高压变频软启动在空压机主电机启动中的应用

程爱玲，崔瑞卿

（开封空分集团设计研究院，河南 开封 475003）

0 引言

近年来，许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大，如在钢铁、化工行业，10 000 kW以上的电动机的使用已越来越多。随着大容量交流电动机在各行业的普遍应用，电机启动问题就显得更加突出。如果电机采用直接启动的方式，超大的启动电流冲击和过高的启动转矩会对供电网造成严重干扰和对机械负载造成损害，甚至造成电网剧烈波动或负载设备损毁［1］。为了减小电机直接启动所引起的负面影响，一般采用降压软启动方案。

软启动是通过降低加在交流电动机上的起始电压，使启动冲击转矩降低，并在某个事先设定的时限内，对供电网的其他电气设备的有害影响被限制在允许限度以内，使电动机升速至其额定值。根据工作原理不同，电机软启动装置大致可分为液阻软启动、磁控软启动、开关变压器软启动、固态降压软启动、变频器软启动等。其中，变频软启动就是通过变频器或具有变频功能的软启动器来调整频率，实现电机平稳启动。它在限流的同时，保持大的启动转矩，既减少电机启动瞬间大电流对电网的冲击，又确保为电机平稳启动提供足够启动转矩，以符合工业生产现场的需要，是目前性能最高的软启动方案［2］。

1 项目概况

供给霍邱工程的2套25 000空分装置各有1台空压机，其电机功率均为10 kV／12 300 kW，为上海电机厂4极异步电机。电机的基本参数：功率因数为 0．89，效率为 0．96，定子电流为 831A，启动电流倍数为 6，转速为 1 495 r／min。

由于两套空分空压机不要求同时启动，而高压变频软启动装置技术成熟，性能可靠，因此完全可利用一套高压变频软启动装置来分别启动两套空压机系统，以达到节省投资，节省设备，节省占地面积的三重效果。

空分机厂家提供的速度力矩曲线如图1所示。

图1 空分机速度力矩曲线Fig.1 Compressor speed moment curve

2 变频器软启动装置组成及容量确定

2．1 变频器软启动装置组成

本变频软启动装置主要由5 000k VA进线变压器、变频器、输出电抗器、同期切换装置、切换高压开关柜、软起PLC控制柜组成。

2．2 变频器软启动装置容量的确定

按照电机空载启动曲线，可以得出如下结果：

（1）参考标准工况曲线图，软启动所需要的启动力矩为电机额定转矩的27%。电机的额定力矩为78 572 N·m，标准工况1启动所需的力矩为21 214 N·m。

（2）参考标准工况曲线2，软启动所需要的启动力矩为电机额定力矩的40%，即31 429 N·m。

1.3.1 单一指标测定 从种子出芽开始，每天观测记录发芽情况，由于辣椒品种不同，发芽具有不整齐特点。因而，确定发芽观察期为10 d，以胚根长超过种子长度的1/2作为发芽标准。

根据以上计算，选择高压变频器作为电动机软启动变频器，额定容量为5 000 kVA，输入电压为10 kV，输出电压为 0～10 kV［3］。

3 空压机主电机的启动

3．1 系统方案

变频软启动系统方案如图2所示。

图2 空压主电机变频软起动系统方案Fig.2 Frequency conversion soft start system scheme

图中，KG1为1号空压机启动高压开关柜；L1为 1号空压机运行高压开关柜；V1为1号空压机切换高压开关柜；KG2为2号空压机启动高压开关柜；L2为2号空压机运行高压开关柜；V2为2号空压机切换高压开关柜。

3．2 启动原理

以启动1号空压机（M1）为例。由于本项目的电机功率很大，高压变频软启动装置的容量也较大，在变频软启动装置介入电网时，如不采取相应的措施，将产生很大的激磁涌流，对上级开关和变频器本身都产生冲击。因此，为保证系统的安全和可靠性，高压变频软启动装置配置有预充电回路以降低激磁涌流。

在得到上级允许后，合上变频器输入开关KG1和输出开关V1，变频器带动M1电机开始工作。这时，变频器的输出频率从0 Hz逐步升到50 Hz（升速时间可设定），输出电压从0 V开始逐渐上升，直到升到10 kV。M1电机开始在额定转速下运行。

在变频器输出达到50 Hz以后，接受并网命令，调整变频器，使其输出电压逐步与输入电网电压同相位。在系统确认变频器输出电压和电网电压同频、同相以后，变频器自动合上电网开关L1。由于这时电机的频率、相位以及幅值与和电网一致，合上L1对电机和电网没有任何冲击（切换过程在10 s内自动完成）。

并网后，电机由变频器和电网共同供电，电机的负载由变频器转移到电网，最后变频器自动断开V1，整个M1电机负载由电网承担，电机M1启动完毕。这时，同期参数应该为⊿V≤3%Un、⊿F≤0．3Hz、0°≤⊿φ≤5°。

3．3 启动过程 （启动M1）

保证空压机为空载启动，并且电动机冷却、润滑均正常。

（1）空压机机旁控制盘PLC发出允许启动M1指令。启动M1时，首先操作1号压缩机机旁控制盘启动按钮，启动指令送至变频软启动装置，由软启动PLC判断KG1及V1、V2位置。若各开关均处于分闸位置，发出合上变频器输入开关KG1和输出开关V1的指令，变频动器带M1电机开始工作，空压机启动，并将启动信号分别送至空压机机旁控制盘及变频软启动装置。此时，如果KG1及V1、V2高压开关位置不正确，PLC应该发出报警指令，并且排除高压开关故障。

（2）变频器控制电机开始启动，并且拖动电动机从0转速至额定转速，输出频率及电压也相应升至额定频率、额定电压。

（3）当变频器输出电压与电网电压同频、同相后，变频器输出切换允许信号至PLC，软启动PLC确认内、外同期装置都发出同期结束信号后，合上L1。

（4）软启PLC断开变频器输出高压开关V1。

（5）PLC清除传递至VFD “变频器输出高压开关状态信号”。

（6）PLC清除传递至VFD “工频高压开关状态信号”。

（7）准备下次启动。

综上所述，在切换过程中，电机始终有电源供给，不会有瞬时缺电或合闸电流冲击，从而可实现电机运行工况的无扰切换。该变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv／dt及共模电压等问题的特性。因此，无需滤波器，适用于普通电机。

4 结语

高压变频软启动方案在本项目的成功应用，为大型电动机的启动问题多提供了一个选择方案。具体什么情况下选择该方案，应从以下几个方面综合考虑。

（1）电网为较小的独立发电系统，当采用其他软启动方案难以保证发电系统的过负荷能力，难以保证启动过程中的母线压降允许值时，可采用变频软启动方案。

（2）电网虽为系统电网，但短路容量小，当采用其他软启动方案不能保证启动过程中的母线压降允许值，或虽可保证母线压降允许值，但启动转矩不足以克服机械转矩，难以满足电动机对温升限值要求时，可采用变频软启动方案。

（3）系统短路容量较大，当采用其他软启动方案启动时电动机端子电压能保证被拖动机械要求的启动转矩，且在配电系统中引起的电压下降不妨碍其他用电设备的工作，即能够满足母线压降要求时，不提倡采用变频软启动方案。因为从投资角度考虑，该方案比采用其他软启动方案大很多。

［1］ 道客巴巴．电动机直接起动的危害［EB ／OL］．（2014－01－12）http： ／／www．doc88．com ／p－940839820266．html．

［2］荣信电力电子股份有限公司．高压有级变频起动装置（VFS）产品简介—电机起动面临的问题及常用起动方案比较［Z］．鞍山：荣信电力电子股份有限公司：3-6．

［3］中国航空工业规划设计研究院．工业与民用配电设计手册［M］．3 版．北京：中国电力出版社，2005：267．