程愛(ài)玲，崔瑞卿

（開(kāi)封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院，河南 開(kāi)封 475003）

0 引言

近年來(lái)，許多行業(yè)的生產(chǎn)能力越來(lái)越大，其生產(chǎn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也越來(lái)越大，如在鋼鐵、化工行業(yè)，10 000 kW以上的電動(dòng)機(jī)的使用已越來(lái)越多。隨著大容量交流電動(dòng)機(jī)在各行業(yè)的普遍應(yīng)用，電機(jī)啟動(dòng)問(wèn)題就顯得更加突出。如果電機(jī)采用直接啟動(dòng)的方式，超大的啟動(dòng)電流沖擊和過(guò)高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)對(duì)供電網(wǎng)造成嚴(yán)重干擾和對(duì)機(jī)械負(fù)載造成損害，甚至造成電網(wǎng)劇烈波動(dòng)或負(fù)載設(shè)備損毀［1］。為了減小電機(jī)直接啟動(dòng)所引起的負(fù)面影響，一般采用降壓軟啟動(dòng)方案。

軟啟動(dòng)是通過(guò)降低加在交流電動(dòng)機(jī)上的起始電壓，使啟動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩降低，并在某個(gè)事先設(shè)定的時(shí)限內(nèi)，對(duì)供電網(wǎng)的其他電氣設(shè)備的有害影響被限制在允許限度以內(nèi)，使電動(dòng)機(jī)升速至其額定值。根據(jù)工作原理不同，電機(jī)軟啟動(dòng)裝置大致可分為液阻軟啟動(dòng)、磁控軟啟動(dòng)、開(kāi)關(guān)變壓器軟啟動(dòng)、固態(tài)降壓軟啟動(dòng)、變頻器軟啟動(dòng)等。其中，變頻軟啟動(dòng)就是通過(guò)變頻器或具有變頻功能的軟啟動(dòng)器來(lái)調(diào)整頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。它在限流的同時(shí)，保持大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，既減少電機(jī)啟動(dòng)瞬間大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，又確保為電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)提供足夠啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以符合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要，是目前性能最高的軟啟動(dòng)方案［2］。

1 項(xiàng)目概況

供給霍邱工程的2套25 000空分裝置各有1臺(tái)空壓機(jī)，其電機(jī)功率均為10 kV／12 300 kW，為上海電機(jī)廠4極異步電機(jī)。電機(jī)的基本參數(shù)：功率因數(shù)為 0．89，效率為 0．96，定子電流為 831A，啟動(dòng)電流倍數(shù)為 6，轉(zhuǎn)速為 1 495 r／min。

由于兩套空分空壓機(jī)不要求同時(shí)啟動(dòng)，而高壓變頻軟啟動(dòng)裝置技術(shù)成熟，性能可靠，因此完全可利用一套高壓變頻軟啟動(dòng)裝置來(lái)分別啟動(dòng)兩套空壓機(jī)系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)省投資，節(jié)省設(shè)備，節(jié)省占地面積的三重效果。

空分機(jī)廠家提供的速度力矩曲線如圖1所示。

圖1 空分機(jī)速度力矩曲線Fig.1 Compressor speed moment curve

2 變頻器軟啟動(dòng)裝置組成及容量確定

2．1 變頻器軟啟動(dòng)裝置組成

本變頻軟啟動(dòng)裝置主要由5 000k VA進(jìn)線變壓器、變頻器、輸出電抗器、同期切換裝置、切換高壓開(kāi)關(guān)柜、軟起PLC控制柜組成。

2．2 變頻器軟啟動(dòng)裝置容量的確定

按照電機(jī)空載啟動(dòng)曲線，可以得出如下結(jié)果：

（1）參考標(biāo)準(zhǔn)工況曲線圖，軟啟動(dòng)所需要的啟動(dòng)力矩為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的27%。電機(jī)的額定力矩為78 572 N·m，標(biāo)準(zhǔn)工況1啟動(dòng)所需的力矩為21 214 N·m。

（2）參考標(biāo)準(zhǔn)工況曲線2，軟啟動(dòng)所需要的啟動(dòng)力矩為電機(jī)額定力矩的40%，即31 429 N·m。

1.3.1 單一指標(biāo)測(cè)定 從種子出芽開(kāi)始，每天觀測(cè)記錄發(fā)芽情況，由于辣椒品種不同，發(fā)芽具有不整齊特點(diǎn)。因而，確定發(fā)芽觀察期為10 d，以胚根長(zhǎng)超過(guò)種子長(zhǎng)度的1/2作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)以上計(jì)算，選擇高壓變頻器作為電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)變頻器，額定容量為5 000 kVA，輸入電壓為10 kV，輸出電壓為 0～10 kV［3］。

3 空壓機(jī)主電機(jī)的啟動(dòng)

3．1 系統(tǒng)方案

變頻軟啟動(dòng)系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 空壓主電機(jī)變頻軟起動(dòng)系統(tǒng)方案Fig.2 Frequency conversion soft start system scheme

圖中，KG1為1號(hào)空壓機(jī)啟動(dòng)高壓開(kāi)關(guān)柜；L1為 1號(hào)空壓機(jī)運(yùn)行高壓開(kāi)關(guān)柜；V1為1號(hào)空壓機(jī)切換高壓開(kāi)關(guān)柜；KG2為2號(hào)空壓機(jī)啟動(dòng)高壓開(kāi)關(guān)柜；L2為2號(hào)空壓機(jī)運(yùn)行高壓開(kāi)關(guān)柜；V2為2號(hào)空壓機(jī)切換高壓開(kāi)關(guān)柜。

3．2 啟動(dòng)原理

以啟動(dòng)1號(hào)空壓機(jī)（M1）為例。由于本項(xiàng)目的電機(jī)功率很大，高壓變頻軟啟動(dòng)裝置的容量也較大，在變頻軟啟動(dòng)裝置介入電網(wǎng)時(shí)，如不采取相應(yīng)的措施，將產(chǎn)生很大的激磁涌流，對(duì)上級(jí)開(kāi)關(guān)和變頻器本身都產(chǎn)生沖擊。因此，為保證系統(tǒng)的安全和可靠性，高壓變頻軟啟動(dòng)裝置配置有預(yù)充電回路以降低激磁涌流。

在得到上級(jí)允許后，合上變頻器輸入開(kāi)關(guān)KG1和輸出開(kāi)關(guān)V1，變頻器帶動(dòng)M1電機(jī)開(kāi)始工作。這時(shí)，變頻器的輸出頻率從0 Hz逐步升到50 Hz（升速時(shí)間可設(shè)定），輸出電壓從0 V開(kāi)始逐漸上升，直到升到10 kV。M1電機(jī)開(kāi)始在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

在變頻器輸出達(dá)到50 Hz以后，接受并網(wǎng)命令，調(diào)整變頻器，使其輸出電壓逐步與輸入電網(wǎng)電壓同相位。在系統(tǒng)確認(rèn)變頻器輸出電壓和電網(wǎng)電壓同頻、同相以后，變頻器自動(dòng)合上電網(wǎng)開(kāi)關(guān)L1。由于這時(shí)電機(jī)的頻率、相位以及幅值與和電網(wǎng)一致，合上L1對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)沒(méi)有任何沖擊（切換過(guò)程在10 s內(nèi)自動(dòng)完成）。

并網(wǎng)后，電機(jī)由變頻器和電網(wǎng)共同供電，電機(jī)的負(fù)載由變頻器轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)，最后變頻器自動(dòng)斷開(kāi)V1，整個(gè)M1電機(jī)負(fù)載由電網(wǎng)承擔(dān)，電機(jī)M1啟動(dòng)完畢。這時(shí)，同期參數(shù)應(yīng)該為⊿V≤3%Un、⊿F≤0．3Hz、0°≤⊿φ≤5°。

3．3 啟動(dòng)過(guò)程 （啟動(dòng)M1）

保證空壓機(jī)為空載啟動(dòng)，并且電動(dòng)機(jī)冷卻、潤(rùn)滑均正常。

（1）空壓機(jī)機(jī)旁控制盤PLC發(fā)出允許啟動(dòng)M1指令。啟動(dòng)M1時(shí)，首先操作1號(hào)壓縮機(jī)機(jī)旁控制盤啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)指令送至變頻軟啟動(dòng)裝置，由軟啟動(dòng)PLC判斷KG1及V1、V2位置。若各開(kāi)關(guān)均處于分閘位置，發(fā)出合上變頻器輸入開(kāi)關(guān)KG1和輸出開(kāi)關(guān)V1的指令，變頻動(dòng)器帶M1電機(jī)開(kāi)始工作，空壓機(jī)啟動(dòng)，并將啟動(dòng)信號(hào)分別送至空壓機(jī)機(jī)旁控制盤及變頻軟啟動(dòng)裝置。此時(shí)，如果KG1及V1、V2高壓開(kāi)關(guān)位置不正確，PLC應(yīng)該發(fā)出報(bào)警指令，并且排除高壓開(kāi)關(guān)故障。

（2）變頻器控制電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，并且拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)從0轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速，輸出頻率及電壓也相應(yīng)升至額定頻率、額定電壓。

（3）當(dāng)變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻、同相后，變頻器輸出切換允許信號(hào)至PLC，軟啟動(dòng)PLC確認(rèn)內(nèi)、外同期裝置都發(fā)出同期結(jié)束信號(hào)后，合上L1。

（4）軟啟PLC斷開(kāi)變頻器輸出高壓開(kāi)關(guān)V1。

（5）PLC清除傳遞至VFD “變頻器輸出高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)”。

（6）PLC清除傳遞至VFD “工頻高壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)”。

（7）準(zhǔn)備下次啟動(dòng)。

綜上所述，在切換過(guò)程中，電機(jī)始終有電源供給，不會(huì)有瞬時(shí)缺電或合閘電流沖擊，從而可實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行工況的無(wú)擾切換。該變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、dv／dt及共模電壓等問(wèn)題的特性。因此，無(wú)需濾波器，適用于普通電機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓變頻軟啟動(dòng)方案在本項(xiàng)目的成功應(yīng)用，為大型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題多提供了一個(gè)選擇方案。具體什么情況下選擇該方案，應(yīng)從以下幾個(gè)方面綜合考慮。

（1）電網(wǎng)為較小的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)采用其他軟啟動(dòng)方案難以保證發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)負(fù)荷能力，難以保證啟動(dòng)過(guò)程中的母線壓降允許值時(shí)，可采用變頻軟啟動(dòng)方案。

（2）電網(wǎng)雖為系統(tǒng)電網(wǎng)，但短路容量小，當(dāng)采用其他軟啟動(dòng)方案不能保證啟動(dòng)過(guò)程中的母線壓降允許值，或雖可保證母線壓降允許值，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足以克服機(jī)械轉(zhuǎn)矩，難以滿足電動(dòng)機(jī)對(duì)溫升限值要求時(shí)，可采用變頻軟啟動(dòng)方案。

（3）系統(tǒng)短路容量較大，當(dāng)采用其他軟啟動(dòng)方案啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子電壓能保證被拖動(dòng)機(jī)械要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓下降不妨礙其他用電設(shè)備的工作，即能夠滿足母線壓降要求時(shí)，不提倡采用變頻軟啟動(dòng)方案。因?yàn)閺耐顿Y角度考慮，該方案比采用其他軟啟動(dòng)方案大很多。

［1］ 道客巴巴．電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的危害［EB ／OL］．（2014－01－12）http： ／／www．doc88．com ／p－940839820266．html．

［2］榮信電力電子股份有限公司．高壓有級(jí)變頻起動(dòng)裝置（VFS）產(chǎn)品簡(jiǎn)介—電機(jī)起動(dòng)面臨的問(wèn)題及常用起動(dòng)方案比較［Z］．鞍山：榮信電力電子股份有限公司：3-6．

［3］中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院．工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．3 版．北京：中國(guó)電力出版社，2005：267．