應(yīng)用液阻技術(shù)實(shí)現(xiàn)大功率繞線型電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)

吳 成 錢惠明 周 瓏

（1. 寧波鋼鐵有限公司余能發(fā)電廠，浙江 寧波，315800；2. 百超（上海）精密機(jī)床有限公司，上海 201702）

1 系統(tǒng)工況介紹

各種生產(chǎn)機(jī)械電力拖動(dòng)系統(tǒng)采用高壓大功率繞線型異步電動(dòng)機(jī)較為普遍，尤其在冶金、礦山、石化等行業(yè)風(fēng)機(jī)、水泵、破碎機(jī)等機(jī)組中更是比比皆是。這些高壓大功率電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，由于起動(dòng)電流過大（一般是額定電流的 3～8倍），往往造成系統(tǒng)電壓下降，引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)，嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量，甚至導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備停機(jī)，影響生產(chǎn)。寧波鋼鐵集團(tuán)有限公司全廠余熱回收發(fā)電項(xiàng)目1×18MW一期工程循環(huán)風(fēng)機(jī)主軸電動(dòng)機(jī)額定電壓為 10kV，功率為 3800kW，額定電流為260A，要求在起動(dòng)過程中10kV母線壓降不能大于15%，最大起動(dòng)電流控制在750A以下，起動(dòng)時(shí)間控制在 10～100s且可調(diào)，起動(dòng)電流參數(shù)可控制，并可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況隨機(jī)進(jìn)行調(diào)整。如何選擇經(jīng)濟(jì)、適用、可靠的起動(dòng)方式和設(shè)備是廠方首要研究解決的問題。

2 起動(dòng)方式選擇

當(dāng)前，繞線型電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方法有：頻敏變阻起動(dòng)、串電阻多級(jí)起動(dòng)、液態(tài)電阻軟起動(dòng)。以下對三種起方式進(jìn)行綜合分析比較。

1）頻敏變阻起動(dòng)是將繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路通過滑環(huán)、碳刷引入地面的頻敏變阻起動(dòng)柜內(nèi)，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)串入頻敏變阻器，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)子電流頻率的降低，頻敏變阻阻抗逐步減少，達(dá)到連續(xù)限制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的目的。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束后還需通過接觸器或短路環(huán)將頻敏變阻短接。由于頻敏變阻器實(shí)際上是一個(gè)電感元件，它會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，因此，這種起動(dòng)方式一般用在對起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不太高的風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)和球磨機(jī)機(jī)組。

2）串電阻多級(jí)起動(dòng)也是將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流引入起動(dòng)柜內(nèi)，通過時(shí)間、電流或凸輪控制器改變電阻的大小，達(dá)到增加電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、減少起動(dòng)電流的目的。它的最大優(yōu)點(diǎn)是由于串入轉(zhuǎn)子回路是純電阻，功率因數(shù)較高。但這種起動(dòng)方式控制復(fù)雜，起動(dòng)過程中需頻繁切換電阻，造成多次沖擊電流，因此，它通常只用在對起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求特別高的起重機(jī)、軋鋼機(jī)等設(shè)備上。

3）液態(tài)電阻軟起動(dòng)是將液體電阻串入電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路，通過伺服電動(dòng)機(jī)改變極板間距，從而改變液體電阻的大小，達(dá)到無級(jí)連續(xù)調(diào)整電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的目的。它與凸輪控制器改變電阻相比，特點(diǎn)是起動(dòng)參數(shù)可調(diào)，起動(dòng)電流小，對電網(wǎng)電壓無沖擊；與變頻器相比，該類起動(dòng)設(shè)備操作維護(hù)簡便，性價(jià)比高。

發(fā)電廠通過對幾種起動(dòng)方式的比較分析，認(rèn)為液態(tài)電阻軟起動(dòng)是最適合循環(huán)風(fēng)機(jī) 10kV、3800kW高壓大功率繞線型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的起動(dòng)方式，并最終選用了追日電氣開發(fā)的自動(dòng)電液變阻起動(dòng)控制裝置。

3 液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)應(yīng)用研究

電液軟起動(dòng)的工作原理為，在被控繞線型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中竄入一特制的液體電阻器，該液阻隨著電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)而自動(dòng)投入，在預(yù)定或可控的時(shí)間內(nèi)控制液阻阻值由大變小逐漸趨于零，從而使電動(dòng)機(jī)在最小起動(dòng)電流和最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下均勻升速，平穩(wěn)起動(dòng)，起動(dòng)結(jié)束后接觸器短接轉(zhuǎn)子回路。

圖1 電液變阻起動(dòng)裝置一次原理圖

液體電阻串入轉(zhuǎn)子的方法不屬于降壓起動(dòng)，它可以在限制起動(dòng)電流的同時(shí)，增加電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)力矩，這是其突出優(yōu)點(diǎn)。在起動(dòng)過程中，適當(dāng)?shù)乜刂齐娮柚档南陆德剩锌赡茉谄饎?dòng)的全過程中保持恒定的大起動(dòng)力矩。

自動(dòng)電液變阻起動(dòng)控制裝置采用特殊的耐高壓絕緣材料制成三相獨(dú)立的電液箱，其內(nèi)部由一組特殊的固定電極和活動(dòng)電極組成極板對，極板對和動(dòng)、定電極之間的電液組成液體電阻。動(dòng)電極通過一套絕緣的傳動(dòng)裝置相連接，使得三相電阻在高壓、大電流情況下可以無級(jí)自動(dòng)切換，從而組成可變電阻，起動(dòng)過程平滑、無沖擊。

控制回路采用PLC進(jìn)行邏輯控制，針對不同工況要求，液態(tài)電阻的動(dòng)電極初始位可隨機(jī)調(diào)整，以及切換液態(tài)電阻的電動(dòng)執(zhí)行器速率可隨機(jī)調(diào)整，使得液態(tài)電阻的阻值及變化速率均可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，從而充分發(fā)揮了液態(tài)電阻可無級(jí)切換及現(xiàn)場可隨機(jī)調(diào)整的優(yōu)勢。PLC對起動(dòng)運(yùn)行全過程進(jìn)行保護(hù)監(jiān)控，監(jiān)測起動(dòng)過程中液阻及電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)，控制極板運(yùn)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)的短接，保證系統(tǒng)的可靠性。PLC系統(tǒng)還能夠與主工藝控制系統(tǒng)直接通訊，實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理，方便實(shí)現(xiàn)智能化控制升級(jí)。

針對大功率電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中液態(tài)電阻隨溫升而發(fā)生變化及受氣溫變化而影響起動(dòng)效果的問題，一方面，在起動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中充分考慮系統(tǒng)的熱容量使液箱容積適當(dāng)，保證單次電液溫升控制在允許值內(nèi)，并通過檢測電液的溫度自動(dòng)選擇初始電阻位置（即自動(dòng)確定初始位），保證在不同溫度下起動(dòng)性能趨于一致，這樣就有效克服了因電液散熱不及時(shí)或氣溫的變化導(dǎo)致液體電阻的變化；另一方面，通過檢測起動(dòng)電流來控制動(dòng)電極的運(yùn)行速率，達(dá)到恒流起動(dòng)的目的，這樣大大改善了起動(dòng)性能，使電液的溫升對起動(dòng)的不利影響得到有效控制。

4 應(yīng)用效果

自動(dòng)電液變阻起動(dòng)控制裝置投運(yùn)后，起動(dòng)電流控制在額定電流的1.3倍以內(nèi)，起動(dòng)時(shí)間為9～35s，預(yù)整定、可調(diào)，可連續(xù)起動(dòng)6次，而電液正常工作溫度控制在70℃以下。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，起動(dòng)電流逐漸上升，隨著電液電阻均勻減小，電流逐漸增大，轉(zhuǎn)速平滑上升，當(dāng)電流增至 500A并維持了幾秒鐘時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速己接近額定轉(zhuǎn)速，在電阻切除瞬間有毛刺電流峰值達(dá)800A，然后電動(dòng)機(jī)電流迅速下降到 200A，整個(gè)起動(dòng)過程共用了33s（見圖2、圖3）。起動(dòng)過程中母線壓降基本為3%以內(nèi)，各項(xiàng)實(shí)測數(shù)據(jù)表明所有參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，在整個(gè)起動(dòng)過程中機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備均沒有受到起動(dòng)電流的沖擊（風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度7%）。

圖2 轉(zhuǎn)速、電流起動(dòng)變化曲線

圖3 電網(wǎng)電壓起動(dòng)變化曲線

5 結(jié)論

應(yīng)用實(shí)踐證明，液體變阻軟起動(dòng)裝置對工況及電網(wǎng)的環(huán)境要求不高，對電網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生高次諧波污染，與其他同類設(shè)備相比具有明顯的優(yōu)勢。系統(tǒng)自身集成控制發(fā)出聯(lián)機(jī)信號(hào)，自動(dòng)化程度高，一般技術(shù)人員進(jìn)行短期培訓(xùn)即可自行操作維護(hù)，操作維護(hù)安全方便，不僅滿足了生產(chǎn)需要，而且減少了投資，節(jié)省了維護(hù)費(fèi)用，可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。不同行業(yè)的高壓大功率繞線型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)都有相似之處，液體軟起動(dòng)技術(shù)可因地制宜地應(yīng)用到各類工程中，尤其是冶金企業(yè)的礦山破碎機(jī)、煤粉球磨機(jī)、制氧機(jī)等大型重載設(shè)備，其大功率電動(dòng)機(jī)均可采用該技術(shù)。