12000kW異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用

董廷杰 陳 霞

（新煤化工設(shè)計(jì)院（上海）有限公司，上海 200233）

12000kW異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用

董廷杰 陳 霞

（新煤化工設(shè)計(jì)院（上海）有限公司，上海 200233）

以大型空壓機(jī)組工程設(shè)計(jì)的具體實(shí)例，闡述了高壓異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)方案以及液態(tài)軟起動(dòng)裝置在大型機(jī)組起動(dòng)中的應(yīng)用。起動(dòng)時(shí)空壓機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行正常，實(shí)測參數(shù)與理論計(jì)算基本接近，設(shè)計(jì)方案是正確可行的。

空壓機(jī)組；異步電動(dòng)機(jī)；液態(tài)軟起動(dòng)裝置；設(shè)計(jì)方案

中國鋁業(yè)河南分公司氧化鋁節(jié)能減排升級改造項(xiàng)目自備煤氣站工程，是為生產(chǎn)氧化鋁焙燒提供燃料。煤氣供應(yīng)是否連續(xù)，直接影響氧化鋁的質(zhì)量、產(chǎn)量以及安全生產(chǎn)的連續(xù)性。自備煤氣站工程是中國鋁業(yè)河南分公司節(jié)能降耗、扭虧為盈的重點(diǎn)工程。

本工程配套26000N·m3/h（制純氧量）空分裝置，為氣化爐煤氣化反應(yīng)提供助燃劑，以滿足氣化爐的滿負(fù)荷安全、連續(xù)的運(yùn)行，確保煤氣達(dá)到設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)。空分裝置中核心設(shè)備為空壓機(jī)組，采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，配套12000kW、10kV異步電動(dòng)機(jī)。針對如此大容量的電動(dòng)機(jī)，保證安全起動(dòng)、采用合適的起動(dòng)設(shè)備及起動(dòng)方案成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。結(jié)合原廠區(qū)的供電系統(tǒng)實(shí)際情況，并經(jīng)過計(jì)算論證，若直接由06配10kV母線供電全壓起動(dòng)，將會(huì)使電網(wǎng)母線電壓瞬時(shí)大幅下降，母線上原有負(fù)荷會(huì)因?yàn)殡妷哼^低跳閘，其他分廠生產(chǎn)中斷，直接造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)也會(huì)使電動(dòng)機(jī)自己產(chǎn)生電氣及機(jī)械沖擊力并對空壓機(jī)機(jī)組造成巨大的機(jī)械沖擊，致使電動(dòng)機(jī)的絕緣老化加快，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命。因此必須采用降壓起動(dòng)才能保證空壓機(jī)組的安全起動(dòng)，并且不影響上級供電系統(tǒng)的運(yùn)行。

目前市場上主要的軟起動(dòng)產(chǎn)品及特點(diǎn)：變頻器初期投資及后期維護(hù)費(fèi)用均較高；自耦變壓器為有級調(diào)節(jié)、有沖擊；磁控式噪音大、產(chǎn)生高次諧波；晶閘管故障率高、對維護(hù)人員的技術(shù)要求較高；液態(tài)軟起動(dòng)裝置調(diào)節(jié)平滑無沖擊、無諧波污染、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便。經(jīng)過對市場上降壓起動(dòng)方式及產(chǎn)品的調(diào)研比較，本工程選擇了SGYQ系列高壓籠型電機(jī)液態(tài)電阻起動(dòng)裝置（以下稱液態(tài)軟起動(dòng)裝置），電動(dòng)機(jī)接線方式為電動(dòng)機(jī)端星點(diǎn)抽出在星點(diǎn)柜內(nèi)短接的接線方式。

1 液態(tài)軟起動(dòng)裝置的原理及特點(diǎn)[1]

液態(tài)軟起動(dòng)裝置是在被控電動(dòng)機(jī)的定子回路中串入一特配的可控三相液態(tài)電阻器，液態(tài)電阻器隨電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)而自動(dòng)投入，阻值隨動(dòng)、定極板之間的距離按照預(yù)定設(shè)置的程序自動(dòng)改變而改變，阻值呈無級減小，從而使電動(dòng)機(jī)的端電壓均勻升高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)阻值接近零時(shí)電動(dòng)機(jī)星點(diǎn)短接，電動(dòng)機(jī)投入全壓運(yùn)行，此時(shí)液態(tài)電阻自動(dòng)退出，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和拖動(dòng)負(fù)載的無沖擊平滑“軟”起動(dòng)。整個(gè)起動(dòng)過程中平滑無沖擊，對電網(wǎng)無干擾、無諧波污染，結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便。

本工程所選擇的液態(tài)軟起動(dòng)裝置融合了多項(xiàng)先進(jìn)的控制技術(shù)。具有計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)、PLC控制器、遠(yuǎn)程通訊、極板控制采用交流無級變速伺服電動(dòng)機(jī)等。液態(tài)軟起動(dòng)裝置的系統(tǒng)構(gòu)成和一次電路接線相對比較簡單，電動(dòng)機(jī)主接線盒中接線端子直接接入電源起動(dòng)柜；電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)接線盒內(nèi)星點(diǎn)打開，接線端子接入星點(diǎn)柜。通過三相可變液態(tài)電阻器、主機(jī)起動(dòng)柜斷路器、星點(diǎn)短接斷路器等主要設(shè)備完成電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行。

液態(tài)電阻器每相均由一個(gè)絕緣的環(huán)氧樹脂電液箱構(gòu)成，三相分別絕緣獨(dú)立，內(nèi)部裝有濃度可調(diào)的電解液，可以很方便地根據(jù)不同的電動(dòng)機(jī)參數(shù)、負(fù)載類型等現(xiàn)場多變的情況，調(diào)配適當(dāng)?shù)碾娊庖簼舛?；?dòng)極板通過傳動(dòng)系統(tǒng)及無級變速伺服電動(dòng)機(jī)控制其運(yùn)行，由限位開關(guān)反饋動(dòng)極板的運(yùn)行位置給PLC控制器。電動(dòng)機(jī)的整個(gè)起動(dòng)過程控制在要求的起動(dòng)倍數(shù)下均勻升速，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)“軟”起動(dòng)的目的。

2 空壓機(jī)組軟起動(dòng)方案關(guān)鍵問題的分析

業(yè)主特別擔(dān)心這么大容量的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間會(huì)對原供電系統(tǒng)造成沖擊，甚者會(huì)使其他分廠供電系統(tǒng)癱瘓，因此在設(shè)計(jì)初期與業(yè)主溝通關(guān)于起動(dòng)的壓降要求時(shí)，業(yè)主提出電動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間上級 10kV母線殘壓不能低于90%的嚴(yán)格要求。對于上級電網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流是越小越好，而對于電動(dòng)機(jī)本身及整個(gè)空壓機(jī)組，起動(dòng)電流太小，會(huì)引起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足以克服靜阻轉(zhuǎn)矩而起動(dòng)失敗，或因起動(dòng)時(shí)間過長造成定子繞組超溫電動(dòng)機(jī)燒壞等。因此，在空壓機(jī)組的起動(dòng)方案的設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足上級電網(wǎng)壓降要求，又要滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求，并且起動(dòng)時(shí)間要在電動(dòng)機(jī)自身所能承受的范圍之內(nèi)，這就要求在做設(shè)計(jì)方案時(shí)必須要找一個(gè)滿足電網(wǎng)、機(jī)械設(shè)備兩者關(guān)系的結(jié)合點(diǎn)。

3 空壓機(jī)組軟起動(dòng)方案設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算

上級電源供電系統(tǒng)情況：供電系統(tǒng)是由220kV/10kV，63MVA變壓器供電。電源接入點(diǎn)（區(qū)域 06配Ⅳ母）的系統(tǒng)最大短路容量為 315MVA，系統(tǒng)最小短路容量為258MVA，Ⅳ母已接有負(fù)荷5.5MVA，功率因數(shù)為0.8，無功功率可計(jì)算得為3.3Mvar。在進(jìn)行起動(dòng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，按照最不利的電網(wǎng)條件下起動(dòng)空壓機(jī)，即電動(dòng)機(jī)接于系統(tǒng)最小短路容量時(shí)起動(dòng)。

根據(jù)相關(guān)理論，有[2]

來判斷是否能全壓起動(dòng)。依據(jù)表1數(shù)據(jù)，并按照業(yè)主對起動(dòng)期間上級10kV母線殘壓不能低于90%的嚴(yán)格要求，可以計(jì)算得出

式中，Kiq為額定電壓時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)；Skm為供電系統(tǒng)的最小短路容量，MVA；Qfh為母線已接負(fù)荷的無功功率，Mvar；可以得出因此不能滿足全壓起動(dòng)的要求，必須采用降壓起動(dòng)，本設(shè)計(jì)方案為液阻降壓起動(dòng)。

表1 電動(dòng)機(jī)及負(fù)載詳細(xì)參數(shù)

3.1 克服空壓機(jī)組靜阻轉(zhuǎn)矩所需電動(dòng)機(jī)最低端電壓[2]

式中，M*j=0.07，傳動(dòng)機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值；M*qd為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值；因此，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)要求電動(dòng)機(jī)的端子電壓相對值應(yīng)不小于電源額定電壓的39.24%。

液阻降壓起動(dòng)的起動(dòng)方案供電系統(tǒng)簡圖如圖 1所示，供電系統(tǒng)等值電路圖如圖2所示。

圖1 電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)的系統(tǒng)簡圖

圖2 電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)的系統(tǒng)等值電路圖

3.2 起動(dòng)時(shí)電源側(cè)母線、機(jī)端處的電壓計(jì)算

在起動(dòng)回路中串液阻為

式中，m為計(jì)算系數(shù)，一般取 1.1～1.2；kst為實(shí)際要求起動(dòng)倍數(shù)，本計(jì)算取3倍。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，液阻處于最大值位置，隨著起動(dòng)的進(jìn)行液阻逐漸減小至零，即起動(dòng)完成。

空壓機(jī)組起動(dòng)時(shí)，忽略電纜線路阻抗時(shí)電動(dòng)機(jī)回路向電網(wǎng)輸入的額定容量[3]：

根據(jù)無限大容量電源系統(tǒng)供電的電壓降計(jì)算，降壓起動(dòng)時(shí)電源處母線上的電壓相對值[3]為

降壓起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子的電壓相對值[3]為

由以上計(jì)算結(jié)果u3＞u*qd（48.78%＞39.24%）可知，當(dāng)起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子處電壓大于克服靜阻轉(zhuǎn)矩所需的電動(dòng)機(jī)最低端電壓，完全可以保證空壓機(jī)組要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；另外電源母線處電壓為92%，也完全滿足業(yè)主不低于90%的要求。

3.3 起動(dòng)一次時(shí)間計(jì)算[2]

液阻阻值在整個(gè)起動(dòng)過程中是變化的，將由最大值逐漸變?yōu)榱悖虼穗妱?dòng)機(jī)的端電壓是變化的，求其平均電壓作為機(jī)端的起動(dòng)電壓。在全壓起動(dòng)并忽略線路阻抗時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入容量等于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量，因此有機(jī)端電壓等于電源母線電壓，根據(jù)式（5），即[3]

求得機(jī)端電壓相對值為

另已知[1]

求得起動(dòng)一次時(shí)間為

綜上所述，當(dāng)液態(tài)電阻阻值調(diào)制為2.1Ω時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流控制在 3倍，起動(dòng)時(shí)機(jī)端電壓為48.78%，電源側(cè)母線壓降8%，起動(dòng)時(shí)間約42s。起動(dòng)時(shí)機(jī)端電壓滿足克服負(fù)載靜阻轉(zhuǎn)矩所需要的最低電壓，母線壓降限制滿足業(yè)主的要求，起動(dòng)時(shí)間也在電動(dòng)機(jī)的允許范圍內(nèi)。該空壓機(jī)組于2016年3月3日試車，并一次起動(dòng)成功；液態(tài)軟起動(dòng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)，整個(gè)起動(dòng)過程中無振動(dòng)、異響發(fā)生；上級供電系統(tǒng)運(yùn)行正常，無跳閘事故發(fā)生。實(shí)際最大起動(dòng)電流為 2.9倍；起動(dòng)過程中電源側(cè)母線電壓下降670V，起動(dòng)時(shí)間為 42s，起動(dòng)實(shí)測數(shù)據(jù)與上述理論計(jì)算基本接近。

4 結(jié)論

實(shí)際的起動(dòng)效果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的可行性、可靠性。液態(tài)軟起動(dòng)裝置的起動(dòng)效果令人滿意，并得到了用戶的一致好評?？諌簷C(jī)組的成功起動(dòng)，為氣化爐早日出氣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，將產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。在整個(gè)煤氣站熱試、投產(chǎn)期間，空壓機(jī)組又分別進(jìn)行過三次起動(dòng)，均一次起動(dòng)成功，液態(tài)軟起動(dòng)裝置運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，液阻水箱溫升正常；在起動(dòng)期間電動(dòng)機(jī)的定子繞組溫升均正常。在空壓機(jī)組的起動(dòng)過程中需注意以下問題：電動(dòng)機(jī)配電回路盡量接到系統(tǒng)短路容量大的母線段上，以降低起動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊；起動(dòng)大型機(jī)組前，必須進(jìn)行整機(jī)組盤車，同時(shí)應(yīng)將壓縮機(jī)進(jìn)氣閥門調(diào)至最?。ㄩ_度在 10°以下為宜），讓機(jī)組盡可能最小負(fù)荷下起動(dòng)，以縮短起動(dòng)時(shí)間。

[1]周韋.GZYQ高壓交流電動(dòng)機(jī)液態(tài)（智能）軟起動(dòng)裝置[J].電世界,2005,46(9)：13-13.

[2]鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊（下冊）[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1996.

[3]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京：中國電力出版社,2005.

[4]王鳳閣,孫玉鴻.15500kW 同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)軟起動(dòng)效果分析[J].設(shè)計(jì)通訊,2005(1)：23-25.

[5]李劍鋒.高壓液態(tài)電阻軟起動(dòng)裝置在大型同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用[J].電機(jī)技術(shù),2014(5)：31-31.

Application of Soft-start Design for the 12000kW Asynchronous Motor

Dong Tingjie Chen Xia
(Innovative Coal Chemical Design Institute (Shanghai) Co.,Ltd,Shanghai 200233)

With large air compressor unit of practice in engineering design,the paper expounds soft-start solution of the high voltage asynchronous motor and the application of liquid soft-start device in the large unit starting.When the motor is started,air compressor unit run smoothly,power network operate normally,the measured parameters are in agreement with the theoretical calculation,so the design is correct and feasible.

air compressor unit；asynchronous motor；liquid soft-start device；design

董廷杰（1981-），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事石油化工供配電設(shè)計(jì)工作。