高壓大型同步電動機自耦變壓器降壓起動方式的探討

張寶喜

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 前言

伴隨著我國經濟的發展，電動機制造工業生產力得到很大釋放，單機容量迅速提升，產品種類和技術指標不斷增加，標準不斷提高，與國外電動機制造工業水平差距逐漸縮小，大容量電動機的使用越來越廣泛。

同步電動機作為常用的交流電動機，與直流電動機和感應電動機不同在于，轉子轉速與負載大小無關而始終保持為同步轉速，且其功率因數可以調節，因此適用于恒速負載且功率較大的場合以及需要改善電網功率因數的場合[1]。

同步電動機既可以作為電動機使用，又可以作為補償機使用，還可以作為發電機使用。在現代發電廠中，交流發電機幾乎都是同步發電機；在電力企業和工礦系統中，大容量的電動機往往都是同步電動機或者同步補償機。同步電動機直接投入電網運行時，存在著失步與起動困難兩大難題，這些難題制約著同步電動機的運用與發展[2]。

2 同步電動機起動方式的選擇

2.1 交流電動機的各種起動方式

籠型異步電動機和同步電動機的起動方式常用的有全壓起動、降壓起動和變頻起動。

2.2 交流電動機起動方式的比較

變頻起動是一種高效率、高性能的起動和調速方式，伴隨著電力電子技術和微電子技術的發展，變頻起動得到了廣泛的應用，但是其系統復雜，造價較高，轉速變化率小，對項目的初始投資造成一定的困難。

減壓起動常用方式有以下六種：1）星形-三角形減壓起動；2）延邊三角形減壓起動；3）電阻減壓起動；4）晶閘管減壓起動；5）電抗器減壓起動；6）自耦變壓器減壓起動。其中前四種常用于低壓籠型異步電動機，對于高壓籠型異步電動機和同步電動機，一般只采用后兩種減壓起動方式。

自耦變壓器減壓起動和電抗器減壓起動均常用于高壓電動機的起動，但是自耦變壓器減壓起動的特點是起動電流較小，起動轉矩較大；而電抗器減壓起動的特點是起動電流較大，起動轉矩較小[3]。

2.3 起動方式的要求

對于同步電動機，應優先采用全壓起動，且在起動時起動電壓降、起動容量、電動機及其起動設備的動熱穩定應滿足要求。

電動機起動時，應對變壓器過負荷進行校驗。根據相關規范要求、設備廠家試驗數據：1）若每晝夜起動6 次，每次起動時間不超過15s，變壓器的負荷率小于90%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的4 倍；2）若每晝夜起動6 次，每次啟動持續時間不超過30s，變壓器負荷率小于70%時，最大起動電流允許值為變壓器額定電流的4 倍；3）若每晝夜起動10～20次，每次起動時間不超過30s，變壓器負荷率小于70%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的2～3 倍；4）若每晝夜起動10～20 次，每次起動時間不超過15s，變壓器負荷率小于90%時，最大起動電流允許為變壓器額定電流的2～3 倍。當不符合上述條件時，應加大變壓器的容量，而不是進一步降低起動電壓，否則會延長電動機的起動時間，使變壓器過熱[4]。

不經常起動的電動機電壓降不應大于15%；經常起動的電動機電壓降不應超過10%；在保證生產機械所要求的起動轉矩又不影響其他用電負荷的正常運行，起動電壓降可允許到20%。

2.4 項目實用舉例（僅對自耦變壓器減壓起動方式研究計算）

某項目2500kW 變流機組的同步電動機起動條件計算：

1）變電所3kV 母線上短路容量Sdl=45MVA；2）機組的靜阻轉矩M*j=0.1；3）母線上的無功負荷Qfh=1.5Mvar；4）機組的總飛輪轉矩GD2=43.6Mg；5）電動機的額定容量Se=3.3MVA；6）電動機的額定功率Pe=2500kW；7）電動機的額定電流Ie=626A；8）電動機的額定電壓Ue=3kV；9）3kV 母線電壓Ue’=3.15kV；10）電動機的全起動電壓U*qe=1；11）電動機全電壓起動時的電流倍數Kiq=7.5；12）電動機全電壓起動時的轉矩M*qe=0.9；13）電動機全電壓起動時的牽入轉矩M*yr=0.7；14）電動機起動時的平均轉矩M*qp=0.8；15）電動機的功率因數cosφ=-0.88；16）電動機的額定轉速ne=1000r/min；17）連續起動次數N=2 次；18）最小 電壓（Uqe’=0.6×Ue）起動時電動機的起動轉矩Me’；19）電動機0.6×Ue起動時的牽入轉矩M*qyr。

計算全壓起動的可能性：

1）計算系數α=1/U*m-1=0.25（根據現行規范GB50055 要求，U*m=0.8，下同）;2）采用全壓起動的條件：Kiq×Se＜α×（Sdl+Qfh）；Kiq×Se=7.5×3.3=24.75，α×（Sdl+Qfh）=0.25×（45+1.5）=8.1375，24.75＞11.625，不滿足全壓起動條件。

計算自耦變壓器起動的可能性：1）計算系數δ=U*m×（1-U*m）=0.16；2）采用自耦變壓器減壓起動的條件：δ×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）＞1.1×（M*j/M*q）；

δ×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）=0.16×（45+1.5）/（7.5×3.3）=0.3，1.1×（M*j/M*q）=1.1×（0.1/0.9）=0.122，0.3＞0.122，滿足自耦變壓器減壓起動條件。

3）計算系數α=1/U*m-1=0.25

4）自耦變壓器的變比

5）可選用某廠家非標準的自耦變壓器，其變比Nbz=0.73。

自耦變壓器起動校驗：

1）起動電壓降低時的起動容量

表1 某廠家自耦變壓器各種電壓段的二次電壓與一次電壓之比

表2 某廠家自耦變壓器的容量和負荷時間的變動系數

2）起動時母線上的電壓

3）起動時電動機端子電壓

4）起動時電動機的起動容量Sq=（Ud/Ud）2×（Kiq×Se）=0.572×（7.5×3.3）=8.05MVA

5）起動時電動機的起動電流Iq=U*q×Kiq×Ie=0.57×7.5×625=2670A

6）起動時電動機的起動轉矩M*q=（Ud/Uqe）2×M*qe=0.572×0.9=0.292＞0.1，電動機可以起動。

表3 某廠家自耦變壓器各種電壓段的二次電壓與一次電壓之比

7）起動一次的時間

8）起動計算時間tjs=tq×N=48.7×2=97.4s=1.6min

9）必需的自耦變壓器容量Sbz=Sq×tjs/2=8.05×1.6/2=6.4MVA

10）電壓降低后所需自耦變壓器容量Sbz’=Sbz×（1/U*m）=6.4×（1/0.78）=8.2MVA

11）選用某廠家自耦變壓器的容量9MVA。

3 結束語

1）高壓大型同步電動機起動時，對于電網電壓波動有極大影響，因此，必須按照電壓暫降的要求對起動方法進行選擇、計算及校驗[5]。

2）對于高壓大型同步電動機是否允許直接起動，首先取決于電動機的結構條件，它由電機制造廠決定。在不能取得電機制造廠的資料時，通常可按下列方法估算，在符合下述條件時，是認為可以直接起動的：

對于3kV 電動機：Pe/極對數≤250-300kW

對于6kV 電動機：Pe/極對數≤200-250kW

3）在電網容量允許時，同步電動機應盡量采用直接起動。只有在電網容量及電動機結構不允許直接起動時，才必須考慮采用電抗器減壓起動、自耦變壓器減壓起動或變頻起動。