高壓電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制技術(shù)分析與應(yīng)用

尹澤陽，宋佳樂，嚴(yán) 亮，徐蘭柱

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300450)

0 引 言

額定電壓超過1000V的電動(dòng)機(jī)都被稱為高壓電動(dòng)機(jī)。海上平臺(tái)所使用的發(fā)電機(jī)透平型號(hào)不同，經(jīng)常使用的額定電壓為6.3kV和10.5kV。

高壓電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)就是功率較大，遭受沖擊能力也相對(duì)較強(qiáng)，而缺點(diǎn)就是其具有的慣性較大，在啟動(dòng)與制動(dòng)方面都相對(duì)困難。隨著海上油氣田的迅速發(fā)展，電氣化的程度及作用范圍在不斷擴(kuò)大，因此燃?xì)鈮嚎s機(jī)的燃?xì)怛?qū)動(dòng)設(shè)備也開始逐漸由燃?xì)怛?qū)動(dòng)演變?yōu)楦邏弘妱?dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。由于高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性，在許多情況下，這些電機(jī)不允許直接連接到電源系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)進(jìn)行直接啟動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)非常大的沖擊電流，此電流可達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的 4～7倍。這種大電流將加重電源系統(tǒng)與開關(guān)設(shè)備的負(fù)擔(dān)，并且當(dāng)電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常高的峰值轉(zhuǎn)矩，施加于傳動(dòng)電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)。高壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊將會(huì)對(duì)采油平臺(tái)同網(wǎng)供電的其他設(shè)備的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)帶來嚴(yán)重威脅，同時(shí)也會(huì)形成過大的啟動(dòng)能量耗損。

本文以某海洋采用平臺(tái)為例，介紹一拖一式固態(tài)軟啟動(dòng)方式對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)控制。

1 選擇軟啟動(dòng)方式的原因

1.1 直接啟動(dòng)存在的潛在危害

海上采油平臺(tái)電力系統(tǒng)采用孤島電站運(yùn)行模式，或幾個(gè)中心平臺(tái)采用海底電纜組成的電網(wǎng)運(yùn)行模式。高壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)通過接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到所在電力網(wǎng)，這也帶來了不容忽視的危害。

1.1.1 電氣方面問題

①?zèng)_擊電網(wǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致電力組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各采油平臺(tái)供電網(wǎng)電壓波動(dòng)、降低電能質(zhì)量，引起綜保欠壓保護(hù)功能動(dòng)作，造成設(shè)備的有害跳閘，發(fā)生海上采油平臺(tái)關(guān)斷事故。

②過大的沖擊電流破壞電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部絕緣，使電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱，從而加劇其絕緣老化程度，降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

③將對(duì)電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定沖擊。高壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，這樣就導(dǎo)致在繞組間產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)力，使電動(dòng)機(jī)各部件受到過大的應(yīng)力作用而導(dǎo)致本體損壞。

1.1.2 機(jī)械方面問題

①過大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生機(jī)械沖擊，加速其內(nèi)部結(jié)構(gòu)磨損，對(duì)被帶動(dòng)的泵類、壓縮機(jī)等設(shè)備在瞬時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊力，縮短使用壽命，導(dǎo)致設(shè)備故障頻發(fā)。

②造成機(jī)械傳動(dòng)部件的非正常磨損及較大的沖擊，加速其老化程度，影響各部件的傳動(dòng)精度。

1.2 軟啟動(dòng)方式的需求

根據(jù) GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》規(guī)范要求：35kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過標(biāo)稱電壓的10%；20kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%[1]。

在滿足現(xiàn)場工藝要求供配電設(shè)計(jì)的前提下，同時(shí)為達(dá)到降低啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的沖擊電流與較大應(yīng)力，傳統(tǒng)的方式為使用啟動(dòng)輔助裝置，包括啟動(dòng)用串飽和電抗器和自耦變壓器來完成正常的啟動(dòng)工作。這種方法可以降低高壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓，但是這些常規(guī)方法只允許電壓一致降低且逐步降低電壓，無法從根本上解決啟動(dòng)瞬時(shí)電流尖峰打擊的影響。

海上采油平臺(tái)生產(chǎn)過程中常見的軟啟動(dòng)方式為使用軟啟動(dòng)器和變頻器 2種裝置。變頻器是用以調(diào)速的設(shè)備，其輸出不但改變電壓且同時(shí)改變相應(yīng)頻率，如現(xiàn)場油井需要根據(jù)實(shí)際情況選擇不同頻率運(yùn)行工況；軟啟動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器件，在高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓，并沒有改變頻率，如現(xiàn)場燃?xì)鈮嚎s機(jī)最終是在工頻工況下運(yùn)行。軟啟動(dòng)器在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)提供無極加速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不斷提高輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)無沖擊啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方法能降低高浪涌電流，將電機(jī)及驅(qū)動(dòng)負(fù)載的影響降到最小，不會(huì)使電網(wǎng)承受峰值電流的沖擊，提高了供電電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2 軟啟動(dòng)器的工作原理

2.1 軟啟動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與工作原理

軟啟動(dòng)器是由串接于三相交流電源與被控制電動(dòng)機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路構(gòu)成的晶閘管三相交流調(diào)壓電路[2]，如圖1所示。

圖1 軟啟動(dòng)器的電路圖Fig.1 Circuit diagram of soft starter

如圖 1可知，軟啟動(dòng)器主電路是由相位控制的3組反并聯(lián)晶閘管組成的交流調(diào)壓電路。在每一相中均有2個(gè)反并聯(lián)的晶閘管，其中1支晶閘管用以正半周期，另 1支用以負(fù)半周期。軟啟動(dòng)器中電子控制電路以微處理器為控制核心元件，電子控制電路控制晶閘管的觸發(fā)脈沖控制角α來調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，從而改變軟起動(dòng)器的輸出電壓，即三相交流電動(dòng)機(jī)定子繞組電壓大小，從而控制交流電動(dòng)機(jī)。它可以使軟啟動(dòng)器輸出電壓完全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)在全電壓下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

2.2 軟啟動(dòng)器旁路運(yùn)行方式

對(duì)于現(xiàn)場實(shí)際的軟啟動(dòng)高壓控制柜(電動(dòng)機(jī)控制中心)，大部分都具有 2種啟動(dòng)方式：直接啟動(dòng)、軟啟動(dòng)。固態(tài)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器在將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到額定電壓之后，軟啟動(dòng)器中的晶閘管將處于全開狀態(tài)。每個(gè)晶閘管的管壓降到 1V左右，故損耗較大，為了降低這樣的運(yùn)行損耗，延長軟啟動(dòng)器的使用壽命，使電網(wǎng)避免諧波的污染，消減軟啟動(dòng)器中晶閘管的發(fā)熱損耗。采取必要的措施，等待軟啟動(dòng)結(jié)束后，往往會(huì)使用1個(gè)旁路接觸器接晶閘管旁路。

旁路接觸器軟啟動(dòng)器分為2類：①內(nèi)置旁路型的軟啟動(dòng)器，在軟啟動(dòng)器內(nèi)部晶閘管兩頭并聯(lián)內(nèi)接旁路接觸器；②旁路型的軟啟動(dòng)器，在軟啟動(dòng)器內(nèi)部晶閘管兩端并聯(lián)外接旁路接觸器。軟啟動(dòng)器電路圖如圖 2所示。

圖2 旁路接觸器軟啟動(dòng)器電路圖Fig.2 Circuit diagram of bypass contactor soft starter

3 軟啟動(dòng)器的主要功能

固態(tài)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制方式通常有以下2種。

3.1 電壓斜坡控制

這種控制方式不具備電流閉環(huán)控制，啟動(dòng)方式相對(duì)最為簡單，僅調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角，使之與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系[3]。如圖 3所示，用戶可以預(yù)先設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)電壓和啟動(dòng)時(shí)間，在加速斜坡時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的定子電壓從某一個(gè)可設(shè)置的啟動(dòng)電壓均勻升高到電源電壓，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程結(jié)束，進(jìn)入運(yùn)行階段。由于其不限制電流，在電機(jī)啟動(dòng)的過程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生較大的沖擊電流致使晶閘管損壞，對(duì)現(xiàn)場電網(wǎng)的影響比較大，實(shí)際應(yīng)用過程中很少出現(xiàn)。

圖3 電壓斜坡控制Fig.3 Voltage ramp control

3.2 轉(zhuǎn)矩控制

這種控制方式會(huì)在某一個(gè)可設(shè)置的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，以線性方式將電動(dòng)機(jī)中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩從某一個(gè)可設(shè)定參數(shù)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩升高到某一個(gè)可設(shè)定參數(shù)的最終轉(zhuǎn)矩。軟啟動(dòng)器可根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)，以連續(xù)線性方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，一直到完成電動(dòng)機(jī)加速為止。

4 某海上采油平臺(tái)采用固態(tài)軟啟動(dòng)器帶動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)例分析

4.1 高壓固態(tài)軟啟動(dòng)一拖一控制方式

高壓固態(tài)軟啟動(dòng)柜采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣方便對(duì)其進(jìn)行日常檢修和維護(hù)。軟啟裝置與配有真空斷路器的高壓進(jìn)線柜配套使用，采用金屬防電磁干擾屏蔽設(shè)計(jì)，減少外部環(huán)境對(duì)裝置內(nèi)部的干擾。該裝置主要由可控硅組件單元、控制和保護(hù)單元、人機(jī)顯示單元組成。1臺(tái)固態(tài)軟啟動(dòng)器帶動(dòng)1臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式稱為一拖一的運(yùn)行方式。

此次案例中的注水泵使用的則是最普遍的一拖一方式，即一臺(tái)軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)方式，此方法避免了后期維護(hù)檢修的復(fù)雜性，如圖4所示。

圖4 一拖一方式控制方式Fig.4 One-to-one control mode

4.2 高壓軟啟動(dòng)器工作原理

高壓軟啟動(dòng)柜與裝有真空斷路器的進(jìn)線柜共同搭配在一起進(jìn)行使用。高壓進(jìn)線柜配有電動(dòng)機(jī)的各種綜合繼電保護(hù)系統(tǒng)，真空斷路器進(jìn)線柜配備的真空斷路器具有大電流過載與分?jǐn)嗄芰Α＼泦?dòng)柜是由可控硅高壓組件、觸發(fā)電路、RC吸收電路、旁路真空接觸器及控制部分[4]組成。旁路真空接觸器在電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)完畢后，先切換至旁路，然后再斷開，接觸器閉合后可使電機(jī)流經(jīng)旁路接觸器。

可控硅高壓組件具體使用數(shù)量是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際電機(jī)的電壓來決定的，這種元件是由多個(gè)可控硅以串聯(lián)的方式組成。RC吸收電路網(wǎng)絡(luò)模塊系統(tǒng)可以提供瞬時(shí)的電壓保護(hù)，用以減少 dU/dt的沖擊電壓，防止可控硅部件的破裂損壞，保障其能夠正常工作。

軟啟動(dòng)器工作原理如圖5所示，這種啟動(dòng)方式一方面能夠減少對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)自身的沖擊，并且可以減少電機(jī)所帶機(jī)械負(fù)載裝置的沖擊，延長現(xiàn)場設(shè)備的使用時(shí)間，減少設(shè)備停機(jī)的可能，降低設(shè)備的故障率；另一方面可以降低電機(jī)啟動(dòng)瞬間沖擊電流，減少對(duì)電力組網(wǎng)與電機(jī)本身的各種沖擊。

圖5 軟起動(dòng)器工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of soft starter

4.3 設(shè)備運(yùn)行調(diào)試

4.3.1 軟啟動(dòng)調(diào)試

①測試主回路絕緣，電動(dòng)機(jī)耐壓檢測：斷開去電機(jī)的動(dòng)力電纜，用 5.0kV搖表檢測定子相間和每相對(duì)地的絕緣電阻，不應(yīng)該低于6MΩ。

②檢查軟啟動(dòng)控制回路。外觀檢查機(jī)器內(nèi)部各個(gè)元器件是否完好無損，緊固件是否牢固，連線有無松動(dòng)。

③故障停機(jī)實(shí)驗(yàn)。模擬電機(jī)啟動(dòng)過程發(fā)生故障，軟啟動(dòng)器內(nèi)部產(chǎn)生故障報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)過程停止，延時(shí) 10s后，故障指示燈亮，系統(tǒng)產(chǎn)生聲光報(bào)警提示，并自動(dòng)直接脫開高壓盤斷路器，切斷系統(tǒng)供電。

4.3.2 模擬通電調(diào)試

①將旁路真空斷路器設(shè)置為試驗(yàn)位置，按下軟啟動(dòng)柜的合閘按鈕，軟啟動(dòng)柜上的電源指示燈亮，軟啟動(dòng)器上電。

②按動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)控制盤上的啟動(dòng)按鈕，軟啟動(dòng)器開始工作。

③短接軟啟動(dòng)控制器，注水泵控制柜的旁路真空斷路器閉合，模擬電網(wǎng)對(duì)電機(jī)直接供電，軟啟動(dòng)過程結(jié)束。

4.3.3 軟啟動(dòng)帶載調(diào)試

①將旁路真空斷路器設(shè)置為正常位置，按下軟啟動(dòng)柜的合閘按鈕，軟啟動(dòng)柜上的電源指示燈亮，軟啟動(dòng)器上電。

②按動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)控制盤上的啟動(dòng)按鈕，軟啟動(dòng)器開始工作，電動(dòng)機(jī)按照軟啟動(dòng)器預(yù)先設(shè)定好的曲線啟動(dòng)。

③當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到或接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)控制柜的旁路真空斷路器閉合，電網(wǎng)對(duì)電機(jī)直接供電，軟啟動(dòng)過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器停止對(duì)電機(jī)供電。

5 結(jié) 語

固態(tài)軟啟動(dòng)器現(xiàn)已廣泛用于海洋采油平臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域。隨著軟啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，軟啟動(dòng)器的控制功能與各種保護(hù)措施也在逐步提高，減少了對(duì)電網(wǎng)電力系統(tǒng)的沖擊，為海上采油平臺(tái)的高壓電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。