禹門口一級站改擴建工程大機組啟動方式比選

劉若宙

(山西省水利水電勘測設計研究院，山西太原 030024)

1 概述

山西省禹門口一級站改擴建工程緊靠一級站上游側，主要任務是解決北趙灌區、西范灌區、西范東擴灌區水源問題。受益范圍包括萬榮、臨猗、聞喜、稷山和新絳五縣(市)，設計提水規模供北趙灌區15.06 m3/s、西范灌區和西范東擴灌區13.8 m3/s，輸水損失流量5.0 m3/s，總計33.86 m3/s，考慮兼顧向禹門口灌區和汾南灌區補充水源確定加大設計流量40 m3/s;年提水量2.90億m3，其中北趙灌區1.38億m3，西范灌區1.52億m3。新增和改善灌溉面積112.85萬畝。其中，擴建一級泵站總裝機8 000 kW，裝機2臺，總提水流量40 m3/s，設計揚程5.91 m～10.29 m。由于該泵站是大流量泵組，總裝機為2臺4 000 kW同步電動機。電機的啟動方式采用何種方式是泵站運行需要解決的重要問題。

2 電機的啟動方式比選

就電機的啟動方式來說，目前常用的方式有：全壓直接啟動、串電抗器啟動、同軸小電機啟動、利用軟啟動器啟動、變頻器啟動等。本階段對機組啟動進行了以下方案比選：

1)全壓直接啟動。

全壓直接啟動要求供電系統有足夠大的容量，供電系統的容量不夠大時，啟動機組時對電網的沖擊很大，導致機組啟動失敗的可能性大大提高。另外采用全壓啟動時電機將產生大約5倍～8倍的額定電流，對電機的沖擊大。

2)串電抗器啟動。

采用這種方式，啟動電流不可控，不可調，數值為額定電流的3.5倍～5倍，當然啟動時間也不能控制，對電網的電流沖擊大，以及對傳動機構的機械沖擊大，因此，對本工程來說，選擇此種方法不科學。

3)同軸小電機啟動。

通過裝在電動機頂部的一臺小容量繞線式感應電動機進行啟動加速，啟動過程中，通過調節，使小電機保持一定的出力，當接近主機同步轉速時，同期并網，切斷小電機，完成啟動。相對于直接啟動，該方案對電網的沖擊較小，但需以擴大主廠房為代價，并且由于本工程機組功率大，同軸小電機的功率也會很大。

4)軟啟動器啟動。

軟啟動器主要分液態和固態兩種。液態軟啟動器是在電機定子回路串接一特制可變液體電阻，隨著電動機的啟動，通過PLC程序控制，使阻值無級平滑減小、電動機端電壓均勻提高。但對于液態軟啟動器來說，維護很困難，占地也較大，采用軟啟動啟動后電解液通的溫升將達到10℃～30℃，另外，由于其重復性能及控制性能低，安全性差，且對環境的要求高，因此，就本工程來說，不應選擇此方案。

固態軟啟動器中調壓器一般采用三相反并聯晶閘管，接在電源與電動機定子間，這樣，當電動機被啟動時，其輸出電壓逐步增加，同時電動機速度逐步加快，當晶閘管實現全部導通，電動機就在額定電壓機械特性上實現平穩啟動，這將大大降低啟動電流，避免因電流過大跳閘。具有體積小，易控制的優點，但啟動力矩不足。晶閘管軟啟動器可以將電流控制在額定電流的2倍～3倍，但不能在啟動時控制電機轉速。

軟啟動器輸出的電壓波形不是正弦波而是半波，諧波含量大，需要濾波裝置。并且啟動對電網有沖擊，如果電網短路容量小會拉下電網電壓，并且對無功沒有補償效果，需另外增設無功補償裝置。

5)變頻器啟動。

對于大功率同步電動機，變頻器可實現平穩啟動，導致啟動電流不大，這樣對電網的沖擊將大大減小。在限流同時保持高的啟動轉矩;啟動電流很小，而且可根據工況進行適宜性調整。變頻啟動重復性強，啟動一臺負載后，可以馬上通過切換柜啟動另一臺負載，沒有冷卻時間，還具有維護簡便的優點，沒有定時需要更換的部件，且節能效果明顯。

變頻器具有軟啟動方式的所有優點，輸出電壓波形為完美正弦波，啟動電流更小，可以控制在額定電流以下，所需的電網容量也最小，啟動最平穩，無需無功補償裝置。

因此，通過比較，結合運行工況按照經濟實用和技術可靠的原則，本工程采用變頻器啟動方式是最佳選擇。現就變頻器工作原理及特點敘述如下。

3 變頻器的工作原理

目前，工程中應用最廣泛的是交—直—交變頻器，其工作過程分成兩個部分：整流，先將電源的三相(或單相)交流電經三相全波整流橋整流成直流電。逆變，直流電經三相逆變橋“逆變”成頻率和電壓都任意可調的三相交流電。

4 變頻器特點

1)變頻調速裝置對大功率同步電動機可實現平穩啟動，啟動電流小，對電網沖擊小，在限流同時保持高的啟動轉矩。2)高壓變頻器可直接驅動普通三相交流電機，直接高—高輸出，無需任何濾波與功率補償裝置。3)高壓變頻器綜合運用現代電力電子技術，計算機控制技術，計算機網絡技術的先進發展成果，集多種高新技術為一體，如模塊化設計技術，低感母排技術，采用DSP的多電平控制技術，技術水準高，應用靈活，使用范圍極廣。4)高壓變頻器采用多電平拓撲結構，由單相逆變器模塊串聯而成，其功率單元模塊可實現互換，維護極為方便。5)高壓變頻器被稱為“綠色變頻器”。它對外部電網及其負載電機沒有所謂的諧波污染。6)高壓變頻器一次性投入資金較大，從而使其在某些應用場合受到了限制。

5 變頻器啟動控制

現在，通用的變頻器控制器由雙DSP微處理器和工控PC一起構成。實現雙微處理器控制，可以提供友好的全中文監控和操作界面，方便遠程與網絡化控制;將其內置于柜體，則能處理開關邏輯信號，方便用戶靈活接口。將光纖通信技術用于控制器與功率單元中，將可靠隔離高低壓部分。該系統安全性與抗磁干擾性能高。另外，控制電源點時，控制器可由配備的繼續供電，變頻器可以繼續運行。變頻器具有旁路功能，可手動/自動實現變頻與工頻運行狀態的自由切換，變頻器可實現正常狀態時的軟啟動，啟動一臺負載后，可以馬上通過切換柜啟動另一臺負載，當變頻器故障時，可以自動進行旁路，當對變頻器進行檢修維護時，使用自動旁路開關柜的手動擋對負載進行啟停，這樣，可以滿足用戶負載的不斷電要求。

6 結語

結合運行工況按照經濟實用和技術可靠的原則，山西省禹門口一級站改擴建工程中大機組選用變頻啟動仍是比較理想的選擇。變頻器作為先進節能的電子技術產品，有著其他啟動方式無法比擬的優點，盡管投資價格有點高，但是，隨著技術的不斷改進，其成本的不斷降低，它將被越來越多地運用到更為廣泛的應用場合。