大容量高壓電動機(jī)的起動

黃燕飛， 付 薇， 齊茜 茜， 夏子路

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

電動機(jī)起動時在配電系統(tǒng)中要引起電壓下降。當(dāng)電動機(jī)全壓起動時在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動妨礙其他用電設(shè)備的工作時，根據(jù)GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，即不能滿足 “頻繁起動不宜低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%，不頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%，配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負(fù)荷，不應(yīng)低于額定電壓的80%”，電動機(jī)就要采取降壓或其他適當(dāng)?shù)钠饎臃绞健Ｒ虼?，電動機(jī)在不能全壓起動時，選擇適合的起動方案，既要降低工程投資，又要減少對電網(wǎng)的沖擊和對其他用電設(shè)備的影響。這是電動機(jī)起動方案設(shè)計(jì)的一個重點(diǎn)。

本文選擇水電阻、固態(tài)軟起動器、變頻三種軟起動方式，分析對于大容量高壓電動機(jī)三種軟起動方案的優(yōu)缺點(diǎn)。介紹了在有限系統(tǒng)容量，而工藝無需變頻調(diào)速情況下，以小拖大降容變頻軟起動的運(yùn)用。

1 高壓電動機(jī)起動方式選擇

高壓電動機(jī)起動方式分為全壓起動和降壓起動，降壓起動包括傳統(tǒng)的電抗器降壓起動、自耦變壓器降壓起動，Y/△降壓起動起動，以及水電阻、固態(tài)軟起動器、變頻軟起動等。

電動機(jī)全壓起動是最簡單、最可靠、最經(jīng)濟(jì)的起動方式。因此，電網(wǎng)能夠滿足要求時，全壓起動方式是最優(yōu)方案。采用電抗器、自耦變壓器、Y/△等傳統(tǒng)起動設(shè)備，在降低起動電流的同時，也降低了起動轉(zhuǎn)矩，增大了起動時間。這些起動方式都屬于有級降壓起動，存在明顯缺點(diǎn)，比較適合輕負(fù)載和容量較小的電動機(jī)起動。近年，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，大容量高壓電動機(jī)采用軟起動裝置，如水電阻、固態(tài)軟起動器、變頻軟起動等逐步替代了傳統(tǒng)起動方式。

2 水電阻軟起動工作原理

水電阻軟起動是在電動機(jī)定子回路串入一特制液體電阻，該電阻在電動機(jī)起動初始時刻自動投入，阻值在預(yù)定起動時間內(nèi)均勻無級減小，并在阻值接近0時刻時切除，從而使主機(jī)電流及電機(jī)轉(zhuǎn)速無級勻滑變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)均勻上升、平穩(wěn)起動。

3 固態(tài)軟起動器工作原理

固態(tài)軟起動器實(shí)際上是一個晶閘管交流調(diào)壓器。其主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。固態(tài)軟起動器的工作原理如圖1所示。

圖1 固態(tài)軟起動器的工作原理

4 變頻器工作原理

變頻器是把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速運(yùn)行的設(shè)備?，F(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器

轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。變頻器的基本構(gòu)成如圖2所示。

圖2 變頻器的基本構(gòu)成

5 軟起動器比較

水電阻、固態(tài)軟起動器、變頻器三種軟起動方式的對比如表1所示。

表1 三種軟起動方式的對比

由表1可知，變頻器雖然是一種優(yōu)良的軟起動器，但只作為軟起動器使用，存在占地面積大、維護(hù)復(fù)雜、對環(huán)境清潔度要求較高、價格過高等缺點(diǎn)。變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度高及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，采用變頻調(diào)速裝置，主要是節(jié)約電能，或用于工藝裝置需要精確速度控制的電機(jī)設(shè)備。因此，在電網(wǎng)情況允許條件下，而工藝工況不需要變頻調(diào)速時，一般不會采用變頻軟起動方式。水電阻軟起動器已經(jīng)面臨淘汰，目前仍使用的主要原因是價格低廉。大容量高壓電動機(jī)需要軟起動器時，選用固態(tài)軟起動器的較多。

6 以小拖大降容變頻起動的運(yùn)用

以小拖大降容變頻軟起動就是選擇比電動機(jī)容量小的變頻器，僅作為軟起動器使用，將電機(jī)拖動至工頻轉(zhuǎn)速。

以小拖大變頻器采用恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速，v/f為常數(shù)，其磁通基本不變，機(jī)械特性如圖3所示。根據(jù)轉(zhuǎn)矩算式M=CMJΦmI2′cosφ2，得出轉(zhuǎn)矩與磁通、電流的關(guān)系，電動機(jī)空載起動，所需起動轉(zhuǎn)矩較小。一般大型電動機(jī)的空載電流約為額定電流的20%～40%(本文取40%)。因此，可以選擇電動機(jī)額定功率的40%～50%容量變頻器作為軟起動器起動機(jī)，當(dāng)電動機(jī)變頻起動到全速(50Hz)后，再切換到工頻運(yùn)行。然后逐漸加載到額定載荷正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速的機(jī)械特性

采用以小拖大變頻軟起動，具有變頻軟起動的全部優(yōu)點(diǎn)，且由于變頻器容量為電動機(jī)額定容量的 40%～50%，從價格上來看，已接近100%電動機(jī)功率的固態(tài)軟起動器，可滿足起動需要，又節(jié)約投資。

7 結(jié) 語

由于傳統(tǒng)降壓起動方式為有級降壓起動，不能做到平滑過渡，不適用于大容量電動機(jī)。在僅有起動要求情況下，固態(tài)軟起動器較變頻軟起動具有價格低、占地省的特點(diǎn)，為優(yōu)選方案。在電網(wǎng)條件特別差，而工藝工況無調(diào)速要求時，以小拖大降容變頻軟起動，則是一個好的選擇，既能達(dá)到保證電動機(jī)能夠順利起動，又能節(jié)約工程投資。但應(yīng)注意電動機(jī)必須空載起動，如大容量鼓風(fēng)機(jī)等帶載起動的用電負(fù)荷，不能采用此方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1] GB 50055—2011 通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 杜金城.電氣變頻調(diào)速設(shè)計(jì)技術(shù).北京： 中國電力出版社,2001.