離散變頻技術(shù)在高壓電機軟啟動改造中的應(yīng)用

李軍鋒，吳軍堂，邰超超，董宏麟，廖代龍

（國核寶鈦鋯業(yè)股份公司，陜西寶雞 710013）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，特別是電源側(cè)主變壓器容量相對較小的情況下，為克服大型感應(yīng)電機在啟動時產(chǎn)生的沖擊壓降、沖擊電流及沖擊轉(zhuǎn)矩，降低其對公共網(wǎng)內(nèi)其他運行負載的影響，一般都要采用軟啟動的方式控制電機的啟動過程?？煽鼐чl管軟啟動器以其體積小、可靠性高等優(yōu)勢，在高壓電機的軟啟動領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。晶閘管軟啟動方式屬于電機降壓啟動的一種，通過降低輸出電壓，有效減小電機的啟動電流，但降低輸出電壓會導(dǎo)致電機啟動轉(zhuǎn)矩的急劇下降。一般情況下，傳統(tǒng)軟啟動方式主要應(yīng)用于風機、輕載泵類等場景。

20 MN 快鍛機主泵為4 臺10 kV 雙輸出高壓電機驅(qū)動的變量泵，每臺額定功率為630 kW，額定電流為47 A。快鍛機在正常工作時，主泵輸出壓強為35 MPa（鍛造力為2000 t），主泵電機啟動為重載啟動。查閱電機資料，電機克服自身靜態(tài)摩擦阻力的啟動轉(zhuǎn)矩為4043 N·m，在原變壓器容量許可范圍內(nèi)。4 臺主泵電機采用順序間斷性啟動，啟動間隔1 min，單次最大沖擊啟動電流315 A，小于329 A（7 倍額定電流），符合IEC 標準。但快鍛機的啟動會干擾10 kV 電網(wǎng)以下內(nèi)置有欠壓保護裝置的設(shè)備正常使用，嚴重時可以導(dǎo)致該類設(shè)備因欠壓頻繁跳閘，造成生產(chǎn)中斷（設(shè)備欠壓閾值為375 V 左右）。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，需在20 MN 快鍛機主控柜后增加4 臺軟啟動裝置，在滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求的前提下降低、平滑啟動電流，以減少電機啟動對10 kV 公網(wǎng)的沖擊。

（1）固態(tài)啟動通過高壓可控硅調(diào)節(jié)實現(xiàn)電機的降壓啟動，調(diào)節(jié)速度線性，啟動方式簡單。

（2）磁控啟動通過在電抗器中加入控制繞組控制磁導(dǎo)通率來調(diào)節(jié)電壓，通過改變勵磁實現(xiàn)電機的軟啟動。

（3）液阻啟動利用電解液形成內(nèi)阻串入電機的定子中，起到降壓啟動的作用。其調(diào)節(jié)速度線性差，屬于開環(huán)控制，且不適于低溫下運行。

（4）離散變頻軟啟動通過高壓可控硅的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)有級變頻無級調(diào)壓的啟動特性。其采用毫秒級的閉環(huán)控制，有多種啟動方式可供選擇，現(xiàn)場可編程，控制方式靈活。

比對傳統(tǒng)的固態(tài)啟動、磁控啟動、液阻啟動和離散變頻軟啟動等方式的特點，選用離散變頻軟啟動方式可有效降低啟動電流、提升啟動力矩，具有能適應(yīng)各類負載、啟動時網(wǎng)測壓降小、啟動方式多樣、電機保護性能完善等優(yōu)勢（表1）。

表1 常見軟啟動方式對比

1 離散有級變頻啟動的基本原理及選擇依據(jù)

傳統(tǒng)軟啟動利用反并聯(lián)的可控硅單元（雙向可控硅），通過對交流輸入電壓/電流過零信號進行檢測，有控制單元按一定的控制策略觸發(fā)門極G，使其按設(shè)定的導(dǎo)通角使陽極A 與陰極K 導(dǎo)通（移相觸發(fā)原理），從而實現(xiàn)在一定時間內(nèi)改變周波輸出的百分比，從而調(diào)節(jié)其輸出功率或電壓（圖1）。

圖1 可控硅分別按π/2、3π/4 觸發(fā)時負載輸出波形

根據(jù)電機學(xué)原理可知，電機輸入電壓的平方與電機輸出轉(zhuǎn)矩成正比：

其中，T 為電磁轉(zhuǎn)矩，K 為電機結(jié)構(gòu)常數(shù)，u1為定子繞組每相的電壓，S 為轉(zhuǎn)差率（，p 為極對數(shù)），r2為轉(zhuǎn)子每相電阻，X20為電機剛啟動時的轉(zhuǎn)子感抗。

當電機輸入頻率一定時，電機輸入電壓的降低會造成電機輸出轉(zhuǎn)矩大幅降低，因此降壓軟啟動必然會嚴重降低電機的啟動轉(zhuǎn)矩。在重負載啟動時，單純靠固態(tài)啟動方式可能會造成系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩不足、堵轉(zhuǎn)，甚至造成系統(tǒng)啟動失敗。因此，為提高電機啟動轉(zhuǎn)矩，同時限制電機的啟動電流，必然要求降低輸入電壓的頻率。

離散變頻啟動在降低頻率的同時也降低了輸入電壓，并改變了三相電的相位關(guān)系，這些因素都將直接影響電機的啟動轉(zhuǎn)矩。離散變頻實際上是對電網(wǎng)供電半波的合理取樣，其表達形式為：

其中，σ（t）為取樣函數(shù)，通過傅里葉級數(shù)分解，得到單相電壓輸出的基波與各次諧波幅值，取σ（t）為偶函數(shù)，則傅里葉級數(shù)中的a0為0，余弦系數(shù)an積分為0，幅值大小只和正弦系數(shù)bn有關(guān)，bn在一個周期內(nèi)的積分可化簡為：

其中，σi為σ（t）的離散形式，且k≠n。

為避免出現(xiàn)負力矩使電機反轉(zhuǎn)，變頻軟啟動應(yīng)該保證輸出電壓的相序保持不變。在分頻后，要保證三相的對稱。在k 分頻下，假設(shè)A 相初始相位為0，則B、C相的初始相位角同分頻系數(shù)k的關(guān)系為：

其中，i、j 為整數(shù)。為使正序分量最大，離散變頻應(yīng)該選取最接近三相對稱的相位組合，即：。經(jīng)簡化得到：，即：k=3n+1 時能夠獲得三相對稱。因此，相應(yīng)的n 取值為1、2、3……，對應(yīng)的k 值為4、7、10……

對于4 分頻，n=1，則有k=3n+1=4：

眾所周知，恒壓頻比調(diào)速可以保證電機的氣隙磁場不變，從而維持電機的轉(zhuǎn)矩不變。離散變頻在軟啟動降低頻率的同時，基波電壓也隨之降低，離散變頻不一定在任意分頻下實現(xiàn)恒壓頻比控制，確保電機輸出較大轉(zhuǎn)矩。根據(jù)感應(yīng)電機電磁轉(zhuǎn)矩，在k 分頻下電機的啟動轉(zhuǎn)矩Tk可表示為：

其中，頻率與上述三個物理量的變化成正比。因此在k 分頻時，同步轉(zhuǎn)速、定子、轉(zhuǎn)子漏抗均為原來的，akUm為k 分頻下輸出電壓的基波幅值。

其中，Tst為分頻前電機的啟動轉(zhuǎn)矩。

對于4 分頻，n=1，則k=3n+1=4，代入式（3）、（4）、（6），可求得b1=-0.38Um。

因此，由以上計算可以證明，選用4 分頻啟動，轉(zhuǎn)矩的極限值最大為直接啟動的9.24 倍，表明離散變頻軟啟動有極強的帶載能力，同時也確保了三相相位的對稱，確保了正序分量最大。選用離散有級變頻啟動方式，能夠在限制負載以較小的啟動電流下，以較高的啟動轉(zhuǎn)矩完成電機的啟動運行，很好地解決傳統(tǒng)固態(tài)軟啟動因啟動電流過小而導(dǎo)致裝置帶載能力不足的問題。

2 改造方案

通過軟啟動方案的比對，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)降壓固態(tài)軟啟動的方案很難達到對主泵電機平穩(wěn)啟動，且電機瞬時啟動電流不大于額定電流3 倍的要求，改造存在較大風險；若選用離散變頻軟啟動方案，可以在降低啟動電壓的同時很好地兼顧壓頻比，在降低啟動電流的同時提升電機啟動轉(zhuǎn)矩，因此選用離散變頻軟啟動方案較為穩(wěn)妥。

離散變頻軟啟動利用晶閘管的可控性，周期性地截止工頻交流電的上半周和下半周，并利用導(dǎo)通半波的基頻實現(xiàn)降低頻率的目的。此次方案采用智能化控制單元，在軟啟動過程中各相晶閘管順序?qū)?，并按一定的?guī)律實現(xiàn)移相，以改變電機的輸入電壓和頻率。其與傳統(tǒng)軟啟動裝置的區(qū)別在于，在電機最初啟動階段選用輸出頻率為12.5 Hz（4 分頻）頻率運行，在電機達到1/4 額定轉(zhuǎn)速后，輸出頻率調(diào)整為50 Hz，實現(xiàn)了電機平滑無沖擊啟動（圖2～圖4）。當電機到達額定電壓后，軟啟動過程結(jié)束，控制單元自動切換至旁路接觸器，移除可控硅閥組，進入電機的工頻、額定電壓運行。

圖2 4 分頻后擬合形成的波形輸出

圖3 1/4 額定轉(zhuǎn)速工頻運行的波形輸出

圖4 離散變頻高壓軟啟動接線

電機通過頻率從0～12.5 Hz 和12.5～50 Hz 兩個階段的加速，完成從靜止到全速的加速過程。加速過程結(jié)束后，旁路裝置將電機切換至工頻旁路，電機進入額定電壓運行狀態(tài)，從而完成有級變頻啟動。

在采購過程中，考慮到軟啟動裝置關(guān)鍵部件的選型對裝置的穩(wěn)定運行及快鍛機機組可靠運行的影響，在技術(shù)要求中特別對可控硅、高壓真空接觸器等部件的品牌和性能指標做出要求?？紤]到晶閘管串聯(lián)組件門極控制單元與主控制電路之間高電位隔離，及各串聯(lián)組件控制的步調(diào)一致性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，選用光控晶閘管取代傳統(tǒng)的電控晶閘管，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。在軟啟動裝置與原裝置控制信號的銜接上，在確保絕對可靠、便于后期維護、施工方便的前提下，采用遠程端子觸發(fā)方式控制，保留原真空接觸器控制柜綜保參數(shù)不變。裝置要求具備全面的電機保護功能，具備欠流、過流、欠壓、過壓、短路、堵轉(zhuǎn)、缺相、相序檢測、超時啟動及啟動次數(shù)保護等功能。另外，還綜合考慮噪聲、環(huán)境溫度、檢修空間、布線合理性，安全距離等因素，優(yōu)化裝置的安裝位置。

4 實施效果

20 MN 快鍛機4 臺高壓軟啟動裝置自投運3 年以來，運行平穩(wěn)，未發(fā)生因啟動裝置內(nèi)部故障、控制信號異常、絕緣異常、可控硅擊穿、高壓交流接觸器觸頭粘連等原因?qū)е碌碾姍C啟停失敗，各類狀態(tài)監(jiān)測單元工作正常。在保證間隔60 s 以內(nèi)，以較為理想的啟動電流順序啟動4 臺主泵電機，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化，實際啟動瞬時峰值電流降至約2.8Ie（Ie為電機額定電流）。啟動時公司10 kV 側(cè)的電壓波動僅為3.0%，變壓器二次側(cè)電壓下降至388 V 左右、大于欠壓閾值，因此快鍛機主泵啟停不會造成其他設(shè)備的運行異常。改造前后電機啟動參數(shù)的對比見表2。

表2 改造前后電機啟動參數(shù)對比

5 結(jié)束語

離散變頻軟啟動在重載型負載啟動中的成功應(yīng)用，不僅大大降低了負載啟動瞬時電流對公共網(wǎng)及電機本身絕緣的沖擊，同時也降低了電機軸承、聯(lián)軸器等運動部件的機械沖擊，延長了電機的使用壽命，減少了設(shè)備的維護檢修及停機時長，降低了電網(wǎng)預(yù)留容量。此外，全方位的電機運行狀態(tài)監(jiān)測及保護為關(guān)鍵設(shè)備的運行提供了可靠的技術(shù)保障。離散變頻軟啟動技術(shù)在重負載電機啟動改造領(lǐng)域有其廣泛的推廣應(yīng)用價值。