.摘要:
隨著水泥生產設備的大型化，拖動球磨機、風機等大型水泥生產設備的電動機的功率也越來越大。交流電動機以其結構簡單、運行可靠、維護方便、價格便宜、轉子慣量小等特點，得到了廣泛的應用。但其起動電流高達電動機額定電流的5～10倍，對電動機及所拖動的設備造成電氣和機械損傷，而且引起電網電壓下降。傳統的鼠籠型電動機降壓起動，屬有級起動，起動特性不理想，切除時造成的二次沖擊電流無法解決，不能實現頻繁起動。在繞線式電動機轉子回路串電阻的起動方法，其最大缺點是分級切換，阻值呈跳躍性變化，起動不平穩，起動效果不理想。
采用頻敏變阻器作起動設備時，其起動電流仍較大(為3～4倍電動機額定電流)，電壓稍低即難起動，同時頻敏變阻器發熱嚴重，易被燒毀，不能連續起動。起動電流不平滑，對電動機有一定沖擊作用。
采用高壓變頻器起動高壓電動機雖具有良好的靜、動態起動性能，起動電流可限制在1.5倍電動機額定電流以下，起動轉矩可達電動機額定轉矩的1.5倍，并且在此范圍內可隨意調節，實現恒轉矩起動，但價格昂貴。高壓固態軟起動器的每一相導電支路均由多個晶閘管(SCR)串聯而成，每只晶閘管的失效均會威脅整個裝置的正常運行。且設備的安裝環境、操作維護要求都較高。雖可實現恒電流起動、線性電壓斜坡起動等性能，但價格仍然較貴(為高—低—高方案的高壓變頻器的60%左右)。高壓變頻器與高壓固態軟起動器技術均較為復雜，維護難度大。
高壓鼠籠型交流電動機液體電阻軟起動裝置價格約為高壓固態軟起動裝置的1/6～1/8。但該裝置由于是串聯在電動機的定子繞組上，要承受高電壓，高電壓增加了電液箱內液面、溫度等參數測量和顯示的難度。同時，它還要求液體電阻有較高的阻值，而過分稀釋電解液會導致電阻率溫度穩定性的下降，只能通過加長導電通道路徑，減小導電截面積的方法來實現高阻值，這使得軟起動裝置的體積增大。在起動過程中，當大電流通過電阻液時，會使電阻液溫度上升，起動時能量消耗大。由于高壓鼠籠型交流電動機液體電阻軟起動裝置與高壓固態軟起動器降壓不降頻，而轉矩與電壓的平方成正比，因此這兩種起動器的起動轉矩較小。盡管鼠籠式電動機比繞線式電動機結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉，但以上問題的存在，大大限制了高壓鼠籠式電動機的應用。
近年來，水泥廠球磨機、風機等大型水泥生產設備的電動機多采用繞線式電動機+液體變阻器+無功就地補償(電容器或靜止進相機)的起動方案，雖實現了無級起動，且起動電流小，起動轉矩大，但仍不盡如人意。
一是起動時雖比高壓鼠籠型交流電動機液體電阻軟起動裝置能量消耗有所減少，但仍較大，浪費能源，需要經常測電阻和加水；
二是由于存在可移動部件等傳動機構，不僅體積較大，而且需要定期檢修；
三是受環境溫度影響較大，起動電流控制不準確。隨著技術的進步，在電力拖動領域涌現出3種高壓大功率電動機的軟起動新技術:高壓熱變電阻軟起動裝置、開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置和高壓磁控軟起動裝置，可望解決鼠籠式電動機難起動問題。
2 高壓熱變電阻軟起動裝置
2.1 工作原理 它是針對大中型高壓鼠籠交流異步電動機或異步起動的高壓同步電動機而研制的軟起動裝置。熱變電阻實質上是一種特殊的液體材料、一種特殊的電解質的水溶液。它隨著電阻體溫度的逐步升高，電阻值逐步降低，呈現出明顯的負溫度電阻系數特性。 高壓熱變電阻器是由三相平衡的具有負溫度特性的電阻組成。在高壓大中型電動機的起動時，將該電阻器串入電動機的三相定子回路中，電動機定子電流流過熱變電阻器致使電阻體發熱，溫度逐步升高，電阻逐步降低，電動機端電壓逐步升高，起動轉矩逐步增加，從而實現電動機在較小的起動電流下平穩平滑起動。電動機在起動過程中，其等效電抗值X是不變的，而電動機等效電阻r2′/s是隨著轉差率s的減少而增大。在電動機起動瞬間，s=1，而X和r2′都非常小，因此直接起動時電流很大(5～7倍電動機額定電流)。如圖1所示，當在電動機定子回路串一熱變電阻RQ時，電動機等效電阻r2′/s是隨著轉差率s的減少而增大，而熱變電阻RQ則隨著通電發熱阻值逐步降低，回路總電阻在區間s(0.1~1)近似不變，從而有效地保證電動機的恒電流起動。起動電流小，為電動機額定電流的2.5～3.5倍，對電網影響很小，起動時電網壓降在10%以內，起動平穩，對機械設備無沖擊，相對地延長機械設備的使用壽命。電動機機械特性見圖2。
1.電動機自然特性；
2.串熱變電阻后特性；
3.離心風機水泵類負載轉矩；
4.陰影區為加速轉矩 高壓熱變電阻軟起動有以下特點:
1)恒加速度，起動平滑平穩。熱變電阻具有較大的熱容性特性，且加速轉矩接近不變，從而使電動機起動過程無機械沖擊且為近似恒加速起動。在電動機起動瞬間，因有較大的熱變電阻的存在而使電動機起動轉矩比“自然特性”時的轉矩小，因此它只適用于水泥廠大型風機、空壓機、水泵等靜態阻力比較小的機械負載。
2)結構簡單，維護方便，造價低廉。與液體變阻器相比，結構較為簡單，沒有傳動機構，提高了可靠性，維護方便。與高壓變頻器、高壓固態軟起動器相比，價格低廉，只有同性能進口設備的1/8～1/10。
3)對電網和負載適應性好，不受電網電壓波動和負載變動的影響。當因電網電壓低和負載較重等原因造成電動機輸出力矩相對不足時，電阻會進一步降低，從而逐步提高電動機端電壓，使電動機出力增加，確保一次起動成功。
4)與電抗器、自耦變壓器等降壓起動方式相比，起動時的功率因數高。
5)與高壓變頻器、高壓固態軟起動器相比，無電磁污染。
2.2 系統控制方案 針對所控制電動機的不同，熱變阻起動器有4種控制方案(見圖3)。其中，方案A和方案B較為復雜，高壓熱變電阻通過高壓開關柜(起動控制柜)接入電動機起動回路。方案A的高壓電攜帶點少、安全；保護方式可采用縱差，適用于2000kW以上，且中性點可打開的電動機。方案B復雜，且高壓電攜帶點多；但電動機保護最方便，起動與運行可以分開考慮。方案C簡單、投資少，適用于2000kW以下的電動機。但熱變電阻長期帶電，應考慮加強防護。方案D適用于“一拖多”方案。
2.3 使用與維護
2.3.1 使用
1)熱變電阻器適用于不頻繁起動場所，使用完畢后應完全從電力線路中脫開，防止長期帶電。
2)環境溫度:上限40℃(24h平均氣溫不超過35℃)，下限0℃；相對濕度不超過90%。
3)海拔高度不超過1000m。
4)安裝地點應無劇烈振動及沖擊、無導電塵埃及腐蝕性氣體、沒有火災及爆炸危險的場所。
5)安裝完后應作絕緣電阻檢測和耐壓試驗。
6)電動機起動過程中的保護整定應能覆蓋起動時間，推薦采用定時限過流保護。
7)熱變電阻體頂部進出線端以高壓電纜與外部聯接。
2.3.2 維護
1)每次起動之前應檢查電阻器有無異?，F象，如滲漏等等；
2)每次起動之前應檢查絕緣子是否清潔，有無裂紋及爬電痕跡或其它異常情況；
3)定期檢查對地絕緣電阻和對地耐壓。
2.4 應用實例
山西海鑫國際鋼鐵公司煉鐵二廠1080m3高爐鼓風機，所配T13500-4同步電動機，額定功率為13500kW，額定電壓為10kV，額定電流為888A，額定轉速為1500r/min，堵轉電流倍數為5.96，起動轉矩倍數為2.35，折合到電動機轉子軸機組轉動慣量GD2為23100kg?m2，靜阻力矩為2500N?m，空載力矩為22000N?m，10kV母線最小短路容量為240MVA。2002年5月23日，采用HTR3-15000型高壓熱變電阻起動器一次試機獲得成功。起動電流為2206A，不到電動機額定電流的2.5倍，電動機起動時間為23.12s，引起10kV母線壓降小于8%，電阻溫升10℃。起動平穩，無沖擊、無嘯叫聲。2000年3月5日，遼寧本溪北龍煉鐵公司在Y900-4型6kV、4260kW、458A高壓鼠籠式電動機上安裝了1臺HTRS1-Y4500/6型高壓熱變電阻起動器。2000年3月6日帶風機一次試機獲得成功，母線壓降小于5%，起動平穩，無沖擊。該起動器在北京水泥廠、安徽巢湖金庭水泥廠、廣安桂興水泥有限公司、鳳陽水泥總廠等水泥廠大型風機已成功應用。
3 開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置
3.1 工作原理
該裝置是用開關變壓器來隔離高壓和低壓，把開關變壓器的高壓側繞組串聯在高壓電動機定子回路中，開關變壓器的低壓側繞組與可控硅和控制系統相連，通過改變其低壓側繞組上的電壓來改變其高壓側繞組上的電壓，從而達到無級改變高壓電動機定子端電壓的目的，以實現高壓鼠籠式電動機的軟起動。
系統結構示意如圖4所示。隔離開關GK1、真空開關ZK1和電動機為原系統，隔離開關GK2、GK3、真空開關ZK2、開關變壓器T、可控硅以及可編程序控制器(PLC)構成軟起動系統。當電動機起動時，首先檢查隔離開關GK1、GK2、GK3是否合上，在確認全部閉合情況下，按下“起動”按鈕，真空開關ZK2閉合，軟起動回路接入，開關變壓器T與電動機串聯接在電源上，PLC控制可控硅的導通角，使開關變壓器T兩端的電壓由大到小變化，電動機轉速逐漸上升。當達到額定轉速時，真空開關ZK1閉合，電動機接入原系統，真空開關ZK2斷開，軟起動回路脫離，電動機以額定轉速運轉，進入正常工作狀態。此時，可手動拉開隔離開關GK2、GK3，以使開關變壓器T上無高電壓。當要停止電動機時，首先合上隔離開關GK2、3，按下“停止”按鈕，PLC首先使真空開關ZK2閉合，然后斷開真空開關ZK1，軟停止回路接入，PLC使電動機的端電壓逐步下降，直至電壓為零，斷開真空開關ZK2，軟停止結束。
1)電壓斜坡控制
PLC逐步提高控制電壓，電動機的端電壓逐步升高，電流逐步上升，同時由于電動機的轉矩與電動機定子端電壓的平方呈正比，起動轉矩小，對機械負載沖擊小，從而延長了電動機及機械負載的使用壽命。尤其適用于水泥廠大型風機、空壓機、水泵等靜態阻力比較小的機械負載這種起動模式電流逐步上升，超過額定電流的時間較短，電動機發熱小，在工藝上對起動時間不作嚴格要求的條件下，應優先采用這種起動模式，以減少電動機的發熱。
2)恒電流控制
PLC不斷檢測電動機的電流，如果電流小于設定值，則提高電動機的端電壓，直至達到設定值。隨著電動機的加速，電動機的反電勢增加，電流下降，當電流低于設定值時，PLC再提高電動機的端電壓，如此反復，使電動機的電流保持在設定值附近，直至達到電動機的額定轉速時，軟起動結束。
這種起動模式起動時間短，但電動機的過電流時間較長，電動機的發熱較大，如果工藝上要求起動時間短，可采用這種起動模式。而水泥生產工藝對起動時間不作嚴格要求，因此一般不采用。
3)初始脈沖式
在這種模式下，PLC可控制軟起動裝置輸出4～6個額定電壓周波的首脈沖力矩(指在起動瞬間輸出0.08～0.12s時間的額定電壓所產生的力矩)，然后電動機的端電壓下降到與負載相適的值，再根據設定的情況電動機的端電壓逐步升高，直至電動機達到額定轉速。
該裝置具有完善的保護功能，在電動機進入正常運行狀態后，PLC仍對電動機的電壓、電流進行監測，當發現電源電壓過高、過低、缺相，電動機相間、匝間短路、過流、三相電流不平衡時，進行報警并跳閘。 該裝置其它技術性能見表1。
3.2 性能特點
1)控制功能強大。具有3種控制模式，控制參數及曲線調整范圍大，靈活性強。如對大慣量負荷可采取首脈沖方式。
2)控制精度高，受環境條件影響小，可在低溫下工作，每次起動都按調定的方式工作，重復性能好。
3)起動時能量損耗小，只有很小的銅損和鐵損，可連續起動次數多。
4)體積小，土建投資少，總造價低，安裝改造方便。起動裝置投入時，不需改變原電路，調試時間短。
5)與高壓變頻器、高壓固態軟起動裝置相比，技術成熟，可靠性高，檢修周期長。開關變壓器低壓側的電壓很低，不必采用電力電子器件串聯，而低壓控制技術已十分成熟，因而該設備是一種高可靠性設備。
6)“一拖多”性能優勢明顯，只要最大電動機的容量不超過軟起動裝置的容量即可，不必象液體變阻器那樣要考慮對不同電動機的兼容性(如繞線型電動機需考慮轉子電壓和轉子電流的比值，鼠籠型電動機需考慮定子電壓和定子電流)。需要指出的是，開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置價格稍貴，是液體變阻器軟起動裝置(含高壓熱變電阻軟起動裝置)的2倍左右。
3.3 應用實例
2001年8月，第1臺800kW開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置采用“一拖二”方案(如圖6所示)，成功地實現了大慶油田鉆井機組2臺高壓電動機的軟起動，其中1臺為6kV、280kW鉆機電動機，另1臺為6kV、780kW泥漿泵電動機。泥漿泵電動機起動時間為45.2s，起動過程中的最大電流169.8A，為電動機額定電流89A的1.9倍。起動電流中雖含有一定的高次諧波，而電壓的總諧波畸變率只有2.72%，不會對系統造成大的影響。
3.4 注意事項
1)對環境要求較高，需安裝在灰塵、腐蝕性氣體、金屬粉塵少的場所；
2)高壓電源的相序與控制室內三相低壓電源的相序務必保持一致；
3)安裝高壓電纜時，務必注意接頭與箱體之間的安全距離不能少于12m；
4)在地溝內走線要加金屬蛇皮管保護，電源線、控制線、屏蔽線要分別穿管，不能在同一管內走線；
5)控制箱體必須牢固接地。
4 高壓磁控軟起動裝置
高壓磁控軟起動裝置它是將三相磁飽和電抗器串接在電動機定子回路中，通過晶閘管控制磁飽和電抗器，改變鐵芯的磁飽和度，實現對高壓、大容量電動機的降壓(限流)軟起動。起動開始時電抗器的電抗值較大，在軟起動過程中，通過反饋調節使電抗值逐漸減小，軟起動完成后被旁路。高壓磁飽和電抗器在原理和結構上與低壓(380V)磁飽和電抗器一樣，只是在某些方面采取了一些特殊處理。將三相磁飽和電抗器(三對交流繞組、每相一對)合為一個整體，共用一個直流勵磁繞組，通過晶閘管控制直流勵磁電流，改變其電抗值，利用可編程序控制器，實現對磁飽和電抗器的閉環控制，使起動電流更加平穩。該裝置具有可靠性高、成本低、結構緊湊、占地面積小等優點。
需要指出的是，磁控軟起動裝置的輔助電源功率相對較大，因而噪聲較大。同時，還會產生一定的高次諧波。此外，磁飽和電抗器具有0.1s量級的慣性，其快速性也不如晶閘管軟起動裝置。
我國第1臺高壓大容量磁控軟起動裝置，于2002年5月4日在濟源鋼鐵公司煉鐵廠高爐的4號風機6kV、2000kW異步電動機上實現了恒流軟起動。起動電流為3.2倍額定電流，起動時間為34s。
5 結束語 傳統觀點對磨機起動力矩估計過大，甚至提出起動力矩高達額定力矩的2.5倍，從而排斥鼠籠型電動機拖動大型球磨機的方案。但文獻[1]的研究表明，球磨機在起動瞬間的阻力矩均在磨機額定阻力矩以下(即使在長期停車后起動也是如此)，加速過程中的最大阻力矩也不超過磨機額定阻力矩的1.1倍，再加上電動機選型時的富裕容量，說明普通鼠籠型電動機用于重載起動是可行的。以上幾種電動機軟起動器由于推出時間較短，有的尚未在水泥行業應用。但開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置的首脈沖力矩起動模式，為普通鼠籠型電動機的重載起動提供了可能。筆者認為高壓熱變電阻軟起動器與高壓磁控軟起動裝置比較適合在水泥廠大型風機上應用；而開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置不僅適合在大型風機上應用，更適合在水泥廠磨機上應用。