摘要：全面而简扼地介绍几种高压软起动装置，比较它们之间的异同点。为使读者对于"比较"能有一个正确的把握，穿插地对软起动的相关知识作了一定的铺垫。
关键词：软起动；高压软起动装置；比较

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

    由于新增大型动力设备的增势迅猛，6～10千伏级电网供电负荷与容量之间的矛盾加剧，加大了对于高压软起动装置的需求。
    2002年以来，几种国产新高压软起动装置应运而生。本文从基本概念出发，全面而简扼地介绍几种高压软起动装置，比较它们之间的异同点。

1  几种微电子高压软起动装置

1.1  磁控高压软起动装置
    首台磁控高压软起动装置诞生于2002年5月。检索表明，国外目前无此类软起动产品。
磁控高压电动机软起动装置的原理接线图如图1所示。在图1中，QS为高压隔离开关，QF为真空断路器，SR为饱和电抗器，M为高压电动机。

(1) 按电动机定子3出线画出       (2) 按电动机定子6出线画出
图1  磁控高压电动机软起动接线图

    在该装置里，饱和电抗器有2个作用，即实现电流反馈和实现高、低压隔离。饱和电抗器的交流绕组串连在电动机的定子回路里，实现电动机的降压或限流。交流绕组阻抗的调节是通过控制铁芯饱和度实现的，铁芯饱和度由直流绕组控制。磁控软起动装置的控制核心是PLC。它接收反馈信号，输出触发脉冲，通过SCR三相全控桥式整流电路为直流绕组供电，实现闭环控制。在软起动临近结束时，交流绕组阻抗值趋于它的最小值，即空心交流绕组的阻抗值。
    磁控软起动装置有2种可能形式：全控式（以下简称A1）与半控式（以下简称A2）。它们的工作原理相同，不同仅在于饱和电抗器的形式：A1的铁芯是口字形的，A2的铁芯是裂芯式的。A1铁芯的全部磁路的饱和度均受直流绕组控制，故称为全控式。A2只有裂芯柱的铁芯饱和度受直流绕组控制，其不裂芯柱不受直流绕组控制，故称为半控式。
1.2  晶闸管高压软起动装置
    晶闸管高压电动机软起动装置的原理接线图如图2所示。   

(1) 直接形式                 (2) 开关变压器形式
图2  晶闸管高压电动机软起动接线图

    在图2中，QS、QF与M的意义同前，SCR为晶闸管，T为开关（降压）变压器。
晶闸管高压电动机软起动的直接形式（以下简称B1）是这种电路的主要形式，而其开关变压器形式是它的派生形式（以下简称B2）。
    国产B1试制品2003年面世。从其直接形式显见，SCR串连在电动机定子回路里。3对接成反并联的SCR是用以实现电动机限流的电力电子器件。SCR的导通角由装置内的控制核心（单片机或PLC）按照反馈控制原则决定。
    对于B1而言，由于目前电力电子制造业能够提供的SCR的耐压有限，需要用好几个SCR串连充顶一个，以确保SCR的安全。SCR的串连是一项高难技术，要求SCR器件有很好的一致性，SCR的导通和关断有很好的静态和动态的同步性。这是其产品价格特别昂贵的原因，也是其派生形式得以诞生的原因。
    在B2里，开关变压器的作用是降压。因为变压器二次侧接的是工作于通断状态的SCR，所以称之为"开关变压器"。在电力系统动态无功补偿技术中，借变压器提高SCR耐压是一种久已存在的方法。B2的创新点仅仅是将这种方法用到软起动中。

2  2种液态高压电动机软起动装置
2.1  液阻高压电动机软起动装置（以下简称C1）

  
(1) 按电动机定子3出线画出      (2) 按电动机定子6出线画出
图3  液阻高压电动机软起动接线图

    在图3中，QS、QF与M的意义同前，R为液阻箱极板之间的电阻。
    C1的限流电力器件是液阻箱极板之间的电阻。液阻的连续调节靠的是极板间距，拖动极板的是伺服电机。这类装置可以按开环或闭环原则工作。按开环原则工作时，伺服电机转速是恒定的；按闭环原则工作时，伺服电机转速按偏差自动调节。
    极板伺服控制系统是决定这类装置品质的关键。努力把它做好当然是值得的。不过，这无疑会增加成本，增加维护的工作量。与做好极板伺服控制系统反其道而行之的是完全废弃伺服控制的做法，这就是下面要说的C2。
    C1的面世年代是1998年，C2的面世年代大约在2000年。
2.2  液阻高压电动机软起动装置的退化形式-热变电阻器（以下简称C2）
    热变电阻器是导电极板不动的液阻高压电动机软起动装置。如果将图3中电阻上的箭头理解为电阻值的"热变"，则图3也是C2的接线图。C2从根本上严格了控制，免除了对于伺服控制系统的设计和维护。在软起动过程中，液阻热耗转化为温升，致使载流子增加，液阻阻值减小。使人感觉到在起动过程中，好像极板在移近，好像有一个伺服系统在操纵一样。
上文中，概要地阐明了A1、A2、B1、B2、C1、C2的工作原理和发展脉络。以下，从各个侧面或层面剖析和比较A1、A2、B1、B2、C1、C2。

3  对高压电动机软起动装置A1、A2、B1、B2、C1、C2进一步的剖析和比较

3.1  热变电阻器C2在起动高压电动机过程中究竟有没有控制？
    没有。连伺服机构都没有，谈何控制？那么，根据电动机的情况决定液阻箱做成什么式样，电解液怎么配方不是控制吗？不是。那是设计。设计和控制完全是两码事。
3.2  能不能说"热变电阻器C2没有控制，胜似控制"？
    不能。热变效应定性指明液阻值的变化走向，却难以定量确定它。如果控制以某恒流值为目标，就可以反算出C2的电阻－时间曲线，只有在实际R(t)很好拟合时，控制目标才能实现。仅仅靠热变这一唯一的失控的手段就能够确保拟合吗？显然不能。
    软起动的重复性是软起动的重要指标之一。重复性指的是不同次软起动过程的一致性。闭环控制能够确保重复性，C2却对环境温度的变化、网压的波动没有应对手段，不能实现好的重复性。热变是一把双刃剑，环境温度对电阻值的影响就是它的另外的一个刃面。
3.3  对热变电阻器C2的起动高压电动机的过程能不能做仿真？
    能够。仿真就是通过计算预测软起动过程。对于大电机软起动而言，仿真对于设计者和用户都是很必要的。任何过程都能够仿真，由C2引起的过程当然也不例外。但是，热变电阻器C2的仿真存在很大的难度。难度在于很难获知C2的热力学数学模型。热变电阻器有大、中、小三个空间。即极板间空间，液阻箱内极板外空间和装置所在的房间。热源在"小空间"内产生，小空间电解液的温度和浓度决定热变电阻值。温升由发热和对流这一对矛盾决定。发热量与电网电压的平方成正比，与软起动时间成正比，软起动时间与负载情况（包括总飞轮惯量）相关；对流取决于"小、中空间"电解液温差和箱体结构。"大空间"温度是软起动仿真的初始条件。
    对于仿真软件而言，其输入必须包含电网、电机、负载的数学模型，热变电阻热力学的数学模型，以及房间温度。输入或不输入这些参数将是区分科学仿真和不科学仿真的试金石。如果假设C2是某恒流值的软起动，上述由热力学数学模型的不确切所引起的障碍都可以跳过。但是，这是不科学的。
3.4  液阻高压电动机软起动装置C1与热变电阻C2的比较
    从原理上看，C1优于C2。C1是有控制的软起动装置。即使对于伺服电动机转速是恒定的这种最简单的形式，人们还是有可能通过改变伺服电动机开停节拍对软起动过程进行干预。在电解液的配置上，C1遵循钝化电导率对温度的灵敏度的原则（保持电解液适当的浓度），因而能够较好地钝化上述"双刃剑"对自己的伤害。
    C2阻值的热变范围小，不超过2。所以，C2不能用在线绕转子电动机而C1却可以。
    从维护方面看，C1和C2均存在极板的锈蚀的问题，存在由于电解液的挥发而带来的补充水的问题。C2比C1的优点在于免除了对于伺服控制系统的维护。
3.5  微电子高压软起动装置A1、A2、B1、B2与液阻装置C1、C2的比较
    从控制方面看，前者优于后者。前者不仅实现了闭环控制，而且，控制是静止的。从控制的快速性方面看，前者也有数量级的优势。设想电网电压有一个突然性的跃升，闭环控制要求有一个立即的反应。在A1、A2、B1、B2，只需改变一下触发角；而在C1，就要赶紧移动导电极板，受限于惯性，移动往往是跟不上的。所以，A1、A2、B1、B2可调用的菜单远比C1的丰富。前者的限流器件都是工作于开关状态的，依靠导通占空比实现控制。电力器件本身热耗小，而C1、C2限流器件的是液阻，热耗大。散热是件麻烦事，前者在这方面的麻烦远比C1、C2小。C1、C2还是所在房间的加湿器。A1、A2、B1、B2的装置尺寸，远比C1、C2小。C1、C2与前者相比就是一堆庞然大物。在"1拖2"（用一台软起动装置通过切换以很小的间隔时间依次将2台或多台电动机投入运行）方面A1、A2、B1、B2均能够胜任。对于C1、C2来说，虽然不是绝对无法做到，由于温升的制约，将付出更大的代价。从维护方面看，C1、C2需要定期补充水，定期对液阻箱做清洁处理，而前者的维护量相对较小，但对维护人员的素质有更高的要求。此外，C1、C2对于结冰环境的适应能力也较差。
    C1、C2也不是一无是处。C1、C2显然不产生高次谐波。
    从电网流进某二端网络的电流所引起的电网压降除了显然地正比于电流以外，还与后者的阻抗有关。这里，存在着2个阻抗角：电网短路阻抗角φnet和二端网络阻抗角φload。矢量分析表明：两者相位差Δφ大有利于减少电网压降。对大多数电网而言，短路阻抗角约为80°，而C1或C2串电动机二端网络的阻抗角φload在软起动过程中保持在30～60°，Δφ相对较大。而在微电子软起动装置的情况下，A1、A2、B1或B2串电动机二端网络的阻抗角φload保持在50～80°，Δφ相对较小。因此，C1或C2引起的电网压降较小。
3.6  A1与B2的比较
    在作这项比较之前，需要弄清2点：① 变压器不具有功放作用，而饱和电抗器是具有大约50倍功放作用的电力器件；② 在开关变压器软起动装置里，电动机电流的控制靠的是变压器二次侧电流的祛磁作用，而在饱和电抗器装置里，靠的是直流励磁的偏磁作用。
磁控软起动装置A1比较开关变压器软起动装置B2的优点是:① 成本低（约为B2的二分之一），原因是B2里的SCR的容量远比A1大，开关变压器的铜和硅钢片总重量至少为饱和电抗器的1.5倍；② 可靠性高，耐受恶劣环境的能力强，维护工作量小（不采用油冷等牺牲可靠性和免维护性的措施）；③ 空间利用率高（装置的电控部分和饱和电抗器一起装在一个柜子里，全部设备均在主电室内，而开关变压器和大SCR共居的油箱本身的安全性差，不宜置放在主电室内）；④ A1的谐波畸变源于铁芯磁化曲线的饱和非线性，B2的谐波畸变源于晶闸管的开关作用。相对而言，A1的总谐波畸变率较小。
    开关变压器软起动装置B2比较磁控软起动装置A1的优点是：① 调节快速性好；② 辅助电源容量小，只要能够支持SCR的触发就够了；③ 在软起动设备周围空间杂散的漏磁小；④ 电力器件导通度的变化范围大；⑤ 软起动过程中装置发出的噪声比较小。
3.7  A1与B1、B2在"开门电平"方面的比较
    所谓"开门电平"是指软起动刚开始时电动机电压的标么值。对于A1，开门电平取决于饱和电抗器零激磁阻抗；对于B1，开门电平可以任意设定；对于B2，开门电平取决于开关变压器的二次侧开路的阻抗。对于A1和 B2，开门电平适当做大一点将有利于降低成本。
    笔者认为，要求零开门电平是没有意义的。但是，对于A1和 B2而言，把开门电平近似设定为零也绝对是做得到的。在这样做的时候，A1中的饱和电抗器就是人们熟知的磁放大器。
    所谓"1拖2"是指用一台软起动装置通过切换依次将2台或多台电动机投入运行。A1与B1、B2均能够胜任。
3.8  "特大容量电动机"的软起动问题
    所谓"特大容量电动机"是指10000kW以上的电动机。
    从原则上看，在电网短路容量允许的条件下，上述A1、A2、B1、B2、C1、C2均能胜任特大容量电动机的软起动。但是，它们将面临的困难各不相同。
    对于A1、A2和C1、C2而言，困难不是很大，只需解决电力器件做大的问题、运输的问题和安装承重的问题。对B2来说，会出现SCR的并联问题（静态和动态的均流问题）。
    A1和A2从以下意义上说是更适合于"做大"：如果电动机容量增大10倍，相应的制造成本的增大倍数仅为6倍。
3.9  A1与A2的比较
    (1)  A1与A2在结构上的区别：A1含6个铁芯、6个交流绕组、1个直流绕组；A2含3个铁芯（铁芯含一对裂芯柱和一个不裂芯柱）、3个交流绕组、6个直流绕组，直流绕组绕在裂芯柱上，交流绕组包绕在直流绕组外面。A1的直流绕组将电抗器栓为一体，A2可以拆分为3件。
    (2)  定量计算表明，A2铜材和硅钢片用量比A1要节省，总重量约为A1的80％。重量和相应成本节省的原因在于用一个裂芯铁芯取代了两个口字形铁芯。
    (3)  因为交流绕组与铁芯柱之间横亘着直流绕组，所以，就交流绕组阻抗的最小值而言，A2的远比A1的大，约为后者的2倍。
    (4)  因为A2有6个直流绕组，所以，其功率消耗比A1的大。定量计算表明，A2直流绕组的消耗，约为A2的150%。

参考文献：
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