摘要：人类社会的进步，离不开其对于电能的应用，而作为重要传动设备的电动机，更是在基础建设中有着重要的意义。为了满足电动机在起动时，尤其是在重载起动条件下，能实现起动平稳、起动转矩大等的要求。本文主要分析大功率设备直接启动、变频启动、软启动、星-三角启动等启动方式的主要原理、性能参数、优点、缺点、设备、造价等，选择更为合理的设计方案，并得到结论。对响应工况下维护变压器和设备的稳定运行具有重要意义。
关键字：机电设备；启动方式；性能参数；分析
近年来，随着国民经济的发展，基础建设项目中设备选型方案日趋多样化，其中一批容量大、供电距离长、工况复杂的机电设备启动方式需要引起设计人员的关注。因为电机负载启动会产生5-7倍于额定电流的启动电流，若额定容量过大或供电距离过长对电机、电网产生很大冲击，同时大功率设备瞬时断电停机方式会给设备带来较强冲击，存在多工况交替运行的平稳过渡难题。要解决上述问题，对负荷容量大、供电距离长的设备选择可靠合理的方法启动，对电网平稳及设备维护都具有重要意义。
目前，电动机常规的启动方式有直接启动、星-三角启动、变频启动、软启动、自耦式变压器降压启动等。
1.电动机不规范启动的危害
1.1直接在线启动或星一三角启动产生的电压和电流瞬变容易导致电气故障。电压和电流的瞬变现象可能导致当地的电网过荷，从而引起不良的电压变化，并最终影响到同电网中的其它电气设备。
1.2过大的启动电流会引起过大的转矩冲击通常可达额定转矩的数倍以上，大的转矩冲击会损坏传动结构。导致从电动机到启动设备及到强应力等这一整个驱动链的机械故障。
1.3运行故障：在对电机进行不规范启动过后，极有可能是管路系统发生压力振动，并对经过传送带的一些产品造成一定的伤害。在对电机造成运行故障过后，对电机的维修以及因电机故障而暂停生产，都会造成大量的经济以及人力资源的浪费，从而使企业在生产过程中，额外的增加了生产成本。
1.4过大的启动电流会造成电机绕组的发热而使绕组绝缘材料老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至烧毁电动机。
2.机电设备启动前的检查
新安装的或停用三个月以上的电动机，用兆欧表测量电动机各项绕组之间及每项绕组与地（机壳）之间的绝缘电阻，测试前应拆除电动机出线端子上的所有外部接线以及机电设备内部是否有杂物，认真检查电动机铭牌所示电压、频率与所接电源电压、频率是否相符，电源电压是否稳定，接法是否与铭牌所示相同，从而保障机电设备在使用过程中不会受到其他的影响。
3.机电启动的分类及参数
3.1直接启动
直接起动就是将电源电压全压、直接地加到电动机的进线端，以使其起动。直接起动具有控制方式简单、起动快且其装置少等优点。这不仅会对电动机、电网、外围设备等造成一定的危害但其起动电流相当大，甚至还可能造成人身伤亡事故。其弊端主要表现在以下3个方面：
3.1.1高达4 -7倍的启动电流，易造成电动机绕组过热，加速绝缘老化，严重时烧毁电动机，造成供电网络电压降过大，这使用电设备的欠压保护动作，影响其他用电设备的正常使用，对启动设备造成极大的冲击，特别是输送液体的设备在停车时容易造成水锤现象，缩短设备的使用寿命，造成机械传动部件的非正常磨损，加速设备老化，缩短其寿命。
3.1.2对系统冲击较大且控制元件易损坏，维护工作量大。
3.1.3启动电流2.5≤3.51e，启动过程电阻0.7-0.8cosφ，电网压降≤7%，启动转矩小，启动设备复杂，相对于其他启动方式而言启动电流大或启动转矩偏小的弊端，而且在电机的运行保护方面，存在着功能不完善或不灵敏的问题。
综上，直接启动方式只适用于小功率的机电设备，一般情况下，功率大于30kW的电动机的启动，不能采用直接启动的方式，传统的电动机启动多采用降压启动的方式。
3.2星一三角启动
星一三角启动器是一个较早的解决办法。在启动过程中，电网的相位接头和中性接头之间，电动机定子绕组与启动器进行星型连接，从而可以降低电动机电压，及至降低电流大约；一旦克服主惯量之后，电动机定子绕组在电网相位接头之间的连接就呈三角形，以获得满电压和功率。然而，这种启动器不能从根本上消除机械和电气瞬变现象，只能使其稍微减弱，使他们穿过时间轴上的两个点从随后的星一三角切换至原点。星一三角启动法只适用于正常工况，在其它工况下，从星形到三角形之间的切换有时候比直接在线启动情况还要糟糕。因此，星一三角启动器对于该问题来说只能算是一个粗浅而有限的解决办法。
采用星三角起动时，起动电流只是原来按三角形接法直接起动时的1/3。如果直接起动时的起动电流以6一7Ie计，则在星三角起动时，起动电流才2一2.3倍。这就是说采用星三角起动时，起动转矩也降为原来按三角形接法直接起动时的1/3。适用于无载或者轻载起动的场合。并且与其它减压起动器相比较，其结构最简单，价格也最便宜。除此之外，星三角起动方式还有一个优点，即当负载较轻时，可以让电动机在星形接法下运行。此时，额定转矩与负载可以匹配，这样能使电动机的效率有所提高，并使之节约了电力消耗。
3.3软启动
3.3.1软启动器的工作原理
软启动器一般是采用SCR功率组件双单片机进行智能化控制，采用3对反并联的晶闸管串联于电动机供电电路上，利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其电压的大小，以达到控制电动机的软启动过程。当电动机启动完成并达到额定电压时，三相旁路接触器吸合，使电动机直接投入运行。它既能保证电动机在负载要求的启动特性下平滑启动，又能降低对电网的冲击，还能实现计算机通讯控制，为自动化智能控制打下良好的基础。
3.3.2软启动特点
软启动器的电机保护功能有：相序保护、电源缺相保护、启动过流保护、运行过载保护及电动机长时间不能完成启动过程保护，还有电机堵转、晶闸管短路及失压、过压、短路等各种操作故障状态下的保护。其中，内置的过载保护功能可省去热继电器，使配电柜内布线更加简单。此外，不需增加任何传感器或仪表，可直接读取电机的运行参数，如：电流、电压、功率及运行时间等。除了拥有以上保护功能之外，软启动还具有故障自诊断功能，软启动器的保护功能动作时，软启动器将产生停机输出，在控制面板上直接显示其原因，并通过自带的标准485接口与主控制室进行通讯联系，减少了故障查找与检修的时间，节省了人力。软启动器大电流运行无触点，采用交流开关无级调压，消除了系统中产生接触不良的影响，且调压范围宽，过载能力强，人性化的菜单界面可极为方便地查阅参数或修改参数，通过附加的通信网络接口达到自动化集中控制的目的。而对电机提供了平滑、渐进的启动过程，减少了启动电流对电网的冲击，有效降低了启动机械应力，降低了设备的振动和噪声，在液流系统中能有效消除喘振或水锤现象，提高了设备利用率和生产率，改善了劳动环境，而设备后期维护工作量小，综合评价好。
3.4交流变频启动
交流变频启动器是利用电子技术，将工频电源转换为另一频率的电能控制装置。变频启动器组成框图如下所示。整流部分为三相桥式整流器，主要作用是将三相交流转换成直流；直流环节主要起滤波、直流储能和缓冲无功功率的作用；逆变部分的作用与整流部分相反，是将直流电再转换成电压和频率可调的交流电，其主要由IGBT三相桥式逆变器组成，输出为任意频率的PWM波形；控制部分由运算电路、控制电路、检测电路和输出驱动电路组成，主要任务是完成对整流器的电压控制及各种保护。
→整流→直流环节→逆变
↑↑↑
控制
启动时，变频启动装置将频率可调的交变电流加到电机的定子上，使电机以调频调速的方式转动起来，整个启动过程按照预先设定的速率加速上升，当电机转速达到额定转速时电网侧开关闭合，电机接入电网，变频启动装置退出，启动过程完成。
启动电流≤1e，启动过程电阻＝0.9cosφ，电网压降不影响，启动转矩大，对电网的影响小，可应用于较重载的机械，不会影响电机使用寿命。综上，变频启动方式可通过改变工频频率来调节电机转速进行启动，启动电流小，且启动电流可根据电机负载进行调节，保证恒力矩启动；缺点是设备费用高，但后期维护工作量小，综合评价为很好。
3.5自藕变压器降压启动
自祸变压器降压启动是指电动机启动时利用自祸变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后，再使电动机与自祸变压器脱离，从而在全压下正常运动。
采用自祸变压器降压起动时，与直接起动相比较，起动电压降低得很多（为额定电压的1/4一1/7），而起动转矩降低得更多；且自祸变压器不允许频繁起动，因而限制了它的广泛使用。
4.启动方式比较
从表以及前文分析中看出，各个机电设备的启动方式各有利弊，变频启动设备费用高，但后期维护工作量小，综合评价为很好；软启动提高了设备利用率和生产率，改善了劳动环境，而设备后期维护工作量小，综合评价好；星-三角启动结构最简单，价格也最便宜，成本较低，维护也低，但是只能正常情况，综合评价一般；直接启动方式简单、不灵活，但设备费用相对于其他的启动方式来说较低，综合评价来说一般，适合30kW以下的低容量设备；而自藕变压器降压启动适用性较小，综合性一般。综上，可以看出变频启动最好，软启动次之，其余效果一般。
总结：三相交流异步电动机作为传动工程中主要的动力来源，其平稳启动成为设计人员重点关心的问题。由于三相交流异步电动机直接启动时启动电流大，通常为额定电流的倍，功率比较大的电机在直接启动过程中产生的启动电流更大若不采取限流措施，会造成一定的危害。所以对于大功率、长供电臂的异步电动机，采用除“直接起动”以外的其他起动方式就显得尤为迫切和重要了。经过本文分析，建议30kW以上的设备采用变频或软启动设备辅助电机启动或反转，以保护设备和变压器平稳运行。
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论文作者:乜莹
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/26
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