1 引言
随着冶金、石油、化工等产业规模化和单机容量的不断增大，大功率高压电机在工业生产中的比重越来越大，而电力系统的容量未同比增加，能否成功解决好大容量电机的起动问题直接关系到电网稳定、电机的使用寿命及经济运行。
2 全压直接起动的危害及常用的起动方法
2.1 全压直接起动的缺点
直接全压起动的危害性主要有如下几点:
(1) 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。当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。
(2) 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，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。
(3) 电动机直接全压起动时的起动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎;对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。对于水泵类负荷来说，电动机全压起动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。直接起动时电机速度上升很快，润滑油往往不能及时到位，会引起轴承干磨，降低其使用寿命。
(4) 电动机在起动时，会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。同时，还可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。
(5) 直接全压起动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压，使定子绕组上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大的伤害。许多电机的自身故障都是由于绝缘受到伤害而引起的。
以上各点都会使设备增加停工台时，影响生产的正常进行，增加维修费用。
综合考虑，在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接起动方式，以保证电网的供电质量。在这种情况下，高压电动机的软起动作为一个重要的课题被提出来。
2.2 常用起动方法
目前国内大型电动机的起动方法有定子回路串电抗器、自耦变压器、水电阻等减压起动方式，但起动电流仍然很大(一般是额定3到5倍)对电机仍然有较大的冲击，而且会引起电网电压急剧下降。所以称之为减压起动。
目前高压软起动领域可称之为软起动的产品主要有三种，用高压变频做软起动、晶闸管串联做软起动(固态)、开关变压器式高压电机软起动，前两种虽然有较好的性能，但由于价格相当昂贵，而且高次谐波含量大、技术相对复杂，所以应用不是很广范。
开关变压器式高压电机软起动装置是近年来开始在工业上逐渐被认可的一种大型电动机软起动装置，它以极优的性价比逐渐的被人们认可。
3 开关变压器式高压电机软起动控制系统结构及特点
3.1 基本工作原理
开关变压器式高压电机软起动控制系统的基本工作原理如图1所示，是用开关变压器来隔离高压和低压，开关变压器的低压绕组与晶闸管和控制系统相连，通过改变其低压绕组上的电压来改变高压绕组上的电压，从而达到改变电动机端电压的目的，以实现电动机的软起动。其特点如下:
图1 基本工作原理图
(1) 电压和电流能从零起连续可调，对电动机无操作过电压伤害，无转矩冲击，对电网无冲击;转速慢慢上升，有利于润滑，能延长电动机及机械设备的使用寿命;高压开关合闸时电流(或电压)为零，能显著提高开关寿命。
(2) 控制灵活，重复精度高。
(3) 在起动过程中，能在额定电流以内给电动机以充分加速，因此能最大限度的降低起动电流最大值，最大值保持时间短。
(4) 开关变压器是一种高可靠性设备;低压侧电压低，不用采用晶闸管串联;晶闸管的控制技术很成熟，因此该装置为高可靠性设备。
(5) 该装置本身功耗很小，可以连续起动，可以一拖多(容量可不同)。
(6) 开关变压器具有很大的电感值，晶闸管产生的高次谐波大部分加在它上面，加到电源和电动机上的高次谐波很少。
3.2 系统原理
系统原理如图2所示。
图2 系统原理图
电动机可以是同步机或异步机，开关变压器控制部分由plc主控模块、a/d、d/a、电流互感器、可控硅交流调压装置及其触发单元构成。
开关变压器高压侧串联在高压回路中，输出端与电动机相串联，通过调节低压侧电压而达到调节高压侧电压的目的。反馈电流是通过电流互感器取电机的三相电流的平均值，经a/d变换后送入plc，电机起动前1qf断开，2qs闭合使开关变压器串联在电动机定子回路中。
起动时plc发出指令使2qf闭合，电动开始起动，电机电压、电流都从零起调，与此同时，a/d将电流互感器反馈回的电流值转换为数字量输入plc，plc接到反馈信号后经过内部的控制运算控制输出经d/a变换后控制晶闸管的触发角，调节低压侧电压达到调节高压侧电压的目的随着电机端电压的不断升高电机的转速逐步达到额定值，当电机电流迅速下降说明电机已经完成起动，此时plc发出控制指令使1qf闭合，后延时断开2qf和2qs使开关变压器旁路，起动结束。
3.3 plc的选择与配置
根据实际工作的需要，选择西门子公司生产的s7-200系列可编程控制器来构成本装置的中央处理单元，采用交流220v供电，它本身有14路开关量输入10路开关量输出用于检测和输出控制状态，同时扩展了一块模拟量输入输出模块235，它有4路模拟量输入和一路模拟量输出用以检测起动过程中母线电压和晶闸管触发的控制输出。同时扩展了一块模拟量输入模块231用以检测起动过程中电机电流的变化。plc的模块配置如图3所示。
图3 plc的模块配置
4 软件的编制
开关变压器式高压电机软起动装置控制软件主要包括模块自检、电源电压检测、开机判断、运算、各种保护、开关量的顺序控制等。
程序编制的主导思想是模块化，流程如图4所示。
图4 软件编制流程图
5 结束语
采用plc控制的开关变压器式高压电机软起动装置来控制大电机的软起动，电机的电流、电压都是连续可调的，起动过程平滑，易控重复精度极高，电网电压波动很小真正做到了“软”起动的目的，满足了大型电机起动的需要。同时采用了具有高可靠性的plc作为中央控制单元实现对起动过程的闭环控制及逻辑动作的切换控制，极大地提高了整个系统的可操作性和稳定性。本装置自研制成功至今取得了令人满意的效果，为众多苦于高压电机软起动装置选择的厂家带来了一种非常好的起动方法，解决了他们的实际需求，受到了用户的好评。
参考文献
[1] 周希章,周 全. 电动机的起动、制动和调速[m].北京:机械工业出版社,2001.
[2] m.g.say.交流电机[m]. 北京:中国计量出版社,2000.
[3] 杨芳春,吴延华等. 电机与传动[m]. 北京:煤炭工业出版社,1995.
[4] 吴大榕. 电机学[m]. 北京:电力工业出版社,1978.
[5] 鄢景华,自动控制原理[m]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1995.
[6] simentic s7-200可编程控制器系统手册[z]. 西门子公司,1999.
作者简介
王 欢 学士/助教 现就职于黑龙江科技学院自动化工程系。主要研究方向:电力电子、微机测控。
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