部分軟起動方式技術比較

1 概述
降壓起動是利用起動設備將電源電壓適當降低后加到電機（籠型）的定子繞組上進行起動，待電機起動運轉后，再使其電壓恢復到額定值正常運行。但是，由于電機轉矩與電壓的平方成正比，降壓起動使電機的起動轉矩大為降低，電機需要在空載或輕載下起動。同時，電機在端電壓降至正常值的65%甚至更低的電壓下時，相應起動時間過長，并且電機在通過開關短接或切除起動設備加入全壓時，電壓的突變會產生電流的躍變，即大電流二次沖擊！這是降壓起動的缺點，也是我們進行技改的原因之一。
軟起動的實質也是降壓起動（變頻例外），把原不可變的阻抗改為可控。簡單來說通過平滑改變串接阻抗（電阻）值，使電機端電壓平滑改變實現電機平滑起動，進一步減小起動電流對設備的沖擊，基本消除電流的躍變，使電機起動特性軟化，保護電機、機械設備。
目前我院221氣源站工況是在輕載下降壓起動，起動后全壓運行，運行中無需進行調速。
2 目前起動方式存在的問題
常見的降壓起動方式有Y-△、電阻、電抗器、自耦變壓器等，運用在不同年代的技術水平，具有 各自的優缺點，都能達到降低起動電流的目的。目前221氣源站2500kW電機采用定子繞組串接電抗器降壓起動，起動電流4Ie（起動電流1150A），起動時間t=18s，起動電流還是較大，對電動機本身、電網、機械設備的可靠運行都有一定的影響，主要表現在以下幾個方面。
2.1 221氣源站2500kW電機均已使用近30年，電機整體絕緣水平下降，過高的起動電流使電機溫升較大，加速電機的老化，增加出現電機本體故障的可能性。近幾年來，我單位陸續出現多起電機定子繞組端部短路事故，均在起動時發生。
2.2 串接電抗器降壓起動，起動時系統功率因素低，母線的壓降還是較大，容易對電網內其它設備的運行產生影響，可能使其它設備失步跳閘。我院屬專線供電，此現象暫時影響還不大。
2.3 可能易燒軸瓦。表面上看，電機起動與壓縮機燒軸瓦風馬牛不相及，但事實上兩者之間有聯系。221氣源站壓縮機軸承采用動壓軸承，該軸承的潤滑由自身旋轉而產生的油膜實現，一般需要一定的時間才能形成完好的潤滑油膜。電機起動時，起動電流大，相應起動時間也快，如果在軸承還未來的及形成潤滑油膜時已高速旋轉起來，這種情況非常容易使軸承拉瓦。
為了較好的解決上述問題，我們引入軟起動裝置，采用軟起動對221氣源站6臺2500kW電機技術改造。當前我們了解的高壓軟起動方式主要有變頻軟起動、串接可變電阻（熱變電阻、液體電阻）及串接可調電抗器（磁控）等。
3 變頻、電阻類、電抗器類軟起動簡介及比較
3.1 高壓變頻軟起動
高壓變頻起動、調速原理其實早就發展成熟了，但由于受制造瓶頸的限制，近二十年才逐漸得到了應用，可實現軟起動、調速。高壓變頻代表著大型電動機軟起動技術的發展方向，近年來取得了很大成就，相對磁控軟起動、熱變電阻等起動方案而言，具有明顯的技術進步性，這一點不可置疑。
3.2 高壓電阻類軟起動
最早的降壓起動采用固體電阻，由于固體電阻不可避免的缺陷（熱容特性低等），高壓動力設備的降壓起動采用較少。隨著技術水平的發展，具有頻敏特性的固態電阻在低壓、高壓動力設備上得到了應用，80年代初期出現了液態電阻、熱變電阻應用于高壓動力設備，液態形式的電阻具有較高的熱容特性。
液態軟起動裝置通過電流閉環自動控制單元控制傳動機構，電機拖曳極板改變極間電阻值實現軟起動；熱變電阻起動裝置利用具有負溫度特性的電解液體，在溫度變化下改變電阻值實現軟起動。液態軟起動裝置有良好的控制功能，與磁控軟起動控制功能接近，缺點是控制、傳動機構復雜，故障點多，液阻需定期檢驗，一次、二次電源交錯，絕緣性能要求較高。熱變電阻與液態電阻相比，結構簡單，起動特性較好（廠家提供特性曲線比較），維護量小，長期安全可靠，適用電機容量大。鑒于此，下面該類僅以熱變電阻起動裝置為例。
3.3 高壓電抗器類軟起動
在較早的高壓降壓起動中，我國采用電抗器降壓起動居多，傳統的電抗器存在阻抗不可調，起動特性不好，功率因素低等缺點，目前國內已很少使用。磁控正是在以上的基礎上進行改良，通過在電抗器中加入控制繞組，利用電、磁控制技術，外部自動控制單元調整控制繞組中電流的大小，控制磁導率來調節電壓的手段，改變勵磁實現電動機軟起動。起動過程中，電抗器兩端的電壓（電流）根據起動電流自動調整，由大變小無級變化，使電動機端電壓平滑上升值額定值。磁控理論上可以調速，但是實際應用反映在起動過程上，當達到最優化起動后，起動電流是不進行調整的。
3.4 三類軟起動特點比較
3.4.1技術性比較
單從技術上來說，高壓變頻具有不可比擬的優勢，起動特性好，可連續起動多次，起動電流可控制在額定電流以下，起動時電網功率因素高（0.9～0.95），電網壓降小，同時還可進行調速，減小動力設備功率消耗，節約電能。缺點是產生高磁諧波，污染電網，影響系統內其它設備的用電質量，要解決諧波污染，還得追加設備投資。
采用電抗器類（磁控）軟起動，特點是控制較靈活，起動電流的設置較方便。缺點是本來電機起動時的功率因素就低，因串接電抗器而變得更低，因此對電力系統沒有太多的好處，母線壓降大，同時有一定的諧波污染。
高壓熱變電阻器軟起動對電機、機械設備沖擊小。與電抗器比較，性能相對要好，起動時功率因素較高（0.7）以上，起動電網壓降小，無諧波污染，通過更換電解液即可延長使用壽命。缺點是阻值會微弱的受到溫度的影響。
具體比較見表1。

表1：變頻軟起動、高壓熱變電阻器軟起動、磁控軟起動性能對比表

備注：1、此表數據參考襄樊大力、美國羅賓康公司、武漢科銳爾及部分其它資料。
2、有“*”標記表示還需確定。
3.4.2經濟性比較
從實用性經濟角度來說，高壓變頻起動屬于一種過于奢侈的技術方案，雖然變頻起動可以將起動電流降到額定電流以下，但是對于不是特別頻繁起動又不需要調速的大型動力設備來說，僅僅為了起動而進行巨額投資，太不經濟。
高壓熱變電阻器軟起動、磁控軟起動價格是高壓變頻起動的1/8～1/10，對于我院來說，采用兩者之一可節省投資數百萬元。
3.4.3可靠性比較
當設備工況要求較低，幾種設備均滿足工況要求時，除去價格因素，可靠性就顯得相對重要，選擇質量差、可靠度低的設備，必定會對我院今后的科研生產產生消極影響。
我們知道，不考慮產品質量等其他因素的影響，單從技術角度看，結構簡單、使用簡便、操作方便的設備，故障狀態下更易維護，高壓熱變電阻器軟起動裝置與變頻、磁控軟起動相比，結構簡單，旁路系統少，從可靠性講，應具有一定的優勢，但它畢竟是一個新生產品（如同磁控），可不可靠，還應從用戶角度進行了解。
高壓變頻軟起動技術含量高，設備復雜，技術難度較大，使用維護及故障處理等對技術人員的技術素質要求高。發生故障，解決問題的技術難度較高，事故處理周期較長。
磁控軟起動最大的優勢是外接電路發生故障，還可作為普通電抗器適用，這是作為故障情況下的考慮。
結束語
選擇起動方式，在現有的技術水平下，原則是既保護電機，延長電機使用壽命，又要保護電網和機械設備，同時降低設備維護和管理工作量，保證選擇設備的可靠性。
對于一個產品的選擇，應是一個系統工程，要結合各種因素進行，既要考慮設備的先進性，也要兼顧價格因素；既要考慮價格，也要兼顧產品質量。
同樣，大電機的起動方式與設備管理息息相關，電機起動方式選擇不當，對電力系統、電機本體、甚至對機械設備都會產生消極影響，增大以后設備的管理難度、維護難度。
本文力求嚴謹，但作者受技術水平局限，同時受視野面的限制，此文可能一些論點偏頗甚至錯誤，敬祈指正。