大功率设备软启动的方式及优缺点比较
摘要：本文简要介绍了大功率设备软启动的几种常见方式，固态软启动、液态软启动、采用液力耦合器的软启动技术及其优缺点比较。着重介绍了三相晶闸管电子软启动技术的工作原理，结构特点。并通过应用实例说明了软启动的可行性和必要性。
关键词：大功率设备 软启动 电动机 晶闸管
0 引言
大功率设备的应用十分广泛。在生产过程中，电动机要经常启动、停止，其启动性能的优劣对生产影响很大，这是因为大功率电动机，其强大的启动电流会造成较大的线路电压降落，引起电网电压降低，不仅影响其他用电设备的正常工作，而且对动力变压器也会产生较大的冲击，所以，选择合理的启动方式受到相关技术人员的高度重视[1]。
1 软启动简述
1.1 软启动与一般降压启动的区别 在启动电动机时，可以通过降低加到电动机定子绕组的电压来减小电动机的启动电流。软启动是在规定的启动时间内，用调压装置将启动电压，连续平稳地上升，直至达到额定电压。可用n=f(M)来表示异步电动机的机械特性。
软启动是从初始电压开始，电压平衡连续的增大。从图1中的0.5U所标注的曲线连续的平滑的向右平行移动，一直平稳到与额定电压Ue所指的曲线重合时为止，那么电动机的转矩就会平滑地增大，一直到转矩为最大值Mm时为止，启动结束。这样，在启动过程中电动机的转矩是平滑的而不是跳跃的，启动过程是平稳的，所以叫软启动[2]。
若采用一般降压启动，假设启动电压U=0.5Ue，则电动机启动时的转矩为0.25M，即启动时的转矩仅有电动机最大转矩的1/4。如果在此时将电压增加到电动机的额定电压Ue，那么电动机的转矩就会瞬间由1/4跳到M，这种的启动过程是不平滑、不平稳的，因此又称为硬启动，在要求稳启动的场合不应采用这种启动方式。
1.2 固态（晶闸管电子）软启动的原理 在大容量电动机启动时，三相晶闸管软启动已经得到广泛的应用，其启动过程平稳，谐波的含量，转矩的冲击以及冲击的电流都相对较小，且价格适中，技术较为成熟。晶闸管调压软启动器采用反并联接线的晶闸管、连接在电动机的三相绕组上，在电动机启动过程中，通过调节晶闸管的导通角大小，使电动机的启动电流可随着设定的规律变化而改变。这样人们就可以根据需要来选择和调节电动的启动方式与启动时电流的大小，从而可使电动机可依据继电器的保护性能而达到最优的启动过程。晶闸管调压软启动的工作原理]。
2 晶闸管的软启动方式
2.1 电压斜坡式软启动 通过调节电动机输入电压的升高速率来实现电动机的软启动，适用于不同斜率电压升高量的启动，是一种常见的启动方式。
U1(30％)为电动机启动所需最小转矩对应的初始电压。当电动机启动时，软启动器的输出电压迅速上升到整定值U1，然后按设定的速率逐渐增加，直至达到电网电压。此种软启动一般适用于轻载或空载的启动，也适用于启动转矩随着转速的增大而增大的设备，如普通车床、冲床及抽水泵等[4]。
2.2 阶跃恒流式软启动 对于一些启动转矩要求比较大的设备（如采用斜坡启动）通常不能用正常地方式启动，需要采用阶跃恒流式的软启动方式，在初始启动时，将电动机的启动电流瞬间增大到所设定的启动电流值I、并保持电流大小直至完成启动过程，如图4所示。这种启动方式在启动瞬间的启动转矩较大，适用于较大负载的启动，如一些带负载启动的设备。该启动方式即为乙烯装置空压机电机采用的启动方式[5]。
2.3 脉冲恒流式软启动 它可附加在限流软启动方式中，适用于需要较高启动转矩的设备，从而较快地完成电机启动过程。用户可自行选择脉冲时间。该方式启动初始阶段有一个较大的启动冲击电流，大于设定的恒流启动值I，从而产生较大的冲击矩去克服较大的静摩擦转矩，以此启动设备，进而即进入恒流启动阶段，直至启动完毕。如图5所示。脉冲恒流软启动方式的启动冲击转矩大，适用于皮带输送机、粉碎机的满载启动等重载启动。
3 液态软启动
水电阻启动器是根据电动机降压启动理论，在电动机的定子回路中串入一适当的可调节式水电阻进行分压，充分利用水电阻的可调性能与可恢复性能优良，热容量相对较大的特点，通过控制系统来调节传动机构，带动电极的极板运动，改变定、动极板之间的距离，从而改变水电阻阻值的大小，促使同步变化水电阻的阻值与电动机转差率，达到恒电流启动的目的。使用该启动器来启动电机时，可使电动机稳步加速至额定转速，并缩短其启动的时间，在启动完成后，星点接触器便会自动接入并旁路的水电阻，电动机将在额定电压下运行。
4 液态(水电阻)与固态(晶闸管)软启动器的比较[6]
5 采用液力耦合器的软启动技术
5.1 若从工作原理和机械结构的角度看，液力耦合器的输出转速和输入转速之比一般不能高于95％，即不能同步运行输入与输出轴，因而会损失较多功率，发热情况十分严重，这将会明显降低传动系统的效率。如果大功率设备的长期运行，这种功率损失会显著提高企业的生产成本、导致企业的经济效益的下滑。
5.2 在采用调速型液力耦合器作为软启动装置时，电动机的启动电流仍然较大(5～8倍的额定电流)，因此需要严格限制电动机的启动次数。与其他调速方式相比，由于受到原理结构的制约，调速型液力耦合器的有效调速范围较小，其可控性也较差。
5.3 调速型液力耦合器体积庞大，系统复杂，并且具有高速旋转的大直径部件，当它分别与电动机和减速机联接之后，所占空间更大，在安装空间有限的场合无法正常使用。用液力耦合器作为软启动传动装置的主要优点在于液力耦合器的技术相对成熟，价格合理，井下的隔爆要求易于实现，尤其是采用水介质的液力耦合器具有优良的隔爆性能，目前主要应用在刮板输送机、带式输送机、转载机等煤矿机械设备的传动系统中[7]。
6 结语
由于固态(晶闸管)电机软启动器具有优良的特性，所以其应用越来越广泛。我国中(高)密度纤维板生产企业正在用这种启动器来逐步取代液态(水电阻)启动器；但由于液态(水电阻)启动器结构简单，价格相对便宜，故目前也有一定的应用。三相晶闸管调压软启动实现了大容量电动机的平稳启动，消除了因大容量电动机的启动造成对电网冲击的可能，保证电力系统的安全稳定运行，与其它同类启动方式的产品相比，采用软启动器的启动方式可以减小设备易损件的更换周期，降低运行成本，有效地保证了生产的正常、连续运行。
参考文献：
[1]唐振鹏.上湾洗煤厂6kV电动机启动方式的分析与改进.煤炭工程.2009.
[2]张以都.国内外重载机械设备软启动技术的研究.煤炭科学技术.2001.
[3]王传成.利用晶闸管交流调压器实现大功率三相异步电动机的软启动.中国设备工程.2003.
[4]马自玫.隔爆高压软启动设备在煤矿井下的应用.煤炭科学技术.2004.
[4]周芹刚，孙本胜.大功率电机启动方式的比较与选择.氯碱工业[8].2007.
[5]李军，卢勇.软启动技术在大型感应电动机中的应用.动力与电气工程.2009.
[6]石战平.浅谈中(高)密度纤维板厂10kV高压电机启动；林业机械与木工设备37[7]；2009.
[7]薄祥群，江卫，田素华；高压大功率电动机自动电液变阻软启动的研究与应用；中国设备工程；2007