電容無功補(bǔ)償在同步電動機(jī)軟啟動中的應(yīng)用

李為民，桑峰軍

（1.蘭州電機(jī)股份有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2.中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南 濮陽 457001）

1 前言

隨著國家現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，大功率電動機(jī)在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組獨(dú)立供電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多，功率容量隨之逐漸增大。在不增大柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組功率的條件下，盡管采用各種降壓啟動方式，啟動大功率電動機(jī)仍然顯得非常困難。而本文提出的電容無功補(bǔ)償方法在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組容量有限、獨(dú)立供電電源啟動大功率電動機(jī)的應(yīng)用，可以解決這一難題，減少設(shè)備裝機(jī)容量，節(jié)約大量資金。

某變壓器廠擴(kuò)建35kV變壓器試驗(yàn)站，設(shè)計了1500kVA高壓變頻機(jī)組。變頻機(jī)組由同步電動機(jī)（500kW 50Hz400V cosφ＝0.9 1500r/min）、同步發(fā)電機(jī)（6.3kV 200Hz cosφ＝0.1－0.4 1500r/min）組成。同步電動機(jī)與同步發(fā)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接，并安裝于同一底盤上。

同步電動機(jī)采用ABBPSTB1050軟啟動器啟動，勵磁系統(tǒng)采用TDL數(shù)字智能同步電動機(jī)勵磁裝置。

由于工廠條件有限，用一臺500kW 400V柴油機(jī)發(fā)電組提供變頻機(jī)組的電源。

同步電動機(jī)額定電流Ie＝802A，顯然無法采用直接啟動，必須采用降壓啟動的方法。經(jīng)過比較論證，電動機(jī)降壓啟動采用軟啟動方式啟動。啟動過程中電動機(jī)所加的電壓不是一個固定值，軟啟動器輸出電壓按要求上升，電動機(jī)電壓由零按指定斜率上升到全壓，轉(zhuǎn)速相應(yīng)地由零加速到亞同步轉(zhuǎn)速，然后投入勵磁，將電動機(jī)牽入同步運(yùn)行。

為了盡量降低電動機(jī)啟動電流，ABB PSTB1050軟啟動器的初始電壓設(shè)置為最小值（30%UN）、啟動時間設(shè)置為最大值（30s）。盡管如此，電動機(jī)啟動過程中最大電流達(dá)到2500A以上。由于柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組容量相對電動機(jī)容量太小，二者都是500kW，電動機(jī)啟動過程還未結(jié)束時，柴油發(fā)電機(jī)組已不堪重負(fù)而停機(jī)了，影響了用戶變頻機(jī)組的正常使用。

針對上述問題，為了保證電動機(jī)的正常啟動，必須采取措施予以解決。

一是加大柴油機(jī)發(fā)電組容量，再增加一臺500 kW 400V柴油機(jī)發(fā)電組，兩臺機(jī)組并聯(lián)。但成本太高、技術(shù)復(fù)雜、供貨周期長，且因變頻機(jī)組短時工作而顯得得不償失。

二是在現(xiàn)有條件下，對啟動回路電源進(jìn)行無功補(bǔ)償，簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

經(jīng)過仔細(xì)論證，權(quán)衡利弊，決定采用第二種方法。

圖1 控制原理圖

2 控制原理

如圖1所示為控制原理，在發(fā)電機(jī)輸出開關(guān)下端與電動機(jī)定子繞組之間傳入電抗器L，電抗器L的輸出端接入補(bǔ)償電容器C。

電動機(jī)啟動操作過程如下：

啟動柴油發(fā)電機(jī)組，合發(fā)電機(jī)輸出斷路器QF。（此時不能接入補(bǔ)償電容器組，否則軟啟動器輸入端電壓太高，影響軟啟動器正常工作，甚至引起過電壓保護(hù)動作）。按軟啟動器啟動按鈕，啟動同步電動機(jī)，當(dāng)同步電動機(jī)啟動電流達(dá)到500A左右時，按下合閘按鈕SB2，合接觸器KM，投入補(bǔ)償電容器組，同步電動機(jī)繼續(xù)啟動，待軟啟動器啟動時間到時，此時電動機(jī)啟動電流已逐漸降至空載電流，只有幾十安培。同步電動機(jī)加全壓啟動，此時按下分閘按鈕SB1，切除補(bǔ)償電容器組（此時已無需補(bǔ)償），否則會造成軟啟動器輸入端電壓太高，影響軟啟動器正常工作，甚至引起過電壓保護(hù)動作），同步電動機(jī)啟動至亞同步轉(zhuǎn)速，由勵磁裝置牽入同步運(yùn)行，啟動結(jié)束。

電動機(jī)啟動過程中，軟啟動器電源輸入側(cè)電流表PA4－PA6指示的最大電流仍然達(dá)到2500A，但是電抗器輸入側(cè)電流表PA1－PA3指示的最大電流只有1300A左右，柴油發(fā)電機(jī)組完全能夠承受，電容器無功補(bǔ)償效果非常明顯。

圖2 無功補(bǔ)償工作原理

無功補(bǔ)償工作原理如圖2所示。電動機(jī)啟動時，功率因數(shù)很低，cosφ大約為0.1左右，有功功率很小，主要是無功功率。這樣只需在電動機(jī)啟動過程中加入補(bǔ)償電容器來補(bǔ)償電動機(jī)所需的無功功率，從而大大減輕柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)擔(dān)，確保電動機(jī)的正常啟動。

電動機(jī)容量 S＝500 /0.9＝555kVA

電動機(jī)啟動時 cosφ＝0.1

有功 P ＝ S×cosφ＝555×0.1＝55.5kW

無功 Q＝ S×sinφ＝555×0.99 ＝550kVAR

如果需要將電動機(jī)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)絚osφ＝1，則補(bǔ)償?shù)臒o功功率為550kVAR。

選用 BCMJ0.4－30－3，額定容量為 30kVAR ，額定電壓為400V，額定電容為596μF的電容19只（19×30＝570kVAR）即可滿足要求。

如需將電動機(jī)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?cosφ＝0.9，則補(bǔ)償?shù)臒o功功率為550kVAR－242kVAR＝308kVAR，選用11只BCMJ10.4－30－3電容器即可滿足要求。

3 補(bǔ)償效果

經(jīng)過現(xiàn)場運(yùn)行，變頻機(jī)組多次啟動中，柴油發(fā)電機(jī)組從未發(fā)生過負(fù)荷而停機(jī)的故障，證明補(bǔ)償方案可行，參數(shù)計算正確，滿足了用戶要求。

這樣就解決了電源容量有限，大功率電動機(jī)啟動困難，變頻機(jī)組又是短時工作，增大電源容量成本太高且無必要的問題。通過此次應(yīng)用，柴油發(fā)電機(jī)組通過無功補(bǔ)償，啟動相同容量大功率電動機(jī)是可行的。