基于開關變壓器技術的大中型電動機軟起動上應用設計

一、概述

普通鼠籠式電動機在空載全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的5～7倍，甚至達到10倍。電動機直接全壓起動時的大電流在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，加大了定子線圈（尤其是端部）與鐵芯的磨損，會破壞繞組絕緣；沖擊力也容易引起鼠籠斷裂，導致電機故障。電動力的大小與電流的平方成正比。直接全壓起動時的電動力是正常額定運行時電動力的36倍（按Imax=6IN）。

電動機直接全壓起動時，額定電壓瞬時加在電機繞組上。此時會產(chǎn)生操作過電壓，在最不利的情況下過電壓會達到額定電壓的5倍，這對電機絕緣將造成極大的傷害。許多電機的損壞發(fā)生在合閘時就是由于產(chǎn)生操作過電壓的原因。

當電動機容量相對較大時，過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降，破壞同電網(wǎng)其它設備的正常運行，甚至會引起電網(wǎng)失穩(wěn)，引發(fā)更大的事故。因此，一般要求經(jīng)常起動的電動機引起的電壓波動不大于10%；偶爾起動的電動機引起的電壓波動不大于15%。

二、工作原理

開關變壓器式高壓電機軟起動裝置的基本原理和可控硅串聯(lián)式固態(tài)軟起動裝置相同，都是相控調(diào)壓控制。裝置原理如圖1所示，開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置用開關變壓器（TK）的高壓繞組來代替可控硅串，而把可控硅放在開關變壓器的低壓側。

其原理如下：

圖1：原理圖

SCR未導通且加上電源電壓U時，開關變壓器TK原邊和電機D上得到電壓，由于TK的空載電流遠小于D的空載電流（指額定值），故電壓絕大部分（95%以上）加在TK原邊，為電壓U1，此時TK副邊也得到電壓U2，波形為完整的正弦波。

當SCR控制極加上觸發(fā)電壓時，SCR從α角處導通，則U2立即降低，U2電壓如圖2中實線所示，U1的波形也相同。UD上的電壓為外加電壓U減去U1，則UD上的電壓波形如圖3所示。當增大控制角α時，則U2變小，U1變小，UD加大。反之亦然。α由大到小連續(xù)調(diào)節(jié)，則UD連續(xù)由小到大，即可實現(xiàn)電機的平滑加速，完成調(diào)壓軟起動。

從本質(zhì)上來看，開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置是一種改進型固態(tài)軟起動裝置，其改進主要體現(xiàn)在如下兩個方面。

1）可靠性

開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置用開關變壓器（TK）的高壓繞組來代替可控硅串，而把可控硅放在開關變壓器的低壓側（如圖1所示），可控硅不用串聯(lián)，因而解決了可控硅串聯(lián)方式的動態(tài)均壓問題，可靠性大大提高。

2）諧波

由于開關變壓器漏抗的濾波作用，加到電源上的諧波大大減少。

圖2：開關變壓器一次側和二次測電壓波形

圖3：電機端電壓波形

1.開關變壓器式起動裝置優(yōu)點包括：

2.電壓電流可全范圍調(diào)節(jié)；

3.可實現(xiàn)任意起動曲線；

4.時間常數(shù)小、反應迅速；

5.設計簡單，電動機功率增加時只要增加功率器件的容量；

6.開關變壓器工作于開關狀態(tài)，開通時主要為銅損，隔斷時主要為鐵損，起動中開關變壓器損耗很小，發(fā)熱小；

7.可連續(xù)多次起動，重復精度高；

8.純粹調(diào)壓軟起動，故一拖多時電動機的容量可以相差很遠。

這些優(yōu)點使開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置成為當前性價比最高的高壓電動機軟起動裝置。

電機軟起動系統(tǒng)構成如圖1所示：K1為運行柜，它與電動機D構成正常工作時的運行系統(tǒng)；K2為起動柜，它與開關變壓器TK構成起動回路。當電動機起動時，合上K2，給可控硅SCR加上觸發(fā)信號即可實現(xiàn)相控調(diào)壓軟起動；起動結束后，合上K1、斷開K2，電動機即轉入運行狀態(tài)。

起動回路的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4：控制系統(tǒng)框圖

軟起動不同階段的電流按照選定的起動模式和起動曲線由控制程序給定，主電路中的電流由采樣單元采集，PLC比較電流采樣值和給定值，根據(jù)差值閉環(huán)調(diào)節(jié)觸發(fā)單元的輸入電壓，改變SCR的導通角，從而使主電路中的電流與給定值相等。

修改控制程序中起動各階段電流的大小和保持時間，即可得到各種不同的起動電流曲線。

由控制系統(tǒng)框圖可見，如果從虛線處隔開，右側為功率主回路，左側為控制環(huán)節(jié)。當電動機功率不同時，只要更換TK、CT及SCR即可，其余控制環(huán)節(jié)不用改變。

三、應用實例

大慶石化煉油廠一重催主抽風機功率6300kW、額定電壓6kV、額定電流700A由于電網(wǎng)情況逐漸惡化，使得廠里決定將電機起動由原來的直接起動改造為軟起動。

大慶石化煉油廠隨后組織考察了多個廠家不同起動方案，從起動裝置性能、可用性、可靠性、安全性、可維護性等多方面進行論證，反復比較，最終選擇了開關變壓器方案，并決定采用帕特爾公司最新研制的開關變壓器式高壓電機軟起動裝置，作為一重催主抽風機電機的起動裝置。

大慶石化煉油廠一重催系統(tǒng)圖如圖5所示：

圖5：系統(tǒng)圖

電機起動情況

1）電機及負載情況

額定功率為6300kW、額定電壓6kV、額定電流700A。

2）空載起動情況

2008年7月22日空載起動電機，起動最大電流1546A（2.2倍額定電流），起動時間8s。

空載起動電流曲線如下圖所示。

圖6：空載起動電流曲線

3）帶載起動情況

2008年7月22日帶載起動電機，因用戶要求起動電流控制要控制在3倍額定電流以內(nèi)，經(jīng)過計算后將起動參數(shù)調(diào)整，一次起動成功，起動最大電流2020A（2.88倍額定電流），起動時間32s。

帶載起動電流曲線如下圖所示。

圖7：帶載起動電流曲線

關變壓器式起動裝置在調(diào)試過程中即體現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢：可多次連續(xù)起動、多次起動性能一致、現(xiàn)場可靈活整定起動參數(shù)以獲得最佳曲線、控制精確、調(diào)試簡單方便等等。

四、裝置特點和優(yōu)勢

哈爾濱帕特爾科技有限公司于2001年首創(chuàng)的開關變壓器式高壓電動機軟起動裝置，具有簡潔、可靠、精確、靈活、省時、節(jié)約投資、減少運行維護費用等獨特優(yōu)勢。

開關變壓器式起動裝置能從零起調(diào)節(jié)電機端電壓和電流，實現(xiàn)真正的平滑起動。自適應電流算法，能根據(jù)電網(wǎng)和負載實時狀況，自動調(diào)整起動電流大小，在確保電機起動成功的前提下，將最大起動電流控制到最小。

開關變壓器軟起動裝置自2001年推出以來，已經(jīng)為多家大型企業(yè)所采用。服務的行業(yè)包括鋼鐵、冶金、石化、市政、制藥等。為實踐所證明是一種可靠、性能優(yōu)異的、高性價比的軟起動裝置。為電機起動領域提供了一種最佳選擇。