禹門口一級站改擴(kuò)建工程大機(jī)組啟動方式比選

劉若宙

(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西太原 030024)

1 概述

山西省禹門口一級站改擴(kuò)建工程緊靠一級站上游側(cè)，主要任務(wù)是解決北趙灌區(qū)、西范灌區(qū)、西范東擴(kuò)灌區(qū)水源問題。受益范圍包括萬榮、臨猗、聞喜、稷山和新絳五縣(市)，設(shè)計提水規(guī)模供北趙灌區(qū)15.06 m3/s、西范灌區(qū)和西范東擴(kuò)灌區(qū)13.8 m3/s，輸水損失流量5.0 m3/s，總計33.86 m3/s，考慮兼顧向禹門口灌區(qū)和汾南灌區(qū)補(bǔ)充水源確定加大設(shè)計流量40 m3/s;年提水量2.90億m3，其中北趙灌區(qū)1.38億m3，西范灌區(qū)1.52億m3。新增和改善灌溉面積112.85萬畝。其中，擴(kuò)建一級泵站總裝機(jī)8 000 kW，裝機(jī)2臺，總提水流量40 m3/s，設(shè)計揚程5.91 m～10.29 m。由于該泵站是大流量泵組，總裝機(jī)為2臺4 000 kW同步電動機(jī)。電機(jī)的啟動方式采用何種方式是泵站運行需要解決的重要問題。

2 電機(jī)的啟動方式比選

就電機(jī)的啟動方式來說，目前常用的方式有：全壓直接啟動、串電抗器啟動、同軸小電機(jī)啟動、利用軟啟動器啟動、變頻器啟動等。本階段對機(jī)組啟動進(jìn)行了以下方案比選：

1)全壓直接啟動。

全壓直接啟動要求供電系統(tǒng)有足夠大的容量，供電系統(tǒng)的容量不夠大時，啟動機(jī)組時對電網(wǎng)的沖擊很大，導(dǎo)致機(jī)組啟動失敗的可能性大大提高。另外采用全壓啟動時電機(jī)將產(chǎn)生大約5倍～8倍的額定電流，對電機(jī)的沖擊大。

2)串電抗器啟動。

采用這種方式，啟動電流不可控，不可調(diào)，數(shù)值為額定電流的3.5倍～5倍，當(dāng)然啟動時間也不能控制，對電網(wǎng)的電流沖擊大，以及對傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊大，因此，對本工程來說，選擇此種方法不科學(xué)。

3)同軸小電機(jī)啟動。

通過裝在電動機(jī)頂部的一臺小容量繞線式感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行啟動加速，啟動過程中，通過調(diào)節(jié)，使小電機(jī)保持一定的出力，當(dāng)接近主機(jī)同步轉(zhuǎn)速時，同期并網(wǎng)，切斷小電機(jī)，完成啟動。相對于直接啟動，該方案對電網(wǎng)的沖擊較小，但需以擴(kuò)大主廠房為代價，并且由于本工程機(jī)組功率大，同軸小電機(jī)的功率也會很大。

4)軟啟動器啟動。

軟啟動器主要分液態(tài)和固態(tài)兩種。液態(tài)軟啟動器是在電機(jī)定子回路串接一特制可變液體電阻，隨著電動機(jī)的啟動，通過PLC程序控制，使阻值無級平滑減小、電動機(jī)端電壓均勻提高。但對于液態(tài)軟啟動器來說，維護(hù)很困難，占地也較大，采用軟啟動啟動后電解液通的溫升將達(dá)到10℃～30℃，另外，由于其重復(fù)性能及控制性能低，安全性差，且對環(huán)境的要求高，因此，就本工程來說，不應(yīng)選擇此方案。

固態(tài)軟啟動器中調(diào)壓器一般采用三相反并聯(lián)晶閘管，接在電源與電動機(jī)定子間，這樣，當(dāng)電動機(jī)被啟動時，其輸出電壓逐步增加，同時電動機(jī)速度逐步加快，當(dāng)晶閘管實現(xiàn)全部導(dǎo)通，電動機(jī)就在額定電壓機(jī)械特性上實現(xiàn)平穩(wěn)啟動，這將大大降低啟動電流，避免因電流過大跳閘。具有體積小，易控制的優(yōu)點，但啟動力矩不足。晶閘管軟啟動器可以將電流控制在額定電流的2倍～3倍，但不能在啟動時控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

軟啟動器輸出的電壓波形不是正弦波而是半波，諧波含量大，需要濾波裝置。并且啟動對電網(wǎng)有沖擊，如果電網(wǎng)短路容量小會拉下電網(wǎng)電壓，并且對無功沒有補(bǔ)償效果，需另外增設(shè)無功補(bǔ)償裝置。

5)變頻器啟動。

對于大功率同步電動機(jī)，變頻器可實現(xiàn)平穩(wěn)啟動，導(dǎo)致啟動電流不大，這樣對電網(wǎng)的沖擊將大大減小。在限流同時保持高的啟動轉(zhuǎn)矩;啟動電流很小，而且可根據(jù)工況進(jìn)行適宜性調(diào)整。變頻啟動重復(fù)性強(qiáng)，啟動一臺負(fù)載后，可以馬上通過切換柜啟動另一臺負(fù)載，沒有冷卻時間，還具有維護(hù)簡便的優(yōu)點，沒有定時需要更換的部件，且節(jié)能效果明顯。

變頻器具有軟啟動方式的所有優(yōu)點，輸出電壓波形為完美正弦波，啟動電流更小，可以控制在額定電流以下，所需的電網(wǎng)容量也最小，啟動最平穩(wěn)，無需無功補(bǔ)償裝置。

因此，通過比較，結(jié)合運行工況按照經(jīng)濟(jì)實用和技術(shù)可靠的原則，本工程采用變頻器啟動方式是最佳選擇。現(xiàn)就變頻器工作原理及特點敘述如下。

3 變頻器的工作原理

目前，工程中應(yīng)用最廣泛的是交—直—交變頻器，其工作過程分成兩個部分：整流，先將電源的三相(或單相)交流電經(jīng)三相全波整流橋整流成直流電。逆變，直流電經(jīng)三相逆變橋“逆變”成頻率和電壓都任意可調(diào)的三相交流電。

4 變頻器特點

1)變頻調(diào)速裝置對大功率同步電動機(jī)可實現(xiàn)平穩(wěn)啟動，啟動電流小，對電網(wǎng)沖擊小，在限流同時保持高的啟動轉(zhuǎn)矩。2)高壓變頻器可直接驅(qū)動普通三相交流電機(jī)，直接高—高輸出，無需任何濾波與功率補(bǔ)償裝置。3)高壓變頻器綜合運用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，計算機(jī)控制技術(shù)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)發(fā)展成果，集多種高新技術(shù)為一體，如模塊化設(shè)計技術(shù)，低感母排技術(shù)，采用DSP的多電平控制技術(shù)，技術(shù)水準(zhǔn)高，應(yīng)用靈活，使用范圍極廣。4)高壓變頻器采用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由單相逆變器模塊串聯(lián)而成，其功率單元模塊可實現(xiàn)互換，維護(hù)極為方便。5)高壓變頻器被稱為“綠色變頻器”。它對外部電網(wǎng)及其負(fù)載電機(jī)沒有所謂的諧波污染。6)高壓變頻器一次性投入資金較大，從而使其在某些應(yīng)用場合受到了限制。

5 變頻器啟動控制

現(xiàn)在，通用的變頻器控制器由雙DSP微處理器和工控PC一起構(gòu)成。實現(xiàn)雙微處理器控制，可以提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，方便遠(yuǎn)程與網(wǎng)絡(luò)化控制;將其內(nèi)置于柜體，則能處理開關(guān)邏輯信號，方便用戶靈活接口。將光纖通信技術(shù)用于控制器與功率單元中，將可靠隔離高低壓部分。該系統(tǒng)安全性與抗磁干擾性能高。另外，控制電源點時，控制器可由配備的繼續(xù)供電，變頻器可以繼續(xù)運行。變頻器具有旁路功能，可手動/自動實現(xiàn)變頻與工頻運行狀態(tài)的自由切換，變頻器可實現(xiàn)正常狀態(tài)時的軟啟動，啟動一臺負(fù)載后，可以馬上通過切換柜啟動另一臺負(fù)載，當(dāng)變頻器故障時，可以自動進(jìn)行旁路，當(dāng)對變頻器進(jìn)行檢修維護(hù)時，使用自動旁路開關(guān)柜的手動擋對負(fù)載進(jìn)行啟停，這樣，可以滿足用戶負(fù)載的不斷電要求。

6 結(jié)語

結(jié)合運行工況按照經(jīng)濟(jì)實用和技術(shù)可靠的原則，山西省禹門口一級站改擴(kuò)建工程中大機(jī)組選用變頻啟動仍是比較理想的選擇。變頻器作為先進(jìn)節(jié)能的電子技術(shù)產(chǎn)品，有著其他啟動方式無法比擬的優(yōu)點，盡管投資價格有點高，但是，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，其成本的不斷降低，它將被越來越多地運用到更為廣泛的應(yīng)用場合。