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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知識作了一定的鋪墊。
關鍵詞：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備的增勢迅猛，6～10千伏級電網供電負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，幾種國產新高壓軟起動裝置應運而生。本文從基本概念出發，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品。
磁控高壓電動機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，QF為真空斷路器，SR為飽和電抗器，M為高壓電動機。

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

    在該裝置里，飽和電抗器有2個作用，即實現電流反饋和實現高、低壓隔離。飽和電抗器的交流繞組串連在電動機的定子回路里，實現電動機的降壓或限流。交流繞組阻抗的調節是通過控制鐵芯飽和度實現的，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，輸出觸發脈沖，通過SCR三相全控橋式整流電路為直流繞組供電，實現閉環控制。在軟起動臨近結束時，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
    晶閘管高壓電動機軟起動裝置的原理接線圖如圖2所示。   

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

    在圖2中，QS、QF與M的意義同前，SCR為晶閘管，T為開關（降壓）變壓器。
晶閘管高壓電動機軟起動的直接形式（以下簡稱B1）是這種電路的主要形式，而其開關變壓器形式是它的派生形式（以下簡稱B2）。
    國產B1試制品2003年面世。從其直接形式顯見，SCR串連在電動機定子回路里。3對接成反并聯的SCR是用以實現電動機限流的電力電子器件。SCR的導通角由裝置內的控制核心（單片機或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，要求SCR器件有很好的一致性，SCR的導通和關斷有很好的靜態和動態的同步性。這是其產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，開關變壓器的作用是降壓。因為變壓器二次側接的是工作于通斷狀態的SCR，所以稱之為"開關變壓器"。在電力系統動態無功補償技術中，借變壓器提高SCR耐壓是一種久已存在的方法。B2的創新點僅僅是將這種方法用到軟起動中。

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

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

    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。液阻的連續調節靠的是極板間距，拖動極板的是伺服電機。這類裝置可以按開環或閉環原則工作。按開環原則工作時，伺服電機轉速是恒定的；按閉環原則工作時，伺服電機轉速按偏差自動調節。
    極板伺服控制系統是決定這類裝置品質的關鍵。努力把它做好當然是值得的。不過，這無疑會增加成本，增加維護的工作量。與做好極板伺服控制系統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）
    熱變電阻器是導電極板不動的液阻高壓電動機軟起動裝置。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從根本上嚴格了控制，免除了對于伺服控制系統的設計和維護。在軟起動過程中，液阻熱耗轉化為溫升，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的工作原理和發展脈絡。以下，從各個側面或層面剖析和比較A1、A2、B1、B2、C1、C2。

3  對高壓電動機軟起動裝置A1、A2、B1、B2、C1、C2進一步的剖析和比較

3.1  熱變電阻器C2在起動高壓電動機過程中究竟有沒有控制？
    沒有。連伺服機構都沒有，談何控制？那么，根據電動機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。那是設計。設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，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，控制目標才能實現。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。
    軟起動的重復性是軟起動的重要指標之一。重復性指的是不同次軟起動過程的一致性。閉環控制能夠確保重復性，C2卻對環境溫度的變化、網壓的波動沒有應對手段，不能實現好的重復性。熱變是一把雙刃劍，環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的起動高壓電動機的過程能不能做仿真？
    能夠。仿真就是通過計算預測軟起動過程。對于大電機軟起動而言，仿真對于設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的熱力學數學模型。熱變電阻器有大、中、小三個空間。即極板間空間，液阻箱內極板外空間和裝置所在的房間。熱源在"小空間"內產生，小空間電解液的溫度和濃度決定熱變電阻值。溫升由發熱和對流這一對矛盾決定。發熱量與電網電壓的平方成正比，與軟起動時間成正比，軟起動時間與負載情況（包括總飛輪慣量）相關；對流取決于"小、中空間"電解液溫差和箱體結構。"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、電機、負載的數學模型，熱變電阻熱力學的數學模型，以及房間溫度。輸入或不輸入這些參數將是區分科學仿真和不科學仿真的試金石。如果假設C2是某恒流值的軟起動，上述由熱力學數學模型的不確切所引起的障礙都可以跳過。但是，這是不科學的。
3.4  液阻高壓電動機軟起動裝置C1與熱變電阻C2的比較
    從原理上看，C1優于C2。C1是有控制的軟起動裝置。即使對于伺服電動機轉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開停節拍對軟起動過程進行干預。在電解液的配置上，C1遵循鈍化電導率對溫度的靈敏度的原則（保持電解液適當的濃度），因而能夠較好地鈍化上述"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不能用在線繞轉子電動機而C1卻可以。
    從維護方面看，C1和C2均存在極板的銹蝕的問題，存在由于電解液的揮發而帶來的補充水的問題。C2比C1的優點在于免除了對于伺服控制系統的維護。
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，前者優于后者。前者不僅實現了閉環控制，而且，控制是靜止的。從控制的快速性方面看，前者也有數量級的優勢。設想電網電壓有一個突然性的躍升，閉環控制要求有一個立即的反應。在A1、A2、B1、B2，只需改變一下觸發角；而在C1，就要趕緊移動導電極板，受限于慣性，移動往往是跟不上的。所以，A1、A2、B1、B2可調用的菜單遠比C1的豐富。前者的限流器件都是工作于開關狀態的，依靠導通占空比實現控制。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。從維護方面看，C1、C2需要定期補充水，定期對液阻箱做清潔處理，而前者的維護量相對較小，但對維護人員的素質有更高的要求。此外，C1、C2對于結冰環境的適應能力也較差。
    C1、C2也不是一無是處。C1、C2顯然不產生高次諧波。
    從電網流進某二端網絡的電流所引起的電網壓降除了顯然地正比于電流以外，還與后者的阻抗有關。這里，存在著2個阻抗角：電網短路阻抗角φnet和二端網絡阻抗角φload。矢量分析表明：兩者相位差Δφ大有利于減少電網壓降。對大多數電網而言，短路阻抗角約為80°，而C1或C2串電動機二端網絡的阻抗角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串電動機二端網絡的阻抗角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 在開關變壓器軟起動裝置里，電動機電流的控制靠的是變壓器二次側電流的祛磁作用，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比較開關變壓器軟起動裝置B2的優點是:① 成本低（約為B2的二分之一），原因是B2里的SCR的容量遠比A1大，開關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，耐受惡劣環境的能力強，維護工作量小（不采用油冷等犧牲可靠性和免維護性的措施）；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，全部設備均在主電室內，而開關變壓器和大SCR共居的油箱本身的安全性差，不宜置放在主電室內）；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作用。相對而言，A1的總諧波畸變率較小。
    開關變壓器軟起動裝置B2比較磁控軟起動裝置A1的優點是：① 調節快速性好；② 輔助電源容量小，只要能夠支持SCR的觸發就夠了；③ 在軟起動設備周圍空間雜散的漏磁小；④ 電力器件導通度的變化范圍大；⑤ 軟起動過程中裝置發出的噪聲比較小。
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電壓的標么值。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定；對于B2，開門電平取決于開關變壓器的二次側開路的阻抗。對于A1和 B2，開門電平適當做大一點將有利于降低成本。
    筆者認為，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臺或多臺電動機投入運行。A1與B1、B2均能夠勝任。
3.8  "特大容量電動機"的軟起動問題
    所謂"特大容量電動機"是指10000kW以上的電動機。
    從原則上看，在電網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、運輸的問題和安裝承重的問題。對B2來說，會出現SCR的并聯問題（靜態和動態的均流問題）。
    A1和A2從以下意義上說是更適合于"做大"：如果電動機容量增大10倍，相應的制造成本的增大倍數僅為6倍。
3.9  A1與A2的比較
    (1)  A1與A2在結構上的區別：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要節省，總重量約為A1的80％。重量和相應成本節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：
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