高壓固態軟起動的應用研究

彭沖

(上海城市交通設計院有限公司,上海 200025)

高壓固態軟起動的應用研究

彭沖

(上海城市交通設計院有限公司,上海 200025)

本文通過介紹高壓固態軟起動取代液態軟起動改造的案例，分析了高壓固態和液態軟起動的優缺點，并通過與其他起動方式的比較，探討了高壓固態軟起動的應用。

高壓固態軟起動 液態 降壓起動

國內某鋼廠的三號燒結機電除塵改為布袋除塵項目，原有3kV，1500kW除塵風機更換為3kV，2240kW除塵風機。改造前，1500kW除塵風機采用液態軟起動裝置起動，在使用過程中液態軟起動方式存在著隱患，無法適應生產的需求。借本次改造契機，筆者采用高壓固態軟起動裝置來代替液態軟起動裝置進行改造。

1 液態軟起動的缺點

本項目改造前，根據現場實際使用情況，液態軟起動方式主要存在以下缺點：

(1)由于除塵風機起動電流的設定值是由汽化電阻決定的，因此在水汽化之前的很短時間內水電阻很小，這時的電流會遠大于設定值，在電網容量不是很大的情況下，此大電流會使電網電壓急劇下降，影響其他設備的正常運行。

(2)起動時產生的熱量使水升溫，要再次起動需等水降溫后方可，因此對連續起動次數是有限制的，電動機越大越不允許連續起動。

(3)液態軟起動降壓起動時，起動電流設定值一般都在3倍以上，電機端電壓在0.6Un左右，此時仍會產生較大的轉矩沖擊，對電動機和機械設備都會造成較大傷害。同時，液態軟起動降壓起動時，因一開始便有較大的電流值，因此電動機仍有較大的加速度，在潤滑油尚未到位的情況下電動機有較高的速度，會造成電動機干磨，影響軸承壽命。

(4)液態軟起動在停車時只能自由停車，無法做到軟停車。

(5)液態軟起動裝置需要經常添加水或電解液，濃度不易控制，起動重復性能較差，維護工作量大，環境適應性差。

2 高壓固態軟起動改造內容

本次改造將原有的液態軟起動改為固態軟起動方式，筆者選用的上海雷諾爾科技有限公司RNMV 2000型高壓固態軟起動裝置，選定其額定電壓為3.3kV，額定電流為600A，一次回路圖如下：

(圖1)中高壓開關柜部分延用原柜，僅新增軟起動柜。軟起動部分由旁路真空接觸器、可控硅過壓保護、可控硅高壓組件、RC吸收電路、觸發電路和控制部分組成。

圖1 高壓固態軟起動裝置一次回路

本項目中高壓電機起動過程：高壓電機的供電回路由2對12組可控硅串聯構成，在高壓開關柜的真空斷路器接通送電的情況下，當系統收到電機起動信號時，由控制器按照控制曲線給出可控硅導通角，使電機按一定的斜率曲線逐漸增加電壓，直到電機達到額定轉速后，加上全電壓，使旁路真空接觸器KM接通，再關閉可控硅出發信號，電動機起動完畢。

針對本項目，對固態軟起動裝置配置了如下保護：

(1)對可控硅組件的保護，當起動裝置起動過于頻繁使得可控硅組件溫度過高（超過85℃）跳閘。

(2)起動時間過長保護，起動時間過長對起動裝置和電機都是不利的，故起動時間最長限制120秒。本項目采用固態軟起動裝置后，電機的起動時間一般在70秒左右。

(3)三相輸入缺相保護，三相電源缺任意一相都無法起動并故障報警。

(4)起動次數保護，設定每小時起動次數不超過6次。

本項目對電機配置如下保護：

(1)過流速斷保護，在軟起或運行過程中，如果電機繞組相間或匝間短路，或電纜損壞出現大的短路電流，此時需快速封鎖脈沖，跳閘并報警。

(2)低電壓、過電壓保護，跳閘并報警

(3)電機過熱保護，電機頻繁起動使熱熔溫度過高，會限制起動，必須停機后經過一定的冷卻時間，待熱熔值回到安全區域才允許起動。

(4)差動保護，當電機功率大于2000kW以上時，需配置此保護。

3 高壓固態軟起動的優點

相比改造前1500kW除塵風機采用液態軟起動裝置起動，改造后的2240kW除塵風機采用固態軟起動裝置起動后，雖然電機功率增大，但高壓固態軟起動仍具有較多優點：

(1)負反饋功能：采用動態的模糊控制理念，根據負載轉矩的大小、自動調整電機的起動時間與電機的起動轉矩，從而實現電機平滑加速，當電機轉速達到額定工作轉速時，旁路自動吸合，解決了人為設定的起動曲線與負載轉矩曲線不匹配的問題。

(2)起動采樣及控制方式：采用電流負反饋采樣，閉環轉矩控制，起動過程平穩，電機不容易抖動，根據設定的起動參數自動跟蹤負載實現電機平滑起動過程。RNMV具有3種起動控制方式：

①電壓斜坡起動：出廠設置為具有限流功能的電壓斜坡，可以滿足大多數應用場合。其初始轉矩設定為電機剛好能帶動負載轉動時的值，然后電壓逐漸的平滑上升。在限定的斜坡時間和電機起動電流范圍內，使電機平滑上升到全速運轉。

②限流起動：起動時，電流快速增加到限定值，一直到電機全速運行。

③重載起動模式：這種起動模式主要用于電機拖動大慣性負載如風機，球磨機等，延長8秒的切換時間來保證不會因為過早切換帶來過大的電流沖擊。

(3)保護功能：dv/dt阻容吸收裝置，主要起到吸收網絡過電壓及靜態動態均壓作用。線路過壓及欠壓保護，缺相保護，不平衡保護，零序接地保護，可控硅過溫保護，起動時間過長，起動間隔時間限制，還具有過載和大電流保護，旁路接觸器故障保護等，同時有5個故障記憶功能及可編程故障觸點輸出。

(4)可實現自由停車或軟停車。

(5)系統通訊功能：內置通訊端口，RS-232與微機的點到點通訊。RS-485與遠程終端設備的多點通訊(通訊協議Modbus及Porfibus可選)，通過此項功能可以直接與上位PC機通訊來實現遙控及遙信等功能。通訊規約采用國際標準規約。

(6)可靠性增強：高壓固態軟起主控制部分，采用了兩塊進口（DSP、AT89C55）32位單片機來保證軟起的可靠性，單片機對數據及通信進行管理，使設備控制實時高效，顯示直觀，可靠性高，穩定性好。采用信號多級處理、隔離技術，使系統具有很強的抗干擾能力。同時，高壓強電部分通過光纖與低壓控制部分進行隔離。確保控制系統的可靠。

(7)本項目經過改造，節約了大量人力、物力。每年可節約大量的維修費用，并且維護方便。

4 與其他起動方式比較

本項目中，對于2240kW的除塵風機起動方式，在筆者決定采用高壓固態軟起動前，也考慮了其他的起動方式，參見(表1)：

表1 各種起動方式的比較

直接起動最簡單，但大的起動電流會使電網失去穩定，常會引發功率振蕩，大的起動電流中含有大量的高次諧波，與電網電路參數引起高頻諧振。同時大電流產生的焦耳熱反復作用于導線外絕緣，使絕緣加速老化，壽命降低；大電流在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產生很大的沖擊力，會造成夾緊松動、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。直接起動時的起動轉矩大約為額定轉矩的2倍，這么大的力矩突然加在靜止的機械設備上，會加速齒輪磨損甚至打齒，加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶，加速風葉疲勞甚至折斷風葉等嚴重問題。

采用電抗器降壓起動方式，從某種角度講，可以小量降低電動機起動電流，但是本來電機起動時的低功率因數（0.15~0.2）因串接電抗器而變得更低，因此對電力系統沒有太多的好處，母線壓降沒有明顯的減少。另外，電抗器降壓起動方式對電網或機械的適應性較差，比如在電網電壓較低時（用電高峰期），電機輸出力矩無法克服風機泵類等機械設備逐步升高的阻力矩，因而無法使電機起動到全速。這種情況下，電機長時間的大電流爬行，會造成電機或電抗器燒毀或者電網跳閘。

自耦變壓器降壓起動方式在大中型電機起動中使用較少。該起動方式同串聯電抗器起動方式效果大體相同，但接線方式較為復雜。另外，采用自耦變壓器起動具有一定的迷惑性，起動回路電流有明顯下降，但電機定子電流還是相當大，一般在5倍左右，實際上對電機保護沒有太大的意義。

高壓變頻起動，從起動性能上說，目前只有它超過了固態軟起動裝置，但高壓變頻器價格太高，高壓固態軟起動裝置的價格只有高壓變頻器的1/4。同時，對于本項目的除塵風機既不需要頻繁起動又沒有調速要求，僅僅為了起動而選用高壓變頻器，顯得性價比不高。

因此，針對本項目的改造，筆者認為采用固態軟起動方式是比較合理的。

5 結語

目前，國內企業普遍存在供電設施的容量遠遠大于實際用電設備的容量，甚至在兩倍以上的情況，其中一個主要原因是企業的主要用電負荷是電動機，為了滿足電動機直接起動時不會引起超過標準規定的電網壓降，往往考慮放大供電電網容量。而在西方等一些先進工業化國家正好相反，電動機大都采用軟起動裝置起動，以降低起動電流，采用較小的供電電網，提高用電設備容量與供電設備容量的比例，從而節約總投資和節約運行電耗。高壓固態軟起動裝置是現代計算機控制技術和電力電子技術相結合的產物，符合科學技術發展潮流，國外西方國家，90%以上已經采用高壓固態軟起動裝置，相信高壓固態軟起動裝置也必將成為我國高壓軟起動領域的主流產品。本項目通過將高壓液態軟起動改為固態軟起動，取得了良好的效果。同時，本項目的成功改造，為該鋼廠的其他燒結機的改造提供了參考經驗。

[1]中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社,2005.

[2]天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].北京：機械工業出版社,2005.

[3]周希章.周全.電動機的起動.制動和調速[M].北京：機械工業出版社,2003.