大型高壓電動機(jī)起動分析與計算研究

神華包頭煤化工有限責(zé)任公司 王 泓

在某公司項目中，煙氣制酸系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)是除項目中的出氧壓機(jī)以外最高功率高壓電動機(jī)，其額定電壓10kV、額定功率4850kW。項目位于山區(qū)，上級站到該項目廠區(qū)110kV總降壓站主要以架空進(jìn)線為主，整體系統(tǒng)容量相對較小，同時此風(fēng)機(jī)和項目總降壓變電站間距離相對較遠(yuǎn)，不利于風(fēng)機(jī)起動。結(jié)合具體規(guī)范要求分析，電動機(jī)起動中電動機(jī)端電壓及母線電壓需滿足下列要求：電動機(jī)起動中電動機(jī)端電壓需確保滿足被拖動機(jī)械運(yùn)行要求的起動轉(zhuǎn)矩，同時在整個配電系統(tǒng)內(nèi)能促進(jìn)電壓降低，不會對其他設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生任何影響或妨礙；配電母線中沒有接照明或其他對電壓降敏感負(fù)荷，同時電動機(jī)不會頻繁起動條件下不能小于標(biāo)稱電壓80%。

1 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和固態(tài)軟起動裝置分析

1.1 配電系統(tǒng)架構(gòu)

相關(guān)項目廠前方設(shè)置了總降壓變電站，為110kV，選擇單母線進(jìn)行分段接線，合理設(shè)置兩個25MVA有載調(diào)壓變壓器，為110/10kV，對應(yīng)阻抗電壓是12.5%，上級站到此110kV站主要是選擇同塔雙回鋼芯鋁絞線架實施進(jìn)線處理，一用一熱備，各個線路長度是50km。二氧化碳風(fēng)機(jī)相關(guān)制酸系統(tǒng)對應(yīng)10kV配電站同時也是按照單母線進(jìn)行分段接線，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。而總降壓變電站到10kV配電站間主要利用雙回架空進(jìn)線進(jìn)行連接，對應(yīng)導(dǎo)線型號是LGJ-3x300，其中單回路長度1.4km，風(fēng)機(jī)和10kV配電I段母線相接。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)

電動機(jī)相關(guān)型號參數(shù)：額定電壓UeAC10kV，額定功率Pe4850kW，無刷勵磁同步電動機(jī)，額定電流In323A，額定轉(zhuǎn)速ne每分鐘1500轉(zhuǎn)，全壓起動電流倍數(shù)為5，勵磁電壓是AC110V，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是1.2，勵磁電流是6A，電動機(jī)效率是96.4%，功率因數(shù)為0.9；風(fēng)機(jī)機(jī)械參數(shù)：所需風(fēng)機(jī)為德國進(jìn)口KK&K風(fēng)機(jī)，負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩11238Nm，負(fù)載靜阻轉(zhuǎn)矩為47938Nm負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量2558.58kg·m2。

電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)：聯(lián)系110kV的總降文件相關(guān)設(shè)計參數(shù)，上級220kV側(cè)短路容量可根據(jù)無窮大數(shù)值進(jìn)行充分考慮。通過對該冶煉廠中110kV入口對應(yīng)的短路電流進(jìn)行計算，得出入口側(cè)短路電流是2.31kA，而對應(yīng)短路容量是460.1MVA。對應(yīng)10kV制酸系統(tǒng)母線短路電流數(shù)值為5.27kA，相關(guān)短路容量是95.87MVA。10kV總降母線中的短路電流數(shù)值為8.63kA，而短路容量是156.95MVA[1]。

圖1 配電系統(tǒng)框圖

1.3 晶閘管軟起動裝置

為了針對電動機(jī)相關(guān)起動電流進(jìn)行合理控制，縮減電動機(jī)起動電流在電網(wǎng)方面的影響沖擊，以及風(fēng)機(jī)自身運(yùn)行中所遭受的機(jī)械沖擊，應(yīng)針對風(fēng)機(jī)合理設(shè)置晶閘管軟起動設(shè)備。而相對液態(tài)軟起動裝置的晶閘管形式軟起動裝置普遍也會被叫做固態(tài)軟起動裝置，其中晶閘管形式的軟起動裝置主要是結(jié)合晶閘管之間相控調(diào)壓等基礎(chǔ)原理，結(jié)合晶閘管自身可控導(dǎo)通特征，再針對其中的相控α角進(jìn)行調(diào)整，幫助定子中對應(yīng)添加的電壓均方根值進(jìn)行合理改善，最終對電動機(jī)電壓的無觸點(diǎn)通斷以及平穩(wěn)升降進(jìn)行合理控制，促進(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)平穩(wěn)起動，是一種移相軟起動技術(shù)。借助該項技術(shù)，能夠通過電動機(jī)起動最小需求電流直接起動電動機(jī)，降低電網(wǎng)沖擊，控制設(shè)備振動，縮小起動機(jī)械應(yīng)力，促進(jìn)電動機(jī)以及對應(yīng)設(shè)備應(yīng)用壽命的有效延長。因為在晶閘管相關(guān)耐壓限制下，在應(yīng)用到某些大型的中高壓電動機(jī)過程中應(yīng)通過晶閘管實施串聯(lián)處理。

軟起動裝置在實際應(yīng)用中體積較小、應(yīng)用方便、控制靈活，同時擁有良好的起動性能。因為電力電子器件是和高壓回路進(jìn)行直接串聯(lián)，因此直接承擔(dān)了電網(wǎng)中的高電壓，需針對串聯(lián)晶閘管實施降壓處理，影響了系統(tǒng)整體可靠性。同時在移相調(diào)壓原理影響下，使得電動機(jī)定子中的加載電壓存在相應(yīng)的諧波，而諧波大小和負(fù)載功率因數(shù)以及晶閘管導(dǎo)通角之間具有密切聯(lián)系，相關(guān)諧波同樣會對電動機(jī)和電網(wǎng)造成一定威脅和損壞。固態(tài)軟起動器相關(guān)控制方式主要包括軟停控制、恒壓控制、限流控制以及斜坡電壓控制。而軟起動本身配置了相對完善的旁路功能，在正式起動后能自動切換至旁路運(yùn)行。

斜坡電壓控制方面，在電動機(jī)起動中，根據(jù)一開始的初始電壓以及軟起動時間，軟起動裝置能夠參考相應(yīng)的步距值對電動機(jī)電壓進(jìn)行合理控制，使其能夠隨著時間呈現(xiàn)出一種線性上升趨勢，在達(dá)速后投入全電壓；限流控制中，電動機(jī)于起動中根據(jù)設(shè)計初始電壓進(jìn)行起動操作，隨后對電流進(jìn)行控制，使其能快速達(dá)到某種限流值，后期軟起動裝置能進(jìn)行合理控制，使其維持在恒定電流狀態(tài)，直到最終電動機(jī)達(dá)速為止；恒壓控制中，電動機(jī)于起動中根據(jù)設(shè)計恒定電壓進(jìn)行起動操作，直到電動機(jī)達(dá)速為止。

在軟?？刂浦校邮樟塑浲Ｏ嚓P(guān)指令信息后，控制、觸發(fā)電路對應(yīng)晶閘管將會再次全面開通，隨后旁路接觸器實施分閘操作，控制和觸發(fā)電路，對應(yīng)晶閘管導(dǎo)通角逐漸開始從全導(dǎo)通減小，促進(jìn)電動機(jī)對應(yīng)三相電壓從最初的額定值開始降低，到最終晶閘管徹底關(guān)斷為止，電動機(jī)相關(guān)轉(zhuǎn)速也逐漸減小，到最終停車；同步電動機(jī)選擇軟起動裝置進(jìn)行驅(qū)動處理，普遍會選擇異步起動方式，等到同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某種亞同步速度條件下，可以繼續(xù)將強(qiáng)勵磁投入其中，同時針對電動機(jī)轉(zhuǎn)速通過亞同步順利拉入同步，同切10kV旁路柜，促進(jìn)電動機(jī)的正常運(yùn)行。

2 起動分析計算

2.1 起動轉(zhuǎn)矩校驗

電動機(jī)起動需滿足以下條件：電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)超出風(fēng)機(jī)和電動機(jī)對應(yīng)靜阻力矩；在電動機(jī)起動中，在電壓降能方面的控制應(yīng)維持在國家規(guī)定要求內(nèi)，進(jìn)一步削弱其對于其他設(shè)備不良影響。電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩Me=9550Pe/ne=9550×4850/1500=30878.33Nm。通過固態(tài)軟起動裝置進(jìn)行相關(guān)操作，起動電流是額定電流3倍左右，通過計算得到對應(yīng)轉(zhuǎn)矩結(jié)果。結(jié)合風(fēng)機(jī)廠家所提供的相關(guān)靜阻力矩參數(shù)分析，電動機(jī)對應(yīng)降壓起動轉(zhuǎn)矩是0.432Me，超出風(fēng)機(jī)以及電動機(jī)對應(yīng)靜阻力矩0.16Me，符合相關(guān)條件要求[3]。

2.2 母線壓降校驗

對電動機(jī)起動狀態(tài)下制酸系統(tǒng)10kV母線電壓降進(jìn)行有效計算，電動機(jī)起動相關(guān)計算公式如下：ustm=(Skm+Qkm)/(Skm+Qkm+Sst)，SstM=kstSrm，式中ustm是母線標(biāo)稱電壓的相對值，Skm是母線的短路容量，單位是MVA，Qkm是預(yù)接負(fù)荷對應(yīng)無功功率，MVar,Sst是起動回路對應(yīng)額定輸入容量，MVA，SstM是電動機(jī)的額定容量，MVA；kst是電動機(jī)起動中的電流倍數(shù)，UrM是電動機(jī)額定電壓，單位是kA，IrM則是電動機(jī)的額定電流，單位是kA。在電動機(jī)實施全壓起動條件下，結(jié)合設(shè)備資料分析，相關(guān)電動機(jī)對應(yīng)起動電流數(shù)值為5IN,得出Srm是5.59MVA，而SST=SstM=27.97MVA。

在載器中母線電壓相對值。如果已知硫酸側(cè)對應(yīng)10kV側(cè)最低短路容量是95.87MVA，則電動機(jī)起動中硫酸10kV母線電壓相對值如下：U=Smin/(Smin+S′)=95.87/(95.87+27.97)=77.4%＜85%，不 滿足相關(guān)要求。如果總降10kV側(cè)的短路容量數(shù)值最低是156.95MVA，則電動機(jī)起動中，相關(guān)電網(wǎng)電壓相對值為：U=Smin/(Smin+S′)=156.95/(156.95+27.97)=84.87%＜85%，不滿足相關(guān)要求。

根據(jù)軟起動裝置對起動電流限制為額定電流三到四倍進(jìn)行計算，取3In,SST=SstM=16.78MVA。該種條件下，電機(jī)起動中硫酸系統(tǒng)內(nèi)部10kV母線電壓相對值為：U=Smin/(Smin+S′)=95.87/(95.87+16.78)=85.1%，和85%相近，因此判斷從理論層面上滿足具體要求，但在試車操作中相關(guān)壓降遠(yuǎn)超出15%。該種條件下總降10kV母線電壓相對值為：U=Smin/(Smin+S′)=156.95/(156.95+16.78)=90.34%＞85%。

3 整改措施和校驗

參數(shù)優(yōu)化。廠家針對軟起動裝置控制板程序?qū)嵤┝巳鎯?yōu)化處理，聯(lián)系現(xiàn)場實際發(fā)展?fàn)顩r，初步選擇改進(jìn)形式的限流起動控制方法，能夠針對電動機(jī)起動中對應(yīng)起動電流形成有效限制。

降低系統(tǒng)阻抗。調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行模式，促進(jìn)總降壓變電所內(nèi)部兩個主變壓器實現(xiàn)并列運(yùn)行，而制酸系統(tǒng)對應(yīng)10kV站可以選擇雙回路并網(wǎng)供電，合母聯(lián)開關(guān)QF4能夠有效控制系統(tǒng)阻抗，提升系統(tǒng)整體容量，等待電動機(jī)正常操作中實施解列操作。該種條件下，制酸系統(tǒng)對應(yīng)10kV側(cè)短路容量是8.73kA，計算短路容量為SL3=158.76MVA,SST=SstM=16.78MVA，U=Smin/(Smin+S′)=90.4%＞85%，滿足電機(jī)起動中對于母線電壓降相關(guān)要求。

整改前的10kV配電站電壓最低減少到7.75kV，折算電壓降達(dá)到22.5%，而實施全面整改后，電壓最低降到8.68kV，折算電壓降低達(dá)到13.2%。通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)起動電網(wǎng)壓降呈現(xiàn)為正常狀態(tài)，制酸系統(tǒng)對應(yīng)10kV母線相關(guān)最大壓降控制在有效范圍內(nèi)，從而進(jìn)一步滿足電動機(jī)起動中關(guān)于母線電壓降基礎(chǔ)要求，同時控制風(fēng)機(jī)起動中對于各種設(shè)備和電網(wǎng)的影響與沖擊。

綜上，隨著有色冶煉規(guī)模持續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，冶煉工程中所涉及的氧壓機(jī)、二氧化碳風(fēng)機(jī)等運(yùn)行設(shè)備對應(yīng)功率也持續(xù)提升，而相關(guān)設(shè)備起動會對電網(wǎng)以及周邊運(yùn)行負(fù)荷產(chǎn)生直接影響。為此需要采取有效措施針對相關(guān)大功率、高壓設(shè)備實施有效的電機(jī)起動驗算。