王 涌

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

一種大功率異步電動機(jī)起動方案

王 涌

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

大型電動機(jī)起動對電網(wǎng)、電動機(jī)和拖動設(shè)備的安全影響較大。通常情況下，若全壓起動時(shí)的起動電流使得母線電壓降超過允許值、或者電動機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械不允許直接起動時(shí)，需要采取方法改善起動條件。本文通過工程實(shí)例介紹一種大功率電動機(jī)的起動方法,采用開關(guān)變壓器軟起動和液力耦合器配合使用,同時(shí)采用SVG靜態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)母線電壓。

軟起動；液力耦合器；SVG

根據(jù)GB 755—65規(guī)定，電動機(jī)起動要求其拖動力矩大于機(jī)械設(shè)備靜力矩，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比 Mmax/Me≥1.6。當(dāng)母線電壓降到低于80%～85%時(shí)，滿載的電動機(jī)將無法拖動負(fù)載而堵轉(zhuǎn)停機(jī)。此外，目前工廠中大量使用電子設(shè)備和自控設(shè)備，對供電的穩(wěn)定性要求也越來越高。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 12326—93）《電能質(zhì)量·電壓允許波動和閃變》有如下要求：

1）需頻繁起動的電動機(jī)起動時(shí)，在配電線路末端的電壓降應(yīng)≤10%。

2）偶爾起動的電動機(jī)起動時(shí)，配電母線末端的電壓降不宜>15%。

3）配電線路上未接其他對電壓波動敏感的負(fù)荷，且能保證所拖動的機(jī)械要求的起動轉(zhuǎn)矩時(shí)，配電母線末端電壓降允許達(dá)20%。

4）由變壓器單獨(dú)供電的電動機(jī)，配電母線上未接其他負(fù)荷，其允許的電壓降可由被傳動機(jī)械所要求的起動轉(zhuǎn)矩確定，還應(yīng)保證開關(guān)接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。

5）電動機(jī)起動時(shí)，電網(wǎng)總負(fù)荷容量不應(yīng)超過供電設(shè)備（如變壓器）或電網(wǎng)的過載能力。

本文以某化工項(xiàng)目為背景，該項(xiàng)目中存在一臺17000kW的丙烯壓縮機(jī)主電機(jī)，最終確定該丙烯壓縮機(jī)主電機(jī)起動的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)：即丙烯壓縮機(jī)屬于不常起動電機(jī)，因此起動時(shí)機(jī)端母線電壓在起動最低電壓以上即可，直接起動電壓由電機(jī)廠確定為70%額定電壓以上；10kV母線電壓根據(jù)負(fù)荷情況在起動中應(yīng)維持在90%以上。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 軟起動

傳統(tǒng)的降壓起動方法大都屬于有級減壓起動，起動參數(shù)選定之后不容易根據(jù)電機(jī)以及負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整，而且在起動方式切換過程中存在著二次沖擊電流的情況。針對傳統(tǒng)降壓起動方法的不足，近年來軟起動器得到了廣泛應(yīng)用，它主要包括液阻式軟起動器、磁控式軟起動器以、固態(tài)軟起動器、開關(guān)變壓器軟起動器等四大類。

基于開關(guān)變壓器的軟起動器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)變壓器軟起動器連接示意圖

開關(guān)變壓器軟起動解決了晶閘管的耐壓限制，晶閘管不是串在異步電動機(jī)的定子回路中，而是用變壓器來隔離高壓和低壓，變壓器的高壓繞組串在異步電動機(jī)的定子回路中，而低壓繞組與晶閘管相連。起動時(shí)，通過控制系統(tǒng)控制晶閘管的觸發(fā)角，可以連續(xù)改變低壓繞組上的電壓，進(jìn)而可以改變高壓繞組的電壓而達(dá)到連續(xù)改變電機(jī)端電壓的目的，這樣可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動。由于開關(guān)變壓器的低壓側(cè)電壓比較低，所以不必要采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)，同時(shí)變壓器工作在開關(guān)狀態(tài)，所以變壓器的損耗很小。

1.2 液力耦合器

液力耦合器裝設(shè)于電機(jī)和負(fù)載之間，通過控制工作腔內(nèi)的工作油液及齒輪系統(tǒng)來 傳遞電動機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速。通過這種方式可以達(dá)到調(diào)速的目的，但是在工作中電機(jī)仍然是全速工作。

該項(xiàng)目擬采用Voith Vorecon公司變速行星齒輪液力聯(lián)軸器將主電機(jī)和壓縮機(jī)連接在一起。通過變速行星齒輪液力聯(lián)軸器可以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，不僅可以根據(jù)工藝需求調(diào)節(jié)壓縮機(jī)壓力，還可使起動過程中壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩緩慢增加，避免電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩不足。

1.3 SVG靜態(tài)無功補(bǔ)償

靜止無功發(fā)生器（SVG），是用自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置?；驹砭褪菍⒆該Q相橋式電路通過電抗器或直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出無功電流，實(shí)現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

SVG分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型，其電路基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。直流側(cè)分別采用的是電容和電感這兩種不同的儲能元件。實(shí)際上，由于運(yùn)行效率的原因，迄今投入使用的SVG大都采用電壓型橋式電路，因此SVG往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。

圖2 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)

采用SVG和電容器同時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ梢员苊馄饎忧昂笥捎陔娙萜鞑荒芗皶r(shí)投切造成的過電壓。

2 模擬仿真

2.1 電機(jī)及負(fù)載特性

本文的研究對象丙烯壓縮機(jī)主電機(jī)由上海電機(jī)廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)，效率為 96.9%。額定參數(shù)和起動特性分別如表1和圖3所示。

表1 丙烯壓縮機(jī)主電機(jī)額定參數(shù)

根據(jù)上節(jié)所述，丙烯壓縮機(jī)和變速行星齒輪液力聯(lián)軸器共同作為該電機(jī)的負(fù)載，液力耦合器廠家前后給出兩種負(fù)載特性，先前負(fù)載特性Rev1和改進(jìn)負(fù)載特性Rev2，見表2，用于建立仿真中電機(jī)負(fù)載模型，負(fù)載轉(zhuǎn)矩已經(jīng)折算到電機(jī)側(cè)，用百分比表示。

圖3 丙烯壓縮機(jī)主電機(jī)全壓起動特性

表2 負(fù)荷特性

2.2 仿真分析

本文電機(jī)屬于起動困難型電機(jī)，首先要考慮能否在允許時(shí)間能起動，力求在系統(tǒng)最大壓降一定的情況下，整個起動過程中的電壓盡可能大以減少起動時(shí)間。因此，恒電流控制更適用于本文電機(jī)。

1）全壓起動+改進(jìn)負(fù)載特性Rev2（見表3）

表3

補(bǔ)償后（見表4）。

表4

補(bǔ)償電容器容量為54Mvar。

2）2.65 倍恒流起動+改進(jìn)負(fù)載Rev2（見表5）

表5

補(bǔ)償后（見表6）。

表6

補(bǔ)償容量27Mvar，實(shí)際補(bǔ)償電容21.5Mvar，起動后電壓11.8kV。

經(jīng)過比較，全壓起動時(shí)，起動時(shí)間短，但起動電流倍數(shù)大，系統(tǒng)壓降大，要達(dá)到符合國家標(biāo)準(zhǔn)的壓降水平，需要補(bǔ)償?shù)臒o功大；而采用恒電流軟起動，補(bǔ)償容量在 20Mvar即可。據(jù)此，該項(xiàng)目最終在帶丙烯壓縮機(jī)主電機(jī)的母線上加裝4組6Mvar的電容器和2套±8Mvar SVG。

3 工程實(shí)測結(jié)果

根據(jù)生產(chǎn)廠家現(xiàn)場的調(diào)試驗(yàn)收報(bào)告,電機(jī)在空載和帶壓縮機(jī)起動的情況下,最大起動電流分別為2796A（2.51倍額定電流）和 2807A（2.52倍額定電流）；起動時(shí)間分別為13s和20s；帶壓縮機(jī)負(fù)載的情況下，經(jīng)SVG補(bǔ)償后，電網(wǎng)電壓最多下降7.7%。兩種起動情況下的電流曲線如圖4和圖5所示。

圖4 空載情況下的電流曲線

圖5 帶壓縮機(jī)負(fù)載情況下的電流曲線

可以看出，現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果相比于仿真分析，起動電流倍數(shù)更小，起動時(shí)間更短，同時(shí)起動時(shí)電網(wǎng)最大壓降也更小。分析原因，可能是實(shí)際的壓縮機(jī)負(fù)載特性與聯(lián)軸器廠家給出的負(fù)載特性有一定的偏差，另外也可能是由于壓縮機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)并未達(dá)到電機(jī)的額定功率所致。

4 結(jié)論

石油化工行業(yè)隨著裝置加工量的日益增加，出現(xiàn)越來越多的大型壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等，這些大型設(shè)備在用電機(jī)驅(qū)動時(shí)，電機(jī)的起動是一個十分關(guān)鍵和困難的問題。本文通過仿真分析和現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試數(shù)據(jù)說明，采用液力耦合器+軟起動，同時(shí)附加SVG補(bǔ)償?shù)姆绞?，不失為一種成功的大電機(jī)起動策略。

[1] 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.

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

[3] 甘世紅, 褚建新, 顧偉. 基于開關(guān)變壓器的中壓異步電動機(jī)軟起動器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005,25(16): 153-157.

[4] 翁利民, 舒立平. 靜止無功發(fā)生器（SVG）簡介[J].供用電, 2001, 18(1).

A Starting Scheme of Large Capacity Motor

Wang Yong
(Sinopec Engineering Incorporation EE Department, Beijing 100101)

The starting of large capacity motor has large effect on the safety of grid, motor and drive device. Under normal circumstances, if the starting current of full voltage starting causes the bus voltage drop exceeds the allowable value, or motor and machinery does not allow direct starting, we need to take the method to improve the starting condition. Through a specific project example, this paper introduces a method of starting a large capacity motor. This method adopts switch transformer soft starter and hydraulic coupler, and uses the SVG static wattles power compensation as the adjusting busbar voltage level.

soft starter; hydraulic coupler; SVG

王 涌（1981-），男，江西南昌人，碩士研究生，中級工程師，石油化工廠供配電。