高壓電機(jī)之啟動(dòng)選型

陳錦飛

摘? 要：本論文主要論述現(xiàn)今高壓電機(jī)和大功率電機(jī)的各種啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及怎樣選擇適合自已的啟動(dòng)方式能更好的在今后的使用中維護(hù)好設(shè)備。

關(guān)鍵詞：高壓電機(jī)、大功率電機(jī)、軟啟動(dòng)、水阻啟動(dòng)、變頻調(diào)速。

本著響應(yīng)國(guó)家推行的淘汰落后產(chǎn)能，增加公司產(chǎn)品行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，我廠生產(chǎn)線新增加了一臺(tái)棒磨機(jī)設(shè)備。該設(shè)備需要用到一臺(tái)10000伏高壓電機(jī)帶動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)。而在大型設(shè)備中高壓電機(jī)的啟動(dòng)問題又是設(shè)備技術(shù)的核心之一。所以選擇一個(gè)合適的啟動(dòng)方式對(duì)今后的設(shè)備維護(hù)和優(yōu)化成本非常重要。

高壓電機(jī)是通常指額定電壓高于1000V的電動(dòng)機(jī)。其中6000V和10000V電壓用得比較多。我們都知道電機(jī)功率等于電壓和電流的乘積，要想得到大功率電機(jī)，如果電壓不變，要增加功率就只能增加電流。而電流又根據(jù)導(dǎo)線截面積的允許承受電流能力，電流越高導(dǎo)線截面積越大從而導(dǎo)致成本升高。而如果電流不變，提高電壓也可以實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)而且成本會(huì)低得多。所以當(dāng)電機(jī)功率大到一定程度時(shí)都是使用高壓電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)是承受沖擊能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是物理慣性大，整機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)制動(dòng)都很困難。

目前來說電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式包括：全壓直接啟動(dòng)、自耦減壓起動(dòng)、星三角型起動(dòng)、變頻調(diào)速、軟起動(dòng)。而軟啟動(dòng)又包括水阻啟動(dòng)和可控硅軟啟動(dòng)，它和變頻器啟動(dòng)為今后主要發(fā)展方向。

1、全壓直接啟動(dòng)：普通籠型電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流會(huì)達(dá)到其額定電流的4—7倍。當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率大到一定程度時(shí)，巨大的啟動(dòng)電流對(duì)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，并且瞬速發(fā)熱導(dǎo)致絕緣擊穿從而燒毀電機(jī)，而電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行也會(huì)減少電機(jī)的使用壽命。再有，巨大的啟動(dòng)電流會(huì)瞬間拉低電網(wǎng)供電電壓，從而影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。

2、自耦減壓?jiǎn)?dòng)：自耦變壓器、串聯(lián)電抗器和頻敏電阻啟動(dòng)都屬于降壓?jiǎn)?dòng)。自耦變壓器和串聯(lián)電抗器都為串聯(lián)在定子上，而頻敏電阻則是串入轉(zhuǎn)子中。由于降壓?jiǎn)?dòng)的原因所以它們相對(duì)全壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)電流較小，適合于阻力矩比較大的情況。三種降壓?jiǎn)?dòng)都存在一個(gè)缺點(diǎn)，就是半壓與全壓切換時(shí)的轉(zhuǎn)矩突變從而產(chǎn)生機(jī)械沖擊，進(jìn)而影起操作過電壓波動(dòng)。當(dāng)電機(jī)功率大到一定程度時(shí)受電流所限，變壓器需要做得很大，使設(shè)備成本升高。

3、星三角型起動(dòng)：星三角型啟動(dòng)和自耦變壓器一樣都為降壓?jiǎn)?dòng)，不同在于自耦變壓器需外部加裝變壓器設(shè)備，而星三角型則是改變電機(jī)本身內(nèi)部三相繞組的不同接法來改變電壓從而降低啟動(dòng)電壓，但它的電壓下降有限。優(yōu)點(diǎn)則是省掉外部變壓器，降低成本。缺點(diǎn)則是只有兩種回定電壓等級(jí)，啟動(dòng)沖擊力大有時(shí)降低的電壓幅度無法滿足啟動(dòng)特性。

4、變頻調(diào)速啟動(dòng)：變頻器調(diào)速啟動(dòng)電機(jī)，其啟動(dòng)性能很好，可以做到無沖擊平滑啟動(dòng)。并且變頻器在生產(chǎn)運(yùn)用中可以隨意調(diào)節(jié)速度而且還省電。但中壓變頻器由于設(shè)備原件精密，價(jià)格昂貴，特別是大功率變頻器，更是以多少千瓦功率來衡量?jī)r(jià)格。另外由于變頻技術(shù)還處于發(fā)展時(shí)期，用戶的維修技術(shù)還跟不上，所以一般都在進(jìn)口設(shè)備上或要求高精度設(shè)備上采用。再有變頻器會(huì)產(chǎn)生許多高次諧波，會(huì)有對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾缺點(diǎn)。

5、軟啟動(dòng)器：它包括水阻啟動(dòng)和可控硅串聯(lián)啟動(dòng)。水阻啟動(dòng)主要通過往液態(tài)水中加入電解質(zhì)來調(diào)節(jié)液態(tài)水的導(dǎo)電性能，并通過調(diào)節(jié)兩極板之間的距離來調(diào)節(jié)電阻值。而可控硅串聯(lián)啟動(dòng)則是利用可控硅的開關(guān)可控性來調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流和電壓。水阻啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，可以承受大功率大電流啟動(dòng)。可控硅軟啟動(dòng)可以說是變頻調(diào)速的簡(jiǎn)化板，即都用到了IGBT的開關(guān)特性來調(diào)節(jié)電壓和電流。由于只需要對(duì)啟動(dòng)負(fù)責(zé)，啟動(dòng)成功后會(huì)與電機(jī)斷開，而且要求精度平滑相對(duì)不高，所以相對(duì)變頻器價(jià)格有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但使用過程中的省電優(yōu)點(diǎn)也就不存在了。即使這樣，相對(duì)于只是啟動(dòng)來說水阻的啟動(dòng)成本低，易于維護(hù)，對(duì)環(huán)境要求低 等特點(diǎn)還是要優(yōu)于可控硅軟啟動(dòng)，特別是在大型高壓電機(jī)方面。所以可控硅軟啟動(dòng)大多數(shù)用在中低壓中小功率設(shè)備上使用。

因變頻器和軟啟動(dòng)是今后的發(fā)展方向，所以我們重點(diǎn)討論這兩種啟動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。而水阻柜因性價(jià)比高，所以軟啟動(dòng)我們又以水阻啟動(dòng)為此類型代表。

一、水電阻的基本原理

水電阻通過溶解在水中的電解質(zhì)（NaHCO3）離子導(dǎo)電，電解質(zhì)游離于兩個(gè)極板之間，相當(dāng)于一個(gè)無感性電阻式導(dǎo)電體，相較于頻敏電阻、自耦變壓器、電抗器等起動(dòng)裝置，可以提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。水電阻串入電動(dòng)機(jī)定子回路以后，不僅能提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S，起到調(diào)速的目的，還可以增大電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)電流。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入水電阻時(shí)，可以改變極板距離來調(diào)節(jié)水電阻阻值從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電阻值越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低;電阻值為零，電機(jī)則達(dá)到全速。所以水阻啟動(dòng)曲線對(duì)比其它降壓?jiǎn)?dòng)曲線相對(duì)平滑。

二、變頻調(diào)速基本原理

變頻調(diào)速是通過整流-變直流-逆變的形勢(shì)來改變定子電源的頻率，從而改變同步頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。在調(diào)速的整個(gè)過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬（10～100%）和精度高等性能，節(jié)電效果可達(dá)到20～30%，相比其它調(diào)速啟動(dòng)省電顯著。

三、高壓水阻啟動(dòng)與低壓變頻調(diào)速啟動(dòng)比較

1、大功率變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)供電電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的高頻干擾，會(huì)使電力變壓器磁通硅鋼片產(chǎn)生渦流發(fā)熱，干擾弱電儀表的運(yùn)行，降低功率因，在電機(jī)50%的額定轉(zhuǎn)速時(shí)功率因數(shù)只有0.3～0.5。而水電阻啟動(dòng)為阻性負(fù)載不僅不會(huì)產(chǎn)生任何諧波，而且在任何低轉(zhuǎn)速下電機(jī)功率因數(shù)都可達(dá)到0.8～0.9，從而有效地提高電網(wǎng)質(zhì)量和功率因數(shù)，再有變頻啟動(dòng)技術(shù)相對(duì)其它啟動(dòng)精密，維修困難，而水電阻啟動(dòng)簡(jiǎn)單實(shí)用，維護(hù)方便。

2、變頻可以實(shí)現(xiàn)從零到全速的全過程調(diào)速，而水阻調(diào)速比為1：2。

3、目前在低壓配電上使用變頻器啟動(dòng)最大功率已經(jīng)做到315千瓦，而水電阻啟動(dòng)更是做到了3200千瓦，相比下高壓變頻器則成本更高。

4、電機(jī)額定功率高于250千瓦以后一般都采用高壓。因?yàn)樵谶\(yùn)行中，低壓損耗大、電流大，設(shè)備價(jià)格高，后期維護(hù)成本高。

結(jié)束語：

根據(jù)以上比較，水阻啟動(dòng)與變頻啟動(dòng)各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。變頻調(diào)速以啟動(dòng)平滑無沖擊且省電顯著為優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是價(jià)格高昂，后期維護(hù)和環(huán)境要求高;水電阻啟動(dòng)則對(duì)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求不高，可靠性好，成本低，易維護(hù)，啟動(dòng)性相對(duì)平滑等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)我廠生產(chǎn)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)不佳，高壓電機(jī)功率起過315KW和人員維護(hù)水平等實(shí)際情況，水阻啟動(dòng)比變頻啟動(dòng)性價(jià)比更優(yōu)，建議使用水阻調(diào)速啟動(dòng)。