基于开关变压器技术的大中型电动机软起动上应用设计

一、概述

普通鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的5～7倍，甚至达到10倍。电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，加大了定子线圈（尤其是端部）与铁芯的磨损，会破坏绕组绝缘；冲击力也容易引起鼠笼断裂，导致电机故障。电动力的大小与电流的平方成正比。直接全压起动时的电动力是正常额定运行时电动力的36倍（按Imax=6IN）。

电动机直接全压起动时，额定电压瞬时加在电机绕组上。此时会产生操作过电压，在最不利的情况下过电压会达到额定电压的5倍，这对电机绝缘将造成极大的伤害。许多电机的损坏发生在合闸时就是由于产生操作过电压的原因。

当电动机容量相对较大时，过大的起动电流将引起电网电压急剧下降，破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失稳，引发更大的事故。因此，一般要求经常起动的电动机引起的电压波动不大于10%；偶尔起动的电动机引起的电压波动不大于15%。

二、工作原理

开关变压器式高压电机软起动装置的基本原理和可控硅串联式固态软起动装置相同，都是相控调压控制。装置原理如图1所示，开关变压器式高压电动机软起动装置用开关变压器（TK）的高压绕组来代替可控硅串，而把可控硅放在开关变压器的低压侧。

其原理如下：

图1：原理图

SCR未导通且加上电源电压U时，开关变压器TK原边和电机D上得到电压，由于TK的空载电流远小于D的空载电流（指额定值），故电压绝大部分（95%以上）加在TK原边，为电压U1，此时TK副边也得到电压U2，波形为完整的正弦波。

当SCR控制极加上触发电压时，SCR从α角处导通，则U2立即降低，U2电压如图2中实线所示，U1的波形也相同。UD上的电压为外加电压U减去U1，则UD上的电压波形如图3所示。当增大控制角α时，则U2变小，U1变小，UD加大。反之亦然。α由大到小连续调节，则UD连续由小到大，即可实现电机的平滑加速，完成调压软起动。

从本质上来看，开关变压器式高压电动机软起动装置是一种改进型固态软起动装置，其改进主要体现在如下两个方面。

1）可靠性

开关变压器式高压电动机软起动装置用开关变压器（TK）的高压绕组来代替可控硅串，而把可控硅放在开关变压器的低压侧（如图1所示），可控硅不用串联，因而解决了可控硅串联方式的动态均压问题，可靠性大大提高。

2）谐波

由于开关变压器漏抗的滤波作用，加到电源上的谐波大大减少。

图2：开关变压器一次侧和二次测电压波形

图3：电机端电压波形

1.开关变压器式起动装置优点包括：

2.电压电流可全范围调节；

3.可实现任意起动曲线；

4.时间常数小、反应迅速；

5.设计简单，电动机功率增加时只要增加功率器件的容量；

6.开关变压器工作于开关状态，开通时主要为铜损，隔断时主要为铁损，起动中开关变压器损耗很小，发热小；

7.可连续多次起动，重复精度高；

8.纯粹调压软起动，故一拖多时电动机的容量可以相差很远。

这些优点使开关变压器式高压电动机软起动装置成为当前性价比最高的高压电动机软起动装置。

电机软起动系统构成如图1所示：K1为运行柜，它与电动机D构成正常工作时的运行系统；K2为起动柜，它与开关变压器TK构成起动回路。当电动机起动时，合上K2，给可控硅SCR加上触发信号即可实现相控调压软起动；起动结束后，合上K1、断开K2，电动机即转入运行状态。

起动回路的控制系统框图如图4所示。

图4：控制系统框图

软起动不同阶段的电流按照选定的起动模式和起动曲线由控制程序给定，主电路中的电流由采样单元采集，PLC比较电流采样值和给定值，根据差值闭环调节触发单元的输入电压，改变SCR的导通角，从而使主电路中的电流与给定值相等。

修改控制程序中起动各阶段电流的大小和保持时间，即可得到各种不同的起动电流曲线。

由控制系统框图可见，如果从虚线处隔开，右侧为功率主回路，左侧为控制环节。当电动机功率不同时，只要更换TK、CT及SCR即可，其余控制环节不用改变。

三、应用实例

大庆石化炼油厂一重催主抽风机功率6300kW、额定电压6kV、额定电流700A由于电网情况逐渐恶化，使得厂里决定将电机起动由原来的直接起动改造为软起动。

大庆石化炼油厂随后组织考察了多个厂家不同起动方案，从起动装置性能、可用性、可靠性、安全性、可维护性等多方面进行论证，反复比较，最终选择了开关变压器方案，并决定采用帕特尔公司最新研制的开关变压器式高压电机软起动装置，作为一重催主抽风机电机的起动装置。

大庆石化炼油厂一重催系统图如图5所示：

图5：系统图

电机起动情况

1）电机及负载情况

额定功率为6300kW、额定电压6kV、额定电流700A。

2）空载起动情况

2008年7月22日空载起动电机，起动最大电流1546A（2.2倍额定电流），起动时间8s。

空载起动电流曲线如下图所示。

图6：空载起动电流曲线

3）带载起动情况

2008年7月22日带载起动电机，因用户要求起动电流控制要控制在3倍额定电流以内，经过计算后将起动参数调整，一次起动成功，起动最大电流2020A（2.88倍额定电流），起动时间32s。

带载起动电流曲线如下图所示。

图7：带载起动电流曲线

关变压器式起动装置在调试过程中即体现出了其独特的优势：可多次连续起动、多次起动性能一致、现场可灵活整定起动参数以获得最佳曲线、控制精确、调试简单方便等等。

四、装置特点和优势

哈尔滨帕特尔科技有限公司于2001年首创的开关变压器式高压电动机软起动装置，具有简洁、可靠、精确、灵活、省时、节约投资、减少运行维护费用等独特优势。

开关变压器式起动装置能从零起调节电机端电压和电流，实现真正的平滑起动。自适应电流算法，能根据电网和负载实时状况，自动调整起动电流大小，在确保电机起动成功的前提下，将最大起动电流控制到最小。

开关变压器软起动装置自2001年推出以来，已经为多家大型企业所采用。服务的行业包括钢铁、冶金、石化、市政、制药等。为实践所证明是一种可靠、性能优异的、高性价比的软起动装置。为电机起动领域提供了一种最佳选择。