采用固态软起动器降低供电设施容量
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由此得出电机的转矩-速度、电流-速度曲线为图 1 所示：
图1 1.2 在阀门关闭情况下水泵的转矩-速度曲线如下表和图 2 所示；
N*
0
0.1
0.2 0.3 0.4
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
M*LO
14
10
7
8
9
11
15
18
24
29
34
2
图2 1.3 电动机起动电流
当电动机以恒定电流 260%额定电流起动，这时电动机的电流、转矩和速度的变化示 于图 3 和图 4 中。
起动电机时的供电容量增加 1500KVA。
3．扩大电网容量和采用固态软起动器二种方案的技术经济比较 3.1 投资比较：
在本项目中如果 800KW 水泵采用直接起动方法，需要的供电变压器为 4000KVA。 如采用固态软起动器的方案，则供电变压器容量只需要 2500KVA，但需要增加 1 台美国 Bwnshaw 公司的 MVRSM18 型固态软起动器。二个方案的投资比较如下：
∞MVA X dj
35KV 2500KVA 6KV
Sa =1660KW M
∆Ub1 = 7%
Pd = 800KW Sd =1132KVA
图 7. 简化的电动机的配电电源图
下面用 100MVA 作为计算的基准容量 Sj：
基准容量 S j = 100000KVA ,
基准电压U j = 6KV ,
6KV 电源的标准值阻抗为
次。适当加大容量可以有更多的 发热很大，温度升高，电流就会增
6
固态电动机软起动器与液体变阻器的技术经济比较列于下表：
固态软起动器
液体电阻器
基本工作原理 利用微电脑控制可控硅移相角实 利用电极驱动电机和机械减速器
现调节电动机端电压
wk.baidu.com
改变液体电阻器中电极间距离，从
而改变串联在电机定子回路中的
电阻值实现调节电机端电压。
控制响应时间 电流闭环的响应时间约为 20ms 首先要实现电极驱动电机的速度
Cosφ= 0.8（sinφ=0.6）;
Saj=0.0166= 0.0166 cosφ+ j0.0166 sinφ = 0.0133+j0.0099 所以在起动 800KW 水泵电动机时的总用电容量
Sij= Saj+ Sdsj= 0.028+ j0.0354= 0.0451 它造成的电压降为：
∆U dj = S Ij × xbj = 12.64% 。符合标准规定。 如果要让该 6KV 系统直接起动 800KW 电机，起动电流为 6.5 倍额定电流， 即 Sdsj= 6×1132/100000=0.06792 其功率因数 cosφ= 0.3，则 Sdsj= 0.06792×0.3+ j0.06792×0.954= 0.0204+ j0.0648 起动时的总功率为
目前企业中普遍存在供电设施的容量远远大于实际用电设备的容量，甚至在二倍以 上的情况。其中一个主要原因是企业的主要用电负荷是电动机，为了满足电动机直接起 动时不会引起超过标准规定的电网压降，往往考虑放大供电电网用量。而在美国等一些 先进工业化国家正好相反，电动机大都采用软起动器，以降低起动电流，采用较小的供 电电网，提高用电设备容量/供电设备容量的比例，从而节约总投资和节约运行电耗。
图3
3
图4
由图 3 和图 4 可见该起动方法可以满足水泵起动要求，电机起动时间只有 5.89 秒， 等效堵转时间仅为 0.94 秒，能够满足电机发热要求。
2．电动机起动时的电网压降 采用标么值计算电网压降，假设 35KV 母线的短路容量为∞。为了简化计算，在图 7
中给示了电动机的配电电源图（该泵站采用双回路 35KV 供电，这是其中一回路，800KW 水泵分别接在二个回路中）。
N*rat = 0.992 Srat = 0.008 额定转矩：Mrat =9550 Prat N rat =20537.6 Nm 效率： η ＝ 0.945 功率因数：Cosφ= 0.74 堵转电流：I*st = 6.5 堵转转矩：M*st = 0.9 颠覆转矩：Mm = 2.5 电机转动惯量(估计值)：GDm2 = 388 kgm2 机组转动惯量：GD2 = 517 kgm2
所以，液体变阻器是非常不稳定的一种电机起动设备，并且不宜用于需反复起停的 场合。
另外，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。 另外电解液挥发所带出的盐雾也会腐蚀周围的电气设备。因此非但它本身的寿命不长， 而且也会影响其它电气设备的寿命。二是电解液是负温度特性，随着电解液温度的升高， 电阻值降低，电流增加，在起动过程中，随着热量的积累，温度上升，电阻变化较大， 这就使得它在二次起动之间必须充分冷却从而限制了它的起动频率（每小时起动次数）。 三是其阻值是由伺服电机驱动电极的运动来调整的，因此响应比较慢。四是其体积非常 庞大。五是需要经常维修。
现就上海宜山路泵站采用 2 台 800KW 水泵为例说明采用固态软起动器的经济效果。
1．800KW 水泵的起动电流 1.1 电动机的特性如下： 电动机型号：YKK 800-16 额定功率：Prat = 800 KW
1
额定电压：Urat = 6KV 额定电流：Irat = 109A 额定转速： Nrat = 372 r.p.m
则电网的标么值阻抗 X bj
要小于： X bj
= 0.15 0.0748
= 2.01，
xbj
=
∆U b1
* 100000＝0.075 * 100000
Sb
Sb
=
2.01
Sb =3731KVA 上式中对于容量更大的变压器 ∆Ub1 应为 7.5%。
所以供电变压器容量要大于 Sb =3731KVA，即要选用 4000KVA 变压器。即比采用软起动器
4. 与采用水电阻（液体变阻器）方案的比较 在一个桶里装满电解液，通常是碱金属盐溶液，插入二个电极，在电极间就形成电
阻，其电阻值大小与电极间的距离成正比，调节电极间的距离就能调节这个电阻值的大 小。将这样的可变电阻串入交流电动机定子或转子电路，就可以用来平滑地起动电机。
采用液体变阻器起动交流电动机是一种古老的方法。当然，随着技术的进步，电极 的位置可以应用伺服控制系统，所以国内有制造厂提供这样的设备。这种设备有许多致 命缺点：一是它如同一个电解槽，每起动电机一次，就要剧烈发热，液体电阻温度大大 升高，其电阻值随温度上升而减少。所以如果用在需重复起停的场合，即使有足够的间 歇时间，其每次起动电流也都不一样。
后二种控制方法消除了电机接近 除转矩冲击。
额定转速时的转矩冲击，因此不
会产生水锤。
制动控制方式 电压斜坡控制, 转矩闭环控制 不能实现转矩闭环控制，故无法消
由于转矩闭环控制可以做到停泵 除水锤。
时转矩与水泵曲线相符合，可以
实现泵停机，消除水锤
重复起制动问题 通常每小时可以重复起制动十 液体电阻是负阻特性，每起动一次
关键词：固态软起动器，电机起动器 Key words：Solid state soft starter, motor starter
最近十届全国人大常委会第二十三次会议上，全国人大常委会执法检查组关于检查 节约能源法实施情况的报告中指出：我国能源利用效率只有 33%，比国际先进水平低 10 个百分点左右，单位国内生产总值的能耗是世界平均水平的 3.1 倍。因此如何提高能源的 利用率，降低单位国内生产总值的能源消耗是迫切需要解决的问题。我们认为在上项目 时，要使供电设备的容量(企业电网容量)与用电设备容量相接近也是解决这个问题的一项 重要措施。
采用固态软起动器降低供电设施容量
以减少投资和节约电能
Use Solid State Soft Starter to reduce the investment and save power loss
上海市政工程设计研究院 沈伟德、岑雁 上海市自来水公司市南公司 经小明、李昌耀 摘要： 在上海宜山路泵站的设计和建设中，通过采用中压固态软起动器起动大功率水泵， 从而减少了供电设施的容量，达到减少投资和减少运行电费的效果，本文就此进行了分 析和总结, 并比较了固态软起动器与水电阻二种方案。降低供电设施容量使之与用电设备 容量接近，也是降低单位国内生产总值的能源消耗的一项重要措施。 In the design and construction of Yishan Road Pump Station in Shanghai, we adopt medium voltage soft staters to start large power pump, resulting in the decrease of power supply equipment, reduction of investment and save energy. This paper analyze it and compare soft starter with water rheostat , and point that to reduce the power supply equipment to match with user equipment is also an important measure to reduce energy loss of GDP.
xbj
=
∆U b1
* 100000＝2.8 , 2500
4
式中 ∆Ub1 为变压器阻抗压降。 根据上述分析，如果我们用 BENSHAW 的固态软起动器，可以用 260%额定电流起动该 800KW 电动机，起动容量为：
Sdsj = 2.6Sd / Sj = 2.6*1132/ 100000 =0.0294 设其平均功率因数 cosθ =0.5,则 Sdsj =0.0294×0.5+j0.0294×0.866=0.01471+ j0.0255 在起动 800KW 水泵前，已有 Pa=1660KW 的负载接在 6KV 电网母线上，设其功率因数
二种方案的负载功率是一样的，但配电变压器的损耗则不一样。 2500KVA 变压器的空载损耗约为 3750 瓦，而 4000KVA 变压器的空载损耗约为 5715 瓦，所以采用直接起动、大电网容量方案比采用固态软起动器方案每年要多耗电： （5715－3750）×24×365/1000＝17213.4KWh 如以每 KWh 电费 1 元计，则每年要多支付 17213.4 元。 另外供电局规定如果用电量达不到 40％的最大定额，仍要按 40%最大定额交电费， 因此采用 4000KVA 容量更有可能会多交电费。 3.3 技术性能比较： 虽然电网扩容，可以实现水泵直接起动，技术上很简单。实际上水泵直接起动，对 水泵和管路的冲击比较大，而且在停车时会因为水锤而导致管路系统剧烈振动。而采用 美国 Benshaw 公司的固态软起动器，因为有转矩控制，在停车时消除了水锤，管路系统 的振动也消失了，从而减少了事故，提高了设备运行寿命。
Sij= Saj+ Sdsj= 0.0133+ j0.0099+ 0.0204+ j0.0648= 0.0034+ j0.0747= 0.0748 起动时电网压降
ΔU Fdj = S Ij .X bj = 20.95% 超出标准规定（压降不大于 15%） 如果要使该 800KW 水泵直接起动时的电网压降不超过 15%，
闭环控制，再实现电极的位置闭环
控制，才能实现电流闭环控制。而
电极又是在一个阻尼大的液体中
运动，电极间的电阻与电极间的距
离是一个非线性关系，所以电流闭
环的响应时间非常慢，在 1 秒以上。
起动控制方式 电压斜坡控制
许多产品只有电极速度控制，由于
电流闭环的电流斜坡控制
控制闭环响应时间问题，无法实现
转矩闭环控制, 功率闭环控制 转矩闭环和功率闭环，所以不能消
采用直接起动方案在采用环氧浇注干式变压器的情况下，4000KVA 比 2500KVA 价
5
格多出约 22 万元，另外按国家发改委规定，上海市电力公司对多回路供电按每 KVA 收 取 290 元的高可靠性供电费，这样每回路 4000KVA 比 2500KVA 要多收：
（4000-2500）×290=43.5 万元 而采用固态软起动器方案，则需增加一台 MVRSM18-6KV 软起动器，价值 46 万元。所 以直接起动方案比采用固态软起动器方案，投资反而要增加 22+43.5－46=19.5 万元。 3.2 运行成本比较：
图1 1.2 在阀门关闭情况下水泵的转矩-速度曲线如下表和图 2 所示；
N*
0
0.1
0.2 0.3 0.4
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
M*LO
14
10
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8
9
11
15
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29
34
2
图2 1.3 电动机起动电流
当电动机以恒定电流 260%额定电流起动，这时电动机的电流、转矩和速度的变化示 于图 3 和图 4 中。
起动电机时的供电容量增加 1500KVA。
3．扩大电网容量和采用固态软起动器二种方案的技术经济比较 3.1 投资比较：
在本项目中如果 800KW 水泵采用直接起动方法，需要的供电变压器为 4000KVA。 如采用固态软起动器的方案，则供电变压器容量只需要 2500KVA，但需要增加 1 台美国 Bwnshaw 公司的 MVRSM18 型固态软起动器。二个方案的投资比较如下：
∞MVA X dj
35KV 2500KVA 6KV
Sa =1660KW M
∆Ub1 = 7%
Pd = 800KW Sd =1132KVA
图 7. 简化的电动机的配电电源图
下面用 100MVA 作为计算的基准容量 Sj：
基准容量 S j = 100000KVA ,
基准电压U j = 6KV ,
6KV 电源的标准值阻抗为
次。适当加大容量可以有更多的 发热很大，温度升高，电流就会增
6
固态电动机软起动器与液体变阻器的技术经济比较列于下表：
固态软起动器
液体电阻器
基本工作原理 利用微电脑控制可控硅移相角实 利用电极驱动电机和机械减速器
现调节电动机端电压
wk.baidu.com
改变液体电阻器中电极间距离，从
而改变串联在电机定子回路中的
电阻值实现调节电机端电压。
控制响应时间 电流闭环的响应时间约为 20ms 首先要实现电极驱动电机的速度
Cosφ= 0.8（sinφ=0.6）;
Saj=0.0166= 0.0166 cosφ+ j0.0166 sinφ = 0.0133+j0.0099 所以在起动 800KW 水泵电动机时的总用电容量
Sij= Saj+ Sdsj= 0.028+ j0.0354= 0.0451 它造成的电压降为：
∆U dj = S Ij × xbj = 12.64% 。符合标准规定。 如果要让该 6KV 系统直接起动 800KW 电机，起动电流为 6.5 倍额定电流， 即 Sdsj= 6×1132/100000=0.06792 其功率因数 cosφ= 0.3，则 Sdsj= 0.06792×0.3+ j0.06792×0.954= 0.0204+ j0.0648 起动时的总功率为
目前企业中普遍存在供电设施的容量远远大于实际用电设备的容量，甚至在二倍以 上的情况。其中一个主要原因是企业的主要用电负荷是电动机，为了满足电动机直接起 动时不会引起超过标准规定的电网压降，往往考虑放大供电电网用量。而在美国等一些 先进工业化国家正好相反，电动机大都采用软起动器，以降低起动电流，采用较小的供 电电网，提高用电设备容量/供电设备容量的比例，从而节约总投资和节约运行电耗。
图3
3
图4
由图 3 和图 4 可见该起动方法可以满足水泵起动要求，电机起动时间只有 5.89 秒， 等效堵转时间仅为 0.94 秒，能够满足电机发热要求。
2．电动机起动时的电网压降 采用标么值计算电网压降，假设 35KV 母线的短路容量为∞。为了简化计算，在图 7
中给示了电动机的配电电源图（该泵站采用双回路 35KV 供电，这是其中一回路，800KW 水泵分别接在二个回路中）。
N*rat = 0.992 Srat = 0.008 额定转矩：Mrat =9550 Prat N rat =20537.6 Nm 效率： η ＝ 0.945 功率因数：Cosφ= 0.74 堵转电流：I*st = 6.5 堵转转矩：M*st = 0.9 颠覆转矩：Mm = 2.5 电机转动惯量(估计值)：GDm2 = 388 kgm2 机组转动惯量：GD2 = 517 kgm2
所以，液体变阻器是非常不稳定的一种电机起动设备，并且不宜用于需反复起停的 场合。
另外，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。 另外电解液挥发所带出的盐雾也会腐蚀周围的电气设备。因此非但它本身的寿命不长， 而且也会影响其它电气设备的寿命。二是电解液是负温度特性，随着电解液温度的升高， 电阻值降低，电流增加，在起动过程中，随着热量的积累，温度上升，电阻变化较大， 这就使得它在二次起动之间必须充分冷却从而限制了它的起动频率（每小时起动次数）。 三是其阻值是由伺服电机驱动电极的运动来调整的，因此响应比较慢。四是其体积非常 庞大。五是需要经常维修。
现就上海宜山路泵站采用 2 台 800KW 水泵为例说明采用固态软起动器的经济效果。
1．800KW 水泵的起动电流 1.1 电动机的特性如下： 电动机型号：YKK 800-16 额定功率：Prat = 800 KW
1
额定电压：Urat = 6KV 额定电流：Irat = 109A 额定转速： Nrat = 372 r.p.m
则电网的标么值阻抗 X bj
要小于： X bj
= 0.15 0.0748
= 2.01，
xbj
=
∆U b1
* 100000＝0.075 * 100000
Sb
Sb
=
2.01
Sb =3731KVA 上式中对于容量更大的变压器 ∆Ub1 应为 7.5%。
所以供电变压器容量要大于 Sb =3731KVA，即要选用 4000KVA 变压器。即比采用软起动器
4. 与采用水电阻（液体变阻器）方案的比较 在一个桶里装满电解液，通常是碱金属盐溶液，插入二个电极，在电极间就形成电
阻，其电阻值大小与电极间的距离成正比，调节电极间的距离就能调节这个电阻值的大 小。将这样的可变电阻串入交流电动机定子或转子电路，就可以用来平滑地起动电机。
采用液体变阻器起动交流电动机是一种古老的方法。当然，随着技术的进步，电极 的位置可以应用伺服控制系统，所以国内有制造厂提供这样的设备。这种设备有许多致 命缺点：一是它如同一个电解槽，每起动电机一次，就要剧烈发热，液体电阻温度大大 升高，其电阻值随温度上升而减少。所以如果用在需重复起停的场合，即使有足够的间 歇时间，其每次起动电流也都不一样。
后二种控制方法消除了电机接近 除转矩冲击。
额定转速时的转矩冲击，因此不
会产生水锤。
制动控制方式 电压斜坡控制, 转矩闭环控制 不能实现转矩闭环控制，故无法消
由于转矩闭环控制可以做到停泵 除水锤。
时转矩与水泵曲线相符合，可以
实现泵停机，消除水锤
重复起制动问题 通常每小时可以重复起制动十 液体电阻是负阻特性，每起动一次
关键词：固态软起动器，电机起动器 Key words：Solid state soft starter, motor starter
最近十届全国人大常委会第二十三次会议上，全国人大常委会执法检查组关于检查 节约能源法实施情况的报告中指出：我国能源利用效率只有 33%，比国际先进水平低 10 个百分点左右，单位国内生产总值的能耗是世界平均水平的 3.1 倍。因此如何提高能源的 利用率，降低单位国内生产总值的能源消耗是迫切需要解决的问题。我们认为在上项目 时，要使供电设备的容量(企业电网容量)与用电设备容量相接近也是解决这个问题的一项 重要措施。
采用固态软起动器降低供电设施容量
以减少投资和节约电能
Use Solid State Soft Starter to reduce the investment and save power loss
上海市政工程设计研究院 沈伟德、岑雁 上海市自来水公司市南公司 经小明、李昌耀 摘要： 在上海宜山路泵站的设计和建设中，通过采用中压固态软起动器起动大功率水泵， 从而减少了供电设施的容量，达到减少投资和减少运行电费的效果，本文就此进行了分 析和总结, 并比较了固态软起动器与水电阻二种方案。降低供电设施容量使之与用电设备 容量接近，也是降低单位国内生产总值的能源消耗的一项重要措施。 In the design and construction of Yishan Road Pump Station in Shanghai, we adopt medium voltage soft staters to start large power pump, resulting in the decrease of power supply equipment, reduction of investment and save energy. This paper analyze it and compare soft starter with water rheostat , and point that to reduce the power supply equipment to match with user equipment is also an important measure to reduce energy loss of GDP.
xbj
=
∆U b1
* 100000＝2.8 , 2500
4
式中 ∆Ub1 为变压器阻抗压降。 根据上述分析，如果我们用 BENSHAW 的固态软起动器，可以用 260%额定电流起动该 800KW 电动机，起动容量为：
Sdsj = 2.6Sd / Sj = 2.6*1132/ 100000 =0.0294 设其平均功率因数 cosθ =0.5,则 Sdsj =0.0294×0.5+j0.0294×0.866=0.01471+ j0.0255 在起动 800KW 水泵前，已有 Pa=1660KW 的负载接在 6KV 电网母线上，设其功率因数
二种方案的负载功率是一样的，但配电变压器的损耗则不一样。 2500KVA 变压器的空载损耗约为 3750 瓦，而 4000KVA 变压器的空载损耗约为 5715 瓦，所以采用直接起动、大电网容量方案比采用固态软起动器方案每年要多耗电： （5715－3750）×24×365/1000＝17213.4KWh 如以每 KWh 电费 1 元计，则每年要多支付 17213.4 元。 另外供电局规定如果用电量达不到 40％的最大定额，仍要按 40%最大定额交电费， 因此采用 4000KVA 容量更有可能会多交电费。 3.3 技术性能比较： 虽然电网扩容，可以实现水泵直接起动，技术上很简单。实际上水泵直接起动，对 水泵和管路的冲击比较大，而且在停车时会因为水锤而导致管路系统剧烈振动。而采用 美国 Benshaw 公司的固态软起动器，因为有转矩控制，在停车时消除了水锤，管路系统 的振动也消失了，从而减少了事故，提高了设备运行寿命。
Sij= Saj+ Sdsj= 0.0133+ j0.0099+ 0.0204+ j0.0648= 0.0034+ j0.0747= 0.0748 起动时电网压降
ΔU Fdj = S Ij .X bj = 20.95% 超出标准规定（压降不大于 15%） 如果要使该 800KW 水泵直接起动时的电网压降不超过 15%，
闭环控制，再实现电极的位置闭环
控制，才能实现电流闭环控制。而
电极又是在一个阻尼大的液体中
运动，电极间的电阻与电极间的距
离是一个非线性关系，所以电流闭
环的响应时间非常慢，在 1 秒以上。
起动控制方式 电压斜坡控制
许多产品只有电极速度控制，由于
电流闭环的电流斜坡控制
控制闭环响应时间问题，无法实现
转矩闭环控制, 功率闭环控制 转矩闭环和功率闭环，所以不能消
采用直接起动方案在采用环氧浇注干式变压器的情况下，4000KVA 比 2500KVA 价
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格多出约 22 万元，另外按国家发改委规定，上海市电力公司对多回路供电按每 KVA 收 取 290 元的高可靠性供电费，这样每回路 4000KVA 比 2500KVA 要多收：
（4000-2500）×290=43.5 万元 而采用固态软起动器方案，则需增加一台 MVRSM18-6KV 软起动器，价值 46 万元。所 以直接起动方案比采用固态软起动器方案，投资反而要增加 22+43.5－46=19.5 万元。 3.2 运行成本比较：