摘要 本文对石化装置中的电动机的起动方式进行了分类和探讨，着重点在各类非直接起动方式。按照低压鼠笼型电动机、低压绕线电动机、中压鼠笼式电动机、中压绕线式电动机及中压同步电动机的顺序分别介绍了相适应的间接起动方法，并比较了传统的间接 起动方式与现代间接起动方式各自的特点与相互间的差异。文章还从电子电力工程学角度对一般的变频起动、晶闸管软起动及针对大容量同步电机的负载换相式变频起动的原理及大致过程做了介绍，并对起动设备的选择进行了一定程度的研究。
关键字：电动机 起动 石化装置 传统降压起动 软起动 变频起动 负载换相式变频起动
电动机在石化装置作用很重要，它将电能转化成机械能，为装置运行服务。本文就石化装置中电动机的起动方式进行分类和探讨。
选择电动机起动方式时，应根据电网容量、机械负载对起动转矩的要求等因素进行分析。如果电网容量很大，电动机起动电流不会在电网上引起显著电压降落，则起动电流大小不是主要问题；如果机械负载要求的起动转矩不大，而电网容量相对电动机来说又不很大，则应考虑如何减小起动电流。还有既要求起动转矩大，又希望限制起动电流的场合，则需要采取措施来改进起动性能，例如采用特殊结构的笼型转子（深槽或者双笼），绕线型转子等。最简单的起动方式就是直接起动，也称全压起动，即将电网电压直接接到电机上，这种方式起动时起动电流大，对电网冲击较大，会引起电网电压下降，对负载侧也会造成冲击。本文重点将对石化装置中电动机的非直接起动进行分类探讨。
在石化装置中，低压笼型感应电动机占有很大比例，因此对这类电动机起动方式的分析很重要。除直接起动外，低压笼型感应电动机还有降压起动的方式，其中传统降压起动方式有定子串电抗器起动、星-三角换接起动、自藕变压器降压起动和延边三角形起动。
在定子电路中串入起动电抗是通过电抗降低加在电机上的端电压，从而减小起动电流。使用这种方法时通常起动转矩比额定转矩小很多，用于起动转矩大小无关重要的场合，如空载起动。
自藕变压器降压起动是利用自藕变压器把电网电压降低后再加到电动机定子绕组上，待转速基本稳定时再把电动机直接接到电网上。使用这种方法时起动转矩也不大，但和电抗降压起动比较却优越。若设定自藕变压器变比为KA(KA＞≡)，则在同样电网电流允许值下，其起动转矩为电抗起动转矩KA2倍，因此在空间及经济性评估合理的场合，选择自藕变压器降压起动的可能性通常高于在定子电路中串入电抗起动。
星-三角换接起动只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电动机，起动时接成星形，起动完毕后再接成三角形。星-三角换接起动使电网提供的起动电流减小到只有原来用三角形接法时的1/3，起动转矩也减小到原来的1/3。因此星-三角换接起动相当于电压变比为 
的自藕变压器降压起动，而它比自藕变压器降压起动所用的附加设备较少，操作也较简便，所以现代小型感应电动机常采用这种方法起动。而且为便于采用星-三角换接起动，JO2系列小型感应电动机中4kW以上电机的定子绕组都设计成三角形接法。
延边三角形起动实际上是把星形接法和三角形接法结合在一起，在起动时，把定子绕组的一部分接成三角形，剩下的一部分接成星形，当起动完毕，把定子绕组改接为原来的三角形接法。因此其每相绕组所受的电压小于三角形接法时的线电压，大于星形接法时的
线电压。该起动方式的特点：起动电流和起动转矩比直接起动时小，但比星-三角起动时高，而且可以采用不同的星形部分匝数和三角形部分匝数之比来适应不同的使用要求。该起动法的缺点是定子绕组比较复杂。
除传统起动方式外，还有使用软起动装置起动以及性能优良的变频起动，这里介绍软起动，变频起动将在后边连同中压电机起动一起介绍。随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继开发出一系列电子式起动控制设备，用于异步电动机的起动控制，以取代传统的降压起动设备。新型的电子式软起动器的主回路一般都采用晶闸管调压电路，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。当起动器的微机控制系统接到起动指令后，便进行有关的计算，输出晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管的异通角β,使起动器按所设计的模式调节输出电压,以控制电动机的起动过程。当起动过程完成后，一般起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗。所谓“软起动”，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程。目前的软起动器一般有以下几种起动方式：限流软起动、电压斜坡起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动与电压控制起动，可根据电网端和负载端对起动电流、起动时间、起动转矩的不同要求选取相应的起动方式。晶闸管软起动器的适用于不允许较大起动冲击、电动机功率较大、对电网电压波动要求严格、对起动转矩要求不高，设备可进行空载或轻载起动的场合。严格地讲，起动转矩应当小于额定转矩50%的拖动系统，才适合使用软起动器解决起动冲击问题。对于需重载或满载起动的设备，若采用软起动器起动，不但达不到减小起动电流的目的，反而会要求增加软起动器晶闸管的容量，增加成本；若操作不当，还有可能烧毁晶闸管。
为直观地描述晶闸管软起动器的工作原理，下面从电力电子工程学角度，以负载为Y形连接、无中心线、反并联的晶闸管接在电源与负载之间的典型电路（见图1）为例做一简单介绍，为方便起见，设其负载为三相对称的电阻。
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图1 |
基本工作条件：为保证三相交流调压电路的正常工作，其晶闸管的触发系统满足下列要求：
1.在三相电路中至少有一相正向晶闸管与另一相反向晶闸管同时导通。这对无中线的Y形和D形电路尤为重要，否则不能构成电流的通路。
2.为了保证电路起始工作时两个晶闸管能同时导通，并且在感性负载和控制角较大时，也能使不同相的正、反两个晶闸管同时导通，要求采用宽脉冲（宽度大于60度），或者双窄脉冲触发电路。
3.各触发信号应与相应的交流电源电压相序一致，并且与电源同步。
波形与参数
对三相交流调压电路的分析，我们以a＝30°为例说明。
1.波形
图2给出了a＝30°的触发脉冲位置和各晶闸管的导通情况。
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图2 |
2.参数
输出电压的有效值Ua
设相控角为a时A相输出电压的瞬时值为ua，根据上述分析，ua的波形为已知，因此可按下式求出输出电压的有效值Ua，它是相控角a的函数，即
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式中
ai、ai+1 --- 分别为ua波形中各段曲线的起始角和终了角。
由此可见，通过改变晶闸管的相控角a，就可以改变输出电压的有效值，从而达到调节输出电压的目的。
从以上可以看出，对于笼型感应电动机，无论采用哪一种降压起动方法来减小起动电流时，电动机的起动转矩都成平方减小。所以对于不仅要求起动电流小，而且要求起动转矩大的例如矿山、钢铁等行业，就要采用起动性能较好的绕线型感应电动机。在石化装置中，绕线型感应电动机使用很少，这里只对它的起动做简单介绍。
绕线型感应电动机可以在转子回路中串入起动电阻，选择适当的电阻值，既可以降低起动电流，又可以提高起动转矩。在电机起动过程中，随转速的升高逐段切除起动电阻，可以维持较高的起动转矩并缩短起动时间。通常小容量的绕线型感应电动机的起动电阻用金属电阻丝制成，大容量则选用铸铁电阻片，有时候也使用水电阻。一般来说起动电阻是按短时运行设计的，如果长期流过较大电流，就会过热而损坏，所以起动完毕时应把它全部切除。
另外，频敏变阻器日益普遍地应用于绕线型感应电动机中。频敏变阻器实际上就是只有一次绕组的三相心式变压器，其铁心由多块厚钢板或铁板制成，涡流损耗很大。它利用涡流损耗与频率平方成正比的原理，随着转速增加，其电阻逐步减小，从而起到自行逐渐切除电阻的作用。因此采用适当的频敏电阻器起动，能自动减小电阻，使电动机平稳起动。
对于石化装置中的中压电机，大多传统的起动方式并不适用。在10kV(6kV)等级电压下，传统的电抗器降压起动成本较高，而且很难满足平滑起动、冲击小的要求。相比较而言，高压液阻软起动更适用于大中容量的鼠笼式电动机。在某一静态工作条件下，其性能与电抗器相同，在动态条件下，可实现无极的连续起动。在实际应用中，它串接于鼠笼式电动机的主回路（即定子回路）上，当该电阻通入电流时，由于液体电阻的负温度特性，其阻值逐渐减小，从而使电动机的电压逐步上升。整个过程中，启动电流小，启动转矩逐步增加，电动机起动平稳。定子回路串液阻也可以应用于中压同步电动机的软起动，因为在同步机采用异步起动法起动时它相当于异步笼型感应电动机。在矿山、冶金等领域中，也有专门的液阻软起动装置适用于中低压绕线式异步电动机。与前面介绍的原理相同，它也是串入绕线式电动机的转子中，液阻随着电动机的起动而自动投入，并在预定的时间内液阻阻值由大变小，从而使电动机在接近额定电流和最大转速的情况下均匀升速，平稳起动。有些适用于中低压绕线式异步电动机的液阻软起动装置的升级产品还可以在机组运行过程中通过改变液阻阻值达到调速、节能的目的。液阻软起动的优点是不产生高次谐波、可无级控制、热容量大，中压产品价格低廉，缺点是占空间较大，液体受环境影响大、响应速度慢、起动重复性较差。
对于中压笼型电机，传统的降压起动方式在使用上有很大的局限性。自藕变压器降压起动需要更多的空间和投资，星-三角换接起动需要把定子绕组的六个端子都引出来且留出换接开关的安装空间，延边三角形起动则要对定子绕组进行改造，需要有九个出线头，而且同样有换接开关占空间的问题。而且以上几种传统起动方式的灵活性、平滑性也不够。而前面已经介绍过的基于晶闸管调压电路的中高压软起动器可以得到更多的应用。与液阻软起动器相比较，在低压领域，晶闸管软起动器虽然会引起高次谐波，但价格低，体积小、结构紧凑、几乎免维护、功能齐全、菜单丰富、起动重复性好、保护周全，有很大的优势。在中高压领域，晶闸管软起动器基本都是进口产品，一次性投入价格比液阻高，需要从基本建设投资、设备性能和寿命、运行功耗和维修费用等因素做经济比较来选择起动设备。一般从长远看，选择性价比高的晶闸管软起动器往往比液阻软起动器要更合理，特别是对于多台设备（例如二台以上风机或水泵）需要起动时，晶闸管软起动器往往可以一拖二、一拖三，而液阻软起动器则难以实现，因此晶闸管软起动就更占优势了。
下面简单介绍一下低压及中压电动机的晶闸管软起动器的选择。晶闸管是电机软起动器中最关键功率器件，整机装置是否工作可靠与正确选择晶闸管额定电流、电压等参数有很大关系。选型时应该首先考虑工作可靠性，即电流、电压余量倍数必须足够，其次应考虑经济性即性价比，最后应考虑安装美观、体积尽量减小等因素。低压电机线电为380V，晶闸管正反向重复额定电压选择为1200V就可以了，而660V 电机则应至少选择电压为 2200V 以上，1100V的电机，晶闸管耐压至少选择电压为3500V 以上。晶闸管额定电流的选择必须考虑电机额定工作电流。一般来说，考虑两倍以上电动机额定电流，例如一个55KW电机，其每相额定电流有效值是 110A，考虑两倍以上放大余量 选择额定平均电流为 275A/2.22 125A以上平板式晶闸管或选额定平均电流为 275A/1.8 150A 以上晶闸管模块。
变频起动是一种优良的起动方式。它利用对感应电动机变频调速的原理在起动过程中控制电动机的电压及频率间的关系，实现平滑、平稳、无冲击的起动。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在通常使用的主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。在具体应用中，关于变频器的选用应注意几点： 1) 对起动的电流、转矩要求，使用变频设备起动是否能达到该要求；2) 变频器的负载类型，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法；3) 变频器与负载的在电压、电流、转矩方面是否都匹配；4)负载是否除起动有要求外，是否还有调速要求。如果有调速要求，使用变频器的可能性更大，如果只是起动需要，则应将变频器与其他间接起动设备做经济性比较； 5) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，会引起降容，容量要放大一挡。
随着现代石化装置的大型化或超大型化，中压大容量的电动机也更多地出现。当电网容量有限，采用变压器-电动机组起动困难的情况下，常会选用大容量电动机的变频起动方案。目前比较先进的方案有使用负载换相型变频器起动专用的同步电机和采用多功率单元串联变频器起动同步机或者异步机。同步机价格较昂贵，起动也复杂，但其功率因数可调，可以改善电网的功率因数，而且其负载特性也优于异步机，在不少场合都会用到大容量中压同步电机，因此这里简单介绍一下负载换相型变频器起动同步电机方案。同步电机可以用作电动机和发电机，其起动原理相同，因此这里以某大型发电机组为例简单介绍大容量负载换相型变频器起动时的工作原理。该变频系统由变压器、DC电抗器、整流器、逆变器组成，见图3所示。主回路采用交－直－交晶闸管电流型变频器。整流器采用三相六脉波全控晶闸管整流桥，将恒定的三相AC电压变成可变的DC。
图3
各部分功能：谐波滤波器：降低厂用电的谐波水平和防止可能产生的非特征谐波和谐波谐振及避免继电保护误动；SFC变压器：提供整流器的输入电压，一旦出现整流器的桥臂短路时，其漏抗也起着限制短路电路的作用；整流器：通过相控晶闸管控制直流电压输出使直流电流为一个适当的值；DC 电抗器 (DCL) ：对直流电流进行平波；逆变器；通过相控晶闸管将直流逆变成频率与发电机转速一致的交流电压使发电机平滑加速。
整流器采用传统的三相六脉波全控晶闸管整流桥结构，通过相控可以调节触发延迟角使输出直流电压为任意值。
逆变器采用三相六脉波全控晶闸管整流桥，与同步电机绕组一起组成负载换相式电流源型变频器（Load commutated Inverter---LCI），负载为同步电动机。晶闸管的关断主要靠同步电动机定子电流反电动势自然完成而非强换相，逆变器晶闸管的换相与整流晶闸管的换相很相似。变频器的输出频率是依靠转子位置检测器得到的转子位置信号按一定顺序周期性触发逆变器中相应的晶闸管。LCI这种“自控式”功能，保证变频器的输出频率和电动机转速始终保持同步，不会失步和振荡。同步电动机在整个起动范围内都必须提供超前的功率，以保证逆变器晶闸管正常换相。
逆变器运行原理如下：在起动之初和低转速（约10%转速及以下）时，当发电机没有足够的电压输出实现逆变器的换相时，逆变器换相通过脉冲方式运行来实现。在发电机加速到足够的转速并产生足够的电压以便逆变器换流后，逆变器运行在负载换流方式，于是输出交流电使发电机加速旋转。
用该方式起动时，只要控制定子电流大小或者改变励磁电流大小就可以实现同步机变频起动。由于存在换相，转矩过载能力不强且有脉动。
参考文献
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（转载）
