大功率高压电机稳定启动的应用探讨

王伏昌

【摘要】本文阐述了目前高压电机启动的各种方式，以及启动的优劣状况，主要针对大功率高压电机，应用高压固态软启动方式和高压变频启动方式，实现电机平滑稳定启动。并以安棚碱矿3500KW蒸汽压缩机电机、黑龙江建龙6800KW冷剂压缩机电机为例，分别叙述了高压固态软启动方式和高压变频启动方式在工程试车过程中的应用，以及在实际应用中发生的问题和解决的方案，探讨了大功率高压电机启动方式的选择考虑因素。

【关键词】高压电机；启动方式；稳定运行

1、前言

本文结合以往大功率高压电动机试车生产的施工经验，以安棚碱矿3500KW蒸汽压缩机电机软启动、黑龙江建龙6800KW冷剂压缩机电机变频启动的安装试车工程为例，叙述了大功率高压电动机两种启动方式的具体应用，以及在实际应用中发生的问题和解决的方案。

2、高压电机启动方式的现状

目前在工程建设中，常见的电动机启动方式有以下几种：全压直接启动、传统的降压限流启动、软启动、变频启动。

2.1全压直接启动

全压直接启动的方式是所需设备少，启动方式简单，成本低。电动机直接启动的电流是正常运行的4～7倍，理論上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量足够大，在允许范围内，都可以直接启动。但也存在一些不足，如启动电流大、启动转矩冲击大等，而且能否全压直接启动还受到很多因素和条件的限制，特别是1500KW以上的大功率高压电机。

全压直接启动电动机会引起电网电压波动，形成对电网的冲击，起动的大电流对电网的冲击几乎类似于三相短路对电网的冲击，常常会引发功率振荡，使电网失去稳定；伤害电机绝缘，降低电机寿命，大电流产生的热量反复作用于导线外绝缘，使绝缘寿命降低；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。对机械设备存在伤害，全压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等。

2.2传统降压启动

2.2.1串接电阻（或电抗器）降压启动

在电动机起动过程中，常在三相定子电路中串接电阻（或电抗器）来降低定子绕组上的电压，使电动机在降低的电压下起动，以达到限制起动电流的目的，一旦电动机转速接近额定值时，切除串联电阻（或电抗），使电动机进入全压正常运行。由于定子串电阻降压起动的起动电流随定子电压成正比下降，而起动转矩则按电压下降比例的平方倍下降，显然，这种方法会消耗大量的电能且装置成本较高。串接电阻（或电抗器）降压启动时启动电流大，一般在额定电流的4倍，平均启动电磁转矩较小。电阻（或电抗器）一般根据用户提供的电机及负载参数制作，一次成形，参数不可调节，工况适应性差，电机功率一般在2000KW以下。

2.2.2自耦变压器启动

采用自耦变压器时，启动机械特性也比较硬，启动电流较小，平均启动电磁转矩小，不允许连续启动及频繁启动。这种起动方式也存在缺点：冲击方面，在起动过程中，电压有2～3次切换，因而转矩也有2～3次突变，这对较精密的机械设备是非常不利的；在电气方面，如果变比较高对电网的冲击也会较大；可靠性方面，在电压切换时由于电流还比较大，因而在自耦变压器绕组上会产生感应过电压，有时会伤及绕组绝缘，降低使用寿命。

2.3软启动

2.3.1液体电阻降压软启动

液体电阻降压软启动，有恒电流软起动特性，在电机起动过程中，电流基本保持不变，数值在额定电流的3倍以下，且有显著的软起动特性；起动过程中系统功率因数相对较高，在整个起动过程接近于恒定不变；母线压降相对较小，这两个特性使电机起动对电力系统的影响降到最低，母线压降在7%左右；冲击电机的起动转矩由小到大逐步增高，因而使机械设备起动平稳，无冲击，无啸叫声，且机械能平稳越过谐振转速，使设备免受伤害。这种起动方式也存在缺点：电解液在北方要提防结冰，以免造成设备不能使用。连续起动次数有限，一般不能超过三次，因为这么大的起动电流流过电解液，时间长的话，电解液温度升高甚至会超过100℃，影响软起动器的使用。液体电阻软启动器的液体箱都为敞开式，维护较麻烦。起动电流为3倍的额定电流，对电网还是有一定的冲击。

2.3.2高压固态软启动

高压固态软起动是在电动机定子回路中串入正反并联的晶闸管，通过改变晶闸管的移相角实现对电动机的降压启动。当进线端得电后，通过控制晶闸管的触发角来控制输出电压的大小，满足电机启动过程中不同的电流及电压要求，并在起动过程完成后将旁路接触器闭合，软起动装置切换到旁路状态，同时关闭晶闸管，改变晶闸管的导通角，逐渐升高电压，直到额定电压，与此同时，电动机的转速也在逐渐上升，到达额定转速。这种起动的优点是起动电流较小，可以把电动机起动对电网的冲击降到最小，并可按照需要进行设定限流值，但是在设定电流限值时必须要根据电动机的初始转矩来设定，否则设置过小会起动失败或烧坏电机。此种起动方式起动时间相对较长。

2.4高压变频启动

高压变频器采用高压电力电子器件，应用逆变器技术，实现可变电压、可变频率的控制电动机启动、制动。一方面，可最大限度地限制电机的启动电流，改善电网电压的稳定性；另一方面，启动功率因素较高，减小启动损耗，可实现恒转矩及变转矩启动。但是，也有一些不足之处，高压变频装置的高次谐波很大，容易在电机铁齿槽部产生磁场局部集中现象，使局部电场强度增强，对电机绝缘造成伤害。

3、高压电机采用变频启动在工程中的应用

3.1高压变频启动的启动特性

高压电机采用高压变频器传动可以平滑地起动（起动时间变长），启动电流为额定电流的1.2～1.5倍，起动转矩为70%～120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。采用高压变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流通常被限制在150%额定电流以下。

高压电动机的额定频率点，根据实际的使用要求任意选定，当选定额定频率点后，小于该点的频率时电动机为恒转矩状态，当频率大于额定频率点时电动机为恒功率状态，电动机可能在恒转矩及恒功率下运转。

3.2高压变频启动在工程中的应用

2014年8月份，黑龙江建龙提氢解吸气深加工制LNG综合利用项目，冷剂压缩机使用北京利德华福公司生产的高压变频器，驱动压缩机电机（10KV/6800KW），负载沈阳透平机械股份有限公司的离心机带增速箱，额定转速为10480转/分钟。高压变频器采用多级模块串联、交直交方式的技术方案，多级正弦脉冲宽度调制控制方式，设定启动电流为额定电流的1.5倍，起动转矩为70%额定转矩，启动频率5HZ。在带机械空负荷试车过程中，高压变频器通电开始启动运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，运行在恒转矩状态，当电机频率到达工频，电机转入恒功率状态，逐步达到额定转速，启动过程很平滑，电机一次试车成功。

4、结论

总的来说，不同的负载对电动机启动的要求是不一样的，有时要求有足够大的启动转矩，有时要求启动电流尽可能小，有时根据电网情况要求二者兼顾。一般对于1000KW以内的电机，在变压器容量允许情况下可采用全压启动；但超过1000KW的大功率高压电机应尽量避免采用直接启动方式，可以选用高压固态软启动或者高压变频启动方式，来保证高压电机稳定启动运行。

参考文献：

1、任艳君，《电机与拖动》，机械工业出版社，2011年1月1日。

2、晏有矿，《高压电机软启动的现状与发展》，行业前沿，2010年7月。