1．概述 应用中压电动机的行业十分广泛，如冶金、钢铁、石油、化工、电厂、水厂、机械加工等，几乎遍及所有行业。据1995年《电动机调速技术产业化途径与对策的研究报告》，全国仅风机泵类设备就达4200万台，其中低压小容量电动机与中压中大容量电动机的比例，在数量上为4：1，即仅风机泵类设备的中压电动机即可达800万台以上，如果再加上其它机械设备上所用的中压电动机，其数量将是非常大的。近几年，随着经济的发展，许多行业的规模越来越大，使用中压电动机的数量也越来越多，单机容量也越来越大。 中大容量电机的起动一直是人们关心的一个课题，如果全压直接起动，很大的起动电流将引起电网电压较大的波动，影响其它设备的正常运行，很大的冲击力会对电机本身及其所带机械造成损伤等等。因此人们不断地研制各种起动方法来克服直接起动时带来的诸多弊端，但是也有许多人对这个问题没有足够的认识，有人认为只要电网容量足够大就可以直接起动，比如就有9000KW电机尚采用直接起动的实例；还有人只注意到对其它设备的影响，如果某种起动方法能使周边设备不受很大的影响就行了，而不去认真考虑其它方面的危害。因此笔者认为应该对传统起动方式的危害性做一个介绍，使人们对这个问题有所了解，克服选用起动装置的盲目性，提高我们的用电水平。 2．直接全压起动 电动机直接全压起动时，过大的起动电流会在线路上产生较大的压降，使电网电压波动很大，影响并联在电网上的其它设备的正常运行，一般的要求是经常起动的电动机引起的电网电压变化不大于10%，偶尔起动的电动机引起的电网电压变化不大于15%。还可以按电源的情况来决定是否允许电动机直接起动，如表1所示： 表1：按电源容量确定电动机直接起动时的功率 电源情况 允许直接起动的电动机最大功率（KW） 小容量发电厂 每1KVA发电机容量为0.1～0.12KW 变电所 经常起动时，不大于变压器容量的20% 偶尔起动时，不大于变压器容量的30% 高压线路 不超过电动机连接线路上的短路容量的3% 变压器—电动机组 电动机容量不大于变压器容量的80% 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，大家来保证电网的供电质量。在我国，当前在低压电机上采用软起动的方式已经很普遍，在中压电机上采用软起动方式还比较少。 3．定子回路串电抗器减压起动 定子回路串电抗器减压起动方式如图1所示，起动时K2闭合，电抗器与电机M串联接入电网，待电机转速接近额定转速之后，K1闭合、K2断开，将电抗器L切除，电机加速至额定转速运转。 设电动机串入电抗器起动时，它的端电压UL与直接起动时所加的额定电压UN之比为K（K＜1），即 UL=KUN。 由于电动机阻抗ZM一定，这时电动机的起动电流IS将随电压成正比而降低，即： IS= =K =KISd 式中 ISd ——直接全压起动时的电流 根据起动转矩公式，可知起动转矩TS与所加电压的平方成正比，即 = =K2 或 TS=K2TSd 式中TSd ——直接起动时的起动转矩 由上述公式可见，串电抗器后，起动电流成比例减小，起动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机起动时阻力矩的情况，只有起动转矩大于阻力矩电机才能顺利起动。 由调压软起动的试验可知，电机在达到80%额定转速附近时，有一个起动电流的最大值IM ，该值和电机的负载情况及加速过程有关，一般在1.5IN～3.5IN之间变化，如果电机在起动时不能垮过该门坎值IM ，则电机将达不到额定转速而长时间停在某一速度上，造成起动失败。 串电抗器起动时，串入电抗器之前电机速度为零，故这时要求的IM较大，这就要求串入电抗器后电机的端电压不能太小，一般选择在0.7UN左右，其起动电流也在直接全压起动电流的0.7倍左右。 选用电抗器时便会陷入这样的矛盾之中：为了减小起动电流总希望电抗值大一些，但这样又容易造成起动失败，尤其是当电网电压不稳定和负载状况经常变化时；为了保证起动的成功率，电抗值就要小一些，但这样起动电流又偏大，所以电抗器适于电网电压和负载（起动时）比较稳定的情况。 串联电抗器起动为有级降压起动，起动过程中转矩会有二次突变，仍会产生较大的机械冲击，对机械及电机仍会有损伤，只是程度有所降低；对电网的影响也未达到最低。 在操作过电压方面，由于初始电压为0.7UN左右，操作过电压的几率也随之降低一些，但由于高频振荡叠加的随机性，操作过电压 的幅值并不会降低。 4．自耦变压器减压起动 如图2所示，起动时K2、K3闭合，电机降压起动，当电机转速接近于额定转速时K2、K3断开，K1闭合，电机被加速至额定转速运行。 自耦变压器T一般都有几个抽头，起动电流和起动转矩可以靠改变抽头来调节，设自耦变压器二次电压与一次电压之比为K，则在起动时加在电动机上电压为: UL=KUN 式中UN ——电网电压 电动机的电流即自耦变压器的二次电流I2为： I2= = =K =KISd 式中Zm ——电动机起动时的阻抗 ISd ——电动机直接起动时的电流 由于电动机接在自耦变压器的二次侧，故电网供给的起动电流IS即是自耦变压器的一次电流I1，于是有： IS=I1=KI2=K2ISd 由此可见，当用自耦变压器减压起动时，流入电网的起动电流只有直接起动时的K2倍。同样由于转矩和电压的平方成正比，起动转矩也只有直接起动时的K2倍，即： TS= K2TSd 与电抗器降压起动相比，在获得同样起动转矩的情况下，自耦变压器式降压起动需电网提供的起动电流较小，对电网电压的影响小，适合于阻力矩比较大的情况，以及电网短路容量较小的情况。 自耦变压器减压起动的主要缺点是在开关切换的过程中，电动机有短时断电的情况，这会造成大电流冲击和转矩突变。 在开关切换时，不能先合K1后断K2、K3，这样会造成自耦变压器部份绕组短路，只有先断开K3再合K1，其转换时间即为电机的断电时间。 在电机断电时，其定子电流消失，在转子将产生一个感应电流来维持其磁通不变，这个磁通随着转子的转动而旋转，随电流的衰减而减小，它在定子绕组中感应出电势。当K1闭合时，再次接通电源，如果此时感应电势的相位与外加电源的相位不同或相反，将会产生一个很大的冲击电流，有时甚至大于直接全压起动电流，而转矩也会发生一个瞬变且可能是一个负的峰值，这对电机和拖动机械是极其不利的。 与电抗器的情况相同，自耦变压器的抽头电压一般在0.7UN左右，对机械和电机的伤害情况，以及操作过电压的情况均与电抗器的情况相同。 当电网容量有限时，有人采用自耦变压器带二个抽头的办法。首先使电机在较低的电压下获得一定速度，再切换到较高电压下进一步加速，最后切换到额定电压，这对降低自耦变压器一次电流是有好处的，可以进一步减小对电网的影响，但可以说这是按下了葫芦浮起了瓢，伴随的严重情况是： ① 增加了一次抽头切换，使之对机械和电机的冲击增加了一次，切换过程中定子电压与电网电压相位相反的几率增加了一倍，因此产生大电流冲击的几率也加大了一倍，这将对电机及机械的使用寿命产生很大影响。 ② 抽头切换过程中，电机中的电流较大，电机定子绕组中的磁场能量将在K3断开时向绕组分布电容充电，因分布电容很小，故会产生很高的过电压，这对电机绝缘将会造成极大的危害，降低电机的使用寿命。 笔者认为这