谈谈大型中压电动机的软起动

[摘要]论述了6～10kV中压大型电动机的软起动，介绍了当前国内外正在应用和新推出的几种中压软起动装置，并对它们的性能作比较，以期对广大电气工作者在设计选型和运行维护中能有所帮助，促进新技术的推广和应用。

[关键词]软起动 变频软起动 晶闸管固态软起动　磁控软起动 液阻软起动 性能比较

1　概述

近年来由于钢铁、石化等行业飞速发展。设备等级的不断提高，其所配套的电动机容量也越来越大，如莱钢近两年新上的4台22000m3/h制氧机，配套空压机电机均为10000kW，莱钢冶金厂区容量超过3000kW的6～10kV中压大型电动机已达26台，导致6～10kV级中压电网供电负荷与容量之间的矛盾加剧，加大了对于中压软启动装置的需求。因此，如何科学、合理的选择大型高压电动机的起动装置，已成为现实面临的一大课题。

对于中压电动机在电网容量和工艺条件允许的情况下可以直接启动，如果电动机的启动对电网或压缩机冲击较大，造成电网压降过大(标准规定的最大允许值为15％)，或者工艺条件不允许的情况下就不能直接起动，随着电力电子技术的进步及电力半导体器件在高电压，大电流等方面水平的提高，中压变频软起动装置、中压晶闸管固态软起动装置在国外相继出现，如美国Benshaw公司于1988年推出的世界上第一台中压晶闸管固态软起动器。2002年以来，几种国产中压软起动装置新产品也应运而生，这就是中压磁控软起动装置、开关变压器软起动装置和中压晶闸管固态软起动装置。

2　大型交流电动机软起动必要性的分析

2.1　电动机直接起动的分析

大功率交流电机直接起动会产生一系列电气和机械问题。

(1)电气方面：起动时可达5～7倍的额定电流，造成电动机绕组因电流引起过温，从而加速绝缘老化；造成供电网络电压波动大，当电压≤0.85Un时，影响其他设备的正常使用。

(2)机械方面：过大的起动转矩产生机械冲击，对被拖动的设备造成大的冲击力，缩短使用寿命，影响精确度，如使联轴器损坏、增速器齿轮箱损坏等；造成机械传动部件的非正常磨损及冲击，加速老化，缩短寿命。

2.2　有级降压起动的分析

有级降压起动主要是指电抗器和自耦变压器起动方式：

(1)电动机在改变其端电压时的转矩特性，转矩与电压的平方成正比：

串电抗器后，起动电流成正比减小，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的阻力矩的情况，只有起动转矩大于阻力矩电机才能顺利起动。这就要求串入电抗器后电机的端电压不能太小。一般选择不低于0.7Ue，其起动电流也在直接全压起动电流的0.7倍左右。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，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，所以电抗器适合于电网容量较大和负载(起动时)比较稳定的情况。

(2)与电抗器降压起动相比，在获得同样起动转矩的情况下，自耦变压器降压

起动需电网提供的起动电流较小，对电网电压的影响也小，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，其性能优于串电抗器起动，自耦变压减压起动的主要缺点是在开关切换的过程中，仍然有较大的转矩突变，存在对电网及设备的二次冲击，且切换开关较多。

3　大型中压交流电动机软起动的主要方式

目前，中压电动机软起动装置主要有：变频软起动、晶闸管固态软起动、开关变压器软起动、磁控软起动、液体电阻。它们的性能、价格功能差异很大，除变频软起动、晶闸管固态软起动、开关变压器软起动外，其他都属于降压软起动。

3.1　中压变频软起动装置

变频器主要是用在交流电动机调整上，具有明显的节能效果，特大型电动机(10000kW以上)以前多选用变频器来作软起动装置。

用变频器做软起动装置其性能是非常理想的，它的电压和频率都能连续可调，保持电动机有较小的转差率，可以做到起动电流接近电动机额定电流，起动力矩大，起动过程中保持0.8～0.9的功率因数，具有很好的起动性能，但是采用变频器起动需要采用同步切换技术，即在电动机达到额定转速后，要使变频器输出电压的频率、相位、和幅值与电网电压完全相同，然后才能将电动机接到电网的真空接触器合闸，再将变频器输出至电机的真空接触器断开。同步切换一方面技术比较复杂，另一方面成本较高。

目前采用的中压变频器软起动装置主要从国外进口，随着变频技术的进步及价格的降低，变频器作为软起动装置的应用会越来越多，相信最终将取代其他软起动方式。

3.2　中压晶闸管固态软起动装置

晶闸管固态软起动是用微电脑控制晶闸管导通角，以调节输出电压、电流。这种装置的起动性能能达到全方位的软起动，即电压、电流都能从零起连续可调，能完全免除对电网的冲击和对电动机及机械设备的冲击、控制灵活、重复精度高，具有完善的电机保护。

固态软起动器的输出响应非常快，输出电压对移相控制信号的平均响应时间只有3.3ms。它可以有3种起动方式，最常用的是采用电压斜坡控制，使软起动器输出电压随时间线性上升，直到全电压输出。在采用电流反馈的情况下，可以保证起动电流恒定。

由于目前电力电子制造业能够提供SCR的耐压有限，需要用几个SCR串联，要求SCR器件有很好的一致性。SCR的导通和关断有很好的静态和动态的同步性。国内的产品还刚起步不久，应用在2000kW以上的大型电动机的业绩还不是很多，目前国外的Benshaw、Rockwell、Motortronlcs等公司已经做到了20000kW以上，但其产品价格还比较贵。

该装置本身功耗很小，可以连续起动，可以一拖多机。对于有多台压缩机的场合，还是比较经济的，可优先考虑。

3.2　开关变压器式中压电动机软起动装置

在图2中，开关变压器式中压电机软启动装置是用开关变压器来隔离高压和低压，其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，其特点是开关变压器低压侧电压低，不需采用可控硅的串联技术，在起动过程中，开关变压器始终处于开和关两种工作状态，其损耗很小。该产品已由哈尔滨帕特尔科技公司研制成功，并投入使用，实际运行比较理想。其价格约为进口晶闸管中压电机软启动产品30％左右。

自2005年下半年以来，有多套装置投运，如湖北鄂钢两台制氧工程一拖三装置用于10000/4000/1000kW三台电动机的起动、济钢制氧工程10800kW电动机起动 装置，运行效果都比较理想。该装置最大的特点是可以一拖多机，而且各电机容量可以相差很大，理论上可以不受限制，如湖北鄂钢两台制氧工程一拖三装置中电机容量之比达到了1:10。该装置用于一拖多机，性价比还是很高的，是一种较理想的选择。

3.3　中压磁控软起动装置

磁控中压电动机软起动装置的原理接线图如图3所示。

磁控软起动的主要特点是用可控制的饱和电抗器取代电抗器。在磁控软起动装置里，SCR三相桥式整流电路通过调节饱和电抗器控制绕组中直流的大小改变铁心的饱和度，从而改变电抗值的大小，来控制电动机的起动电流。

在该装置里，饱和电抗器有2个作用，即功率的放大作用和高、低压隔离作用。磁控软起动装置的控制核心是PLC，它接受电流反馈信号，输出触发脉冲，实现电流闭环控制。

磁控制软起动的优点：(1)成本低，寿命长；(2)可靠性高，耐受恶劣环境的能力强，维护工作量小；(3)空间利用率高；(4)总谐波畸变率较小；(5)可控性好，参数设定方便：(6)能重复起动，重复精度高，可以一拖多机。

但它尚有如下弱点：(1)起动电流的调节范围偏小，一般在2.5～4Ie以内；(2)有0.1s量级的惯性，响应快速性比晶闸管软起动差；(3)辅助电源容量较大；(4)软起动过程中装置会发出一些噪声。

磁控中压软起动装置在2002年已由天津先导机电公司研制成功并投入使用，实际运行稳定可靠，武汉克锐尔公司2005年也有类似产品投放市场，目前已投运单机最高功率为6000kW。

3.4　液阻软起动

液体电阻由水和电解质组成，利用极板的移动或通电后水温的变化来达到调节电阻的变化。前者简称“液阻”，后者简称“热变电阻”。起动时，二者把大量的能量消耗在水电阻上，然后逐渐向电动机转移能量，使电动机升速。起动期间，串联电阻的功耗很大。

液阻的连续调节靠的是极板间距，拖动极板的是伺服电机。按开环方式工作时，伺服电机转速是恒定的：按闭环方式工作时，伺服电机转速按偏差自动调节。

热变电阻器极板不动，电阻的调节依靠电解液的负温度特性，不需要伺服控制系统。该装置只能按开环工作，无法实现闭环控制。

液体电阻的优点：(1)不产生高次谐波；(2)电压降比纯电感性的软起动装置小：(3)成本低。

但液体电阻的工作原理和结构决定它有如下的致命弱点：(1)难于实现软起动仿真。受许多因素的影响，如环境温度、电液介质、极板等，起动电流的控制精度较差，变化范围较大，一次起动成功率较低。(2)在起动过程中，发热量大，不宜连续起动，对热变电阻尤为明显。(3)即使采用电流闭环控制。因响应速度慢，如要做转矩控制会更困难。(4)由于电解液受热会挥发，需要不断补充，并且电极会电解掉，需要定期更换。电解液挥发所带来的盐雾会腐蚀周围的电气设备。因此非但它本身的寿命不长，而且也会影响其他电气设备的寿命。(5)由于液阻箱体积大，占用空间就大，势必增加土建等额外投资。(6)受环境温度影响较大，尤其是在我国北方地区，冬季和夏季环境温差可达50～60℃，冬天就必须设取暖设施，增加了投资，也增加了运行成本。

另外，液阻的调节需通过传动机构，降低了可靠性。而热变电阻尽管不需伺服机构，但是以牺牲可控性为代价。由于热变电阻是根据温度变化进行开环调节，使得每次起动时的性能不可能一致，连续起动时的电流越来越大，导致继电器保护整定动作。这就是重复性问题，重复性指的是不同软起动过程的一致性，是软起动的重要指标之一。而热变电阻对环境温度的变化、网压的波动毫无办法。

在国外早期有液阻软起动产品，不过都是串联在绕线电机转子回路里，现在已不再使用。前几年开始，国内较多厂家已经将水电阻应用到中压电机的启动上，在技术上进行了创新，并有相当数量的产品投入使用，容量也已经做到了15800kW。但是，从使用的情况来看，其最根本的问题还难以解决。这种起动器只能是现阶段的一个过渡产品，已有被其他软启动器代替的趋势。

4　各种软启动的性能比较

众所周知，起动装置对于大型电动机能否正常运行至关重要，而市场上的生产厂家众多。产品的形式、性能也不尽相同。通过前面对各种中压起动装置的启动方式和优缺点的论述，希望对合理的选择适合本行业的启动装置能有所帮助。

起动方式的选择原则首先要确保设备简单、安全、可靠、操作维护方便、启动一次成功。要根据所拖动的负载类型、是否不频繁起动、供电电源情况等因素综合考虑。在电网和机械允许的情况下，可以采用诸如电抗器等形式。在电网条件有限的情况下，才考虑采用何种软起动方式。由于各地，环境不同，比如在北方，就不宜使用液体类产品，宜采用固态软起动。在经济性方面，除了自身装置的费用外，还应综合考虑其使用年限、安装成本、运行成本、配套设施部分费用。总之应根据具体情况。进行综合比较，得出最理想的结果。