王 龍， 劉海嘯

(山西潞安煤基合成油有限公司，山西 長(zhǎng)治 046100)

引 言

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，大型設(shè)備越來(lái)越多，大型電機(jī)的啟動(dòng)方法也越來(lái)越受到人們的重視。高壓大功率電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一、電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí),瞬間啟動(dòng)電流高達(dá)額定電流的5倍～8倍，引起電網(wǎng)電壓的急劇下降，影響系統(tǒng)其它設(shè)備正常運(yùn)行。二、大的啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊類似三相短路對(duì)電網(wǎng)的沖擊，常常引發(fā)功率振蕩，造成速斷保護(hù)誤動(dòng)作，自動(dòng)控制失靈等故障。三、大電流產(chǎn)生的發(fā)熱使絕緣加速老化，傷害電機(jī)絕緣，降低電機(jī)壽命。四、大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)械設(shè)備的傷害。為了避免上述情況的發(fā)生，高壓大功率電動(dòng)機(jī)通常采用軟啟動(dòng)或者降壓?jiǎn)?dòng)。

1 軟啟動(dòng)分類

軟啟動(dòng)分為有級(jí)和無(wú)級(jí)兩類，有級(jí)軟啟動(dòng)調(diào)節(jié)是分檔的；無(wú)級(jí)軟啟動(dòng)調(diào)節(jié)是連續(xù)的。傳統(tǒng)軟啟動(dòng)均是有級(jí)的，例如星/角變換軟啟動(dòng)，自耦變壓器軟啟動(dòng)等。傳統(tǒng)的有級(jí)軟啟動(dòng)因性能差，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。連續(xù)調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)主要有四種：以電解液限流的液阻軟啟動(dòng)，以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動(dòng)，以IGBT為調(diào)頻調(diào)壓器件的變頻器，以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動(dòng)。

1.1 液態(tài)水電阻軟啟動(dòng)

液態(tài)軟啟動(dòng)的原理是利用伺服電機(jī)改變浸泡在導(dǎo)電液體中的極板距離，使其電阻值由大到小平滑無(wú)極減小，電機(jī)端電壓逐漸上升至全壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)[1]。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低，在啟動(dòng)過(guò)程中不產(chǎn)生高次諧波。但它也有很多缺點(diǎn)：一、液阻箱容積大、溫升高、重復(fù)性差。啟動(dòng)一次后會(huì)導(dǎo)致電解液溫度升高，如果需要進(jìn)行二次啟動(dòng)就必須等到導(dǎo)電液溫度下降到最初設(shè)定的溫度后方可再次啟動(dòng)。二、移動(dòng)極板動(dòng)作需要有一套伺服機(jī)構(gòu)，不容易實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)方式的多樣化。三、維護(hù)周期短、工作量大，箱體中的液體需要定期補(bǔ)充，電極板表面易腐蝕，需要定期做表面處理。四、對(duì)工作環(huán)境要求高，不易安裝在易結(jié)水或顛簸的現(xiàn)場(chǎng)。

1.2 磁控軟啟動(dòng)

磁控軟啟動(dòng)是利用飽和電抗器的原理，在高導(dǎo)磁的閉合回路中通過(guò)直流勵(lì)磁平滑改變電抗器的電抗值，使電抗器兩端電壓由大到小平滑改變，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑的啟動(dòng)過(guò)程[2]。優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)過(guò)程高次諧波較小，免維護(hù)，易控制。與高壓晶閘管軟啟動(dòng)相比,其缺點(diǎn)是控制快速性比，噪音大，體積大占空間，還需裝配一套輔助電源。

1.3 變頻軟啟動(dòng)

變頻器是比較理想的軟啟動(dòng)裝置，可以在限制啟動(dòng)電流的同時(shí)保持電機(jī)較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。雖然它具有很好的軟啟動(dòng)性能，但它的價(jià)格較高，尤其是在高壓領(lǐng)域，變頻器價(jià)格通常為晶閘管軟啟動(dòng)的三倍多。因此，高壓變頻器一般都是著眼于調(diào)速場(chǎng)合，單純用作軟啟動(dòng)使用不經(jīng)濟(jì)。

1.4 固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)

固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)的特點(diǎn)：

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，體積小，維護(hù)簡(jiǎn)單；

2) 采用晶閘管技術(shù)控制精度高，可實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，啟動(dòng)過(guò)程平滑，啟動(dòng)重復(fù)性好；

3) 軟啟、軟?？赏ㄟ^(guò)修改參數(shù)滿足多樣化的啟動(dòng)方式，啟動(dòng)的電壓、電流、時(shí)間可根據(jù)負(fù)載不同而設(shè)定，滿足各類負(fù)載的要求；

4) 保護(hù)功能完善，不需要再單獨(dú)配置繼電保護(hù)裝置；

5) 啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中無(wú)噪音；

6) 對(duì)環(huán)境要求低，耐振、耐溫性能好，適用范圍廣；

7) 調(diào)試方便，可采用低壓電機(jī)測(cè)試軟啟性能，避免使用高壓電機(jī)測(cè)試帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，降低了調(diào)試難度；

8) 10 kV高壓電源和控制電源之間采用光纖隔離，安全性更好；

9) 運(yùn)行參數(shù)可通過(guò)MODBUS通訊遠(yuǎn)傳到監(jiān)控系統(tǒng)，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

通過(guò)上述分析可知，固態(tài)晶閘管軟起動(dòng)維護(hù)方便，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，功能完善，價(jià)格合理，在軟啟動(dòng)領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2 固態(tài)軟起動(dòng)

2.1 工作原理

固態(tài)軟起的工作原理是在電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)之間接入反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓電路,通過(guò)對(duì)晶閘管的觸發(fā)角控制進(jìn)行斬波，起到調(diào)節(jié)電壓作用。由于單只晶閘管耐壓水平有限,所以在設(shè)計(jì)10 kV高壓軟啟動(dòng)裝置的時(shí)候，采用晶閘管串聯(lián)技術(shù),功率單元通常采用10只晶閘管反并聯(lián)再串聯(lián)的方式提高耐壓值。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào),避免了對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)及負(fù)載的沖擊。氮?dú)鈮嚎s機(jī)電機(jī)的參數(shù)：功率3 500 kW，額定電壓10 kV，額定電流228 A，轉(zhuǎn)速2 990 r/min。此電機(jī)為全廠最大功率的設(shè)備，經(jīng)計(jì)算分析氮?dú)鈮嚎s機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，高達(dá)1.7 kA的啟動(dòng)電流將會(huì)對(duì)變壓器、電纜造成巨大沖擊，10 kV系統(tǒng)電壓降為1 000 V左右，運(yùn)行的高壓電機(jī)會(huì)發(fā)生過(guò)流告警或誤跳閘；0.4 kV系統(tǒng)電壓降為40 V，低壓設(shè)備的接觸器將欠壓脫扣。為了降低直接啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的影響，我們采用了索肯和平的固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)。

高壓固態(tài)軟啟動(dòng)是向電機(jī)提供平緩漸增的電壓來(lái)完成的，從而實(shí)現(xiàn)了以最小的電流來(lái)平穩(wěn)加速啟動(dòng)電機(jī)，其控制示意圖如圖1所示。

在高壓大功率電機(jī)起動(dòng)期間，通過(guò)軟起動(dòng)柜內(nèi)

圖1 10 kV固態(tài)軟啟動(dòng)的控制示意圖

主接觸器C1和每一相的晶閘管組將高壓電源接至電機(jī)，通過(guò)主控制系統(tǒng)DNC調(diào)節(jié)每一相晶閘管組的導(dǎo)通角，平滑增加高壓電機(jī)上的電壓，使高壓電機(jī)的轉(zhuǎn)矩逐漸增加。在設(shè)置的起動(dòng)時(shí)間結(jié)束后，高壓電源再切換至旁路接觸器C2，將全壓接至高壓電機(jī)，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束。氮?dú)鈮嚎s機(jī)軟起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為800 A左右，高壓電壓降為600 V左右，與直接啟動(dòng)相比，確實(shí)發(fā)揮了降壓限流的作用，軟起動(dòng)效果良好。

2.2 HPMV-DN軟起動(dòng)的控制方式

固態(tài)軟啟動(dòng)裝置根據(jù)不同類型的負(fù)載可提供不同的啟動(dòng)曲線。

1) 不限流軟啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)軟啟動(dòng)輸出的啟動(dòng)電壓以特定斜率不斷上升,直到電機(jī)啟動(dòng)完畢,在此期間啟動(dòng)電流不加任何限制。因?yàn)檫@種啟動(dòng)方式未能對(duì)電機(jī)啟動(dòng)電流進(jìn)行限制，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，一般只適應(yīng)于重載啟動(dòng)場(chǎng)合，啟動(dòng)曲線如第166頁(yè)圖2所示。

圖2 不限電流啟動(dòng)曲線

2) 斜坡恒流軟啟動(dòng)。該啟動(dòng)方式是在電機(jī)啟動(dòng)的初始階段啟動(dòng)電壓、電流逐漸增加,當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的限流倍數(shù)值后保持恒定,直至啟動(dòng)完畢。在啟動(dòng)過(guò)程中,電壓上升變化的速率是可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定。這種啟動(dòng)方式應(yīng)用得最多,尤其適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的啟動(dòng)，啟動(dòng)曲線如圖3所示。

圖3 斜坡恒流啟動(dòng)曲線

3) 脈沖突跳啟動(dòng)。用來(lái)啟動(dòng)高靜摩擦力負(fù)載，需要一個(gè)短時(shí)間的較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)用一個(gè)大約80%的電壓脈沖，不限流啟動(dòng)來(lái)克服負(fù)載靜摩擦。脈沖結(jié)束后，加載給電機(jī)的電壓又恢復(fù)到初始電壓，并按照正常的恒流軟啟動(dòng)方式升壓,啟動(dòng)曲線如圖4所示。

2.3 保護(hù)功能

固態(tài)軟啟動(dòng)裝置可提供速斷、過(guò)流、欠壓、缺相、接地、相序保護(hù)等多種保護(hù)，完善的保護(hù)功能在電機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、軟停過(guò)程中提供保護(hù)，保證電機(jī)設(shè)備的安全。保護(hù)整定值可由用戶自由設(shè)定和投退。

圖4 脈沖突跳啟動(dòng)曲線

2.4 通訊功能

HPMV-DN帶標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通訊接口(Modbus/profibus協(xié)議)，具有完善的通信功能。它通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口傳輸數(shù)據(jù)，可集成網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。人機(jī)界面友好，工作時(shí)可以顯示輸出電壓，工作電流，最大相電流，故障時(shí)可以顯示故障報(bào)警信息，便于運(yùn)行人員排查故障。

3 結(jié)語(yǔ)

HPMV-DN固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)裝置改善了異步電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程, 很好地限制了電機(jī)啟動(dòng)電流，消除了直接啟動(dòng)對(duì)電機(jī)及負(fù)載的不利影響。整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲、占地小、控制靈活、啟動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在今后的大型電機(jī)啟動(dòng)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。