高貴軍，高輝

（鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司電氣自動化室，遼寧鞍山114001）

供用電

冶金工廠高壓電動機(jī)的幾種起動方式比較

高貴軍，高輝

（鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司電氣自動化室，遼寧鞍山114001）

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，冶金、礦山等產(chǎn)業(yè)規(guī)模也不斷的壯大，而大功率高壓電動機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中所占的比例也越來越大，能否成功地保證高壓電動機(jī)起動和可靠運(yùn)行就顯得十分重要，直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。文章以某鋼廠為樣本，分析比較了高壓電動機(jī)常用的幾種起動方式。

高壓電動機(jī)；全壓起動；電抗器降壓起動；軟起動

1 引言

電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，是工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)葟V泛采用的一種動力機(jī)械，隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，其生產(chǎn)設(shè)備的驅(qū)動電機(jī)功率也越來越大，能否保證其安全、可靠的運(yùn)行直接關(guān)系到工礦企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的連續(xù)性及其經(jīng)濟(jì)效益，所以合理正確地選擇高壓電動機(jī)起動方式就顯得格外重要。

2 電動機(jī)起動的基本要求[1]

電動機(jī)起動時(shí)，其端子電壓應(yīng)能保證所拖動的機(jī)械要求的起動轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作。為此，交流電動機(jī)起動時(shí)，各級配電母線上的電壓應(yīng)符合下列要求：

（1）一般情況下，電動機(jī)頻繁起動時(shí)，不宜低于額定電壓的90%，電動機(jī)不頻繁起動時(shí)，不宜低于額定電壓的85%。

（2）配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負(fù)荷，且電動機(jī)不頻繁起動時(shí)，不應(yīng)低于額定電壓的80%。

（3）配電母線上未接其他用電設(shè)備時(shí)，可按保證電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的條件決定；對于低壓電動機(jī)，尚應(yīng)保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。

3 工程概況

某鋼廠異地搬遷新建制氧系統(tǒng)，空壓機(jī)及起動設(shè)備利舊，氧壓機(jī)及氮壓機(jī)新建，三種電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 主電機(jī)參數(shù)

3臺主電機(jī)電源均取自新建10 kV供配電系統(tǒng)，10 kV系統(tǒng)母線短路容量約為364 MVA，設(shè)計(jì)并校驗(yàn)主電機(jī)起動方式。

4 電動機(jī)起動方式的選擇

4.1 氮壓機(jī)——全壓起動

校驗(yàn)電動機(jī)起動時(shí)母線電壓是否符合要求：

電動機(jī)額定容量：

電動機(jī)額定起動容量：

起動回路的額定輸入容量（Xl線路距離短，電抗忽略）：

電動機(jī)起動時(shí)母線電壓相對值：

式中，Skm——10 kV母線短路容量，364 MVA，

Qfh——欲接負(fù)荷的無功功率，4.7 Mvar。

帶入上述數(shù)據(jù)，求得ustm=0.95≥0.9，起動時(shí)母線電壓符合要求。

籠型電動機(jī)和同步電動機(jī)符合下列條件時(shí)，電動機(jī)應(yīng)全壓起動：

（1）電動機(jī)起動時(shí)，配電母線的電壓應(yīng)符合電動機(jī)起動的基本要求；

（2）機(jī)械能承受電動機(jī)全壓起動時(shí)的沖擊轉(zhuǎn)矩；（3）制造廠對電動機(jī)的起動方式無特殊規(guī)定。本工程氮壓機(jī)符合上述所有條件，故采用全壓直接起動。

另外，還可以按電源容量估算電動機(jī)是否允許直接起動[2]，如表2所示。

表2 按電源容量估算的允許全壓起動的電動機(jī)最大功率

綜上所述，只要電網(wǎng)容量足夠大，且符合規(guī)定的條件，電動機(jī)就應(yīng)采用全壓起動。

4.2 空壓機(jī)——定子繞組串電抗器降壓起動

校驗(yàn)電動機(jī)起動時(shí)母線電壓是否符合要求：

電動機(jī)額定容量：

電動機(jī)額定起動容量：

直接起動時(shí)起動回路的額定輸入容量（Xl線路電抗忽略）：

直接起動時(shí)母線電壓相對值：

式中，Skm——10 kV母線短路容量，364 MVA，

Qfh——欲接負(fù)荷的無功功率，4.7Mvar。

帶入上述數(shù)據(jù)，求得ustm1=0.89，直接起動時(shí)母線電壓基本處于臨界狀態(tài)。

考慮仍利舊原有空壓機(jī)起動電抗器，對母線電壓進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)，看是否滿足要求。

每相電抗器額定電抗Xr為0.866 Ω。

起動回路的額定輸入容量：

電動機(jī)起動時(shí)母線電壓相對值：

電動機(jī)起動時(shí)端子電壓相對值：

由于電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩與起動時(shí)其定子繞組電壓平方成正比，故要求電動機(jī)起動時(shí)端子電壓應(yīng)能保證傳動機(jī)械要求的起動轉(zhuǎn)矩，即要求

根據(jù)電機(jī)資料，電動機(jī)傳動機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對值Mj為0.3，電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩相對值MstM為0.8，帶入上式中求得

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，電機(jī)串電抗器起動時(shí)配電母線電壓降符合要求，電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩亦符合要求，故本空壓機(jī)仍采用電動機(jī)定子繞組串電抗器降壓起動。

在電動機(jī)定子繞組串電抗器起動時(shí)，起動電流成比例減小，而起動轉(zhuǎn)矩則成平方關(guān)系減小，因此，電抗器阻值的選擇必須滿足電動機(jī)起動時(shí)端子電壓應(yīng)能保證機(jī)械所需的起動轉(zhuǎn)矩的條件，只有電動機(jī)

在電動機(jī)定子繞組串電抗器起動時(shí)，起動電流成比例減小，而起動轉(zhuǎn)矩則成平方關(guān)系減小，因此，電抗器阻值的選擇必須滿足電動機(jī)起動時(shí)端子電壓應(yīng)能保證機(jī)械所需的起動轉(zhuǎn)矩的條件，只有電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩大于機(jī)械所需的起動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)才能順利起動。

如果其參數(shù)選擇不當(dāng)，則電動機(jī)不能正常起動，引起繼電保護(hù)誤動，或起動時(shí)間過長電機(jī)發(fā)熱，甚至燒毀電抗器。

空壓機(jī)定子繞組串電抗器起動一次系統(tǒng)圖，如圖1所示。

圖1 電動機(jī)串電抗器降壓起動一次系統(tǒng)圖

圖2 電動機(jī)軟啟動一次系統(tǒng)圖

4.3 氧壓機(jī)——軟啟動

校驗(yàn)電動機(jī)起動時(shí)母線電壓是否符合要求：

電動機(jī)額定容量：

電動機(jī)額定起動容量：

起動回路的額定輸入容量（Xl線路電抗忽略）：

電動機(jī)起動時(shí)母線電壓相對值：

式中，Skm——10 kV母線短路容量，364 MVA，

Qfh——欲接負(fù)荷的無功功率，4.7 Mvar。

帶入上述數(shù)據(jù)，求得ustm=0.9，起動時(shí)母線電壓基本處于臨界狀態(tài)。

為保證母線電壓降符合要求及起動安全可靠，考慮采用軟啟動器進(jìn)行降壓起動，如圖2所示。

軟啟動器是用多個可控硅串并聯(lián)而成，可以滿足不同的電流及電壓要求，控制可控硅的觸發(fā)角就可以控制輸出電壓的大小。

在電動機(jī)起動過程中，軟啟動器按照預(yù)先設(shè)定的起動曲線增加電動機(jī)的端電壓使電動機(jī)平滑加速，從而減少了電動機(jī)起動時(shí)對電網(wǎng)、電機(jī)本身、相連設(shè)備的電氣及機(jī)械沖擊，使電機(jī)平穩(wěn)起動。當(dāng)電動機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，旁路接觸器接通，電動機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)電動機(jī)起動完畢后，軟啟動器繼續(xù)監(jiān)控電機(jī)并提供各種故障保護(hù)。

軟啟動器主要組成部分：

（1）主功率回路：主要由高壓可控硅串聯(lián)閥組和旁路接觸器組成。當(dāng)軟啟動器得電后，通過控制可控硅的導(dǎo)通角以實(shí)現(xiàn)對交流三相電源進(jìn)行斬波、控制輸出電壓的幅值。并在起動過程完成后將旁路接觸器閉合，軟啟動器切換到旁路狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉可控硅。

（2）控制和保護(hù)電路：控制和保護(hù)電路是軟啟動器的核心部分，通過閉環(huán)控制可控硅的導(dǎo)通角的大小，從而完成對電機(jī)的起動和停車的控制。同時(shí)完成軟啟動器的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷與保護(hù)等功能。

（3）人機(jī)界面單元：主要由液晶面板、鍵盤及上位遠(yuǎn)程軟件組成，用以實(shí)現(xiàn)相關(guān)的參數(shù)設(shè)置、起動方式的選擇及顯示設(shè)備運(yùn)行方式等。

軟啟動器能夠提供多種起動方式：

（1）標(biāo)準(zhǔn)軟起動

該起動方式可以有效減少起動轉(zhuǎn)矩沖擊，可以提供無級平滑的起動加速度。根據(jù)需要設(shè)定起動轉(zhuǎn)矩，軟啟動器便根據(jù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和起動時(shí)間確定的斜率線性控制輸出電壓。

（2）限流軟起動

對于要求限制電機(jī)加速過程中的電流沖擊的場合，起動電流可設(shè)定為電機(jī)滿載電流的3～5倍，限制時(shí)間為0～30 s。在限流起動的過程中，軟啟動器一旦檢測到電機(jī)達(dá)到全速，輸出電壓將達(dá)到全壓，旁路接觸器將閉合。

（3）雙斜坡起動

雙斜坡起動方式能夠在兩種不同斜率的起動曲線之間進(jìn)行選擇，可以分別地調(diào)整斜坡時(shí)間和初始起動轉(zhuǎn)矩。

（4）全壓起動

在全壓起動方式下，軟啟動器相當(dāng)于固態(tài)接觸器，電機(jī)受到全額的沖擊電流。

4.4 其他幾種高壓電動機(jī)的起動方式

除了上述介紹的幾種起動方式之外，還有采用自耦變壓器降壓起動、水電阻軟起動裝置起動、變頻器起動及變壓器電動機(jī)組起動等。采用自耦變壓器降壓起動時(shí)，起動電壓、起動電流及起動轉(zhuǎn)矩與串電抗器降壓起動原理相同；采用水電阻裝置起動時(shí)，起動性能較好，但裝置的體積大，控制復(fù)雜且維護(hù)相對繁瑣，同時(shí)受到電動機(jī)功率的限制，在大功率高壓電動機(jī)起動中應(yīng)用較少；采用變頻器起動時(shí)對電網(wǎng)的沖擊很小，起動性能好，但費(fèi)用相對較高，一般應(yīng)用于需要調(diào)速變負(fù)載運(yùn)行的風(fēng)機(jī)和泵類機(jī)械及大容量電動鼓風(fēng)機(jī)等；變壓器電動機(jī)組適用于用戶單位內(nèi)無高壓電動機(jī)所需等級的電壓母線，或者相同電壓等級的母線容量不能滿足電動機(jī)起動要求時(shí)，這時(shí)可考慮采用一臺變壓器單獨(dú)給電動機(jī)供電，這臺變壓器既作為供電變壓器又作為起動變壓器。

5 結(jié)束語

綜合分析比較各種高壓電動機(jī)的起動方案，電動機(jī)應(yīng)優(yōu)先考慮全壓起動，全壓起動是最簡單、最經(jīng)濟(jì)、最可靠的起動方式，只要符合規(guī)定的條件，就應(yīng)該優(yōu)先采用。當(dāng)不能滿足全壓起動條件或工藝上有調(diào)速等特殊要求時(shí)，才應(yīng)考慮采用軟啟動、變頻等降壓起動方法進(jìn)行電動機(jī)的降壓起動。

[1]任元會.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]鮑德芝.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.

A Comparison of the Start-up Modes of High-voltage Motors in Metallurgical Works

GAO Guijun，GAO Hui
(The Engineering Technology Co.,Ltd.of Anshan Iron&Steel Group,Anshan,Liaoning 114001,China)

With the rapid development of economy,the scales of metallurgical and mining industries has been continuously growing and more and more high power high-voltage motors have been used in industrial production,therefore it becomes very important and directly related to the economic performance of the enterprises to ensure the starting and reliable operation of these high-voltage motors.Taking some steelmaking plant as an example,the article comparatively analyzes several common starting modes of high-voltage motors.

high-voltage motor;full voltage start-up;reactor reduced-voltage start-up; soft start-up

TM3

B

1006-6764(2014)06-0001-03

2014－01－20

高貴軍（1981－），男，2004年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事電氣工程及其自動化技術(shù)研究工作。