固态降补装置在大电机启动中的应用

赵怀

摘 要：减少污染排放，提高能源利用率，建设可持续发展的工业经济是时代的主题。然随着社会的发展，工业生产也在朝着高度模块化前进，软启动技术的产生和发展对于工业生产高度模块化所面临的保护电网、电机安全起动运行、拖动负载等一系列问题的解决，具有重要的意义。本文详细介绍了固态降补装置在18000KW电机起动中的应用，突显固态降补装置的先进性、可靠性。

关 键 词：大电机 软起 固态降补装置

中图分类号：TM57 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

1、概 述

在武钢集团鄂城钢铁有限责任公司35000m3/h等级空分装置中空压机电机功率为18000KW。该大功率电机在启动的时候啟动电流非常大，并且会对电网造成相当大的冲击，同时由于电机启动时要消耗相当一部分的无功功率，因此对电网容量的要求也相对来说比较高。所以出于对电网安全以及保护设备的方面考虑，该电机的软启动方式的选择也变得至关重要。目前，现在市场上针对大功率电机的启动装置主要有降压、降补、变频三大类软启动方式。降压类设备主要有水电阻、开关变压器、自耦变压器等，这类降压设备可以实现启动电流为3倍左右，因而对电网容量的要求相对比较高。变频起动可以实现启动电流最小，一般为额定电流的0.5-1倍，并且对机器、设备及电网的冲击也较小。但是变频器成本太高，后期维护费用也比较大，因此对于资金相对来说比较紧张的企业不是一个很好的选择。降补类既可以实现电机启动电流相对较小，降低电动机起动引起的电网电压波动，并且人为的控制起动产生的无功量，从而降低其冲击强度，同时设备成本也不是太高，前期投资以及后期的维护费用也相对较少。空压机电机属于非频繁启动设备，启动设备成本太高相对不划算。通过综合比较最终决定选择固态降补装置。这样即可满足用户电网容量比较小实际情况，又可实现经济效益最优化。下面详细介绍固态降补装置在该18000KW电机启动中的应用。

2、技术方案

2.1原理

固态降补软启动器通过将电机起动电流和母线侧电流有效分开，在满足电机负载起动转矩要求的前提下，通过调整起动装置参数，使得电机起动时所消耗母线侧电流尽可能的小。成功解决了以往降压类启动设备不能满足电机启动时候母线起动电流要求比较小而电机转矩要求比较大的问题。

固态降补装置简单来说主要分为降压和补偿两大功能块。降压部分采用降压器，在满足电机启动转矩的前提下尽可能的降低电动机的端电压，从而降低电动机的起动电流。补偿部分则是在电机端并联一个无功发生器，该无功补偿装置能够提供电动机起动过程中所需的足够的无功功率，从而减少电机起动时候从电网索取的容量，进而降低电机起动时对电网电压的不利影响。

2.2系统主回路及配置

由图1可知，电机起动控制及运行共需1台运行高压开关柜、1台软起起动开关柜、1台软起连接开关柜、1套降补固态软起动装置（含1台降压器、1台降压控制器、1台无功发生器、1台无功控制器）。其中降压器为三相一体油浸式结构，起动容量约为31MVA，配用电动机最大20MW。降补固态软起动装置的无功发生器为一体油浸式结构，提供最大无功容量为10Mvar。

2.3电机参数计算

2.3.1原始数据

①、电动机参数： ②、负载参数（已折算到电机端）

额定功率Pe 18000 kW 负载的转动惯量J 22000 Kg.m2

额定转速Ne 1500 r.p.m 静阻力矩 5000 N.m

额定电压Ue 10000 V 起动阻力矩 21000 N.m

额定电流Ie 1177A

起动电流倍数KI 4

起动转矩倍数KM 0.48

最大转矩倍数λ 1.73

飞轮转动惯量J 1030 Kg.m2

③、电网参数：

10kV侧短路容量为：Smax=300MVA， Smin=200MVA，额外负载按2000KVA算。

下面进行详细计算。

2.3.2电动机起动过程电气参数计算

1、电机起动阻抗 1.23Ω 2、等效起动电阻 0.12Ω

3、等效起动电抗 1.22Ω 4、电机额定转矩 114600 N.m

5、电机全压起动转矩 55008 N.m 6、电机全压最大转矩 198258 N.m

7、额定转差率 0 8、临界转差率 0

2.3.3电动机起动过程的机械特性计算

2.3.4方案确定

用方要求电机起动电流达到2.4倍额定电流，10KV母线负向电压波动小于10%。根据电机厂家提供的出厂测试数据、特性曲线和阻力矩曲线图，要想顺利起动电机，必须使动力矩大于阻力矩。考虑起动所需的无功及起动时间的要求，采用降压比为1/0.73，无功发生器可以发生最大无功10000kvar。

2.3.5起动时间的计算

计算所得起动时间（采用分段计算法）为47.1s。

2.3.6技术特性指标

1. 电机的10KV回路起动电流倍数为1.3倍电机额定电流，起动时间47.1秒。

2. 电机起动时电网压降小于9.5%，电机端电压起动值6.1KV。

3. 软起动装置连续起动间隔15分钟，起动时电机回路电流倍数2.44倍。

4. 软起动装置自动调整机端电压，18000KW电机投全压时，没有切换冲击电流，没有切换过电压。

3、效果分析

通过以上分析计算，采用该方案起动电机时，可以使系统电流控制在电机额定电流的1.3倍以内，电机起动最大容量在电动机额定运行容量的1.3倍以内，电动机起动端电压大于额定电压的61%，10KV母线电压控制在90.5%以上。这样能完全满足用方对电机起动的要求。同时采用该方案实现电机起动时，不会产生高次谐波电流，不会产生操作过电压，没有切换冲击，也不会有异常振动与噪声，不会对系统造成安全隐患。综上所述采用固态降补装置对该电机进行软启动是一种比较合理的选择。

随着现在空分设备等级越做越大，其中的装置设备的功率越来越大，需要的电动机功率也越来越大，从原来的几千千瓦到现在几万千瓦，然而电网的功率不可能与电动机的功率等比例发展，并且在一些偏远地区的电网功率相比与正常情况下还会稍小，在这种情况下，固态降补能够很好的完成大电机的顺利起动，并且可以节约一定的成本，对用户来说一种比较理想的选择。

参考文献：

[1]王成龙，王淼，高少峰.降补固态软启动装置在大电机启动系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置，2010（3）.

[2]赵伟，张金.降补固态软启动在大功率电机应用推广[J].中国科技博览，2012（16）.

[3]张炳瑞，降补固态软起动装置在风机起动中的应用[J].冶金动力，2016（01）.