10 kV固態軟啟在氮氣壓縮機啟動中的應用

王 龍， 劉海嘯

(山西潞安煤基合成油有限公司，山西 長治 046100)

引 言

當前我國經濟進入了快速發展階段，大型設備越來越多，大型電機的啟動方法也越來越受到人們的重視。高壓大功率電動機直接啟動的危害主要體現在以下幾個方面：一、電機直接啟動時,瞬間啟動電流高達額定電流的5倍～8倍，引起電網電壓的急劇下降，影響系統其它設備正常運行。二、大的啟動電流對電網的沖擊類似三相短路對電網的沖擊，常常引發功率振蕩，造成速斷保護誤動作，自動控制失靈等故障。三、大電流產生的發熱使絕緣加速老化，傷害電機絕緣，降低電機壽命。四、大的啟動轉矩對機械設備的傷害。為了避免上述情況的發生，高壓大功率電動機通常采用軟啟動或者降壓啟動。

1 軟啟動分類

軟啟動分為有級和無級兩類，有級軟啟動調節是分檔的；無級軟啟動調節是連續的。傳統軟啟動均是有級的，例如星/角變換軟啟動，自耦變壓器軟啟動等。傳統的有級軟啟動因性能差，現在已經很少采用。連續調節的軟啟動主要有四種：以電解液限流的液阻軟啟動，以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動，以IGBT為調頻調壓器件的變頻器，以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動。

1.1 液態水電阻軟啟動

液態軟啟動的原理是利用伺服電機改變浸泡在導電液體中的極板距離，使其電阻值由大到小平滑無極減小，電機端電壓逐漸上升至全壓，實現電機軟啟動[1]。它的優點是成本低，在啟動過程中不產生高次諧波。但它也有很多缺點：一、液阻箱容積大、溫升高、重復性差。啟動一次后會導致電解液溫度升高，如果需要進行二次啟動就必須等到導電液溫度下降到最初設定的溫度后方可再次啟動。二、移動極板動作需要有一套伺服機構，不容易實現啟動方式的多樣化。三、維護周期短、工作量大，箱體中的液體需要定期補充，電極板表面易腐蝕，需要定期做表面處理。四、對工作環境要求高，不易安裝在易結水或顛簸的現場。

1.2 磁控軟啟動

磁控軟啟動是利用飽和電抗器的原理，在高導磁的閉合回路中通過直流勵磁平滑改變電抗器的電抗值，使電抗器兩端電壓由大到小平滑改變，從而實現電機平滑的啟動過程[2]。優點是啟動過程高次諧波較小，免維護，易控制。與高壓晶閘管軟啟動相比,其缺點是控制快速性比，噪音大，體積大占空間，還需裝配一套輔助電源。

1.3 變頻軟啟動

變頻器是比較理想的軟啟動裝置，可以在限制啟動電流的同時保持電機較高的啟動轉矩。雖然它具有很好的軟啟動性能，但它的價格較高，尤其是在高壓領域，變頻器價格通常為晶閘管軟啟動的三倍多。因此，高壓變頻器一般都是著眼于調速場合，單純用作軟啟動使用不經濟。

1.4 固態晶閘管軟啟動

固態晶閘管軟啟動的特點：

1) 結構設計緊湊，體積小，維護簡單；

2) 采用晶閘管技術控制精度高，可實現電流閉環調節，啟動過程平滑，啟動重復性好；

3) 軟啟、軟停可通過修改參數滿足多樣化的啟動方式，啟動的電壓、電流、時間可根據負載不同而設定，滿足各類負載的要求；

4) 保護功能完善，不需要再單獨配置繼電保護裝置；

5) 啟動和運行過程中無噪音；

6) 對環境要求低，耐振、耐溫性能好，適用范圍廣；

7) 調試方便，可采用低壓電機測試軟啟性能，避免使用高壓電機測試帶來的風險，降低了調試難度；

8) 10 kV高壓電源和控制電源之間采用光纖隔離，安全性更好；

9) 運行參數可通過MODBUS通訊遠傳到監控系統，方便實時監測。

通過上述分析可知，固態晶閘管軟起動維護方便，調節簡單，功能完善，價格合理，在軟啟動領域具有很大的優勢。

2 固態軟起動

2.1 工作原理

固態軟起的工作原理是在電網和電動機之間接入反并聯晶閘管調壓電路,通過對晶閘管的觸發角控制進行斬波，起到調節電壓作用。由于單只晶閘管耐壓水平有限,所以在設計10 kV高壓軟啟動裝置的時候，采用晶閘管串聯技術,功率單元通常采用10只晶閘管反并聯再串聯的方式提高耐壓值。該系統可實現輸出電壓連續可調,避免了對電網和電動機及負載的沖擊。氮氣壓縮機電機的參數：功率3 500 kW，額定電壓10 kV，額定電流228 A，轉速2 990 r/min。此電機為全廠最大功率的設備，經計算分析氮氣壓縮機直接啟動時，高達1.7 kA的啟動電流將會對變壓器、電纜造成巨大沖擊，10 kV系統電壓降為1 000 V左右，運行的高壓電機會發生過流告警或誤跳閘；0.4 kV系統電壓降為40 V，低壓設備的接觸器將欠壓脫扣。為了降低直接啟動對電網和設備的影響，我們采用了索肯和平的固態晶閘管軟啟動。

高壓固態軟啟動是向電機提供平緩漸增的電壓來完成的，從而實現了以最小的電流來平穩加速啟動電機，其控制示意圖如圖1所示。

在高壓大功率電機起動期間，通過軟起動柜內

圖1 10 kV固態軟啟動的控制示意圖

主接觸器C1和每一相的晶閘管組將高壓電源接至電機，通過主控制系統DNC調節每一相晶閘管組的導通角，平滑增加高壓電機上的電壓，使高壓電機的轉矩逐漸增加。在設置的起動時間結束后，高壓電源再切換至旁路接觸器C2，將全壓接至高壓電機，起動過程結束。氮氣壓縮機軟起動時，起動電流為800 A左右，高壓電壓降為600 V左右，與直接啟動相比，確實發揮了降壓限流的作用，軟起動效果良好。

2.2 HPMV-DN軟起動的控制方式

固態軟啟動裝置根據不同類型的負載可提供不同的啟動曲線。

1) 不限流軟啟動。啟動時軟啟動輸出的啟動電壓以特定斜率不斷上升,直到電機啟動完畢,在此期間啟動電流不加任何限制。因為這種啟動方式未能對電機啟動電流進行限制，對電網沖擊較大，一般只適應于重載啟動場合，啟動曲線如第166頁圖2所示。

圖2 不限電流啟動曲線

2) 斜坡恒流軟啟動。該啟動方式是在電機啟動的初始階段啟動電壓、電流逐漸增加,當電流達到預先所設定的限流倍數值后保持恒定,直至啟動完畢。在啟動過程中,電壓上升變化的速率是可以根據電動機負載調整設定。這種啟動方式應用得最多,尤其適用于風機、泵類負載的啟動，啟動曲線如圖3所示。

圖3 斜坡恒流啟動曲線

3) 脈沖突跳啟動。用來啟動高靜摩擦力負載，需要一個短時間的較大啟動轉矩。啟動開始時用一個大約80%的電壓脈沖，不限流啟動來克服負載靜摩擦。脈沖結束后，加載給電機的電壓又恢復到初始電壓，并按照正常的恒流軟啟動方式升壓,啟動曲線如圖4所示。

2.3 保護功能

固態軟啟動裝置可提供速斷、過流、欠壓、缺相、接地、相序保護等多種保護，完善的保護功能在電機啟動、運行、軟停過程中提供保護，保證電機設備的安全。保護整定值可由用戶自由設定和投退。

圖4 脈沖突跳啟動曲線

2.4 通訊功能

HPMV-DN帶標準的RS-485通訊接口(Modbus/profibus協議)，具有完善的通信功能。它通過標準接口傳輸數據，可集成網絡化，實現分散控制，集中管理。人機界面友好，工作時可以顯示輸出電壓，工作電流，最大相電流，故障時可以顯示故障報警信息，便于運行人員排查故障。

3 結語

HPMV-DN固態晶閘管軟啟動裝置改善了異步電機的啟動過程, 很好地限制了電機啟動電流，消除了直接啟動對電機及負載的不利影響。整個系統具有結構簡單、無噪聲、占地小、控制靈活、啟動平穩、運行可靠等優點，在今后的大型電機啟動領域中有著廣泛的應用前景。