大型同步電動機高壓降補固態軟起動裝置的應用

李喜文，韓高翔，張田歌

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

交 流電動機的啟動電流是額定電流的 4～7 倍。對于大容量的電動機而言，提供電源的線路和變壓器容量很難滿足電動機直接啟動的條件，強大的啟動電流會沖擊電網，不僅對電網不利[1]，而且影響電動機的使用壽命。液阻啟動方式在干燥地區由于水蒸發較快，對水質要求較高；熱變電阻啟動方式環境溫度變化對啟動特性的影響較大；變頻啟動方式雖然啟動過程非常理想，但成本太高[2]。

筆者采用 TCS-M 系列高壓降補固態軟起動裝置[3](以下簡稱為 TCS-M 裝置)對大容量的高壓電動機和不能直接啟動的電動機進行降壓無功補償啟動，此方案已應用于剛果(金)華剛二期半自磨機。半自磨機用同步電動機的額定功率為 6 000 kW，額定電壓為 10 kV，頻率為 50 Hz，額定電流為 399 A，功率因數為 0.9。

1 工作原理

TCS-M 裝置由降壓器模塊、無功發生器模塊、啟動開關、運行開關、人機界面及控制系統組成，啟動電動機時一次回路如圖 1 所示。TCS-M 裝置在電動機啟動開關和電動機之間，由本地或 DCS 后臺啟動指令控制電動機啟動。當電動機速度達到或接近額定轉速時，TCS-M 裝置內的控制系統發出合閘指令，運行開關合閘，電動機全壓運行，完成啟動。

圖1 TCS-M 裝置一次回路示意Fig.1 Sketch of primary circuit of TCS-M device

電動機在啟動過程中，功率因數很低，堵轉電流比較大，啟動時需要從電網消耗大量無功功率，從而引起較大的電網壓降。為了減小電網壓降，需要降低從電網中所消耗的無功功率。TCS-M 裝置的無功發生器與電動機并聯，補償了電動機啟動所需要的部分無功功率，從而減少了從電網中消耗的無功功率。TCS-M 裝置等效電路及矢量圖如圖 2 所示。

由圖 2 可以看出，使用無功發生器補償電動機電流后，電動機從電網吸收的電流明顯減少。

圖2 TCS-M 裝置等效電路及矢量圖Fig.2 Equivalent circuit and vector diagram of TCS-M device

為進一步減小電網壓降，需要減小電網提供的啟動電流。TCS-M 裝置配有降壓器模塊，接在電動機和電網之間，以降低電動機端電壓的微小代價，減少了啟動時電網側電流，進一步減小了電網壓降。

降壓器的輸出電流為電動機電流ID與無功發生器電流IC之差，輸入電流為輸出電流的k倍 (降壓器一二次電壓比為 1∶k，k＜1)[4]，啟動時從電網吸收的電流I1=k(ID-IC)。根據此公式可以看出，調節無功發生器的補償電流和降壓器的變比，即可以將啟動時的電網側電流控制在允許的范圍內。根據客戶現場實際的電網承受能力，可以設計出滿足特定需求的TCS-M 裝置。

2 結構特征

TCS-M 裝置的總體結構可分為 3 部分：最左邊布置控制系統、人機界面、顯示儀表、電纜進出線接駁點和旁路開關等；中間布置降壓器模塊；最右邊布置無功發生器模塊。3 部分通過銅排或電纜連接，結構緊湊，配有整體槽鋼底座，一體化安裝，整體吊裝。運用外觀及工藝設計，該裝置較傳統開關柜設備，操作更加人性化，整體更加美觀。

TCS-M 裝置的主要特點如下。

(1)降壓器模塊含降壓器及星點開關 2 個部分，設計 2 檔輸出電壓，并且 1 檔輸出電壓比 2 檔輸出電壓高一次額定電壓的 5%。2 檔電壓的設計，可以適應現場實際電網電壓及負載的變化。

(2)無功發生器模塊含無功發生器及投切開關 2個部分。無功發生器一般分 2 組進行投切，整體布置在金屬外殼內。從外殼上端引出 6 個接線端子，小容量的無功發生器可分為一組，更大容量的無功發生器可分為多組。無功發生器內置放電電阻，放電時間不大于 5 min。

(3)控制系統采用西門子 S7-200 SMART PLC 進行自動控制及保護，采用 TFT 彩色 LCD 觸摸屏作為人機交互界面，并配有物聯網遠程通信模塊，可將啟動數據實時上傳至軟起動物聯網云平臺。通過大數據采集，軟件智能統計對比分析不同負載所選用軟起動裝置的啟動性能和啟動參數，以便在后續項目配置軟起動系統方案時，選擇最優方案，不僅減少用戶的投資成本，而且達到最佳的啟動性能。

3 人機界面及控制說明

觸摸屏用來顯示系統狀態、報警信息、啟動數據和設置保護參數，并具有報警和啟動數據保存功能。

2015年4月在江蘇某湖羊養殖場選取24只7周齡健康狀況良好、體重相近[(6.9±0.5)kg]的公湖羊，采用單因素試驗設計將試驗羊隨機分為3組，每組8只，分別為對照組、丙酸組、丁酸組。試驗包括預飼7 d，正試期28 d。試驗羊采取群飼舍養方式，整個試驗期試驗羊每天每只人工飼喂鮮羊奶1.0 L，在此基礎上補飼基礎日糧（第1周每天每只補飼300 g基礎日糧，隨后試驗期每周增加50 g），補飼基礎日糧組分和營養成分含量見表1，并制成顆粒飼料，再以顆粒飼料的1%添加脂肪酸制劑，對照組為等量脂肪酸鈣。試驗期每日06：00和18：00等量飼喂兩次，自由飲水。

3.1 主畫面

軟起動裝置觸摸屏主畫面如圖 3 所示。

圖3 TCS-M 裝置主畫面Fig.3 Main interface of TCS-M device

主畫面左半部分顯示的是開關狀態及啟動數據，包括實時啟動時間、無功發生器電流、降壓器電流，以及電動機電壓和電流。開關合閘時，其所對應的方框將變成紅色，分閘時顯示為灰色。主畫面右半部分顯示了今日啟動次數、啟動等待時間 (下次啟動需要等待的時間)、電壓電流模擬功能 (是否開啟)、全壓切換模式、啟動操作指令源及裝置工作狀態。

啟動等待時間是啟動結束后 PLC 根據運行時間自動計算降壓器的溫升，并估算降壓器溫度降到允許后再次啟動所需要的時間，最少為 15 min。一般啟動 2 次后等待時間可能達到 40 min；連續啟動 3 次之后，需要等待較長時間才能繼續啟動。

電壓電流模擬功能用于模擬啟動測試。由于模擬啟動時沒有電壓電流信號，不方便模擬電壓電流方式進行切換。開啟模擬功能后，相關電壓電流數據由PLC 通過程序自動模擬產生，按照實際啟動情況就可以進行模擬啟動。

軟起動裝置工作狀態有系統停機、預啟動備妥、啟動備妥、綜合報警、正在啟動、全壓運行 6 種，處于某個狀態時其對應的文字框將顯示綠色，否則顯示灰色。當選擇“分步啟動”模式時，軟起動裝置需要先進行預啟動?！邦A啟動備妥”狀態變為綠色即表示軟起動裝置允許預啟動。啟動備妥所需要的條件在觸摸屏上可進行查看。

3.2 參數設置

觸摸屏參數設置如圖 4 所示。左邊顯示的是跟啟動相關的幾個參數，右邊為進入其他畫面的菜單入口。參數設置需要不同用戶權限，系統參數設置需要高級權限，開關配置和輸出點強制需要專家權限。參數設置一定要準確，且與程序和設備實際相對應，否則啟動時會出現故障信號。

圖4 觸摸屏參數設置Fig.4 Parameter settings of touch screen

3.3 報警事件

報警事件菜單如圖 5 所示。其中，當前報警欄顯示的是正在發生的報警 (信息內容代號為 A***)，報警及事件欄顯示的是所有的報警、事件(信息內容代號為 E***)和狀態信息(信息內容代號為 S**)。事件包括開關合分狀態、啟動狀態(收到啟動指令、開始啟動邏輯、切換備妥)等內容。

圖5 報警事件Fig.5 Alarm event

3.4 歷史數據

歷史數據可以查看之前的啟動數據，包括電動機電壓與電流、無功電流、網側電流(降壓器一次電流)和啟動時刻。數據記錄的時間間隔為 0.5 s。網側電流數據非測量值，是根據電動機電流、無功電流和降壓器變比計算出來的數值。從下拉菜單中選擇日期，可以查看對應日期當天的啟動數據。

3.5 控制說明

圖6 TCS-M 裝置控制流程Fig.6 Control flow of TCS-M device

(1)軟起動裝置進行自檢時，滿足啟動條件后系統狀態變為啟動備妥，才允許電動機啟動。

(2)操作人員遠程發送啟動指令到軟起動裝置，軟起動裝置控制啟動開關、無功開關、降壓器星點開關，依次合閘，延時 1 s 控制啟動柜合閘，高壓電源接入后開始啟動。

(3)軟起動裝置實時檢測電動機電壓和電流。當電動機電壓超過降壓器額定輸出電壓，且電動機電流小于額定電流時(電壓+電流切換方式)，開始全壓切換。無功開關、降壓器星點開關依次分閘，然后運行開關合閘，啟動開關分閘，電動機啟動完成。

4 調試

在送高壓電之前要仔細檢查，并確認以下事項[5]：

(1)檢查一次電纜連接是否正確，相序是否正確，連接螺栓是否緊固；

(2)檢查二次電纜連接是否正確，連接是否緊固；

(3)檢查確認進線柜、啟動運行柜及上級高壓柜的微機保護設定值；

(4)電動機啟動前，應進行盤車，檢查電動機轉子是否轉動靈活，無卡塞現象；

(5)電動機帶載啟動時，應確保負載處于最小狀態，防止電動機帶重載啟動；

(6)檢查各主要開關合分閘是否正常；

(7)檢查確認 PLC 程序邏輯控制是否正常，觸摸屏上顯示狀態、參數設置是否按照實際配置。TCS-M 裝置參數設置如圖 7 所示；

圖7 TCS-M 裝置參數設置Fig.7 Parameter setting of TCS-M device

(8) 高壓電啟動時，機旁和高壓室應分別有人值守，如發生電動機堵轉等異常應及時停機。此外，還要做絕緣電阻試驗和交流耐壓試驗。

在送高壓電源試車前，應對軟起動裝置進行模擬啟動測試，以確保聯鎖信號連接正常。啟動測試方法如下：

(1)將電源進線柜或啟動運行柜斷路器手車搖出至試驗位置，確保高壓電源不會接入啟動回路，同時在啟動柜和運行柜的微機保護中取消低電壓保護；

(2)在觸摸屏參數設置畫面中，將電壓電流模擬功能切換為已開啟狀態；

(3)查看啟動條件畫面，確認啟動條件都已經滿足，啟動備妥變為綠色顯示；

(4)遠程給啟動指令，軟起動裝置開始啟動、各開關依次合閘，隨后在 12 s 內電動機電壓逐步升到切換電壓，電動機電流逐步降到切換電流，滿足切換條件后切換到旁路運行，啟動完成；

(5)遠程發送停機指令，旁路開關和啟動柜分閘，電動機停機；

(6)測試完成后，將電壓電流模擬功能切換為已關閉狀態。

上述檢查完畢后，高壓送電試車，可在報警事件中查看各個開關的動作順序是否按照控制流程動作。

電動機電壓逐漸升高，說明轉矩逐漸增大，電動機電流逐漸降低，在 5.2 s 時，電動機電壓升到電網電壓的 73%，電動機電流已降到切換電流，此時切換至運行開關，啟動開關分閘，數據中查看網側啟動電流最高為 606 A，約為電動機額定電流的 1.52 倍，有效地減少了啟動電流，避免了對電網的沖擊。

5 結論

使用 TCS-M 裝置啟動電動機具有啟動電流小且恒定、轉矩大且逐步增加的特點，可減小電動機啟動對電網電壓造成的壓降，并且無電磁諧波干擾，對電網中其他負荷的影響小。TCS-M 裝置整體結構緊湊布局合理，便于裝置整體吊裝及運輸，方便現場安裝，人機界面參數設置簡便，便于調試、使用和后期維護。