離散變頻技術在高壓電機軟啟動改造中的應用

李軍鋒，吳軍堂，邰超超，董宏麟，廖代龍

（國核寶鈦鋯業股份公司，陜西寶雞 710013）

0 引言

在工業生產現場，特別是電源側主變壓器容量相對較小的情況下，為克服大型感應電機在啟動時產生的沖擊壓降、沖擊電流及沖擊轉矩，降低其對公共網內其他運行負載的影響，一般都要采用軟啟動的方式控制電機的啟動過程。可控晶閘管軟啟動器以其體積小、可靠性高等優勢，在高壓電機的軟啟動領域應用較為廣泛。晶閘管軟啟動方式屬于電機降壓啟動的一種，通過降低輸出電壓，有效減小電機的啟動電流，但降低輸出電壓會導致電機啟動轉矩的急劇下降。一般情況下，傳統軟啟動方式主要應用于風機、輕載泵類等場景。

20 MN 快鍛機主泵為4 臺10 kV 雙輸出高壓電機驅動的變量泵，每臺額定功率為630 kW，額定電流為47 A。快鍛機在正常工作時，主泵輸出壓強為35 MPa（鍛造力為2000 t），主泵電機啟動為重載啟動。查閱電機資料，電機克服自身靜態摩擦阻力的啟動轉矩為4043 N·m，在原變壓器容量許可范圍內。4 臺主泵電機采用順序間斷性啟動，啟動間隔1 min，單次最大沖擊啟動電流315 A，小于329 A（7 倍額定電流），符合IEC 標準。但快鍛機的啟動會干擾10 kV 電網以下內置有欠壓保護裝置的設備正常使用，嚴重時可以導致該類設備因欠壓頻繁跳閘，造成生產中斷（設備欠壓閾值為375 V 左右）。經現場調研，需在20 MN 快鍛機主控柜后增加4 臺軟啟動裝置，在滿足啟動轉矩要求的前提下降低、平滑啟動電流，以減少電機啟動對10 kV 公網的沖擊。

（1）固態啟動通過高壓可控硅調節實現電機的降壓啟動，調節速度線性，啟動方式簡單。

（2）磁控啟動通過在電抗器中加入控制繞組控制磁導通率來調節電壓，通過改變勵磁實現電機的軟啟動。

（3）液阻啟動利用電解液形成內阻串入電機的定子中，起到降壓啟動的作用。其調節速度線性差，屬于開環控制，且不適于低溫下運行。

（4）離散變頻軟啟動通過高壓可控硅的調節，實現有級變頻無級調壓的啟動特性。其采用毫秒級的閉環控制，有多種啟動方式可供選擇，現場可編程，控制方式靈活。

比對傳統的固態啟動、磁控啟動、液阻啟動和離散變頻軟啟動等方式的特點，選用離散變頻軟啟動方式可有效降低啟動電流、提升啟動力矩，具有能適應各類負載、啟動時網測壓降小、啟動方式多樣、電機保護性能完善等優勢（表1）。

表1 常見軟啟動方式對比

1 離散有級變頻啟動的基本原理及選擇依據

傳統軟啟動利用反并聯的可控硅單元（雙向可控硅），通過對交流輸入電壓/電流過零信號進行檢測，有控制單元按一定的控制策略觸發門極G，使其按設定的導通角使陽極A 與陰極K 導通（移相觸發原理），從而實現在一定時間內改變周波輸出的百分比，從而調節其輸出功率或電壓（圖1）。

圖1 可控硅分別按π/2、3π/4 觸發時負載輸出波形

根據電機學原理可知，電機輸入電壓的平方與電機輸出轉矩成正比：

其中，T 為電磁轉矩，K 為電機結構常數，u1為定子繞組每相的電壓，S 為轉差率（，p 為極對數），r2為轉子每相電阻，X20為電機剛啟動時的轉子感抗。

當電機輸入頻率一定時，電機輸入電壓的降低會造成電機輸出轉矩大幅降低，因此降壓軟啟動必然會嚴重降低電機的啟動轉矩。在重負載啟動時，單純靠固態啟動方式可能會造成系統啟動轉矩不足、堵轉，甚至造成系統啟動失敗。因此，為提高電機啟動轉矩，同時限制電機的啟動電流，必然要求降低輸入電壓的頻率。

離散變頻啟動在降低頻率的同時也降低了輸入電壓，并改變了三相電的相位關系，這些因素都將直接影響電機的啟動轉矩。離散變頻實際上是對電網供電半波的合理取樣，其表達形式為：

其中，σ（t）為取樣函數，通過傅里葉級數分解，得到單相電壓輸出的基波與各次諧波幅值，取σ（t）為偶函數，則傅里葉級數中的a0為0，余弦系數an積分為0，幅值大小只和正弦系數bn有關，bn在一個周期內的積分可化簡為：

其中，σi為σ（t）的離散形式，且k≠n。

為避免出現負力矩使電機反轉，變頻軟啟動應該保證輸出電壓的相序保持不變。在分頻后，要保證三相的對稱。在k 分頻下，假設A 相初始相位為0，則B、C相的初始相位角同分頻系數k的關系為：

其中，i、j 為整數。為使正序分量最大，離散變頻應該選取最接近三相對稱的相位組合，即：。經簡化得到：，即：k=3n+1 時能夠獲得三相對稱。因此，相應的n 取值為1、2、3……，對應的k 值為4、7、10……

對于4 分頻，n=1，則有k=3n+1=4：

眾所周知，恒壓頻比調速可以保證電機的氣隙磁場不變，從而維持電機的轉矩不變。離散變頻在軟啟動降低頻率的同時，基波電壓也隨之降低，離散變頻不一定在任意分頻下實現恒壓頻比控制，確保電機輸出較大轉矩。根據感應電機電磁轉矩，在k 分頻下電機的啟動轉矩Tk可表示為：

其中，頻率與上述三個物理量的變化成正比。因此在k 分頻時，同步轉速、定子、轉子漏抗均為原來的，akUm為k 分頻下輸出電壓的基波幅值。

其中，Tst為分頻前電機的啟動轉矩。

對于4 分頻，n=1，則k=3n+1=4，代入式（3）、（4）、（6），可求得b1=-0.38Um。

因此，由以上計算可以證明，選用4 分頻啟動，轉矩的極限值最大為直接啟動的9.24 倍，表明離散變頻軟啟動有極強的帶載能力，同時也確保了三相相位的對稱，確保了正序分量最大。選用離散有級變頻啟動方式，能夠在限制負載以較小的啟動電流下，以較高的啟動轉矩完成電機的啟動運行，很好地解決傳統固態軟啟動因啟動電流過小而導致裝置帶載能力不足的問題。

2 改造方案

通過軟啟動方案的比對，發現傳統降壓固態軟啟動的方案很難達到對主泵電機平穩啟動，且電機瞬時啟動電流不大于額定電流3 倍的要求，改造存在較大風險；若選用離散變頻軟啟動方案，可以在降低啟動電壓的同時很好地兼顧壓頻比，在降低啟動電流的同時提升電機啟動轉矩，因此選用離散變頻軟啟動方案較為穩妥。

離散變頻軟啟動利用晶閘管的可控性，周期性地截止工頻交流電的上半周和下半周，并利用導通半波的基頻實現降低頻率的目的。此次方案采用智能化控制單元，在軟啟動過程中各相晶閘管順序導通，并按一定的規律實現移相，以改變電機的輸入電壓和頻率。其與傳統軟啟動裝置的區別在于，在電機最初啟動階段選用輸出頻率為12.5 Hz（4 分頻）頻率運行，在電機達到1/4 額定轉速后，輸出頻率調整為50 Hz，實現了電機平滑無沖擊啟動（圖2～圖4）。當電機到達額定電壓后，軟啟動過程結束，控制單元自動切換至旁路接觸器，移除可控硅閥組，進入電機的工頻、額定電壓運行。

圖2 4 分頻后擬合形成的波形輸出

圖3 1/4 額定轉速工頻運行的波形輸出

圖4 離散變頻高壓軟啟動接線

電機通過頻率從0～12.5 Hz 和12.5～50 Hz 兩個階段的加速，完成從靜止到全速的加速過程。加速過程結束后，旁路裝置將電機切換至工頻旁路，電機進入額定電壓運行狀態，從而完成有級變頻啟動。

在采購過程中，考慮到軟啟動裝置關鍵部件的選型對裝置的穩定運行及快鍛機機組可靠運行的影響，在技術要求中特別對可控硅、高壓真空接觸器等部件的品牌和性能指標做出要求。考慮到晶閘管串聯組件門極控制單元與主控制電路之間高電位隔離，及各串聯組件控制的步調一致性、系統的穩定性和可靠性，選用光控晶閘管取代傳統的電控晶閘管，具有明顯的技術優勢。在軟啟動裝置與原裝置控制信號的銜接上，在確保絕對可靠、便于后期維護、施工方便的前提下，采用遠程端子觸發方式控制，保留原真空接觸器控制柜綜保參數不變。裝置要求具備全面的電機保護功能，具備欠流、過流、欠壓、過壓、短路、堵轉、缺相、相序檢測、超時啟動及啟動次數保護等功能。另外，還綜合考慮噪聲、環境溫度、檢修空間、布線合理性，安全距離等因素，優化裝置的安裝位置。

4 實施效果

20 MN 快鍛機4 臺高壓軟啟動裝置自投運3 年以來，運行平穩，未發生因啟動裝置內部故障、控制信號異常、絕緣異常、可控硅擊穿、高壓交流接觸器觸頭粘連等原因導致的電機啟停失敗，各類狀態監測單元工作正常。在保證間隔60 s 以內，以較為理想的啟動電流順序啟動4 臺主泵電機，經參數優化，實際啟動瞬時峰值電流降至約2.8Ie（Ie為電機額定電流）。啟動時公司10 kV 側的電壓波動僅為3.0%，變壓器二次側電壓下降至388 V 左右、大于欠壓閾值，因此快鍛機主泵啟停不會造成其他設備的運行異常。改造前后電機啟動參數的對比見表2。

表2 改造前后電機啟動參數對比

5 結束語

離散變頻軟啟動在重載型負載啟動中的成功應用，不僅大大降低了負載啟動瞬時電流對公共網及電機本身絕緣的沖擊，同時也降低了電機軸承、聯軸器等運動部件的機械沖擊，延長了電機的使用壽命，減少了設備的維護檢修及停機時長，降低了電網預留容量。此外，全方位的電機運行狀態監測及保護為關鍵設備的運行提供了可靠的技術保障。離散變頻軟啟動技術在重負載電機啟動改造領域有其廣泛的推廣應用價值。