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摘要：全面而簡扼地介紹幾種高壓軟起動裝置，比較它們之間的異同點。為使讀者對于"比較"能有一個正確的把握，穿插地對軟起動的相關(guān)知識作了一定的鋪墊。
關(guān)鍵詞：軟起動；高壓軟起動裝置；比較

Abstract: The paper comprehensively introduces several kinds of high-pressure soft start apparatuses for the engineers and the designers. In order to make the readers to have a deep understanding about soft starting, an overall knowledge about soft starting is introduced.
Key words: Soft start; High pressure soft start apparatuses; Comparison

    由于新增大型動力設(shè)備的增勢迅猛，6～10千伏級電網(wǎng)供電負(fù)荷與容量之間的矛盾加劇，加大了對于高壓軟起動裝置的需求。
    2002年以來，幾種國產(chǎn)新高壓軟起動裝置應(yīng)運而生。本文從基本概念出發(fā)，全面而簡扼地介紹幾種高壓軟起動裝置，比較它們之間的異同點。

1  幾種微電子高壓軟起動裝置

1.1  磁控高壓軟起動裝置
    首臺磁控高壓軟起動裝置誕生于2002年5月。檢索表明，國外目前無此類軟起動產(chǎn)品。
磁控高壓電動機(jī)軟起動裝置的原理接線圖如圖1所示。在圖1中，QS為高壓隔離開關(guān)，QF為真空斷路器，SR為飽和電抗器，M為高壓電動機(jī)。

(1) 按電動機(jī)定子3出線畫出       (2) 按電動機(jī)定子6出線畫出
圖1  磁控高壓電動機(jī)軟起動接線圖

    在該裝置里，飽和電抗器有2個作用，即實現(xiàn)電流反饋和實現(xiàn)高、低壓隔離。飽和電抗器的交流繞組串連在電動機(jī)的定子回路里，實現(xiàn)電動機(jī)的降壓或限流。交流繞組阻抗的調(diào)節(jié)是通過控制鐵芯飽和度實現(xiàn)的，鐵芯飽和度由直流繞組控制。磁控軟起動裝置的控制核心是PLC。它接收反饋信號，輸出觸發(fā)脈沖，通過SCR三相全控橋式整流電路為直流繞組供電，實現(xiàn)閉環(huán)控制。在軟起動臨近結(jié)束時，交流繞組阻抗值趨于它的最小值，即空心交流繞組的阻抗值。
    磁控軟起動裝置有2種可能形式：全控式（以下簡稱A1）與半控式（以下簡稱A2）。它們的工作原理相同，不同僅在于飽和電抗器的形式：A1的鐵芯是口字形的，A2的鐵芯是裂芯式的。A1鐵芯的全部磁路的飽和度均受直流繞組控制，故稱為全控式。A2只有裂芯柱的鐵芯飽和度受直流繞組控制，其不裂芯柱不受直流繞組控制，故稱為半控式。
1.2  晶閘管高壓軟起動裝置
    晶閘管高壓電動機(jī)軟起動裝置的原理接線圖如圖2所示。   

(1) 直接形式                 (2) 開關(guān)變壓器形式
圖2  晶閘管高壓電動機(jī)軟起動接線圖

    在圖2中，QS、QF與M的意義同前，SCR為晶閘管，T為開關(guān)（降壓）變壓器。
晶閘管高壓電動機(jī)軟起動的直接形式（以下簡稱B1）是這種電路的主要形式，而其開關(guān)變壓器形式是它的派生形式（以下簡稱B2）。
    國產(chǎn)B1試制品2003年面世。從其直接形式顯見，SCR串連在電動機(jī)定子回路里。3對接成反并聯(lián)的SCR是用以實現(xiàn)電動機(jī)限流的電力電子器件。SCR的導(dǎo)通角由裝置內(nèi)的控制核心（單片機(jī)或PLC）按照反饋控制原則決定。
    對于B1而言，由于目前電力電子制造業(yè)能夠提供的SCR的耐壓有限，需要用好幾個SCR串連充頂一個，以確保SCR的安全。SCR的串連是一項高難技術(shù)，要求SCR器件有很好的一致性，SCR的導(dǎo)通和關(guān)斷有很好的靜態(tài)和動態(tài)的同步性。這是其產(chǎn)品價格特別昂貴的原因，也是其派生形式得以誕生的原因。
    在B2里，開關(guān)變壓器的作用是降壓。因為變壓器二次側(cè)接的是工作于通斷狀態(tài)的SCR，所以稱之為"開關(guān)變壓器"。在電力系統(tǒng)動態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)中，借變壓器提高SCR耐壓是一種久已存在的方法。B2的創(chuàng)新點僅僅是將這種方法用到軟起動中。

2  2種液態(tài)高壓電動機(jī)軟起動裝置
2.1  液阻高壓電動機(jī)軟起動裝置（以下簡稱C1）

  
(1) 按電動機(jī)定子3出線畫出      (2) 按電動機(jī)定子6出線畫出
圖3  液阻高壓電動機(jī)軟起動接線圖

    在圖3中，QS、QF與M的意義同前，R為液阻箱極板之間的電阻。
    C1的限流電力器件是液阻箱極板之間的電阻。液阻的連續(xù)調(diào)節(jié)靠的是極板間距，拖動極板的是伺服電機(jī)。這類裝置可以按開環(huán)或閉環(huán)原則工作。按開環(huán)原則工作時，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定的；按閉環(huán)原則工作時，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速按偏差自動調(diào)節(jié)。
    極板伺服控制系統(tǒng)是決定這類裝置品質(zhì)的關(guān)鍵。努力把它做好當(dāng)然是值得的。不過，這無疑會增加成本，增加維護(hù)的工作量。與做好極板伺服控制系統(tǒng)反其道而行之的是完全廢棄伺服控制的做法，這就是下面要說的C2。
    C1的面世年代是1998年，C2的面世年代大約在2000年。
2.2  液阻高壓電動機(jī)軟起動裝置的退化形式-熱變電阻器（以下簡稱C2）
    熱變電阻器是導(dǎo)電極板不動的液阻高壓電動機(jī)軟起動裝置。如果將圖3中電阻上的箭頭理解為電阻值的"熱變"，則圖3也是C2的接線圖。C2從根本上嚴(yán)格了控制，免除了對于伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計和維護(hù)。在軟起動過程中，液阻熱耗轉(zhuǎn)化為溫升，致使載流子增加，液阻阻值減小。使人感覺到在起動過程中，好像極板在移近，好像有一個伺服系統(tǒng)在操縱一樣。
上文中，概要地闡明了A1、A2、B1、B2、C1、C2的工作原理和發(fā)展脈絡(luò)。以下，從各個側(cè)面或?qū)用嫫饰龊捅容^A1、A2、B1、B2、C1、C2。

3  對高壓電動機(jī)軟起動裝置A1、A2、B1、B2、C1、C2進(jìn)一步的剖析和比較

3.1  熱變電阻器C2在起動高壓電動機(jī)過程中究竟有沒有控制？
    沒有。連伺服機(jī)構(gòu)都沒有，談何控制？那么，根據(jù)電動機(jī)的情況決定液阻箱做成什么式樣，電解液怎么配方不是控制嗎？不是。那是設(shè)計。設(shè)計和控制完全是兩碼事。
3.2  能不能說"熱變電阻器C2沒有控制，勝似控制"？
    不能。熱變效應(yīng)定性指明液阻值的變化走向，卻難以定量確定它。如果控制以某恒流值為目標(biāo)，就可以反算出C2的電阻－時間曲線，只有在實際R(t)很好擬合時，控制目標(biāo)才能實現(xiàn)。僅僅靠熱變這一唯一的失控的手段就能夠確保擬合嗎？顯然不能。
    軟起動的重復(fù)性是軟起動的重要指標(biāo)之一。重復(fù)性指的是不同次軟起動過程的一致性。閉環(huán)控制能夠確保重復(fù)性，C2卻對環(huán)境溫度的變化、網(wǎng)壓的波動沒有應(yīng)對手段，不能實現(xiàn)好的重復(fù)性。熱變是一把雙刃劍，環(huán)境溫度對電阻值的影響就是它的另外的一個刃面。
3.3  對熱變電阻器C2的起動高壓電動機(jī)的過程能不能做仿真？
    能夠。仿真就是通過計算預(yù)測軟起動過程。對于大電機(jī)軟起動而言，仿真對于設(shè)計者和用戶都是很必要的。任何過程都能夠仿真，由C2引起的過程當(dāng)然也不例外。但是，熱變電阻器C2的仿真存在很大的難度。難度在于很難獲知C2的熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型。熱變電阻器有大、中、小三個空間。即極板間空間，液阻箱內(nèi)極板外空間和裝置所在的房間。熱源在"小空間"內(nèi)產(chǎn)生，小空間電解液的溫度和濃度決定熱變電阻值。溫升由發(fā)熱和對流這一對矛盾決定。發(fā)熱量與電網(wǎng)電壓的平方成正比，與軟起動時間成正比，軟起動時間與負(fù)載情況（包括總飛輪慣量）相關(guān)；對流取決于"小、中空間"電解液溫差和箱體結(jié)構(gòu)。"大空間"溫度是軟起動仿真的初始條件。
    對于仿真軟件而言，其輸入必須包含電網(wǎng)、電機(jī)、負(fù)載的數(shù)學(xué)模型，熱變電阻熱力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，以及房間溫度。輸入或不輸入這些參數(shù)將是區(qū)分科學(xué)仿真和不科學(xué)仿真的試金石。如果假設(shè)C2是某恒流值的軟起動，上述由熱力學(xué)數(shù)學(xué)模型的不確切所引起的障礙都可以跳過。但是，這是不科學(xué)的。
3.4  液阻高壓電動機(jī)軟起動裝置C1與熱變電阻C2的比較
    從原理上看，C1優(yōu)于C2。C1是有控制的軟起動裝置。即使對于伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定的這種最簡單的形式，人們還是有可能通過改變伺服電動機(jī)開停節(jié)拍對軟起動過程進(jìn)行干預(yù)。在電解液的配置上，C1遵循鈍化電導(dǎo)率對溫度的靈敏度的原則（保持電解液適當(dāng)?shù)臐舛龋蚨軌蜉^好地鈍化上述"雙刃劍"對自己的傷害。
    C2阻值的熱變范圍小，不超過2。所以，C2不能用在線繞轉(zhuǎn)子電動機(jī)而C1卻可以。
    從維護(hù)方面看，C1和C2均存在極板的銹蝕的問題，存在由于電解液的揮發(fā)而帶來的補(bǔ)充水的問題。C2比C1的優(yōu)點在于免除了對于伺服控制系統(tǒng)的維護(hù)。
3.5  微電子高壓軟起動裝置A1、A2、B1、B2與液阻裝置C1、C2的比較
    從控制方面看，前者優(yōu)于后者。前者不僅實現(xiàn)了閉環(huán)控制，而且，控制是靜止的。從控制的快速性方面看，前者也有數(shù)量級的優(yōu)勢。設(shè)想電網(wǎng)電壓有一個突然性的躍升，閉環(huán)控制要求有一個立即的反應(yīng)。在A1、A2、B1、B2，只需改變一下觸發(fā)角；而在C1，就要趕緊移動導(dǎo)電極板，受限于慣性，移動往往是跟不上的。所以，A1、A2、B1、B2可調(diào)用的菜單遠(yuǎn)比C1的豐富。前者的限流器件都是工作于開關(guān)狀態(tài)的，依靠導(dǎo)通占空比實現(xiàn)控制。電力器件本身熱耗小，而C1、C2限流器件的是液阻，熱耗大。散熱是件麻煩事，前者在這方面的麻煩遠(yuǎn)比C1、C2小。C1、C2還是所在房間的加濕器。A1、A2、B1、B2的裝置尺寸，遠(yuǎn)比C1、C2小。C1、C2與前者相比就是一堆龐然大物。在"1拖2"（用一臺軟起動裝置通過切換以很小的間隔時間依次將2臺或多臺電動機(jī)投入運行）方面A1、A2、B1、B2均能夠勝任。對于C1、C2來說，雖然不是絕對無法做到，由于溫升的制約，將付出更大的代價。從維護(hù)方面看，C1、C2需要定期補(bǔ)充水，定期對液阻箱做清潔處理，而前者的維護(hù)量相對較小，但對維護(hù)人員的素質(zhì)有更高的要求。此外，C1、C2對于結(jié)冰環(huán)境的適應(yīng)能力也較差。
    C1、C2也不是一無是處。C1、C2顯然不產(chǎn)生高次諧波。
    從電網(wǎng)流進(jìn)某二端網(wǎng)絡(luò)的電流所引起的電網(wǎng)壓降除了顯然地正比于電流以外，還與后者的阻抗有關(guān)。這里，存在著2個阻抗角：電網(wǎng)短路阻抗角φnet和二端網(wǎng)絡(luò)阻抗角φload。矢量分析表明：兩者相位差Δφ大有利于減少電網(wǎng)壓降。對大多數(shù)電網(wǎng)而言，短路阻抗角約為80°，而C1或C2串電動機(jī)二端網(wǎng)絡(luò)的阻抗角φload在軟起動過程中保持在30～60°，Δφ相對較大。而在微電子軟起動裝置的情況下，A1、A2、B1或B2串電動機(jī)二端網(wǎng)絡(luò)的阻抗角φload保持在50～80°，Δφ相對較小。因此，C1或C2引起的電網(wǎng)壓降較小。
3.6  A1與B2的比較
    在作這項比較之前，需要弄清2點：① 變壓器不具有功放作用，而飽和電抗器是具有大約50倍功放作用的電力器件；② 在開關(guān)變壓器軟起動裝置里，電動機(jī)電流的控制靠的是變壓器二次側(cè)電流的祛磁作用，而在飽和電抗器裝置里，靠的是直流勵磁的偏磁作用。
磁控軟起動裝置A1比較開關(guān)變壓器軟起動裝置B2的優(yōu)點是:① 成本低（約為B2的二分之一），原因是B2里的SCR的容量遠(yuǎn)比A1大，開關(guān)變壓器的銅和硅鋼片總重量至少為飽和電抗器的1.5倍；② 可靠性高，耐受惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)，維護(hù)工作量小（不采用油冷等犧牲可靠性和免維護(hù)性的措施）；③ 空間利用率高（裝置的電控部分和飽和電抗器一起裝在一個柜子里，全部設(shè)備均在主電室內(nèi)，而開關(guān)變壓器和大SCR共居的油箱本身的安全性差，不宜置放在主電室內(nèi)）；④ A1的諧波畸變源于鐵芯磁化曲線的飽和非線性，B2的諧波畸變源于晶閘管的開關(guān)作用。相對而言，A1的總諧波畸變率較小。
    開關(guān)變壓器軟起動裝置B2比較磁控軟起動裝置A1的優(yōu)點是：① 調(diào)節(jié)快速性好；② 輔助電源容量小，只要能夠支持SCR的觸發(fā)就夠了；③ 在軟起動設(shè)備周圍空間雜散的漏磁小；④ 電力器件導(dǎo)通度的變化范圍大；⑤ 軟起動過程中裝置發(fā)出的噪聲比較小。
3.7  A1與B1、B2在"開門電平"方面的比較
    所謂"開門電平"是指軟起動剛開始時電動機(jī)電壓的標(biāo)么值。對于A1，開門電平取決于飽和電抗器零激磁阻抗；對于B1，開門電平可以任意設(shè)定；對于B2，開門電平取決于開關(guān)變壓器的二次側(cè)開路的阻抗。對于A1和 B2，開門電平適當(dāng)做大一點將有利于降低成本。
    筆者認(rèn)為，要求零開門電平是沒有意義的。但是，對于A1和 B2而言，把開門電平近似設(shè)定為零也絕對是做得到的。在這樣做的時候，A1中的飽和電抗器就是人們熟知的磁放大器。
    所謂"1拖2"是指用一臺軟起動裝置通過切換依次將2臺或多臺電動機(jī)投入運行。A1與B1、B2均能夠勝任。
3.8  "特大容量電動機(jī)"的軟起動問題
    所謂"特大容量電動機(jī)"是指10000kW以上的電動機(jī)。
    從原則上看，在電網(wǎng)短路容量允許的條件下，上述A1、A2、B1、B2、C1、C2均能勝任特大容量電動機(jī)的軟起動。但是，它們將面臨的困難各不相同。
    對于A1、A2和C1、C2而言，困難不是很大，只需解決電力器件做大的問題、運輸?shù)膯栴}和安裝承重的問題。對B2來說，會出現(xiàn)SCR的并聯(lián)問題（靜態(tài)和動態(tài)的均流問題）。
    A1和A2從以下意義上說是更適合于"做大"：如果電動機(jī)容量增大10倍，相應(yīng)的制造成本的增大倍數(shù)僅為6倍。
3.9  A1與A2的比較
    (1)  A1與A2在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別：A1含6個鐵芯、6個交流繞組、1個直流繞組；A2含3個鐵芯（鐵芯含一對裂芯柱和一個不裂芯柱）、3個交流繞組、6個直流繞組，直流繞組繞在裂芯柱上，交流繞組包繞在直流繞組外面。A1的直流繞組將電抗器栓為一體，A2可以拆分為3件。
    (2)  定量計算表明，A2銅材和硅鋼片用量比A1要節(jié)省，總重量約為A1的80％。重量和相應(yīng)成本節(jié)省的原因在于用一個裂芯鐵芯取代了兩個口字形鐵芯。
    (3)  因為交流繞組與鐵芯柱之間橫亙著直流繞組，所以，就交流繞組阻抗的最小值而言，A2的遠(yuǎn)比A1的大，約為后者的2倍。
    (4)  因為A2有6個直流繞組，所以，其功率消耗比A1的大。定量計算表明，A2直流繞組的消耗，約為A2的150%。

參考文獻(xiàn)：
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