电容无功补偿在同步电动机软启动中的应用

李为民，桑峰军

（1.兰州电机股份有限责任公司，甘肃 兰州 730050；2.中原石油工程有限公司钻井二公司，河南 濮阳 457001）

1 前言

随着国家现代工业的快速发展，大功率电动机在柴油机发电机组独立供电系统中的应用越来越多，功率容量随之逐渐增大。在不增大柴油机发电机组功率的条件下，尽管采用各种降压启动方式，启动大功率电动机仍然显得非常困难。而本文提出的电容无功补偿方法在柴油机发电机组容量有限、独立供电电源启动大功率电动机的应用，可以解决这一难题，减少设备装机容量，节约大量资金。

某变压器厂扩建35kV变压器试验站，设计了1500kVA高压变频机组。变频机组由同步电动机（500kW 50Hz400V cosφ＝0.9 1500r/min）、同步发电机（6.3kV 200Hz cosφ＝0.1－0.4 1500r/min）组成。同步电动机与同步发电机通过联轴器连接，并安装于同一底盘上。

同步电动机采用ABBPSTB1050软启动器启动，励磁系统采用TDL数字智能同步电动机励磁装置。

由于工厂条件有限，用一台500kW 400V柴油机发电组提供变频机组的电源。

同步电动机额定电流Ie＝802A，显然无法采用直接启动，必须采用降压启动的方法。经过比较论证，电动机降压启动采用软启动方式启动。启动过程中电动机所加的电压不是一个固定值，软启动器输出电压按要求上升，电动机电压由零按指定斜率上升到全压，转速相应地由零加速到亚同步转速，然后投入励磁，将电动机牵入同步运行。

为了尽量降低电动机启动电流，ABB PSTB1050软启动器的初始电压设置为最小值（30%UN）、启动时间设置为最大值（30s）。尽管如此，电动机启动过程中最大电流达到2500A以上。由于柴油机发电机组容量相对电动机容量太小，二者都是500kW，电动机启动过程还未结束时，柴油发电机组已不堪重负而停机了，影响了用户变频机组的正常使用。

针对上述问题，为了保证电动机的正常启动，必须采取措施予以解决。

一是加大柴油机发电组容量，再增加一台500 kW 400V柴油机发电组，两台机组并联。但成本太高、技术复杂、供货周期长，且因变频机组短时工作而显得得不偿失。

二是在现有条件下，对启动回路电源进行无功补偿，简单、经济、实用。

经过仔细论证，权衡利弊，决定采用第二种方法。

图1 控制原理图

2 控制原理

如图1所示为控制原理，在发电机输出开关下端与电动机定子绕组之间传入电抗器L，电抗器L的输出端接入补偿电容器C。

电动机启动操作过程如下：

启动柴油发电机组，合发电机输出断路器QF。（此时不能接入补偿电容器组，否则软启动器输入端电压太高，影响软启动器正常工作，甚至引起过电压保护动作）。按软启动器启动按钮，启动同步电动机，当同步电动机启动电流达到500A左右时，按下合闸按钮SB2，合接触器KM，投入补偿电容器组，同步电动机继续启动，待软启动器启动时间到时，此时电动机启动电流已逐渐降至空载电流，只有几十安培。同步电动机加全压启动，此时按下分闸按钮SB1，切除补偿电容器组（此时已无需补偿），否则会造成软启动器输入端电压太高，影响软启动器正常工作，甚至引起过电压保护动作），同步电动机启动至亚同步转速，由励磁装置牵入同步运行，启动结束。

电动机启动过程中，软启动器电源输入侧电流表PA4－PA6指示的最大电流仍然达到2500A，但是电抗器输入侧电流表PA1－PA3指示的最大电流只有1300A左右，柴油发电机组完全能够承受，电容器无功补偿效果非常明显。

图2 无功补偿工作原理

无功补偿工作原理如图2所示。电动机启动时，功率因数很低，cosφ大约为0.1左右，有功功率很小，主要是无功功率。这样只需在电动机启动过程中加入补偿电容器来补偿电动机所需的无功功率，从而大大减轻柴油发电机组的负担，确保电动机的正常启动。

电动机容量 S＝500 /0.9＝555kVA

电动机启动时 cosφ＝0.1

有功 P ＝ S×cosφ＝555×0.1＝55.5kW

无功 Q＝ S×sinφ＝555×0.99 ＝550kVAR

如果需要将电动机功率因数补偿到cosφ＝1，则补偿的无功功率为550kVAR。

选用 BCMJ0.4－30－3，额定容量为 30kVAR ，额定电压为400V，额定电容为596μF的电容19只（19×30＝570kVAR）即可满足要求。

如需将电动机功率因数补偿到 cosφ＝0.9，则补偿的无功功率为550kVAR－242kVAR＝308kVAR，选用11只BCMJ10.4－30－3电容器即可满足要求。

3 补偿效果

经过现场运行，变频机组多次启动中，柴油发电机组从未发生过负荷而停机的故障，证明补偿方案可行，参数计算正确，满足了用户要求。

这样就解决了电源容量有限，大功率电动机启动困难，变频机组又是短时工作，增大电源容量成本太高且无必要的问题。通过此次应用，柴油发电机组通过无功补偿，启动相同容量大功率电动机是可行的。