電容無功補償在同步電動機軟啟動中的應(yīng)用

李為民，桑峰軍

（1.蘭州電機股份有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2.中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南 濮陽 457001）

1 前言

隨著國家現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，大功率電動機在柴油機發(fā)電機組獨立供電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多，功率容量隨之逐漸增大。在不增大柴油機發(fā)電機組功率的條件下，盡管采用各種降壓啟動方式，啟動大功率電動機仍然顯得非常困難。而本文提出的電容無功補償方法在柴油機發(fā)電機組容量有限、獨立供電電源啟動大功率電動機的應(yīng)用，可以解決這一難題，減少設(shè)備裝機容量，節(jié)約大量資金。

某變壓器廠擴建35kV變壓器試驗站，設(shè)計了1500kVA高壓變頻機組。變頻機組由同步電動機（500kW 50Hz400V cosφ＝0.9 1500r/min）、同步發(fā)電機（6.3kV 200Hz cosφ＝0.1－0.4 1500r/min）組成。同步電動機與同步發(fā)電機通過聯(lián)軸器連接，并安裝于同一底盤上。

同步電動機采用ABBPSTB1050軟啟動器啟動，勵磁系統(tǒng)采用TDL數(shù)字智能同步電動機勵磁裝置。

由于工廠條件有限，用一臺500kW 400V柴油機發(fā)電組提供變頻機組的電源。

同步電動機額定電流Ie＝802A，顯然無法采用直接啟動，必須采用降壓啟動的方法。經(jīng)過比較論證，電動機降壓啟動采用軟啟動方式啟動。啟動過程中電動機所加的電壓不是一個固定值，軟啟動器輸出電壓按要求上升，電動機電壓由零按指定斜率上升到全壓，轉(zhuǎn)速相應(yīng)地由零加速到亞同步轉(zhuǎn)速，然后投入勵磁，將電動機牽入同步運行。

為了盡量降低電動機啟動電流，ABB PSTB1050軟啟動器的初始電壓設(shè)置為最小值（30%UN）、啟動時間設(shè)置為最大值（30s）。盡管如此，電動機啟動過程中最大電流達到2500A以上。由于柴油機發(fā)電機組容量相對電動機容量太小，二者都是500kW，電動機啟動過程還未結(jié)束時，柴油發(fā)電機組已不堪重負(fù)而停機了，影響了用戶變頻機組的正常使用。

針對上述問題，為了保證電動機的正常啟動，必須采取措施予以解決。

一是加大柴油機發(fā)電組容量，再增加一臺500 kW 400V柴油機發(fā)電組，兩臺機組并聯(lián)。但成本太高、技術(shù)復(fù)雜、供貨周期長，且因變頻機組短時工作而顯得得不償失。

二是在現(xiàn)有條件下，對啟動回路電源進行無功補償，簡單、經(jīng)濟、實用。

經(jīng)過仔細(xì)論證，權(quán)衡利弊，決定采用第二種方法。

圖1 控制原理圖

2 控制原理

如圖1所示為控制原理，在發(fā)電機輸出開關(guān)下端與電動機定子繞組之間傳入電抗器L，電抗器L的輸出端接入補償電容器C。

電動機啟動操作過程如下：

啟動柴油發(fā)電機組，合發(fā)電機輸出斷路器QF。（此時不能接入補償電容器組，否則軟啟動器輸入端電壓太高，影響軟啟動器正常工作，甚至引起過電壓保護動作）。按軟啟動器啟動按鈕，啟動同步電動機，當(dāng)同步電動機啟動電流達到500A左右時，按下合閘按鈕SB2，合接觸器KM，投入補償電容器組，同步電動機繼續(xù)啟動，待軟啟動器啟動時間到時，此時電動機啟動電流已逐漸降至空載電流，只有幾十安培。同步電動機加全壓啟動，此時按下分閘按鈕SB1，切除補償電容器組（此時已無需補償），否則會造成軟啟動器輸入端電壓太高，影響軟啟動器正常工作，甚至引起過電壓保護動作），同步電動機啟動至亞同步轉(zhuǎn)速，由勵磁裝置牽入同步運行，啟動結(jié)束。

電動機啟動過程中，軟啟動器電源輸入側(cè)電流表PA4－PA6指示的最大電流仍然達到2500A，但是電抗器輸入側(cè)電流表PA1－PA3指示的最大電流只有1300A左右，柴油發(fā)電機組完全能夠承受，電容器無功補償效果非常明顯。

圖2 無功補償工作原理

無功補償工作原理如圖2所示。電動機啟動時，功率因數(shù)很低，cosφ大約為0.1左右，有功功率很小，主要是無功功率。這樣只需在電動機啟動過程中加入補償電容器來補償電動機所需的無功功率，從而大大減輕柴油發(fā)電機組的負(fù)擔(dān)，確保電動機的正常啟動。

電動機容量 S＝500 /0.9＝555kVA

電動機啟動時 cosφ＝0.1

有功 P ＝ S×cosφ＝555×0.1＝55.5kW

無功 Q＝ S×sinφ＝555×0.99 ＝550kVAR

如果需要將電動機功率因數(shù)補償?shù)絚osφ＝1，則補償?shù)臒o功功率為550kVAR。

選用 BCMJ0.4－30－3，額定容量為 30kVAR ，額定電壓為400V，額定電容為596μF的電容19只（19×30＝570kVAR）即可滿足要求。

如需將電動機功率因數(shù)補償?shù)?cosφ＝0.9，則補償?shù)臒o功功率為550kVAR－242kVAR＝308kVAR，選用11只BCMJ10.4－30－3電容器即可滿足要求。

3 補償效果

經(jīng)過現(xiàn)場運行，變頻機組多次啟動中，柴油發(fā)電機組從未發(fā)生過負(fù)荷而停機的故障，證明補償方案可行，參數(shù)計算正確，滿足了用戶要求。

這樣就解決了電源容量有限，大功率電動機啟動困難，變頻機組又是短時工作，增大電源容量成本太高且無必要的問題。通過此次應(yīng)用，柴油發(fā)電機組通過無功補償，啟動相同容量大功率電動機是可行的。