高壓變頻軟啟動在空壓機主電機啟動中的應(yīng)用

程愛玲，崔瑞卿

（開封空分集團設(shè)計研究院，河南 開封 475003）

0 引言

近年來，許多行業(yè)的生產(chǎn)能力越來越大，其生產(chǎn)設(shè)備的驅(qū)動電機也越來越大，如在鋼鐵、化工行業(yè)，10 000 kW以上的電動機的使用已越來越多。隨著大容量交流電動機在各行業(yè)的普遍應(yīng)用，電機啟動問題就顯得更加突出。如果電機采用直接啟動的方式，超大的啟動電流沖擊和過高的啟動轉(zhuǎn)矩會對供電網(wǎng)造成嚴(yán)重干擾和對機械負(fù)載造成損害，甚至造成電網(wǎng)劇烈波動或負(fù)載設(shè)備損毀［1］。為了減小電機直接啟動所引起的負(fù)面影響，一般采用降壓軟啟動方案。

軟啟動是通過降低加在交流電動機上的起始電壓，使啟動沖擊轉(zhuǎn)矩降低，并在某個事先設(shè)定的時限內(nèi)，對供電網(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)，使電動機升速至其額定值。根據(jù)工作原理不同，電機軟啟動裝置大致可分為液阻軟啟動、磁控軟啟動、開關(guān)變壓器軟啟動、固態(tài)降壓軟啟動、變頻器軟啟動等。其中，變頻軟啟動就是通過變頻器或具有變頻功能的軟啟動器來調(diào)整頻率，實現(xiàn)電機平穩(wěn)啟動。它在限流的同時，保持大的啟動轉(zhuǎn)矩，既減少電機啟動瞬間大電流對電網(wǎng)的沖擊，又確保為電機平穩(wěn)啟動提供足夠啟動轉(zhuǎn)矩，以符合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，是目前性能最高的軟啟動方案［2］。

1 項目概況

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

由于兩套空分空壓機不要求同時啟動，而高壓變頻軟啟動裝置技術(shù)成熟，性能可靠，因此完全可利用一套高壓變頻軟啟動裝置來分別啟動兩套空壓機系統(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。

空分機廠家提供的速度力矩曲線如圖1所示。

圖1 空分機速度力矩曲線Fig.1 Compressor speed moment curve

2 變頻器軟啟動裝置組成及容量確定

2．1 變頻器軟啟動裝置組成

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

2．2 變頻器軟啟動裝置容量的確定

按照電機空載啟動曲線，可以得出如下結(jié)果：

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

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

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

根據(jù)以上計算，選擇高壓變頻器作為電動機軟啟動變頻器，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 空壓機主電機的啟動

3．1 系統(tǒng)方案

變頻軟啟動系統(tǒng)方案如圖2所示。

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

圖中，KG1為1號空壓機啟動高壓開關(guān)柜；L1為 1號空壓機運行高壓開關(guān)柜；V1為1號空壓機切換高壓開關(guān)柜；KG2為2號空壓機啟動高壓開關(guān)柜；L2為2號空壓機運行高壓開關(guān)柜；V2為2號空壓機切換高壓開關(guān)柜。

3．2 啟動原理

以啟動1號空壓機（M1）為例。由于本項目的電機功率很大，高壓變頻軟啟動裝置的容量也較大，在變頻軟啟動裝置介入電網(wǎng)時，如不采取相應(yīng)的措施，將產(chǎn)生很大的激磁涌流，對上級開關(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，高壓變頻軟啟動裝置配置有預(yù)充電回路以降低激磁涌流。

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

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，變頻器自動合上電網(wǎng)開關(guān)L1。由于這時電機的頻率、相位以及幅值與和電網(wǎng)一致，合上L1對電機和電網(wǎng)沒有任何沖擊（切換過程在10 s內(nèi)自動完成）。

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

3．3 啟動過程 （啟動M1）

保證空壓機為空載啟動，并且電動機冷卻、潤滑均正常。

（1）空壓機機旁控制盤PLC發(fā)出允許啟動M1指令。啟動M1時，首先操作1號壓縮機機旁控制盤啟動按鈕，啟動指令送至變頻軟啟動裝置，由軟啟動PLC判斷KG1及V1、V2位置。若各開關(guān)均處于分閘位置，發(fā)出合上變頻器輸入開關(guān)KG1和輸出開關(guān)V1的指令，變頻動器帶M1電機開始工作，空壓機啟動，并將啟動信號分別送至空壓機機旁控制盤及變頻軟啟動裝置。此時，如果KG1及V1、V2高壓開關(guān)位置不正確，PLC應(yīng)該發(fā)出報警指令，并且排除高壓開關(guān)故障。

（2）變頻器控制電機開始啟動，并且拖動電動機從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至PLC，軟啟動PLC確認(rèn)內(nèi)、外同期裝置都發(fā)出同期結(jié)束信號后，合上L1。

（4）軟啟PLC斷開變頻器輸出高壓開關(guān)V1。

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

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

（7）準(zhǔn)備下次啟動。

綜上所述，在切換過程中，電機始終有電源供給，不會有瞬時缺電或合閘電流沖擊，從而可實現(xiàn)電機運行工況的無擾切換。該變頻器具有對電網(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附加發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、dv／dt及共模電壓等問題的特性。因此，無需濾波器，適用于普通電機。

4 結(jié)語

高壓變頻軟啟動方案在本項目的成功應(yīng)用，為大型電動機的啟動問題多提供了一個選擇方案。具體什么情況下選擇該方案，應(yīng)從以下幾個方面綜合考慮。

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

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

（3）系統(tǒng)短路容量較大，當(dāng)采用其他軟啟動方案啟動時電動機端子電壓能保證被拖動機械要求的啟動轉(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，不提倡采用變頻軟啟動方案。因為從投資角度考慮，該方案比采用其他軟啟動方案大很多。

［1］ 道客巴巴．電動機直接起動的危害［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．高壓有級變頻起動裝置（VFS）產(chǎn)品簡介—電機起動面臨的問題及常用起動方案比較［Z］．鞍山：榮信電力電子股份有限公司：3-6．

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