X=B，則P=10A電機(jī)的軟起動(dòng)裝置的X=0.56B。X隨容量增加而減小的結(jié)論，完全可以從我已經(jīng)做過(guò)的20多臺(tái)不同容量軟起動(dòng)裝置磁飽和電抗器的設(shè)計(jì)中得到驗(yàn)證。例如，3200KW（6KV）電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置飽和電抗器的材料總重量是1.5T，14000KW（10KV）電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置飽和電抗器的材料總重量是4.0T，后者的容量是前者的4.4倍，而后者的材料重僅是前者的2.7倍。

這種現(xiàn)象，在SCR軟起動(dòng)裝置里并不存在。容量增加后，SCR需要并聯(lián)，加大了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的麻煩程度，其單位容量的成本價(jià)只會(huì)增加，不會(huì)減少。

國(guó)內(nèi)全數(shù)字晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品均是國(guó)外產(chǎn)品一定程度的仿制品。因此，此類產(chǎn)品除了靠壓低價(jià)格以外，很難銷往國(guó)外。

第五節(jié) 電機(jī)軟啟動(dòng)裝置未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

單片機(jī)控制的交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器是電機(jī)軟啟動(dòng)裝置未來(lái)發(fā)展的主要方向之一。

影響高壓晶閘管軟起動(dòng)裝置推廣應(yīng)用的重要原因是目前其價(jià)格還比較高，雖然國(guó)產(chǎn)化后其價(jià)格已僅為進(jìn)口同類產(chǎn)品的一半或更低，但比液阻等軟起動(dòng)裝置要高出不少。目前的晶閘管元件價(jià)格較高，但隨著高壓晶閘管軟起動(dòng)裝置的不斷推廣應(yīng)用，隨著晶閘管元件的應(yīng)用批量不斷增大及其產(chǎn)生成品率的不斷提高，其價(jià)格會(huì)處于不斷下降的趨勢(shì)。

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