軟起動的介紹及應用

張 紅 啟

?

軟起動的介紹及應用

張 紅 啟

（中國石油撫順石化公司石油二廠，遼寧 撫順 1130082）

從軟起動的定義著手，指出了電機直接起動的要求及危害，介紹了軟起動的工作原理、控制方式及技術特點，結合軟起動的應用條件，通過計算驗證了起動過程電壓下降滿足設計規范的要求，闡述了軟起動的調試及同步電機軟起的起動過程。總結列出了常見故障現象及處理方法，最后從運行的角度分析了應用效果及注意事項。

軟起動; 軟停車；斜坡電壓起動；恒流起動；恒壓起動；同步電機；電壓損失

軟起動裝置是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter,在使用時將其接入電源和電機電樞之間。軟起動通過限制起動電流和起動轉矩，能夠可靠地防止起動過程中的機械沖擊和電網電壓下降。憑借對電機電壓的無階躍控制及根據被驅動的負載特性對電機進行調節，平緩加速機械設備，從而顯著提高機械設備的運行性能，延長設備的使用壽命。

電機直接起動是最簡單、最可靠、最經濟的起動方式，應優先采用，但起動電流大，在配電母線上引起的電壓下降也大，只有運行不滿足電網條件（電機啟動時的電網壓降小于10%）和工藝條件（啟動轉矩只有額定轉矩的0.4~1.6倍）的情況下，采用降壓起動方式，降壓起動過程中起動電流小，起動轉矩也小，起動時間延長，繞組溫升高，起動電路復雜。當大電機直接起動時，要求變壓器有充分的儲備容量，在增加變壓器投資的同時也給電網帶來極大的電能浪費。

電機直接起動的危害性主要有如下幾點：

（1） 大容量電機直接起動會引起電網電壓急劇下降，這會破壞電網上其它設備的正常運行，甚至會引起電網失去穩定，造成更大的事故。

（2） 直接起動時的大電流在電機定子線圈和轉子上產生很大的沖擊力，會破壞繞組絕緣和造成鼠籠條斷裂，引起電機故障，大電流還會產生大量的焦耳熱，損傷繞組絕緣，減少電機壽命。

（3） 在起動時會產生短時間的諧波電流，使電網的諧波大量增加，電網諧波含量的增加將導致電氣設備壽命縮短，系統發生諧波諧振的可能性增加，還可能引起繼電保護和自動裝置誤動。

（4） 直接起動還會在高壓開關關合時產生陡度很大的操作過電壓，使定子繞組上電壓分布不均勻，對其絕緣造成極大地傷害。

1 工作原理、控制方式及技術特點[1-4]

長沙奧拓生產的QB-H06/6400三相交流電機的軟起工作原理：軟起動主回路采用三相反并聯可控硅作為調壓電路，觸發單元采集三相電壓的同步信號，將調節單元給出的調節量轉換為觸發角，產生觸發脈沖，功率放大、隔離后可靠觸發可控硅，三相自動對相序，利用可控硅進行調壓，其輸出電壓大小由可控硅的導通角決定，而可控硅的導通角又與其觸發角有關，觸發角越小，輸出電壓越大。因此，只需在電機起動過程中通過控制可控硅觸發角的大小，可使電機的定子端電壓和起動電流根據設定的控制曲線進行變化。

根據電機負載的不同，軟起動可設定不同的控制方式，常用控制方式如下：

（1）斜坡電壓控制：給予一定的初始輸出電壓和軟起時間，電機在起動過程中，電壓隨時間線性上升，直至電機達到額定轉速。初始電壓為全電壓的20%~80%，大小可隨負載性質而調整，重負載初始電壓高一些。初始電壓必須設定合理，起動時才能給電機一個足夠大的起動轉矩，又使電機不受到起動轉矩沖擊，從而避免機械部件的損傷。如圖1所示，圖中還設置了突跳起動。

圖1 斜坡電壓方式

軟起時間設定范圍0~60 s，電機從初始電壓０開始起動，直到起動達速時的電壓ｔ所經過的時間。突跳時間設定范圍0.0~3.0 s,對某些重負載的場合，初始起動時，軟起動在突跳時間內給電機施加全電壓，給電機一個足夠大的起動轉矩，使電機轉動起來，然后又從初始電壓０開始加速，在突跳時間不為0時，該過程稱為突跳起動。

圖2 恒流方式

（2）限流控制：給予一定的限流系數，電機在起動過程中，按限流控制方式輸出電壓，電流大小限制在電機額定電流的100%~400%，如圖2所示。

（3） 恒壓控制：給予一定的輸出電壓，電機在起動中，按恒壓控制方式輸出電壓，電機在該電壓下起動，起動時間為0~60 s，如圖3所示。

圖3 恒壓方式

（4） 軟停控制：在電機進入運行后，旁路斷路器合閘，可控硅在電源過零點后自行關斷（控制及觸發電路不再發觸發信號）。當接收到“軟停”指令后，控制及觸發電路將可控硅再次全開通，然后旁路斷路器分閘，控制及觸發電路開始將可控硅的導通角由全導通逐漸減小，使電機三相電壓從額定值逐漸降低，直至可控硅關斷，電機的轉速也逐漸變小直至停車。

長沙奧拓軟起動QB-H06/6400技術特點如下：

（1） 軟起動主回路與控制系統間采用了國際先進的光纖技術，控制器還采用了基于DSP控制技術和單片機管理的雙CPU系統，通過對電流和功率因素的檢測來控制輸出電壓、降低起動電流，使電機平滑起動，減小起動時產生的起動力矩沖擊。

（2） 保護功能齊全，例如：缺相、欠壓保護，電源過壓保護，可控硅組件保護，過流、速斷保護，三相電流不平衡保護，瞬時過壓保護，起動間隔時間保護，起動超時保護，聯鎖控制保護。

（3） 中文LCD顯示屏可顯示各種狀態參數，方便對故障原因及記錄進行查詢。可快速、舒適地設置各種參數，功能齊全，菜單豐富，因此設備調試及故障排查極為便捷。

2 應用的背景及計算實例

石油二廠200萬t/a加氫裂化裝置始建于2010年6月，2012年6月建成投產。高壓變壓器采用有載調壓變壓器SFFZ11-50000/66，6 kV系統主接線為單母線分段，正常情況下，母線分列運行。軟起動裝置采用長沙奧托自動化技術有限公司生產的QB-H06/6400，起動的電機為增安型無刷勵磁同步電動機TAW6400-20/3250，同步電機勵磁部分采用雙電源冗余勵磁裝置，電機拖動的負載為新氫壓縮機。選用的一拖二方案節約了一臺軟啟動器，減少了投資，節省了空間，充分體現了方案的經濟性，實用性。

根據《工業與民用配電設計手冊》電動機起動時在配電系統中引起電壓下降時的電壓允許值技術原則：電動機起動時，其端子電壓應能保證被拖動機械要求的起動轉矩，且在配電系統中引起的電壓降不應妨礙其它用電設備的工作，即電動機起動時，配電母線上的電壓應符合下列要求，在一般情況下，電動機頻繁起動時不應低于系統標稱電壓的90%，電動機不頻繁起動時，不應低于標稱電壓的85%。

查P551《工業與民用配電設計手冊》6 kV交聯聚乙烯絕緣電力電纜電壓損失為0.438%/（MW·km）,線路長度為0. 02 km,負載有功功率為17 Mw。

線路電壓損失百分數計算公式為：

= 0.438×0.02×17

= 0.15

式中：Δ%—線路電壓損失百分數，%(1 MW.km)；

Δu%—三相線路每1 kW.km的電壓損失百分數，%（1 kW.km)；

—線路長度，km；

—有功負荷，MW；

由于電源線路的距離可忽略不計，線路電壓損失也忽略不計，6 kV母線的電壓損失可忽略不計。

電氣技術參數為：額定功率rM=64 00 kW，額定電壓rM=6 kV，額定電流rM= 709 A，功率因素為0.9，起動電流倍數st=5.5。預接負荷Sh為20 MVA,母線短路容量km=205 MVA。根據《工業與民用配電設計手冊》第三版表6-16得，

=7.37（MVA）

=40.54（MVA）

式中：rM—電機額定容量，MVA；

stM—電機額定起動容量，MVA；

由于采用高壓起動,則按表6-16(1距離0.4 km,忽略1)得

=stM=40.54（MVA）

=8.72（MVA）

式中：fh—預接負荷的無功功率，MVA；

式中：km—母線短路容量，MVA。

由于新氫壓縮機電機不頻繁起動，母線電壓水平低于85%不符合規定。

當軟起動起動電流倍數2.5倍時，則按表6-16得：

=18.43（MVA）

= (205 + 8.72) / (205 + 8.72+ 18.43)

= 0.92≥0.85

選擇降壓起動電氣需要滿足轉矩的基本條件，即起動時電機端子電壓應能保證傳動機械要求的起動轉矩，查表6-14知stM取1.5，j取0.3；即

式中：stM—起動時電機端子電壓相對值，即端子電壓與標稱電壓的比值；

stM—電機起動轉矩相對值，即起動轉矩與額定轉矩的比值；

j—電機傳動機械的靜阻轉矩相對值；

經過上述計算知，采用軟起動裝置啟動滿足電氣設計電壓下降及起動轉矩規范的要求，故參數的設置是合理的。

3 軟起動調試及電機軟起流程

低壓電機帶載模擬調試和高壓電機空載及帶載調試：在連接高壓電源和高壓電機之前，選擇一臺10 kW左右的低壓電機，分別按照軟起柜進、出線的要求連接好，打開軟起柜的小門，分別將短路端子1、2、3短路，使軟起動處在低壓工作狀態，按照軟起動操作過程進行操作，軟起動應該正常工作。低壓聯動試驗檢查：起動正常、停止正常、轉換正常，如不正常，則應找出原因，排除故障。如低壓模擬調試功能正常，則去掉短路端子1、2、3，恢復高壓工作狀態。在高壓工作狀態下，按照軟起動操作過程進行操作，軟起動應該正常工作。軟起動參數設置：起動電壓2 900 V，起動電流1 800 A，起動時間30 s，起動方式限流，起動速斷5倍額定電流，功率6 400 kW 。

洛陽石油化工工程公司設計的一拖二軟起動方案，其中1#、2#電源柜分別取自兩段不同的6 kV母線，1#、2#電源柜輸出并聯后給軟起動裝置供電，1#、2#選擇柜進線接在軟起動裝置輸出母線上，1#選擇柜輸出連接1#同步電機，1#運行柜連接1#同步電機，1#電源柜與1#運行柜來自同段母線，1#同步電機由1#勵磁柜提供勵磁，2#選擇柜輸出連接2#同步電機，2#運行柜連接2#同步電機，2#電源柜與2#運行柜來自另一段母線，2#同步電機由2#勵磁柜提供勵磁。以1#同步電機起動為例，首先分別給1#電源柜、1#選擇柜、1#運行柜、1#勵磁柜送電并檢查電氣正常的情況下，軟起動裝置電機選擇開關選擇1#電機，等待儀表聯鎖允許起動信號，當一切準備就緒后，按下現場1#電機操作柱的起動按鈕，當1#電源柜收到同步電機起動信號時，1#電源柜斷路器合閘，軟起動裝置LED顯示屏顯示上電，按下軟起動裝置上的起動按鈕，軟起動LED顯示屏上顯示軟起動狀態及過程中的相關信息，當1#選擇柜收到軟起動發出的起動信號時，1#選擇柜斷路器合閘，1#同步電機進入軟起動狀態，1#同步電機按照軟起動設定的控制曲線開始起動，軟起動裝置可控硅導通角的大小按照控制曲線發出的同步信號開通，電機端子電壓逐漸升高，電機平穩起動，當軟起動裝置中的檢測設備檢測到同步電機的轉速達到電機額定轉速的85%時，發出投全壓信號，1#運行柜收到軟起動裝置發出的投全壓信號時，1#運行柜斷路器合閘，1#同步電機轉速繼續升高，當1#勵磁柜檢測到1#同步電機達到亞同步轉速時投勵，拉入1#同步電機達到額定轉速運行狀態，1#同步電機啟動過程完成。同時軟起動裝置中的檢測設備檢測到勵磁裝置投勵后，關閉軟起動裝置可控硅觸發信號，并給1#電源柜、1#選擇柜發出分閘信號，1#電源柜、1#選擇柜收到信號后斷路器分閘，將軟起動裝置切除，軟起動過程結束。1#運行柜繼續監視電機的運行狀態，并提供多種故障保護。在軟起或運行過程中，如果需同步電機停機，按下現場操作柱的電機停止按鈕，運行柜斷路器分閘，電機停車。如果軟起動裝置故障停機，根據故障顯示類型排除故障，具體見常見故障現象及處理方法。

4 常見故障現象及處理方法

長沙奧拓生產的QB-H06/6400交流電機軟起動常見的故障現象分為以下幾類，由于產生故障的原因很多，當出現下列情況時，可以按照下述的方法進行處理：

（1）上電后顯示屏無顯示、可能故障原因控制電源未接好或顯示控制板故障、處理方法檢查電源或更換顯示控制板。

（2）上電后故障指示燈亮、可能故障原因外部故障、處理方法檢查門禁行程開關是否到位。

（3）缺相保護或欠壓保護、可能故障原因電源缺相或電壓過低，處理方法檢查電源。

（4）短路保護、可能故障原因可控硅短路、均壓板擊穿短路，觸發板短路檢測電路故障、短路檢測光纖或光纖頭故障、處理方法更換可控硅、更換均壓板、更換觸發板、檢查短路檢測光纖及光纖頭。

（5）過電流保護、可能故障原因速斷過流或運行過流、處理方法參數設定不合理或硬件故障。

（6）起動超時保護、可能故障原因在給定的時間內沒完成軟起動、處理方法參數設定不合理。

（7）起動時電機電流波動較大、可能故障原因電流互感器故障或控制板故障，處理方法更換電流互感器或更換控制板。

（8）旁路真空斷路器不動作、可能故障原因外圍電路故障或控制板故障、處理方法檢查外圍電路或更換控制板。

（9）旁路后真空斷路器跳開、可能故障原因旁路真空斷路器不能自保、處理方法檢查線路。

（10）起動時間很短并保護、可能故障原因設定起始電壓過高或設定起動時間過短、處理方法降低起始電壓或增加起動時間。

5 應用效果及注意事項

長沙奧拓生產的QB-H06/6400交流電機軟起動常見的故障現象分為以下幾類，由于產生故障的原因很多，當出現下列情況時，可以按照下述的方法進行處理：

自2012年投產以來，軟起動歷經多次切換起動運行，表現出起動平穩順利、運行性能良好、起動可靠性高、性能完善等特點。同時要求設計同步電機起動選擇開關安裝在軟起動柜面上，以方便電工的檢查和操作，在設計時要求電源柜、運行柜上各種故障跳閘出口繼電器回路不同，方便高壓綜合保護器廠家定義不同的指示燈來區分電氣故障跳閘及儀表聯鎖跳閘，并保持跳閘指示燈信號，查出故障問題后復位，電氣備妥信號、軟起動備妥信號及儀表允許起動信號定義不同的指示燈，但不保持指示燈信號。

［1］孫偉棟,任元會,卞鎧生,姚家祎,等.工業與民用配電設計手冊[M].中國供電出版社,2005.

［2］QB-H系列中高壓電動機固態軟起動器使用說明書[R].

［3］保定天威集團特變電氣有限公司出廠技術文件2010[R].

［4］南陽防爆集團股份有限公司電機使用說明書[R].2010.

Introduction and Application of Soft Start

（Fushun Petrochemical Company the Second Refinery, Liaoning Fushun 113008，China）

From the definition of soft starting, requirements and harm of direct starting motor were pointed out; the working principle, control mode and technical characteristics of soft starting were introduced; combined with the application condition of soft start, calculating result proved that the starting voltage drop could meet the design requirements; the debugging process of soft start was introduced as well as the soft starting process of the synchronous motor. Common faults and treatment methods were listed, finally application effect was analyzed and the matters needing attention were put forward.

Soft start; Soft stop; Ramp voltage starting; Constant current starting; Constant voltage starting; Synchronous motor; Voltage loss

TM 301

A

1671-0460（2014）06-0969-04

2014-05-04

張紅啟（1979-），男，河南駐馬店人，中級職稱，注冊安全工程師， 2003年畢業于鄭州輕工業學院電氣工程及其自動化專業，從事石油二廠電氣設備技術管理工作。E-mail：zhq123@petrochina.com.cn。