大容量高压电动机的起动

黄燕飞， 付 薇， 齐茜 茜， 夏子路

(中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北 任丘 062552)

0 引 言

电动机起动时在配电系统中要引起电压下降。当电动机全压起动时在配电系统中引起的电压波动妨碍其他用电设备的工作时，根据GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》要求，即不能满足 “频繁起动不宜低于系统标称电压的90%，不频繁起动时，不宜低于额定电压的85%，配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，不应低于额定电压的80%”，电动机就要采取降压或其他适当的起动方式。因此，电动机在不能全压起动时，选择适合的起动方案，既要降低工程投资，又要减少对电网的冲击和对其他用电设备的影响。这是电动机起动方案设计的一个重点。

本文选择水电阻、固态软起动器、变频三种软起动方式，分析对于大容量高压电动机三种软起动方案的优缺点。介绍了在有限系统容量，而工艺无需变频调速情况下，以小拖大降容变频软起动的运用。

1 高压电动机起动方式选择

高压电动机起动方式分为全压起动和降压起动，降压起动包括传统的电抗器降压起动、自耦变压器降压起动，Y/△降压起动起动，以及水电阻、固态软起动器、变频软起动等。

电动机全压起动是最简单、最可靠、最经济的起动方式。因此，电网能够满足要求时，全压起动方式是最优方案。采用电抗器、自耦变压器、Y/△等传统起动设备，在降低起动电流的同时，也降低了起动转矩，增大了起动时间。这些起动方式都属于有级降压起动，存在明显缺点，比较适合轻负载和容量较小的电动机起动。近年，随着电力电子技术的发展和进步，大容量高压电动机采用软起动装置，如水电阻、固态软起动器、变频软起动等逐步替代了传统起动方式。

2 水电阻软起动工作原理

水电阻软起动是在电动机定子回路串入一特制液体电阻，该电阻在电动机起动初始时刻自动投入，阻值在预定起动时间内均匀无级减小，并在阻值接近0时刻时切除，从而使主机电流及电机转速无级匀滑变化，实现电机均匀上升、平稳起动。

3 固态软起动器工作原理

固态软起动器实际上是一个晶闸管交流调压器。其主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。固态软起动器的工作原理如图1所示。

图1 固态软起动器的工作原理

4 变频器工作原理

变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源，以实现电机变速运行的设备。现在使用的变频器主要采用交-直-交方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器

转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器的基本构成如图2所示。

图2 变频器的基本构成

5 软起动器比较

水电阻、固态软起动器、变频器三种软起动方式的对比如表1所示。

表1 三种软起动方式的对比

由表1可知，变频器虽然是一种优良的软起动器，但只作为软起动器使用，存在占地面积大、维护复杂、对环境清洁度要求较高、价格过高等缺点。变频调速具有调速范围广，调速精度高及动态响应好等优点，采用变频调速装置，主要是节约电能，或用于工艺装置需要精确速度控制的电机设备。因此，在电网情况允许条件下，而工艺工况不需要变频调速时，一般不会采用变频软起动方式。水电阻软起动器已经面临淘汰，目前仍使用的主要原因是价格低廉。大容量高压电动机需要软起动器时，选用固态软起动器的较多。

6 以小拖大降容变频起动的运用

以小拖大降容变频软起动就是选择比电动机容量小的变频器，仅作为软起动器使用，将电机拖动至工频转速。

以小拖大变频器采用恒转矩变频调速，v/f为常数，其磁通基本不变，机械特性如图3所示。根据转矩算式M=CMJΦmI2′cosφ2，得出转矩与磁通、电流的关系，电动机空载起动，所需起动转矩较小。一般大型电动机的空载电流约为额定电流的20%～40%(本文取40%)。因此，可以选择电动机额定功率的40%～50%容量变频器作为软起动器起动机，当电动机变频起动到全速(50Hz)后，再切换到工频运行。然后逐渐加载到额定载荷正常运转。

图3 恒转矩变频调速的机械特性

采用以小拖大变频软起动，具有变频软起动的全部优点，且由于变频器容量为电动机额定容量的 40%～50%，从价格上来看，已接近100%电动机功率的固态软起动器，可满足起动需要，又节约投资。

7 结 语

由于传统降压起动方式为有级降压起动，不能做到平滑过渡，不适用于大容量电动机。在仅有起动要求情况下，固态软起动器较变频软起动具有价格低、占地省的特点，为优选方案。在电网条件特别差，而工艺工况无调速要求时，以小拖大降容变频软起动，则是一个好的选择，既能达到保证电动机能够顺利起动，又能节约工程投资。但应注意电动机必须空载起动，如大容量鼓风机等带载起动的用电负荷，不能采用此方案。

【参考文献】

[1] GB 50055—2011 通用用电设备配电设计规范[S].

[2] 杜金城.电气变频调速设计技术.北京： 中国电力出版社,2001.