高壓大型同步電動機自耦變壓器降壓起動方式的探討

張寶喜

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 前言

伴隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電動機制造工業(yè)生產(chǎn)力得到很大釋放，單機容量迅速提升，產(chǎn)品種類和技術(shù)指標(biāo)不斷增加，標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，與國外電動機制造工業(yè)水平差距逐漸縮小，大容量電動機的使用越來越廣泛。

同步電動機作為常用的交流電動機，與直流電動機和感應(yīng)電動機不同在于，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速，且其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，因此適用于恒速負載且功率較大的場合以及需要改善電網(wǎng)功率因數(shù)的場合[1]。

同步電動機既可以作為電動機使用，又可以作為補償機使用，還可以作為發(fā)電機使用。在現(xiàn)代發(fā)電廠中，交流發(fā)電機幾乎都是同步發(fā)電機；在電力企業(yè)和工礦系統(tǒng)中，大容量的電動機往往都是同步電動機或者同步補償機。同步電動機直接投入電網(wǎng)運行時，存在著失步與起動困難兩大難題，這些難題制約著同步電動機的運用與發(fā)展[2]。

2 同步電動機起動方式的選擇

2.1 交流電動機的各種起動方式

籠型異步電動機和同步電動機的起動方式常用的有全壓起動、降壓起動和變頻起動。

2.2 交流電動機起動方式的比較

變頻起動是一種高效率、高性能的起動和調(diào)速方式，伴隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，變頻起動得到了廣泛的應(yīng)用，但是其系統(tǒng)復(fù)雜，造價較高，轉(zhuǎn)速變化率小，對項目的初始投資造成一定的困難。

減壓起動常用方式有以下六種：1）星形-三角形減壓起動；2）延邊三角形減壓起動；3）電阻減壓起動；4）晶閘管減壓起動；5）電抗器減壓起動；6）自耦變壓器減壓起動。其中前四種常用于低壓籠型異步電動機，對于高壓籠型異步電動機和同步電動機，一般只采用后兩種減壓起動方式。

自耦變壓器減壓起動和電抗器減壓起動均常用于高壓電動機的起動，但是自耦變壓器減壓起動的特點是起動電流較小，起動轉(zhuǎn)矩較大；而電抗器減壓起動的特點是起動電流較大，起動轉(zhuǎn)矩較小[3]。

2.3 起動方式的要求

對于同步電動機，應(yīng)優(yōu)先采用全壓起動，且在起動時起動電壓降、起動容量、電動機及其起動設(shè)備的動熱穩(wěn)定應(yīng)滿足要求。

電動機起動時，應(yīng)對變壓器過負荷進行校驗。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求、設(shè)備廠家試驗數(shù)據(jù)：1）若每晝夜起動6 次，每次起動時間不超過15s，變壓器的負荷率小于90%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的4 倍；2）若每晝夜起動6 次，每次啟動持續(xù)時間不超過30s，變壓器負荷率小于70%時，最大起動電流允許值為變壓器額定電流的4 倍；3）若每晝夜起動10～20次，每次起動時間不超過30s，變壓器負荷率小于70%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的2～3 倍；4）若每晝夜起動10～20 次，每次起動時間不超過15s，變壓器負荷率小于90%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的2～3 倍。當(dāng)不符合上述條件時，應(yīng)加大變壓器的容量，而不是進一步降低起動電壓，否則會延長電動機的起動時間，使變壓器過熱[4]。

不經(jīng)常起動的電動機電壓降不應(yīng)大于15%；經(jīng)常起動的電動機電壓降不應(yīng)超過10%；在保證生產(chǎn)機械所要求的起動轉(zhuǎn)矩又不影響其他用電負荷的正常運行，起動電壓降可允許到20%。

2.4 項目實用舉例（僅對自耦變壓器減壓起動方式研究計算）

某項目2500kW 變流機組的同步電動機起動條件計算：

1）變電所3kV 母線上短路容量Sdl=45MVA；2）機組的靜阻轉(zhuǎn)矩M*j=0.1；3）母線上的無功負荷Qfh=1.5Mvar；4）機組的總飛輪轉(zhuǎn)矩GD2=43.6Mg；5）電動機的額定容量Se=3.3MVA；6）電動機的額定功率Pe=2500kW；7）電動機的額定電流Ie=626A；8）電動機的額定電壓Ue=3kV；9）3kV 母線電壓Ue’=3.15kV；10）電動機的全起動電壓U*qe=1；11）電動機全電壓起動時的電流倍數(shù)Kiq=7.5；12）電動機全電壓起動時的轉(zhuǎn)矩M*qe=0.9；13）電動機全電壓起動時的牽入轉(zhuǎn)矩M*yr=0.7；14）電動機起動時的平均轉(zhuǎn)矩M*qp=0.8；15）電動機的功率因數(shù)cosφ=-0.88；16）電動機的額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min；17）連續(xù)起動次數(shù)N=2 次；18）最小 電壓（Uqe’=0.6×Ue）起動時電動機的起動轉(zhuǎn)矩Me’；19）電動機0.6×Ue起動時的牽入轉(zhuǎn)矩M*qyr。

計算全壓起動的可能性：

1）計算系數(shù)α=1/U*m-1=0.25（根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范GB50055 要求，U*m=0.8，下同）;2）采用全壓起動的條件：Kiq×Se＜α×（Sdl+Qfh）；Kiq×Se=7.5×3.3=24.75，α×（Sdl+Qfh）=0.25×（45+1.5）=8.1375，24.75＞11.625，不滿足全壓起動條件。

計算自耦變壓器起動的可能性：1）計算系數(shù)δ=U*m×（1-U*m）=0.16；2）采用自耦變壓器減壓起動的條件：δ×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）＞1.1×（M*j/M*q）；

δ×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）=0.16×（45+1.5）/（7.5×3.3）=0.3，1.1×（M*j/M*q）=1.1×（0.1/0.9）=0.122，0.3＞0.122，滿足自耦變壓器減壓起動條件。

3）計算系數(shù)α=1/U*m-1=0.25

4）自耦變壓器的變比

5）可選用某廠家非標(biāo)準(zhǔn)的自耦變壓器，其變比Nbz=0.73。

自耦變壓器起動校驗：

1）起動電壓降低時的起動容量

表1 某廠家自耦變壓器各種電壓段的二次電壓與一次電壓之比

表2 某廠家自耦變壓器的容量和負荷時間的變動系數(shù)

2）起動時母線上的電壓

3）起動時電動機端子電壓

4）起動時電動機的起動容量Sq=（Ud/Ud）2×（Kiq×Se）=0.572×（7.5×3.3）=8.05MVA

5）起動時電動機的起動電流Iq=U*q×Kiq×Ie=0.57×7.5×625=2670A

6）起動時電動機的起動轉(zhuǎn)矩M*q=（Ud/Uqe）2×M*qe=0.572×0.9=0.292＞0.1，電動機可以起動。

表3 某廠家自耦變壓器各種電壓段的二次電壓與一次電壓之比

7）起動一次的時間

8）起動計算時間tjs=tq×N=48.7×2=97.4s=1.6min

9）必需的自耦變壓器容量Sbz=Sq×tjs/2=8.05×1.6/2=6.4MVA

10）電壓降低后所需自耦變壓器容量Sbz’=Sbz×（1/U*m）=6.4×（1/0.78）=8.2MVA

11）選用某廠家自耦變壓器的容量9MVA。

3 結(jié)束語

1）高壓大型同步電動機起動時，對于電網(wǎng)電壓波動有極大影響，因此，必須按照電壓暫降的要求對起動方法進行選擇、計算及校驗[5]。

2）對于高壓大型同步電動機是否允許直接起動，首先取決于電動機的結(jié)構(gòu)條件，它由電機制造廠決定。在不能取得電機制造廠的資料時，通常可按下列方法估算，在符合下述條件時，是認為可以直接起動的：

對于3kV 電動機：Pe/極對數(shù)≤250-300kW

對于6kV 電動機：Pe/極對數(shù)≤200-250kW

3）在電網(wǎng)容量允許時，同步電動機應(yīng)盡量采用直接起動。只有在電網(wǎng)容量及電動機結(jié)構(gòu)不允許直接起動時，才必須考慮采用電抗器減壓起動、自耦變壓器減壓起動或變頻起動。