3種新型高壓電動機(jī)軟起動裝置評介

隨著水泥生產(chǎn)設(shè)備的大型化，拖動球磨機(jī)、風(fēng)機(jī)等大型水泥生產(chǎn)設(shè)備的電動機(jī)的功率也越來越大。交流電動機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜、轉(zhuǎn)子慣量小等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但其起動電流高達(dá)電動機(jī)額定電流的5～10倍，對電動機(jī)及所拖動的設(shè)備造成電氣和機(jī)械損傷，而且引起電網(wǎng)電壓下降。傳統(tǒng)的鼠籠型電動機(jī)降壓起動，屬有級起動，起動特性不理想，切除時(shí)造成的二次沖擊電流無法解決，不能實(shí)現(xiàn)頻繁起動。在繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的起動方法，其最大缺點(diǎn)是分級切換，阻值呈跳躍性變化，起動不平穩(wěn)，起動效果不理想。采用頻敏變阻器作起動設(shè)備時(shí)，其起動電流仍較大(為3～4倍電動機(jī)額定電流)，電壓稍低即難起動，同時(shí)頻敏變阻器發(fā)熱嚴(yán)重，易被燒毀，不能連續(xù)起動。起動電流不平滑，對電動機(jī)有一定沖擊作用。  
　　

采用高壓變頻器起動高壓電動機(jī)雖具有良好的靜、動態(tài)起動性能，起動電流可限制在1.5倍電動機(jī)額定電流以下，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍，并且在此范圍內(nèi)可隨意調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動，但價(jià)格昂貴。高壓固態(tài)軟起動器的每一相導(dǎo)電支路均由多個晶閘管(SCR)串聯(lián)而成，每只晶閘管的失效均會威脅整個裝置的正常運(yùn)行。且設(shè)備的安裝環(huán)境、操作維護(hù)要求都較高。雖可實(shí)現(xiàn)恒電流起動、線性電壓斜坡起動等性能，但價(jià)格仍然較貴(為高—低—高方案的高壓變頻器的60%左右)。高壓變頻器與高壓固態(tài)軟起動器技術(shù)均較為復(fù)雜，維護(hù)難度大。 
　　

高壓鼠籠型交流電動機(jī)液體電阻軟起動裝置價(jià)格約為高壓固態(tài)軟起動裝置的1/6～1/8。但該裝置由于是串聯(lián)在電動機(jī)的定子繞組上，要承受高電壓，高電壓增加了電液箱內(nèi)液面、溫度等參數(shù)測量和顯示的難度。同時(shí)，它還要求液體電阻有較高的阻值，而過分稀釋電解液會導(dǎo)致電阻率溫度穩(wěn)定性的下降，只能通過加長導(dǎo)電通道路徑，減小導(dǎo)電截面積的方法來實(shí)現(xiàn)高阻值，這使得軟起動裝置的體積增大。在起動過程中，當(dāng)大電流通過電阻液時(shí)，會使電阻液溫度上升，起動時(shí)能量消耗大。由于高壓鼠籠型交流電動機(jī)液體電阻軟起動裝置與高壓固態(tài)軟起動器降壓不降頻，而轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此這兩種起動器的起動轉(zhuǎn)矩較小。盡管鼠籠式電動機(jī)比繞線式電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，但以上問題的存在，大大限制了高壓鼠籠式電動機(jī)的應(yīng)用。 
　　

近年來，水泥廠球磨機(jī)、風(fēng)機(jī)等大型水泥生產(chǎn)設(shè)備的電動機(jī)多采用繞線式電動機(jī)+液體變阻器+無功就地補(bǔ)償(電容器或靜止進(jìn)相機(jī))的起動方案，雖實(shí)現(xiàn)了無級起動，且起動電流小，起動轉(zhuǎn)矩大，但仍不盡如人意。一是起動時(shí)雖比高壓鼠籠型交流電動機(jī)液體電阻軟起動裝置能量消耗有所減少，但仍較大，浪費(fèi)能源，需要經(jīng)常測電阻和加水；二是由于存在可移動部件等傳動機(jī)構(gòu)，不僅體積較大，而且需要定期檢修；三是受環(huán)境溫度影響較大，起動電流控制不準(zhǔn)確。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在電力拖動領(lǐng)域涌現(xiàn)出3種高壓大功率電動機(jī)的軟起動新技術(shù):高壓熱變電阻軟起動裝置、開關(guān)變壓器式高壓電動機(jī)軟起動裝置和高壓磁控軟起動裝置，可望解決鼠籠式電動機(jī)難起動問題。  

2　高壓熱變電阻軟起動裝置 

　　 
2.1　工作原理 
　　

它是針對大中型高壓鼠籠交流異步電動機(jī)或異步起動的高壓同步電動機(jī)而研制的軟起動裝置。熱變電阻實(shí)質(zhì)上是一種特殊的液體材料、一種特殊的電解質(zhì)的水溶液。它隨著電阻體溫度的逐步升高，電阻值逐步降低，呈現(xiàn)出明顯的負(fù)溫度電阻系數(shù)特性。 
　　

高壓熱變電阻器是由三相平衡的具有負(fù)溫度特性的電阻組成。在高壓大中型電動機(jī)的起動時(shí)，將該電阻器串入電動機(jī)的三相定子回路中，電動機(jī)定子電流流過熱變電阻器致使電阻體發(fā)熱，溫度逐步升高，電阻逐步降低，電動機(jī)端電壓逐步升高，起動轉(zhuǎn)矩逐步增加，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)在較小的起動電流下平穩(wěn)平滑起動。電動機(jī)在起動過程中，其等效電抗值X是不變的，而電動機(jī)等效電阻r2′/s是隨著轉(zhuǎn)差率s的減少而增大。在電動機(jī)起動瞬間，s=1，而X和r2′都非常小，因此直接起動時(shí)電流很大(5～7倍電動機(jī)額定電流)。如圖1所示，當(dāng)在電動機(jī)定子回路串一熱變電阻RQ時(shí)，電動機(jī)等效電阻r2′/s是隨著轉(zhuǎn)差率s的減少而增大，而熱變電阻RQ則隨著通電發(fā)熱阻值逐步降低，回路總電阻在區(qū)間0.1<s≤1近似不變，從而有效地保證電動機(jī)的恒電流起動。起動電流小，為電動機(jī)額定電流的2.5～3.5倍，對電網(wǎng)影響很小，起動時(shí)電網(wǎng)壓降在10%以內(nèi)，起動平穩(wěn)，對機(jī)械設(shè)備無沖擊，相對地延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命。電動機(jī)機(jī)械特性見圖2。 

　　 
　1.電動機(jī)自然特性；2.串熱變電阻后特性；3.離心風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載轉(zhuǎn)矩；4.陰影區(qū)為加速轉(zhuǎn)矩 

　　

高壓熱變電阻軟起動有以下特點(diǎn): 
　　

1)恒加速度，起動平滑平穩(wěn)。熱變電阻具有較大的熱容性特性，且加速轉(zhuǎn)矩接近不變，從而使電動機(jī)起動過程無機(jī)械沖擊且為近似恒加速起動。在電動機(jī)起動瞬間，因有較大的熱變電阻的存在而使電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩比“自然特性”時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，因此它只適用于水泥廠大型風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、水泵等靜態(tài)阻力比較小的機(jī)械負(fù)載。 
　　

2)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，造價(jià)低廉。與液體變阻器相比，結(jié)構(gòu)較為簡單，沒有傳動機(jī)構(gòu)，提高了可靠性，維護(hù)方便。與高壓變頻器、高壓固態(tài)軟起動器相比，價(jià)格低廉，只有同性能進(jìn)口設(shè)備的1/8～1/10。 
　　

3)對電網(wǎng)和負(fù)載適應(yīng)性好，不受電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載變動的影響。當(dāng)因電網(wǎng)電壓低和負(fù)載較重等原因造成電動機(jī)輸出力矩相對不足時(shí)，電阻會進(jìn)一步降低，從而逐步提高電動機(jī)端電壓，使電動機(jī)出力增加，確保一次起動成功。 
　　

4)與電抗器、自耦變壓器等降壓起動方式相比，起動時(shí)的功率因數(shù)高。 
　　

5)與高壓變頻器、高壓固態(tài)軟起動器相比，無電磁污染。 

2.2　系統(tǒng)控制方案 
　　

針對所控制電動機(jī)的不同，熱變阻起動器有4種控制方案(見圖3)。其中，方案A和方案B較為復(fù)雜，高壓熱變電阻通過高壓開關(guān)柜(起動控制柜)接入電動機(jī)起動回路。方案A的高壓電攜帶點(diǎn)少、安全；保護(hù)方式可采用縱差，適用于2000kW以上，且中性點(diǎn)可打開的電動機(jī)。方案B復(fù)雜，且高壓電攜帶點(diǎn)多；但電動機(jī)保護(hù)最方便，起動與運(yùn)行可以分開考慮。方案C簡單、投資少，適用于2000kW以下的電動機(jī)。但熱變電阻長期帶電，應(yīng)考慮加強(qiáng)防護(hù)。方案D適用于“一拖多”方案。 

2.3　使用與維護(hù) 

2.3.1　使用 
　　

1)熱變電阻器適用于不頻繁起動場所，使用完畢后應(yīng)完全從電力線路中脫開，防止長期帶電。 
　　

2)環(huán)境溫度:上限40℃(24h平均氣溫不超過35℃)，下限0℃；相對濕度不超過90%。 
　　

3)海拔高度不超過1000m。 
　　

4)安裝地點(diǎn)應(yīng)無劇烈振動及沖擊、無導(dǎo)電塵埃及腐蝕性氣體、沒有火災(zāi)及爆炸危險(xiǎn)的場所。 
　　

5)安裝完后應(yīng)作絕緣電阻檢測和耐壓試驗(yàn)。 
　　

6)電動機(jī)起動過程中的保護(hù)整定應(yīng)能覆蓋起動時(shí)間，推薦采用定時(shí)限過流保護(hù)。 
　　

7)熱變電阻體頂部進(jìn)出線端以高壓電纜與外部聯(lián)接。 

2.3.2　維護(hù) 
　　

1)每次起動之前應(yīng)檢查電阻器有無異常現(xiàn)象，如滲漏等等； 
　　

2)每次起動之前應(yīng)檢查絕緣子是否清潔，有無裂紋及爬電痕跡或其它異常情況； 
　　

3)定期檢查對地絕緣電阻和對地耐壓。 

2.4　應(yīng)用實(shí)例 
　　

山西海鑫國際鋼鐵公司煉鐵二廠1080m3高爐鼓風(fēng)機(jī)，所配T13500-4同步電動機(jī)，額定功率為13500kW，額定電壓為10kV，額定電流為888A，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，堵轉(zhuǎn)電流倍數(shù)為5.96，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為2.35，折合到電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量GD2為23100kg·m2，靜阻力矩為2500N·m，空載力矩為22000N·m，10kV母線最小短路容量為240MVA。2002年5月23日，采用HTR3-15000型高壓熱變電阻起動器一次試機(jī)獲得成功。起動電流為2206A，不到電動機(jī)額定電流的2.5倍，電動機(jī)起動時(shí)間為23.12s，引起10kV母線壓降小于8%，電阻溫升10℃。起動平穩(wěn)，無沖擊、無嘯叫聲。2000年3月5日，遼寧本溪北龍煉鐵公司在Y900-4型6kV、4260kW、458A高壓鼠籠式電動機(jī)上安裝了1臺HTRS1-Y4500/6型高壓熱變電阻起動器。2000年3月6日帶風(fēng)機(jī)一次試機(jī)獲得成功，母線壓降小于5%，起動平穩(wěn)，無沖擊。該起動器在北京水泥廠、安徽巢湖金庭水泥廠、廣安桂興水泥有限公司、鳳陽水泥總廠等水泥廠大型風(fēng)機(jī)已成功應(yīng)用。 

3　開關(guān)變壓器式高壓電動機(jī)軟起動裝置 

　　 
3.1　工作原理 
　　

該裝置是用開關(guān)變壓器來隔離高壓和低壓，把開關(guān)變壓器的高壓側(cè)繞組串聯(lián)在高壓電動機(jī)定子回路中，開關(guān)變壓器的低壓側(cè)繞組與可控硅和控制系統(tǒng)相連，通過改變其低壓側(cè)繞組上的電壓來改變其高壓側(cè)繞組上的電壓，從而達(dá)到無級改變高壓電動機(jī)定子端電壓的目的，以實(shí)現(xiàn)高壓鼠籠式電動機(jī)的軟起動。 
　　

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。隔離開關(guān)GK1、真空開關(guān)ZK1和電動機(jī)為原系統(tǒng)，隔離開關(guān)GK2、GK3、真空開關(guān)ZK2、開關(guān)變壓器T、可控硅以及可編程序控制器(PLC)構(gòu)成軟起動系統(tǒng)。當(dāng)電動機(jī)起動時(shí)，首先檢查隔離開關(guān)GK1、GK2、GK3是否合上，在確認(rèn)全部閉合情況下，按下“起動”按鈕，真空開關(guān)ZK2閉合，軟起動回路接入，開關(guān)變壓器T與電動機(jī)串聯(lián)接在電源上，PLC控制可控硅的導(dǎo)通角，使開關(guān)變壓器T兩端的電壓由大到小變化，電動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升。當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，真空開關(guān)ZK1閉合，電動機(jī)接入原系統(tǒng)，真空開關(guān)ZK2斷開，軟起動回路脫離，電動機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此時(shí)，可手動拉開隔離開關(guān)GK2、GK3，以使開關(guān)變壓器T上無高電壓。當(dāng)要停止電動機(jī)時(shí)，首先合上隔離開關(guān)GK2、3，按下“停止”按鈕，PLC首先使真空開關(guān)ZK2閉合，然后斷開真空開關(guān)ZK1，軟停止回路接入，PLC使電動機(jī)的端電壓逐步下降，直至電壓為零，斷開真空開關(guān)ZK2，軟停止結(jié)束。 

　1)電壓斜坡控制 
　　

PLC逐步提高控制電壓，電動機(jī)的端電壓逐步升高，電流逐步上升，同時(shí)由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)定子端電壓的平方呈正比，起動轉(zhuǎn)矩小，對機(jī)械負(fù)載沖擊小，從而延長了電動機(jī)及機(jī)械負(fù)載的使用壽命。尤其適用于水泥廠大型風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、水泵等靜態(tài)阻力比較小的機(jī)械負(fù)載。這種起動模式電流逐步上升，超過額定電流的時(shí)間較短，電動機(jī)發(fā)熱小，在工藝上對起動時(shí)間不作嚴(yán)格要求的條件下，應(yīng)優(yōu)先采用這種起動模式，以減少電動機(jī)的發(fā)熱。 
　　

2)恒電流控制 
　　

PLC不斷檢測電動機(jī)的電流，如果電流小于設(shè)定值，則提高電動機(jī)的端電壓，直至達(dá)到設(shè)定值。隨著電動機(jī)的加速，電動機(jī)的反電勢增加，電流下降，當(dāng)電流低于設(shè)定值時(shí)，PLC再提高電動機(jī)的端電壓，如此反復(fù)，使電動機(jī)的電流保持在設(shè)定值附近，直至達(dá)到電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，軟起動結(jié)束。 
　　

這種起動模式起動時(shí)間短，但電動機(jī)的過電流時(shí)間較長，電動機(jī)的發(fā)熱較大，如果工藝上要求起動時(shí)間短，可采用這種起動模式。而水泥生產(chǎn)工藝對起動時(shí)間不作嚴(yán)格要求，因此一般不采用。 
　　

3)初始脈沖式 
　　

在這種模式下，PLC可控制軟起動裝置輸出4～6個額定電壓周波的首脈沖力矩(指在起動瞬間輸出0.08～0.12s時(shí)間的額定電壓所產(chǎn)生的力矩)，然后電動機(jī)的端電壓下降到與負(fù)載相適的值，再根據(jù)設(shè)定的情況電動機(jī)的端電壓逐步升高，直至電動機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。 
　　

該裝置具有完善的保護(hù)功能，在電動機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后，PLC仍對電動機(jī)的電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電源電壓過高、過低、缺相，電動機(jī)相間、匝間短路、過流、三相電流不平衡時(shí)，進(jìn)行報(bào)警并跳閘。 
　　

該裝置其它技術(shù)性能見表1。

3.2　性能特點(diǎn) 
　　

1)控制功能強(qiáng)大。具有3種控制模式，控制參數(shù)及曲線調(diào)整范圍大，靈活性強(qiáng)。如對大慣量負(fù)荷可采取首脈沖方式。 
　　

2)控制精度高，受環(huán)境條件影響小，可在低溫下工作，每次起動都按調(diào)定的方式工作，重復(fù)性能好。 
　　

3)起動時(shí)能量損耗小，只有很小的銅損和鐵損，可連續(xù)起動次數(shù)多。 
　　

4)體積小，土建投資少，總造價(jià)低，安裝改造方便。起動裝置投入時(shí)，不需改變原電路，調(diào)試時(shí)間短。 
　　

5)與高壓變頻器、高壓固態(tài)軟起動裝置相比，技術(shù)成熟，可靠性高，檢修周期長。開關(guān)變壓器低壓側(cè)的電壓很低，不必采用電力電子器件串聯(lián)，而低壓控制技術(shù)已十分成熟，因而該設(shè)備是一種高可靠性設(shè)備。 
　　

6)“一拖多”性能優(yōu)勢明顯，只要最大電動機(jī)的容量不超過軟起動裝置的容量即可，不必象液體變阻器那樣要考慮對不同電動機(jī)的兼容性(如繞線型電動機(jī)需考慮轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流的比值，鼠籠型電動機(jī)需考慮定子電壓和定子電流)。 
　　

需要指出的是，開關(guān)變壓器式高壓電動機(jī)軟起動裝置價(jià)格稍貴，是液體變阻器軟起動裝置(含高壓熱變電阻軟起動裝置)的2倍左右。 

3.3　應(yīng)用實(shí)例 
　

2001年8月，第1臺800kW開關(guān)變壓器式高壓電動機(jī)軟起動裝置采用“一拖二”方案(如圖6所示)，成功地實(shí)現(xiàn)了大慶油田鉆井機(jī)組2臺高壓電動機(jī)的軟起動，其中1臺為6kV、280kW鉆機(jī)電動機(jī)，另1臺為6kV、780kW泥漿泵電動機(jī)。泥漿泵電動機(jī)起動時(shí)間為45.2s，起動過程中的最大電流169.8A，為電動機(jī)額定電流89A的1.9倍。起動電流中雖含有一定的高次諧波，而電壓的總諧波畸變率只有2.72%，不會對系統(tǒng)造成大的影響。

3.4　注意事項(xiàng) 
　　

1)對環(huán)境要求較高，需安裝在灰塵、腐蝕性氣體、金屬粉塵少的場所； 
　　

2)高壓電源的相序與控制室內(nèi)三相低壓電源的相序務(wù)必保持一致； 
　　

3)安裝高壓電纜時(shí)，務(wù)必注意接頭與箱體之間的安全距離不能少于12m； 
　　

4)在地溝內(nèi)走線要加金屬蛇皮管保護(hù)，電源線、控制線、屏蔽線要分別穿管，不能在同一管內(nèi)走線； 
　　

5)控制箱體必須牢固接地。 

4　高壓磁控軟起動裝置 

　　

高壓磁控軟起動裝置它是將三相磁飽和電抗器串接在電動機(jī)定子回路中，通過晶閘管控制磁飽和電抗器，改變鐵芯的磁飽和度，實(shí)現(xiàn)對高壓、大容量電動機(jī)的降壓(限流)軟起動。起動開始時(shí)電抗器的電抗值較大，在軟起動過程中，通過反饋調(diào)節(jié)使電抗值逐漸減小，軟起動完成后被旁路。高壓磁飽和電抗器在原理和結(jié)構(gòu)上與低壓(380V)磁飽和電抗器一樣，只是在某些方面采取了一些特殊處理。將三相磁飽和電抗器(三對交流繞組、每相一對)合為一個整體，共用一個直流勵磁繞組，通過晶閘管控制直流勵磁電流，改變其電抗值，利用可編程序控制器，實(shí)現(xiàn)對磁飽和電抗器的閉環(huán)控制，使起動電流更加平穩(wěn)。該裝置具有可靠性高、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。 
　　

需要指出的是，磁控軟起動裝置的輔助電源功率相對較大，因而噪聲較大。同時(shí)，還會產(chǎn)生一定的高次諧波。此外，磁飽和電抗器具有0.1s量級的慣性，其快速性也不如晶閘管軟起動裝置。 
　　

我國第1臺高壓大容量磁控軟起動裝置，于2002年5月4日在濟(jì)源鋼鐵公司煉鐵廠高爐的4號風(fēng)機(jī)6kV、2000kW異步電動機(jī)上實(shí)現(xiàn)了恒流軟起動。起動電流為3.2倍額定電流，起動時(shí)間為34s。 

5　結(jié)束語 

傳統(tǒng)觀點(diǎn)對磨機(jī)起動力矩估計(jì)過大，甚至提出起動力矩高達(dá)額定力矩的2.5倍，從而排斥鼠籠型電動機(jī)拖動大型球磨機(jī)的方案。但文獻(xiàn)[1]的研究表明，球磨機(jī)在起動瞬間的阻力矩均在磨機(jī)額定阻力矩以下(即使在長期停車后起動也是如此)，加速過程中的最大阻力矩也不超過磨機(jī)額定阻力矩的1.1倍，再加上電動機(jī)選型時(shí)的富裕容量，說明普通鼠籠型電動機(jī)用于重載起動是可行的。以上幾種電動機(jī)軟起動器由于推出時(shí)間較短，有的尚未在水泥行業(yè)應(yīng)用。但開關(guān)變壓器式高壓電動機(jī)軟起動裝置的首脈沖力矩起動模式，為普通鼠籠型電動機(jī)的重載起動提供了可能。筆者認(rèn)為高壓熱變電阻軟起動器與高壓磁控軟起動裝置比較適合在水泥廠大型風(fēng)機(jī)上應(yīng)用；而開關(guān)變壓器式高壓電動機(jī)軟起動裝置不僅適合在大型風(fēng)機(jī)上應(yīng)用，更適合在水泥廠磨機(jī)上應(yīng)用。