采油平臺6.3,kV電機增加直啟和軟停功能的研究

胡建文，蘇 廷

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津300452)

采油平臺6.3,kV電機增加直啟和軟停功能的研究

胡建文，蘇 廷

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津300452)

LD10-1CEP采油平臺中4臺6.3,kV注水泵采用Allen-Bradley公司的軟啟動器實現電機的軟啟動。由于油礦生產的特殊性，需要軟啟動器在故障的情況下也要具備啟機條件，即直接啟動，同時需要有效使用軟啟動器的軟停功能。因此，對中壓6.3,kV電機增加直啟和軟停功能進行了研究，從而保證特殊生產工藝條件下，各配電設備的穩定運行，減少了電機的機械損傷，降低了對電網的沖擊。

直接啟動 軟啟動 軟停

0 引 言

目前，大型電機的電力拖動普遍采用軟啟動，以減少電機啟動瞬間的大電流、高負荷給電網帶來的擾動，滿足電網質量越來越高的要求。LD10-1CEP平臺注水泵的電機的額定功率為 1,250,kW，額定電流為 139.2,A。選用的軟啟動器為 A llen-Bradley公司SMC-Flex系列，設計功能為遠程軟啟、遠程直接啟動，本地軟啟、本地直啟。目前的直接啟動方式為注水泵的真空斷路器 VCB和軟啟動的旁路真空接觸器 VCS同時吸合，而接觸器不具備故障電流的分斷能力，滅弧能力也不是很強，因此該方式不具備直啟功能。目前的停機方式為真空斷路器VCB和旁路接觸器VCS同時斷開，不能達到保護電機的功能。現場實際操作中，發現軟啟動器在使用過程中只有遠程/本地軟啟動功能，不具備遠程/本地直啟功能，也沒有遠程/本地軟停功能。因此，需要對電機的二次控制回路進行改造。

1 軟啟動器的工作原理

采用的是晶閘管交流調速電路，降低加在定子兩端的電壓，從而減小啟動電流。然后逐漸升高電壓值，使電機平穩啟動。運用晶閘管交流調壓技術的軟啟動器實際上是 1個晶閘管交流調壓器。晶閘管調壓單相等效電路如圖1、2所示，其中ZL為電機一相等效阻抗，Ui為電網相電壓，UL為晶閘管輸出電壓。設Ui=2U sinw t。

圖1 晶閘管單相調壓電路Fig.1 The circuit of the single-phase voltage regulation of thyristor

圖2 晶閘管輸出電壓波形Fig.2 The waveform of the output voltage of thyristor

圖 1為一路晶閘管輸出波形示意圖。晶閘管控制角θ和功率因數角?決定了晶閘管的輸出電壓值。晶閘管正負半周的觸發是對稱的，晶閘管的輸出電壓有效值為 U。可由式(1)計算：

可見，UL是晶閘管控制角θ、功率因數角?及供電電壓U的函數。當供電電壓不變時，通過改變晶閘管的控制角，可以改變晶閘管的輸出電壓。根據電機學原理，啟動時，S＝1，因此啟動電流和啟動轉矩分別為：

由上式可知，在轉速或轉差率一定時，動轉距與定子兩端電壓平方成正比，啟動電流與定子兩端電壓成正比。同時，在電動機啟動時，由于定子、轉子電流比額定電流大很多，使得漏磁路中的鐵磁部分發生飽和，X1和X2變小，啟動轉矩 T與啟動電流 I變大。因此電機啟動時，如果將電壓直接加到定子兩端，將產生極大的沖擊轉矩和沖擊電流，對設備很不利。所以采取降低定子兩端電壓的方法，此時啟動電流按比例減小，啟動轉矩按平方減小。軟啟動就是根據該原理進行設計的(見圖3)。

圖3 軟啟動過程Fig.3 The process of soft start

用軟啟動器起動電機時：設置 1個初始電壓，晶閘管調壓電路的輸出電壓就從這一點開始往上升；設置1個升壓時間，逐漸增加晶閘管調壓電路的輸出電壓，電機逐漸加速；設置1個限流倍數，根據電流互感器測得的實際電流值，控制晶閘管調壓電路的輸出壓，使電機的實際電流不超過限流值。這樣，達到了電機軟啟動的目的。

2 軟啟動控制遠程/本地直啟的改造

直接啟動也就是在全壓下，最大限度地沖擊啟動電流和啟動轉矩，啟動瞬間就達到額定轉速。直接啟動的改造方案中，改成軟啟動旁路接觸器在空載的情況下先閉合，然后閉合真空斷路器來控制電機的啟動，讓真空接觸器錯開電機的啟動電流(見圖4)。

圖4 直接啟動的原設計圖Fig.4 Original design of the direct start

原設計中，當選擇本地/遠程(Local/Romote)，SA4(轉換開關)選擇直啟。遠程/本地啟動后，在直接啟動回路中，當直啟信號觸發，直啟控制旁路接觸器 CR和真空斷路器合閘線圈CC幾乎同時得電，真空斷路器和旁路接觸器動作時間都大約為 10,ms，存在時間差。這種方式下直啟會造成旁路接觸器代替真空斷路器的作用，但旁路接觸器的滅弧能力和分斷故障電流的能力顯然是有限的。

在不改變現有控制方式的條件下，對二次控制回路做如下修改：取消直啟中的本地啟動和停止按鈕，本地/ 遠程(Local/Romote)選擇本地，旁路接觸器的線圈 CR閉合，旁路接觸器動作閉合，CLOSE真空斷路器，電機直啟。取消控制旁路接觸器線圈 CR的輔助觸點，本地/ 遠程(Local/Romote)選擇遠程，控制旁路接觸器的線圈 CR閉合，旁路接觸器動作閉合，遠程 CLOSE真空斷路器，電機啟動。以上改造達到了電機直接啟動的目的，旁路接觸的作用為導線作用，真空斷路器的作用為開關(見圖5)。

圖5 電機直接啟動圖Fig.5 Direct start of the motor

3 軟啟動控制遠程/本地軟停的改造

電動機的軟停相當于負載力矩大于電機轉矩后，怠速下降到一定程度，軟啟動器動作分斷旁路接觸器，電機停止。目前的停機不能實現軟停的功能，軟啟動器軟停功能的觸發信號來自兩路，一路來自 K1-1，一路為 CR1-3，共同作用才能達到軟停的目的。改造前，手動觸發停止信號 KSTP(本地/遠程)，只能作用到K-1動作。改造后，在K-1和CR1-3并聯后串入手動選擇按鈕 HS1，在停機時，手動選擇 HS1，軟啟動控制器軟停啟動，達到電機軟停的效果(見圖6)。

圖6 改造后的軟停控制圖Fig.6 The transformed control chart of the soft stop

4 結 論

大型電機直啟功能的改造應用，保證了特殊生產工藝條件下，油田注水系統的穩定、軟停的增加，有利于對電力拖動中各配電設備的保護，同時減少了電機的機械損傷，降低了對電網的沖擊。通過現場測試直啟和軟停功能，結果表明使用良好，有利于采油平臺的生產穩定。■

［1］ 辜承林，陳喬夫，熊永前. 電機學 [M]. 3版，武漢：華中科技大學出版社，2010.

［2］ 張選正. 變頻器及軟啟動器應用計算[M]. 北京：化學工業出版社，2013.

［3］ 劉力，王棟. 電動機軟啟動器實用技術[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

On Adding New Functions of Direct Start and Soft Stop to the 6.3,kV M otor of an Oil Production Platform

HU Jianwen，SU Ting
(China National Offshore Oil(China)Co.，Ltd．Tianjin Branch，Tianjin 300452，China)

In LD 10-1CEP offshore oil production platform，four 6.3,kV injection pumps adopted the soft starter produced by Allen-Bradley and realized soft start of motor．On account of the particularity of oil production，the motor also needs to meet the start-up requirement in case of soft starter failure，namely direct start．At the same time，soft stop function of the soft starter should also be effectively used．This paper deeply studies the adding of new functions of direct start and soft stop to the medium voltage 6.3,kV motor to ensure the stable operation of power distribution equipment，reduce mechanical damage of the motor，and reduce the impact to the grid under the condition of special production processes.

direct start；soft start；soft stop

TE952

：A

：1006-8945(2015)10-0046-03

2015-09-16