大容量高壓交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)分析

盧曉鵬

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京210019）

0 概述

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)大，企業(yè)用電設(shè)備數(shù)量、容量及單臺(tái)電機(jī)最大容量也隨之不斷增大，用電狀況十分復(fù)雜對(duì)電網(wǎng)有較高要求。 大容量電動(dòng)機(jī)主要指額定工作電壓為6kV 或10kV 的電機(jī)，容量從幾千到幾萬千瓦不等，為保證大電機(jī)起動(dòng)時(shí)自身及電網(wǎng)安全，各種大容量電氣軟起動(dòng)裝置應(yīng)運(yùn)而生，如頻敏變阻器、水電阻、熱變電阻、晶閘管、電磁調(diào)壓、變頻器等，在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

1 大容量電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的弊端

大容量高壓電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)電流大，無功需求高，對(duì)電網(wǎng)的沖擊明顯，在供電電網(wǎng)容量受限時(shí)，往往造成大電機(jī)自身的起動(dòng)困難，并可能導(dǎo)致其它已運(yùn)行電氣設(shè)備等因供電母線壓降較大造成跳閘停機(jī)甚至燒毀的嚴(yán)重后果。 對(duì)大電機(jī)自身而言，直接起動(dòng)電流可達(dá)4-7 倍的額定電流，造成電動(dòng)機(jī)繞組溫度過高，電機(jī)絕緣老化加速，并且過大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)被帶動(dòng)的機(jī)械造成較大的機(jī)械沖擊，縮短其使用壽命。

在此情形下，各類電氣軟起動(dòng)裝置應(yīng)運(yùn)而生，但由于用戶千差萬別，故各類電氣軟起動(dòng)裝置均有不同的應(yīng)用市場(chǎng)。

2 高壓軟起動(dòng)裝置主要類型

高壓軟起動(dòng)裝置如概述中所述分為多種，下面予以介紹。

2.1 頻敏變阻器

頻敏變阻器應(yīng)用于繞線式電機(jī)，串接于電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)， 頻敏變阻器的阻抗隨著轉(zhuǎn)子電流的頻率變化而成正比變化，剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流頻率最大，電動(dòng)機(jī)可獲得較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)后，隨著轉(zhuǎn)子電流頻率的下降，頻敏變阻器阻抗逐步減小，近似地得到恒轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的無極調(diào)速，起動(dòng)完畢后，頻敏變阻器經(jīng)短接退出。

頻敏變阻器的優(yōu)點(diǎn)：

1）能平滑、無級(jí)、自動(dòng)地起、制動(dòng)；

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，維修方便；

3）價(jià)格低廉。

頻敏變阻器的缺點(diǎn)：

適用范圍小，調(diào)節(jié)精度不高。

2.2 水電阻起動(dòng)動(dòng)裝置

水電阻起動(dòng)利用伺服電機(jī)改變浸泡在導(dǎo)電液體 （一般由Na2CO3和水配制）中電極板之間的電氣距離， 使水電阻由大到小平滑無級(jí)變化，電極板串接于電機(jī)起動(dòng)回路中，電機(jī)在起動(dòng)過程中端電壓隨極板間距減小逐漸上升至直至全壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)。

水電阻起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：

1）在軟起動(dòng)過程中不產(chǎn)生高次諧波；

2）價(jià)格低廉。

水電阻起動(dòng)的缺點(diǎn)是：

1）高壓電動(dòng)反電勢(shì)建立的速率和水電阻變化的速率很難吻合，從而造成了起動(dòng)電流的斜率很大。

2） 環(huán)境溫度對(duì)起動(dòng)性能的影響大。 水電阻導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)是靠離子的移動(dòng)，電阻大小由導(dǎo)電離子的多少?zèng)Q定，水電阻由Na2CO3和水配制而成，其溶劑溶解度受外界溫度的影響，溫度越高溶解度越高，水電阻率越小，溫度越低溶解度越低，水電阻率越高，因而水電阻夏天起動(dòng)電流大（有時(shí)高達(dá)5 倍額定電流），而冬天起動(dòng)困難，嚴(yán)重時(shí)需要重新配液方可解決，加上水的蒸發(fā)和補(bǔ)充及其它導(dǎo)電離子進(jìn)入液阻箱，均會(huì)引起液體電阻的改變。

3）對(duì)環(huán)境要求高，水電阻軟起動(dòng)裝置不適合于置放在易結(jié)冰的現(xiàn)場(chǎng)。

4）液阻箱容積大，其根源在于阻性限流，減少容積引起溫升加大，一次性起動(dòng)后電解液通常會(huì)有10℃-30℃的溫升，使軟起動(dòng)的重復(fù)性差。

5）控制功能低下，起動(dòng)時(shí)間、停止時(shí)間、初始電壓、限壓范圍等主要控制參數(shù)均不能方便地調(diào)節(jié)，移動(dòng)極板需要有一套伺服機(jī)構(gòu)，它的移動(dòng)速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)方式的多樣化。 保護(hù)功能不全，無自檢、過載保護(hù)、電流不平衡、斷相等保護(hù)。

6）維護(hù)困難。須經(jīng)常維護(hù)，須經(jīng)常加液體以保持液位。在高壓回路里加水作業(yè)有很大危險(xiǎn)性。 電極板長(zhǎng)期浸泡于電解液中，表面會(huì)有一定的銹蝕，需要作表面處理。

7）安全性差。這是該裝置最大的隱患，一旦維護(hù)不及時(shí)，至液位過低，起動(dòng)時(shí)有引起裝置爆炸的危險(xiǎn)，爆炸后引起高壓接地，給人員、設(shè)備帶來災(zāi)難性的后果。 在起動(dòng)時(shí)有噪聲及電動(dòng)力致使之震動(dòng)，特別是在極板運(yùn)行中易造成導(dǎo)電水飛濺，安全性差。在高壓起動(dòng)回路中，用傳動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制極板運(yùn)行，一旦控制失靈，后果比較嚴(yán)重。

2.3 熱變電阻起動(dòng)動(dòng)裝置

熱變電阻起動(dòng)利用液體的負(fù)溫度特性來改變其電阻，所謂負(fù)溫度特性，即溫度越高，阻值越小，溫度越低，阻值越大。 在起動(dòng)過程中，將熱變電阻器（含液箱、熱敏電解液、電極、導(dǎo)流機(jī)構(gòu)等構(gòu)成）串接于大容量電機(jī)的定子繞組中，起動(dòng)電流流過熱變電阻器加熱液體，溫度升高，阻值減小。起動(dòng)過程中，回路總阻抗接近不變，從而使得電機(jī)起動(dòng)過程電流較小、穩(wěn)定且功率因數(shù)高。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完畢后，導(dǎo)流機(jī)構(gòu)快速導(dǎo)出高溫液體，使有效電阻區(qū)域內(nèi)液體溫度降至常溫附近，以利于下一次起動(dòng)。

熱變電阻軟起動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：

1）電極無需動(dòng)，因而減免了移動(dòng)電極的伺服機(jī)構(gòu)，減免了伺服機(jī)構(gòu)可能帶來的不安全；

2）起動(dòng)電流較小，一般不大于2.5Ie，有顯著的軟起動(dòng)特性；

3）起動(dòng)時(shí)功率因數(shù)高，一般可維持在0.8 以上，母線壓降低，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行有益；

4）同時(shí)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小逐步增高，使得機(jī)械設(shè)備起動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊及噪音；

5）價(jià)格低廉。

熱變電阻軟起動(dòng)缺點(diǎn)：

1）熱變電阻為保溫，必須把水箱封閉，且采用兩層水箱，層與層之間注入變壓器油隔離，液體在有限空間內(nèi)加熱，極易發(fā)生爆；

2）熱變電阻的整個(gè)起動(dòng)過程是不可控制的，談不上閉環(huán)控制；

3）相比于液阻，環(huán)境溫度對(duì)起動(dòng)性能的影響更加嚴(yán)重；

4）具有一切液態(tài)軟起動(dòng)裝置的共性，如發(fā)熱量大、體積大，不能作到免維護(hù)；

5）對(duì)環(huán)境尤其是溫度變化的耐受能力較差，難于保證不同環(huán)境溫度下軟起動(dòng)性能的一致性；軟起動(dòng)功能單一，使適用范圍受到一定的限制；不能實(shí)現(xiàn)軟停止，不能實(shí)現(xiàn)帶電流突跳的軟起動(dòng)。

2.4 晶閘管軟起動(dòng)

晶閘管軟起動(dòng)裝置是利用反并聯(lián)晶閘管及電子控制電路串接于三相電源與待起動(dòng)電機(jī)之間，利用晶閘管的電子開關(guān)特性，通過軟起動(dòng)裝置中的單片機(jī)控制晶閘管觸發(fā)脈沖、觸發(fā)角的大小來改變晶閘管導(dǎo)通程度從而改變其輸出電壓，進(jìn)而改變起動(dòng)電機(jī)的定子機(jī)端電壓。 當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角從00 開始上升時(shí)，電機(jī)開始起動(dòng)，隨著導(dǎo)通角的增大，晶閘管輸出電壓也隨之增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，直至晶閘管全導(dǎo)通，使電機(jī)電壓接近額定電壓，電機(jī)起動(dòng)完畢后，軟起動(dòng)裝置被旁路，電機(jī)改由工頻運(yùn)行方式。

晶閘管軟起動(dòng)裝置優(yōu)點(diǎn)：

1）起動(dòng)電流、電壓可控；

2）起動(dòng)過程無級(jí)調(diào)速，并適應(yīng)頻繁起動(dòng)。

晶閘管軟起動(dòng)裝置缺點(diǎn)：

1）不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)綜合條件調(diào)整起動(dòng)參數(shù)，達(dá)不到全面優(yōu)化的起動(dòng)效果；

2）起動(dòng)電壓到起動(dòng)完成時(shí)，電壓與全壓有差距，切換到全壓時(shí)有沖擊；

3）一般只能接入電動(dòng)機(jī)前端；

4）串并聯(lián)大量的晶閘管，故障點(diǎn)多，維護(hù)、檢修復(fù)雜；

5）價(jià)格較為昂貴。

2.5 電磁調(diào)壓軟起動(dòng)

電磁調(diào)壓軟起動(dòng)裝置是采用一個(gè)可變電抗器件做為執(zhí)行元件接入大電機(jī)定子回路，用相對(duì)電壓較低的晶閘管（或其他電力電子器件），通過電磁轉(zhuǎn)換的原理，調(diào)節(jié)電抗值，改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)端電壓，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程，達(dá)到軟起動(dòng)的目的。

電磁調(diào)壓軟起動(dòng)裝置特點(diǎn)：

1）通過低壓控制高壓可調(diào)壓變壓, 其性能穩(wěn)定可靠,耐沖擊性能強(qiáng)、噪音小；

2）晶閘管在變壓器二次回路,晶閘管無過壓風(fēng)險(xiǎn),無須光纖觸發(fā),性能穩(wěn)定可靠，故障點(diǎn)少；

3）由于變壓器的隔離,對(duì)電網(wǎng)諧波干擾大大減小,電網(wǎng)側(cè)只有2%左右,(小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4%)， 有效克服超大容量的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電磁干擾。

4）與傳統(tǒng)的電抗器、自耦變壓器比較，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)過程平穩(wěn)可控，無二次切換沖擊；

5）起動(dòng)電壓可調(diào)，可以根據(jù)負(fù)載的特征，設(shè)置較低的起動(dòng)初始電壓，從而電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流更低，對(duì)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備沖擊小；

6）當(dāng)電網(wǎng)容量偏低時(shí),還可并聯(lián)起動(dòng)補(bǔ)償電容,將起動(dòng)電流控制到1.5 倍額定電流,進(jìn)一步減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊,降低網(wǎng)壓降；

7）接線方式靈活，可接于大電機(jī)機(jī)端側(cè)或中性點(diǎn)側(cè)。

2.6 變頻器軟起動(dòng)

變頻器軟起動(dòng)方式是指大電機(jī)起動(dòng)過程中既改變變頻器輸出端電源頻率，又改變電源電壓的一種起動(dòng)方式，起動(dòng)曲線平滑，適用于各種起動(dòng)條件，是目前最先進(jìn)的一種軟起動(dòng)方式，但其價(jià)格昂貴，并產(chǎn)生高次諧波污染電網(wǎng)， 在起動(dòng)次數(shù)較少且電機(jī)負(fù)載率且工作穩(wěn)定條件下，選用變頻器是不經(jīng)濟(jì)的，因而本文不予推薦。

3 采用電磁調(diào)壓軟起動(dòng)的工程實(shí)例

3.1 工程概述

國(guó)內(nèi)某鋼鐵公司建造兩座1250m3高爐， 配置兩臺(tái)10kV 19000kW汽動(dòng)-電動(dòng)風(fēng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BPRT 風(fēng)機(jī))及一臺(tái)10kV 19000kW AV63 備用電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，外部供電為兩路35kV 電源。在高爐區(qū)設(shè)35/10kV 變電所一座，配置2×50MVA 主變，35kV 及10kV 均采用單母線分段接線方式，兩臺(tái)19000kW BPRT 風(fēng)機(jī)電機(jī)分別由35kV 變電所兩段10kV 母線供電，19000kW AV63 備用電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)切換， 可由10kV 任一段母線供電以替換該母線段上退出運(yùn)行的BPRT 風(fēng)機(jī)，同時(shí)禁止任意兩臺(tái)風(fēng)機(jī)在同一段10kV 母線同時(shí)工作。

由于風(fēng)機(jī)電機(jī)容量很大，直接起動(dòng)時(shí)電流大，母線壓降不滿足國(guó)標(biāo)要求，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，設(shè)計(jì)采用電磁調(diào)壓軟起動(dòng)方式對(duì)上述三臺(tái)大電機(jī)進(jìn)行軟起動(dòng)，軟起動(dòng)裝置內(nèi)電磁調(diào)壓部分起動(dòng)柜為雙套（一用一備），三臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)起動(dòng)模式為軟起二拖三，為保證風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí)因功率因數(shù)較低（Cos=0.3 左右）電磁調(diào)壓軟起動(dòng)裝置配置有專用起動(dòng)電容器，在風(fēng)機(jī)起動(dòng)完畢后切除退出。

經(jīng)工程實(shí)踐，該套電磁調(diào)壓軟起動(dòng)裝置起動(dòng)效果良好，達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 電氣主接線（見圖1）

圖1 35/10 kV 變電所電氣主接線圖

3.3 BPRT 風(fēng)機(jī)（19000kW，1485r.p.m）起動(dòng)時(shí)電氣參數(shù)表

3.3.1 系統(tǒng)參數(shù)

變壓器輸入電壓 35kV 變壓器輸出電壓 10kV

變壓器額定容量 50MVA 變壓器10kV 側(cè)母線最大短路容量 300MVA

軟起動(dòng)電網(wǎng)電壓相對(duì)值0.92(起動(dòng)補(bǔ)償后)

3.3.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

電動(dòng)機(jī)額定功率 19000kW 電動(dòng)機(jī)額定電壓 10kV

電動(dòng)機(jī)額定電流 1253A 電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù) 0.93

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 1485r/m 電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 1.73

電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 0.48 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪距 59720N.m2

3.3.3 負(fù)載參數(shù)

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 265000N.m2靜阻力矩 8500 Nm

起動(dòng)最大阻力矩26500 N.m

3.3.4 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)參數(shù)

降壓起動(dòng)電流倍數(shù) 2.05 電動(dòng)機(jī)額定容量 21.7MVA

全壓起動(dòng)電流倍數(shù) 4.0 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 122188N.m

額定起動(dòng)等效阻抗 1.182 歐 額定起動(dòng)等效電阻 0.236 歐

額定起動(dòng)等效電抗 1.17 歐 降壓起動(dòng)電流 2568.7A

降壓起動(dòng)容量 44.5MVA 負(fù)荷系數(shù) 1.02

起動(dòng)時(shí)間 42.2S

4 結(jié)論

高壓軟起動(dòng)裝置多種多樣，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際狀況，考慮電網(wǎng)、工藝設(shè)備要求、現(xiàn)場(chǎng)土建條件、業(yè)主資金條件等各方面因素進(jìn)行綜合評(píng)估，在保證安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的前提下選用最為合理的方案以保證工程的順利實(shí)施。

［1］卓樂友.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：水利電力出版社，1991.

［2］陳延鏢.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

［3］方大千.變頻器、軟起動(dòng)器及PLC 實(shí)用技術(shù)問答[M].北京：人民郵電出版社，2007.