高壓電動機軟啟動控制技術分析與應用

尹澤陽，宋佳樂，嚴 亮，徐蘭柱

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津300450)

0 引 言

額定電壓超過1000V的電動機都被稱為高壓電動機。海上平臺所使用的發電機透平型號不同，經常使用的額定電壓為6.3kV和10.5kV。

高壓電機的主要優點就是功率較大，遭受沖擊能力也相對較強，而缺點就是其具有的慣性較大，在啟動與制動方面都相對困難。隨著海上油氣田的迅速發展，電氣化的程度及作用范圍在不斷擴大，因此燃氣壓縮機的燃氣驅動設備也開始逐漸由燃氣驅動演變為高壓電動機進行驅動。由于高壓電動機的啟動特性，在許多情況下，這些電機不允許直接連接到電源系統中，當電機進行直接啟動時，將產生一個非常大的沖擊電流，此電流可達到電動機額定電流的 4～7倍。這種大電流將加重電源系統與開關設備的負擔，并且當電機直接啟動時，可能會出現一個非常高的峰值轉矩，施加于傳動電機和機械系統。高壓電動機直接啟動對電網的沖擊將會對采油平臺同網供電的其他設備的可靠運轉帶來嚴重威脅，同時也會形成過大的啟動能量耗損。

本文以某海洋采用平臺為例，介紹一拖一式固態軟啟動方式對高壓電動機的啟動控制。

1 選擇軟啟動方式的原因

1.1 直接啟動存在的潛在危害

海上采油平臺電力系統采用孤島電站運行模式，或幾個中心平臺采用海底電纜組成的電網運行模式。高壓電動機直接啟動時通過接觸器將電動機直接接到所在電力網，這也帶來了不容忽視的危害。

1.1.1 電氣方面問題

①沖擊電網，可能會導致電力組網系統內各采油平臺供電網電壓波動、降低電能質量，引起綜保欠壓保護功能動作，造成設備的有害跳閘，發生海上采油平臺關斷事故。

②過大的沖擊電流破壞電動機的內部絕緣，使電動機繞組發熱，從而加劇其絕緣老化程度，降低電動機的使用壽命。

③將對電動機本體結構產生一定沖擊。高壓電動機直接啟動時，將會產生很大的啟動電流，這樣就導致在繞組間產生相應的電動力，使電動機各部件受到過大的應力作用而導致本體損壞。

1.1.2 機械方面問題

①過大的啟動轉矩將產生機械沖擊，加速其內部結構磨損，對被帶動的泵類、壓縮機等設備在瞬時產生較大的沖擊力，縮短使用壽命，導致設備故障頻發。

②造成機械傳動部件的非正常磨損及較大的沖擊，加速其老化程度，影響各部件的傳動精度。

1.2 軟啟動方式的需求

根據 GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》規范要求：35kV及以上供電電壓正、負偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10%；20kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%[1]。

在滿足現場工藝要求供配電設計的前提下，同時為達到降低啟動時所產生的沖擊電流與較大應力，傳統的方式為使用啟動輔助裝置，包括啟動用串飽和電抗器和自耦變壓器來完成正常的啟動工作。這種方法可以降低高壓電動機的啟動電壓，但是這些常規方法只允許電壓一致降低且逐步降低電壓，無法從根本上解決啟動瞬時電流尖峰打擊的影響。

海上采油平臺生產過程中常見的軟啟動方式為使用軟啟動器和變頻器 2種裝置。變頻器是用以調速的設備，其輸出不但改變電壓且同時改變相應頻率，如現場油井需要根據實際情況選擇不同頻率運行工況；軟啟動器實際上是個調壓器件，在高壓電動機啟動時，輸出只改變電壓，并沒有改變頻率，如現場燃氣壓縮機最終是在工頻工況下運行。軟啟動器在設定的時間內提供無極加速驅動系統不斷提高輸出電壓，可以實現無沖擊啟動，這種啟動方法能降低高浪涌電流，將電機及驅動負載的影響降到最小，不會使電網承受峰值電流的沖擊，提高了供電電網的穩定性。

2 軟啟動器的工作原理

2.1 軟啟動器的結構與工作原理

軟啟動器是由串接于三相交流電源與被控制電動機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路構成的晶閘管三相交流調壓電路[2]，如圖1所示。

圖1 軟啟動器的電路圖Fig.1 Circuit diagram of soft starter

如圖 1可知，軟啟動器主電路是由相位控制的3組反并聯晶閘管組成的交流調壓電路。在每一相中均有2個反并聯的晶閘管，其中1支晶閘管用以正半周期，另 1支用以負半周期。軟啟動器中電子控制電路以微處理器為控制核心元件，電子控制電路控制晶閘管的觸發脈沖控制角α來調節晶閘管的導通角，從而改變軟起動器的輸出電壓，即三相交流電動機定子繞組電壓大小，從而控制交流電動機。它可以使軟啟動器輸出電壓完全導通，電動機在全電壓下運行，從而實現軟啟動。

2.2 軟啟動器旁路運行方式

對于現場實際的軟啟動高壓控制柜(電動機控制中心)，大部分都具有 2種啟動方式：直接啟動、軟啟動。固態電動機軟啟動器在將電動機啟動到額定電壓之后，軟啟動器中的晶閘管將處于全開狀態。每個晶閘管的管壓降到 1V左右，故損耗較大，為了降低這樣的運行損耗，延長軟啟動器的使用壽命，使電網避免諧波的污染，消減軟啟動器中晶閘管的發熱損耗。采取必要的措施，等待軟啟動結束后，往往會使用1個旁路接觸器接晶閘管旁路。

旁路接觸器軟啟動器分為2類：①內置旁路型的軟啟動器，在軟啟動器內部晶閘管兩頭并聯內接旁路接觸器；②旁路型的軟啟動器，在軟啟動器內部晶閘管兩端并聯外接旁路接觸器。軟啟動器電路圖如圖 2所示。

圖2 旁路接觸器軟啟動器電路圖Fig.2 Circuit diagram of bypass contactor soft starter

3 軟啟動器的主要功能

固態電動機軟啟動器對電動機啟動控制方式通常有以下2種。

3.1 電壓斜坡控制

這種控制方式不具備電流閉環控制，啟動方式相對最為簡單，僅調節晶閘管導通角，使之與時間成一定函數關系[3]。如圖 3所示，用戶可以預先設置一個啟動電壓和啟動時間，在加速斜坡時間內，電動機的定子電壓從某一個可設置的啟動電壓均勻升高到電源電壓，電動機啟動過程結束，進入運行階段。由于其不限制電流，在電機啟動的過程中，有時會發生較大的沖擊電流致使晶閘管損壞，對現場電網的影響比較大，實際應用過程中很少出現。

圖3 電壓斜坡控制Fig.3 Voltage ramp control

3.2 轉矩控制

這種控制方式會在某一個可設置的啟動時間內，以線性方式將電動機中所產生的轉矩從某一個可設定參數的啟動轉矩升高到某一個可設定參數的最終轉矩。軟啟動器可根據所設置的參數，以連續線性方式，對電動機上所產生的轉矩進行調節，一直到完成電動機加速為止。

4 某海上采油平臺采用固態軟啟動器帶動高壓電動機運行實例分析

4.1 高壓固態軟啟動一拖一控制方式

高壓固態軟啟動柜采用模塊化設計，這樣方便對其進行日常檢修和維護。軟啟裝置與配有真空斷路器的高壓進線柜配套使用，采用金屬防電磁干擾屏蔽設計，減少外部環境對裝置內部的干擾。該裝置主要由可控硅組件單元、控制和保護單元、人機顯示單元組成。1臺固態軟啟動器帶動1臺高壓電動機的運行方式稱為一拖一的運行方式。

此次案例中的注水泵使用的則是最普遍的一拖一方式，即一臺軟啟動器實現現場一臺電動機的軟啟動方式，此方法避免了后期維護檢修的復雜性，如圖4所示。

圖4 一拖一方式控制方式Fig.4 One-to-one control mode

4.2 高壓軟啟動器工作原理

高壓軟啟動柜與裝有真空斷路器的進線柜共同搭配在一起進行使用。高壓進線柜配有電動機的各種綜合繼電保護系統，真空斷路器進線柜配備的真空斷路器具有大電流過載與分斷能力。軟啟動柜是由可控硅高壓組件、觸發電路、RC吸收電路、旁路真空接觸器及控制部分[4]組成。旁路真空接觸器在電動機軟啟動完畢后，先切換至旁路，然后再斷開，接觸器閉合后可使電機流經旁路接觸器。

可控硅高壓組件具體使用數量是根據現場實際電機的電壓來決定的，這種元件是由多個可控硅以串聯的方式組成。RC吸收電路網絡模塊系統可以提供瞬時的電壓保護，用以減少 dU/dt的沖擊電壓，防止可控硅部件的破裂損壞，保障其能夠正常工作。

軟啟動器工作原理如圖5所示，這種啟動方式一方面能夠減少對電網、電機自身的沖擊，并且可以減少電機所帶機械負載裝置的沖擊，延長現場設備的使用時間，減少設備停機的可能，降低設備的故障率；另一方面可以降低電機啟動瞬間沖擊電流，減少對電力組網與電機本身的各種沖擊。

圖5 軟起動器工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of soft starter

4.3 設備運行調試

4.3.1 軟啟動調試

①測試主回路絕緣，電動機耐壓檢測：斷開去電機的動力電纜，用 5.0kV搖表檢測定子相間和每相對地的絕緣電阻，不應該低于6MΩ。

②檢查軟啟動控制回路。外觀檢查機器內部各個元器件是否完好無損，緊固件是否牢固，連線有無松動。

③故障停機實驗。模擬電機啟動過程發生故障，軟啟動器內部產生故障報警信號，啟動過程停止，延時 10s后，故障指示燈亮，系統產生聲光報警提示，并自動直接脫開高壓盤斷路器，切斷系統供電。

4.3.2 模擬通電調試

①將旁路真空斷路器設置為試驗位置，按下軟啟動柜的合閘按鈕，軟啟動柜上的電源指示燈亮，軟啟動器上電。

②按動高壓電動機控制盤上的啟動按鈕，軟啟動器開始工作。

③短接軟啟動控制器，注水泵控制柜的旁路真空斷路器閉合，模擬電網對電機直接供電，軟啟動過程結束。

4.3.3 軟啟動帶載調試

①將旁路真空斷路器設置為正常位置，按下軟啟動柜的合閘按鈕，軟啟動柜上的電源指示燈亮，軟啟動器上電。

②按動高壓電動機控制盤上的啟動按鈕，軟啟動器開始工作，電動機按照軟啟動器預先設定好的曲線啟動。

③當電動機達到或接近額定轉速時，電動機控制柜的旁路真空斷路器閉合，電網對電機直接供電，軟啟動過程結束，軟啟動器停止對電機供電。

5 結 語

固態軟啟動器現已廣泛用于海洋采油平臺高壓電動機控制領域。隨著軟啟動技術的發展，軟啟動器的控制功能與各種保護措施也在逐步提高，減少了對電網電力系統的沖擊，為海上采油平臺的高壓電機啟動運行提供強有力的保障。