高压固态软起动的应用研究

彭冲

(上海城市交通设计院有限公司,上海 200025)

高压固态软起动的应用研究

彭冲

(上海城市交通设计院有限公司,上海 200025)

本文通过介绍高压固态软起动取代液态软起动改造的案例，分析了高压固态和液态软起动的优缺点，并通过与其他起动方式的比较，探讨了高压固态软起动的应用。

高压固态软起动 液态 降压起动

国内某钢厂的三号烧结机电除尘改为布袋除尘项目，原有3kV，1500kW除尘风机更换为3kV，2240kW除尘风机。改造前，1500kW除尘风机采用液态软起动装置起动，在使用过程中液态软起动方式存在着隐患，无法适应生产的需求。借本次改造契机，笔者采用高压固态软起动装置来代替液态软起动装置进行改造。

1 液态软起动的缺点

本项目改造前，根据现场实际使用情况，液态软起动方式主要存在以下缺点：

(1)由于除尘风机起动电流的设定值是由汽化电阻决定的，因此在水汽化之前的很短时间内水电阻很小，这时的电流会远大于设定值，在电网容量不是很大的情况下，此大电流会使电网电压急剧下降，影响其他设备的正常运行。

(2)起动时产生的热量使水升温，要再次起动需等水降温后方可，因此对连续起动次数是有限制的，电动机越大越不允许连续起动。

(3)液态软起动降压起动时，起动电流设定值一般都在3倍以上，电机端电压在0.6Un左右，此时仍会产生较大的转矩冲击，对电动机和机械设备都会造成较大伤害。同时，液态软起动降压起动时，因一开始便有较大的电流值，因此电动机仍有较大的加速度，在润滑油尚未到位的情况下电动机有较高的速度，会造成电动机干磨，影响轴承寿命。

(4)液态软起动在停车时只能自由停车，无法做到软停车。

(5)液态软起动装置需要经常添加水或电解液，浓度不易控制，起动重复性能较差，维护工作量大，环境适应性差。

2 高压固态软起动改造内容

本次改造将原有的液态软起动改为固态软起动方式，笔者选用的上海雷诺尔科技有限公司RNMV 2000型高压固态软起动装置，选定其额定电压为3.3kV，额定电流为600A，一次回路图如下：

(图1)中高压开关柜部分延用原柜，仅新增软起动柜。软起动部分由旁路真空接触器、可控硅过压保护、可控硅高压组件、RC吸收电路、触发电路和控制部分组成。

图1 高压固态软起动装置一次回路

本项目中高压电机起动过程：高压电机的供电回路由2对12组可控硅串联构成，在高压开关柜的真空断路器接通送电的情况下，当系统收到电机起动信号时，由控制器按照控制曲线给出可控硅导通角，使电机按一定的斜率曲线逐渐增加电压，直到电机达到额定转速后，加上全电压，使旁路真空接触器KM接通，再关闭可控硅出发信号，电动机起动完毕。

针对本项目，对固态软起动装置配置了如下保护：

(1)对可控硅组件的保护，当起动装置起动过于频繁使得可控硅组件温度过高（超过85℃）跳闸。

(2)起动时间过长保护，起动时间过长对起动装置和电机都是不利的，故起动时间最长限制120秒。本项目采用固态软起动装置后，电机的起动时间一般在70秒左右。

(3)三相输入缺相保护，三相电源缺任意一相都无法起动并故障报警。

(4)起动次数保护，设定每小时起动次数不超过6次。

本项目对电机配置如下保护：

(1)过流速断保护，在软起或运行过程中，如果电机绕组相间或匝间短路，或电缆损坏出现大的短路电流，此时需快速封锁脉冲，跳闸并报警。

(2)低电压、过电压保护，跳闸并报警

(3)电机过热保护，电机频繁起动使热熔温度过高，会限制起动，必须停机后经过一定的冷却时间，待热熔值回到安全区域才允许起动。

(4)差动保护，当电机功率大于2000kW以上时，需配置此保护。

3 高压固态软起动的优点

相比改造前1500kW除尘风机采用液态软起动装置起动，改造后的2240kW除尘风机采用固态软起动装置起动后，虽然电机功率增大，但高压固态软起动仍具有较多优点：

(1)负反馈功能：采用动态的模糊控制理念，根据负载转矩的大小、自动调整电机的起动时间与电机的起动转矩，从而实现电机平滑加速，当电机转速达到额定工作转速时，旁路自动吸合，解决了人为设定的起动曲线与负载转矩曲线不匹配的问题。

(2)起动采样及控制方式：采用电流负反馈采样，闭环转矩控制，起动过程平稳，电机不容易抖动，根据设定的起动参数自动跟踪负载实现电机平滑起动过程。RNMV具有3种起动控制方式：

①电压斜坡起动：出厂设置为具有限流功能的电压斜坡，可以满足大多数应用场合。其初始转矩设定为电机刚好能带动负载转动时的值，然后电压逐渐的平滑上升。在限定的斜坡时间和电机起动电流范围内，使电机平滑上升到全速运转。

②限流起动：起动时，电流快速增加到限定值，一直到电机全速运行。

③重载起动模式：这种起动模式主要用于电机拖动大惯性负载如风机，球磨机等，延长8秒的切换时间来保证不会因为过早切换带来过大的电流冲击。

(3)保护功能：dv/dt阻容吸收装置，主要起到吸收网络过电压及静态动态均压作用。线路过压及欠压保护，缺相保护，不平衡保护，零序接地保护，可控硅过温保护，起动时间过长，起动间隔时间限制，还具有过载和大电流保护，旁路接触器故障保护等，同时有5个故障记忆功能及可编程故障触点输出。

(4)可实现自由停车或软停车。

(5)系统通讯功能：内置通讯端口，RS-232与微机的点到点通讯。RS-485与远程终端设备的多点通讯(通讯协议Modbus及Porfibus可选)，通过此项功能可以直接与上位PC机通讯来实现遥控及遥信等功能。通讯规约采用国际标准规约。

(6)可靠性增强：高压固态软起主控制部分，采用了两块进口（DSP、AT89C55）32位单片机来保证软起的可靠性，单片机对数据及通信进行管理，使设备控制实时高效，显示直观，可靠性高，稳定性好。采用信号多级处理、隔离技术，使系统具有很强的抗干扰能力。同时，高压强电部分通过光纤与低压控制部分进行隔离。确保控制系统的可靠。

(7)本项目经过改造，节约了大量人力、物力。每年可节约大量的维修费用，并且维护方便。

4 与其他起动方式比较

本项目中，对于2240kW的除尘风机起动方式，在笔者决定采用高压固态软起动前，也考虑了其他的起动方式，参见(表1)：

表1 各种起动方式的比较

直接起动最简单，但大的起动电流会使电网失去稳定，常会引发功率振荡，大的起动电流中含有大量的高次谐波，与电网电路参数引起高频谐振。同时大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化，寿命降低；大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成夹紧松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障。直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速齿轮磨损甚至打齿，加速皮带磨损甚至拉断皮带，加速风叶疲劳甚至折断风叶等严重问题。

采用电抗器降压起动方式，从某种角度讲，可以小量降低电动机起动电流，但是本来电机起动时的低功率因数（0.15~0.2）因串接电抗器而变得更低，因此对电力系统没有太多的好处，母线压降没有明显的减少。另外，电抗器降压起动方式对电网或机械的适应性较差，比如在电网电压较低时（用电高峰期），电机输出力矩无法克服风机泵类等机械设备逐步升高的阻力矩，因而无法使电机起动到全速。这种情况下，电机长时间的大电流爬行，会造成电机或电抗器烧毁或者电网跳闸。

自耦变压器降压起动方式在大中型电机起动中使用较少。该起动方式同串联电抗器起动方式效果大体相同，但接线方式较为复杂。另外，采用自耦变压器起动具有一定的迷惑性，起动回路电流有明显下降，但电机定子电流还是相当大，一般在5倍左右，实际上对电机保护没有太大的意义。

高压变频起动，从起动性能上说，目前只有它超过了固态软起动装置，但高压变频器价格太高，高压固态软起动装置的价格只有高压变频器的1/4。同时，对于本项目的除尘风机既不需要频繁起动又没有调速要求，仅仅为了起动而选用高压变频器，显得性价比不高。

因此，针对本项目的改造，笔者认为采用固态软起动方式是比较合理的。

5 结语

目前，国内企业普遍存在供电设施的容量远远大于实际用电设备的容量，甚至在两倍以上的情况，其中一个主要原因是企业的主要用电负荷是电动机，为了满足电动机直接起动时不会引起超过标准规定的电网压降，往往考虑放大供电电网容量。而在西方等一些先进工业化国家正好相反，电动机大都采用软起动装置起动，以降低起动电流，采用较小的供电电网，提高用电设备容量与供电设备容量的比例，从而节约总投资和节约运行电耗。高压固态软起动装置是现代计算机控制技术和电力电子技术相结合的产物，符合科学技术发展潮流，国外西方国家，90%以上已经采用高压固态软起动装置，相信高压固态软起动装置也必将成为我国高压软起动领域的主流产品。本项目通过将高压液态软起动改为固态软起动，取得了良好的效果。同时，本项目的成功改造，为该钢厂的其他烧结机的改造提供了参考经验。

[1]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].北京：中国电力出版社,2005.

[2]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].北京：机械工业出版社,2005.

[3]周希章.周全.电动机的起动.制动和调速[M].北京：机械工业出版社,2003.