大功率异步电动机的软起动

1 引言
三相异步电动机应用领域非常广泛。而三相异步电动机的起动，会对电网造成较强干扰，尤其在工业领域中的重载起动，有时可能对设备构成严重威胁。因而三相异步电动机的软起动越来越受到相关技术人员的重视。
对于大功率异步电动机而言，软起动比硬起动（即直接起动）具有如下优势：
1）减少起动过程引起的电网电压降使之不影响共网其它电气设备的正常运行；
2）减小电动机的冲击电流冲击电流会造成电动机局部过热，危害电动机寿命；
3）减小硬起动带来的机械冲力冲力将加速传动机械（轴、啮合齿轮等）的磨损；
4）减少电磁干扰冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。
总之，软起动使电动机可以起停自如，提高作业率，因而有其重要作用。
2 软起动的分类
软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的；后者的调节是连续的。早先的软起动均是有级的，如Y/△变换软起动、自耦变压器软起动、电抗器软起动等。无级调节主要有三种：以电解液液阻限流的软起动、以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动、以磁饱和电抗器为限流元件的磁控软起动。
变频器也是一种软起动装置，而且是比较理想的一种，它可以在限流的同时保持高的起动转矩。价格贵是制约其推广应用的主要因素。人们购置变频器一般都是着眼于调速，所以，常常不把它归类于软起动装置。笔者认为应对变频器的软起动功能给予特别的重视。
2.1 液阻软起动
液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。其阻值正比于二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制，且液阻的热容量大。液阻的这两大特点（阻值可以无级控制和热容量大），恰恰是软起动所需要的，加上另一个十分重要的优势即低成本，使液阻软起动得到了广泛的应用。
但液阻软起动也有如下缺点：
1）基于液阻限流，液阻箱容积大，且一次软起动后电解液通常会有10℃～30℃的温升，使软起动的重复性差；
2）移动极板需要有一套伺服机构，移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化；
3）液阻软起动装置液箱中的水，需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要作表面处理（一般2～3次/年）；
4）液阻软起动装置不适合放置在易结冰或颠簸的环境中。
液阻软起动装置可以串在绕线式电动机转子回路中以实现重载软起动，在软起动过程中不产生高次谐波，且售价低廉，这是它的突出优点。有人预言它即将被淘汰，但是现在还为时过早。
2.2 晶闸管软起动
晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间。目前在低压（380V）范围内，晶闸管软起动产品的价格大约已经下降到液阻软起动的2倍。而其主要性能却大大优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小，结构紧凑，几乎免维护，功能齐全，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法达到的。
但是，晶闸管软起动也有如下缺点：
1）高压产品的价格太高，是液阻的5～10倍；
2）晶闸管引起的高次谐波较严重。
在这几个缺点中，价格高是一个重要因素。对于资金紧张者，无力选用它；对于资金充裕者，何不直接选用高压变频装置？这就是高压晶闸管软起动比较受冷落的原因。
2.3 磁控软起动
磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。将三相电抗器串在电源和电动机定子之间实现降压是两者的共同点。磁控软起动不同于电抗器软起动的主要点是其电抗值可控。总体说来，起动开始时电抗器的电抗值较大，在软起动过程中，通过反馈调节使电抗值逐渐减小，及至软起动完成后被旁路。
电抗值的变化是通过控制直流励磁电流，改变铁心的饱和度实现的，所以叫做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍，它也可以称为“磁放大器”。
显然，电抗值的调节是静止的，无接触的，非机械式的。这就为微电子技术的介入打开了大门。所以，在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动是完全相同的。说磁控软起动能够实现软停止，能够具有晶闸管软起动所具有的几乎全部功能，其原因盖出于此。
磁饱和电抗器具有0.1s量级的惯性，这使得磁控软起动的快速性比晶闸管软起动慢一个数量级。而对于电动机系统的大惯性来说，磁控软起动的惯性是不足为虑的。
有人说磁控软起动不产生高次谐波,这是不对的。只要饱和就引起非线性，就会产生高次谐波。只是磁饱和电抗器产生的高次谐波比工作于斩波状态的晶闸管要小一些。磁控软起动装置需要有相对功率较大的辅助电源，噪声较大则是其不足之处。
2.4 变频器
随着电力电子技术的飞速发展，变频调速装置应运而生。三相异步电动机的起停技术发生了划时代的变化。对于变频器，输出频率范围可以从0.1Hz～500Hz。调速精度一般不低于1％，有的可高达0.02％，瞬时过力矩可为200％(2s内)或170％(60s内)。智能化设计，可以与上位控制计算机接口，具有断相与相序检测，缺相保护，连续计算I2t值并考虑速度影响进行过热保护。同时变频器也可以设定为软起动工作方式，其最主要的特点是节能。当然对一些不需要调速的场合，软起停装置的应用依然非常普遍，在大功率电机的起停控制中占有不可动摇的地位。
目前，制约变频器作为软起动装置大范围地应用于三相异步电机的原因，仅仅是一次性投资较高，低压变频器价格700～1200元/kW，而高压变频器价格进口为2000～2500元/kW，国产为1200～1500元/kW。相信随着电力电子技术的不断发展，新的功率器件的不断涌现，变频器的价格将会进一步下调。
3 结语
三相异步电动机的软起动方式很多。随着技术进步的加速，各种新的软起动控制方式也脱颖而出。比较各种软起动方式的优缺点，可从中选择出适合特定应用场合的最佳软起动方案。