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摘要：本文分别对中压电动机传统的启动方法及近些年常用的几种软启动方法进行了原理性分析，在对这些启动方法的综合指标进行比较的基础上，指出了开关变压器技术应用于中压电动机软启动是目前启动方法中的首选方法。
关键词：中压电动机、全压直接启动、软启动、开关变压器技术
中图分类号：TM921文献标识码： A
1、引言
交流电动机的启动一直是人们关注的一个课题，尤其是高压大容量交流电动机随着其用量的急剧增加，软启动问题就变得更加突出。
众所周知，普通鼠笼式电动机在空载全压直接启动时，启动电流会达到额定电流的5—7倍。当电动机容量相对较大时，该启动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。
电动机全压启动时的大电流在定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。
电动机直接全压启动时的启动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎；对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。
对于水泵类负荷来说，电动机全压启动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。
以上各点都会使设备增加停工台时，影响生产的正常进行，增加维修费用。
中压（3－10KV）电动机的容量都比较大，一般都在200KW以上。近些年来，许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大，如在钢铁、化工行业，10000KW以上的电动机的使用已越来越多，以上问题也变得越来越严重，人们对其关注的程度也越来越高。
2、启动方式对比
2.1直接全压启动
电动机直接全压启动时，过大的启动电流会在线路上产生较大的压降，使电网电压波动很大，影响并联在电网上的其它设备的正常运行，一般的要求是经常启动的电动机引起的电网电压变化不大于10%，偶尔启动的电动机引起的电网电压变化不大于15%。还可以按电源的情况来决定是否允许电动机直接启动，如表1所示：
表1：按电源容量确定电动机直接启动时的功率
电动机启动时会产生短时的冲击电流，如果将这种短时间的冲击电流按周期函数分解，它将包含短时间的谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流。
我们知道，用电负荷中电动机所占比例最大，在电气原动力中占90%，用电量占60%以上，数量如此巨大的电动机在启动时，都会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。同时，还可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。
直接全压启动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压，使定子绕祖上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大的伤害。许多电机的自身故障都是由于绝缘受到伤害而引起的。
综合考虑，在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接启动方式，大家来保证电网的供电质量。在我国，当前在低压电机上采用软启动的方式已经很普遍，但在中压电机启动方面由于设备和技术的原因采用软启动方式还比较少。
2.2定子回路串电抗器减压启动
定子回路串电抗器减压启动方式如图1所示，启动时K2闭合，电抗器与电机M串联接入电网，待电机转速接近额定转速之后，K1闭合、K2断开，将电抗器L切除，电机加速至额定转速运转。
设电动机串入电抗器启动时，它的端电压UL与直接启动时所加的额定电压UN之比为K（K＜1），即
UL=KUN 。（1）
由于电动机阻抗Zm一定，这时电动机的启动电流IS将随电压成正比而降低，即：
（2）
式中ISd ——直接全压启动时的电流
根据启动转矩公式，可知启动转矩TS与所加电压的平方成正比，即
==K2 （3）
或TS=K2TSd（4）
式中TSd ——直接启动时的启动转矩
由上述公式可见，串电抗器后，启动电流成比例减小，启动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机启动时阻力矩的情况，只有启动转矩大于阻力转矩时电机才能顺利启动。
串联电抗器启动为有级降压启动，在全压切換时转矩有跃变，会产生机械冲击。与直接全压启动相比，操作过电压的几率会小些。但由于高频振荡的随机性，大幅值的操作过电压还是有可能出现的。
2.3自耦变压器降压启动
如图2所示，启动时K2、K3闭合，电机降压启动，当电机转速接近于额定转速时K2、K3断开，K1闭合，电机被加速至额定转速运行。
自耦变压器T一般都有几个抽头，启动电流和启动转矩可以靠改变抽头来调节，设自耦变压器二次电压与一次电压之比为K，则在启动时加在电动机上电压为:
UL=KUn （5）
(5)式中Un ——电网电压。电动机的电流即自耦变压器的二次电流I2为：
I2===K=KISd （6）
(6)式中Zm ——电动机启动时的阻抗
ISd ——电动机直接启动时的电流
由于电动机接在自耦变压器的二次侧，故电网供给的启动电流IS即是自耦变压器的一次电流I1，于是有：
IS=I1=KI2=K2ISd（7）
由此可见，当用自耦变压器减压启动时，起动电流只有直接启动时的K2倍。同样由于转矩和电压的平方成正比，起动转矩也只有直接启动时的K2倍，即TS= K2ISd(8)
与电抗器降压启动相比，在获得同样启动转矩的情况下，自耦变压器式降压启动的启动电流较小，适合于阻力矩比较大的情况。
自耦变压器减压启动的主要缺点是在开关切换的过程中，电动机有短时断电的情况，这会造成大电流冲击和转矩突变。
在开关切换时，不能先合K1后断K2、K3，这样会造成自耦变压器部份绕组短路，只有先断开K2、K3再合K1，其转换时间即为电机的断电时间。
在电机断电时，其定子电流消失，在转子将产生一个感应电流来维持其磁通不变，这个磁通随着转子的转动而旋转，随电流的衰减而减小，它在定子绕组中感应出电势。当K1闭合时，再次接通电源，如果此时感应电势的相位与外加电源的相位相反，将会产生一个很大的冲击电流，而转矩也会发生一个瞬变且可能是一个负的峰值，这对电机和拖动机械是极其不利的。
关键词：中压电动机、全压直接启动、软启动、开关变压器技术
中图分类号：TM921文献标识码： A
1、引言
交流电动机的启动一直是人们关注的一个课题，尤其是高压大容量交流电动机随着其用量的急剧增加，软启动问题就变得更加突出。
众所周知，普通鼠笼式电动机在空载全压直接启动时，启动电流会达到额定电流的5—7倍。当电动机容量相对较大时，该启动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。
电动机全压启动时的大电流在定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。
电动机直接全压启动时的启动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎；对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。
对于水泵类负荷来说，电动机全压启动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。
以上各点都会使设备增加停工台时，影响生产的正常进行，增加维修费用。
中压（3－10KV）电动机的容量都比较大，一般都在200KW以上。近些年来，许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大，如在钢铁、化工行业，10000KW以上的电动机的使用已越来越多，以上问题也变得越来越严重，人们对其关注的程度也越来越高。
2、启动方式对比
2.1直接全压启动
电动机直接全压启动时，过大的启动电流会在线路上产生较大的压降，使电网电压波动很大，影响并联在电网上的其它设备的正常运行，一般的要求是经常启动的电动机引起的电网电压变化不大于10%，偶尔启动的电动机引起的电网电压变化不大于15%。还可以按电源的情况来决定是否允许电动机直接启动，如表1所示：
表1：按电源容量确定电动机直接启动时的功率
电动机启动时会产生短时的冲击电流，如果将这种短时间的冲击电流按周期函数分解，它将包含短时间的谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流。
我们知道，用电负荷中电动机所占比例最大，在电气原动力中占90%，用电量占60%以上，数量如此巨大的电动机在启动时，都会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。同时，还可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。
直接全压启动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压，使定子绕祖上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大的伤害。许多电机的自身故障都是由于绝缘受到伤害而引起的。
综合考虑，在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接启动方式，大家来保证电网的供电质量。在我国，当前在低压电机上采用软启动的方式已经很普遍，但在中压电机启动方面由于设备和技术的原因采用软启动方式还比较少。
2.2定子回路串电抗器减压启动
定子回路串电抗器减压启动方式如图1所示，启动时K2闭合，电抗器与电机M串联接入电网，待电机转速接近额定转速之后，K1闭合、K2断开，将电抗器L切除，电机加速至额定转速运转。
设电动机串入电抗器启动时，它的端电压UL与直接启动时所加的额定电压UN之比为K（K＜1），即
UL=KUN 。（1）
由于电动机阻抗Zm一定，这时电动机的启动电流IS将随电压成正比而降低，即：
（2）
式中ISd ——直接全压启动时的电流
根据启动转矩公式，可知启动转矩TS与所加电压的平方成正比，即
==K2 （3）
或TS=K2TSd（4）
式中TSd ——直接启动时的启动转矩
由上述公式可见，串电抗器后，启动电流成比例减小，启动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机启动时阻力矩的情况，只有启动转矩大于阻力转矩时电机才能顺利启动。
串联电抗器启动为有级降压启动，在全压切換时转矩有跃变，会产生机械冲击。与直接全压启动相比，操作过电压的几率会小些。但由于高频振荡的随机性，大幅值的操作过电压还是有可能出现的。
2.3自耦变压器降压启动
如图2所示，启动时K2、K3闭合，电机降压启动，当电机转速接近于额定转速时K2、K3断开，K1闭合，电机被加速至额定转速运行。
自耦变压器T一般都有几个抽头，启动电流和启动转矩可以靠改变抽头来调节，设自耦变压器二次电压与一次电压之比为K，则在启动时加在电动机上电压为:
UL=KUn （5）
(5)式中Un ——电网电压。电动机的电流即自耦变压器的二次电流I2为：
I2===K=KISd （6）
(6)式中Zm ——电动机启动时的阻抗
ISd ——电动机直接启动时的电流
由于电动机接在自耦变压器的二次侧，故电网供给的启动电流IS即是自耦变压器的一次电流I1，于是有：
IS=I1=KI2=K2ISd（7）
由此可见，当用自耦变压器减压启动时，起动电流只有直接启动时的K2倍。同样由于转矩和电压的平方成正比，起动转矩也只有直接启动时的K2倍，即TS= K2ISd(8)
与电抗器降压启动相比，在获得同样启动转矩的情况下，自耦变压器式降压启动的启动电流较小，适合于阻力矩比较大的情况。
自耦变压器减压启动的主要缺点是在开关切换的过程中，电动机有短时断电的情况，这会造成大电流冲击和转矩突变。
在开关切换时，不能先合K1后断K2、K3，这样会造成自耦变压器部份绕组短路，只有先断开K2、K3再合K1，其转换时间即为电机的断电时间。
在电机断电时，其定子电流消失，在转子将产生一个感应电流来维持其磁通不变，这个磁通随着转子的转动而旋转，随电流的衰减而减小，它在定子绕组中感应出电势。当K1闭合时，再次接通电源，如果此时感应电势的相位与外加电源的相位相反，将会产生一个很大的冲击电流，而转矩也会发生一个瞬变且可能是一个负的峰值，这对电机和拖动机械是极其不利的。