大容量高壓電動機的起動

黃燕飛， 付 薇， 齊茜 茜， 夏子路

(中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

電動機起動時在配電系統中要引起電壓下降。當電動機全壓起動時在配電系統中引起的電壓波動妨礙其他用電設備的工作時，根據GB 50055—2011《通用用電設備配電設計規范》要求，即不能滿足 “頻繁起動不宜低于系統標稱電壓的90%，不頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%，配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，不應低于額定電壓的80%”，電動機就要采取降壓或其他適當的起動方式。因此，電動機在不能全壓起動時，選擇適合的起動方案，既要降低工程投資，又要減少對電網的沖擊和對其他用電設備的影響。這是電動機起動方案設計的一個重點。

本文選擇水電阻、固態軟起動器、變頻三種軟起動方式，分析對于大容量高壓電動機三種軟起動方案的優缺點。介紹了在有限系統容量，而工藝無需變頻調速情況下，以小拖大降容變頻軟起動的運用。

1 高壓電動機起動方式選擇

高壓電動機起動方式分為全壓起動和降壓起動，降壓起動包括傳統的電抗器降壓起動、自耦變壓器降壓起動，Y/△降壓起動起動，以及水電阻、固態軟起動器、變頻軟起動等。

電動機全壓起動是最簡單、最可靠、最經濟的起動方式。因此，電網能夠滿足要求時，全壓起動方式是最優方案。采用電抗器、自耦變壓器、Y/△等傳統起動設備，在降低起動電流的同時，也降低了起動轉矩，增大了起動時間。這些起動方式都屬于有級降壓起動，存在明顯缺點，比較適合輕負載和容量較小的電動機起動。近年，隨著電力電子技術的發展和進步，大容量高壓電動機采用軟起動裝置，如水電阻、固態軟起動器、變頻軟起動等逐步替代了傳統起動方式。

2 水電阻軟起動工作原理

水電阻軟起動是在電動機定子回路串入一特制液體電阻，該電阻在電動機起動初始時刻自動投入，阻值在預定起動時間內均勻無級減小，并在阻值接近0時刻時切除，從而使主機電流及電機轉速無級勻滑變化，實現電機均勻上升、平穩起動。

3 固態軟起動器工作原理

固態軟起動器實際上是一個晶閘管交流調壓器。其主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能。固態軟起動器的工作原理如圖1所示。

圖1 固態軟起動器的工作原理

4 變頻器工作原理

變頻器是把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，以實現電機變速運行的設備。現在使用的變頻器主要采用交-直-交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過整流器

轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。變頻器的基本構成如圖2所示。

圖2 變頻器的基本構成

5 軟起動器比較

水電阻、固態軟起動器、變頻器三種軟起動方式的對比如表1所示。

表1 三種軟起動方式的對比

由表1可知，變頻器雖然是一種優良的軟起動器，但只作為軟起動器使用，存在占地面積大、維護復雜、對環境清潔度要求較高、價格過高等缺點。變頻調速具有調速范圍廣，調速精度高及動態響應好等優點，采用變頻調速裝置，主要是節約電能，或用于工藝裝置需要精確速度控制的電機設備。因此，在電網情況允許條件下，而工藝工況不需要變頻調速時，一般不會采用變頻軟起動方式。水電阻軟起動器已經面臨淘汰，目前仍使用的主要原因是價格低廉。大容量高壓電動機需要軟起動器時，選用固態軟起動器的較多。

6 以小拖大降容變頻起動的運用

以小拖大降容變頻軟起動就是選擇比電動機容量小的變頻器，僅作為軟起動器使用，將電機拖動至工頻轉速。

以小拖大變頻器采用恒轉矩變頻調速，v/f為常數，其磁通基本不變，機械特性如圖3所示。根據轉矩算式M=CMJΦmI2′cosφ2，得出轉矩與磁通、電流的關系，電動機空載起動，所需起動轉矩較小。一般大型電動機的空載電流約為額定電流的20%～40%(本文取40%)。因此，可以選擇電動機額定功率的40%～50%容量變頻器作為軟起動器起動機，當電動機變頻起動到全速(50Hz)后，再切換到工頻運行。然后逐漸加載到額定載荷正常運轉。

圖3 恒轉矩變頻調速的機械特性

采用以小拖大變頻軟起動，具有變頻軟起動的全部優點，且由于變頻器容量為電動機額定容量的 40%～50%，從價格上來看，已接近100%電動機功率的固態軟起動器，可滿足起動需要，又節約投資。

7 結 語

由于傳統降壓起動方式為有級降壓起動，不能做到平滑過渡，不適用于大容量電動機。在僅有起動要求情況下，固態軟起動器較變頻軟起動具有價格低、占地省的特點，為優選方案。在電網條件特別差，而工藝工況無調速要求時，以小拖大降容變頻軟起動，則是一個好的選擇，既能達到保證電動機能夠順利起動，又能節約工程投資。但應注意電動機必須空載起動，如大容量鼓風機等帶載起動的用電負荷，不能采用此方案。

【參考文獻】

[1] GB 50055—2011 通用用電設備配電設計規范[S].

[2] 杜金城.電氣變頻調速設計技術.北京： 中國電力出版社,2001.