3种新型高压电动机软起动装置评介

随着水泥生产设备的大型化，拖动球磨机、风机等大型水泥生产设备的电动机的功率也越来越大。交流电动机以其结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜、转子惯量小等特点，得到了广泛的应用。但其起动电流高达电动机额定电流的5～10倍，对电动机及所拖动的设备造成电气和机械损伤，而且引起电网电压下降。传统的鼠笼型电动机降压起动，属有级起动，起动特性不理想，切除时造成的二次冲击电流无法解决，不能实现频繁起动。在绕线式电动机转子回路串电阻的起动方法，其最大缺点是分级切换，阻值呈跳跃性变化，起动不平稳，起动效果不理想。采用频敏变阻器作起动设备时，其起动电流仍较大(为3～4倍电动机额定电流)，电压稍低即难起动，同时频敏变阻器发热严重，易被烧毁，不能连续起动。起动电流不平滑，对电动机有一定冲击作用。  
　　

采用高压变频器起动高压电动机虽具有良好的静、动态起动性能，起动电流可限制在1.5倍电动机额定电流以下，起动转矩可达电动机额定转矩的1.5倍，并且在此范围内可随意调节，实现恒转矩起动，但价格昂贵。高压固态软起动器的每一相导电支路均由多个晶闸管(SCR)串联而成，每只晶闸管的失效均会威胁整个装置的正常运行。且设备的安装环境、操作维护要求都较高。虽可实现恒电流起动、线性电压斜坡起动等性能，但价格仍然较贵(为高—低—高方案的高压变频器的60%左右)。高压变频器与高压固态软起动器技术均较为复杂，维护难度大。 
　　

高压鼠笼型交流电动机液体电阻软起动装置价格约为高压固态软起动装置的1/6～1/8。但该装置由于是串联在电动机的定子绕组上，要承受高电压，高电压增加了电液箱内液面、温度等参数测量和显示的难度。同时，它还要求液体电阻有较高的阻值，而过分稀释电解液会导致电阻率温度稳定性的下降，只能通过加长导电通道路径，减小导电截面积的方法来实现高阻值，这使得软起动装置的体积增大。在起动过程中，当大电流通过电阻液时，会使电阻液温度上升，起动时能量消耗大。由于高压鼠笼型交流电动机液体电阻软起动装置与高压固态软起动器降压不降频，而转矩与电压的平方成正比，因此这两种起动器的起动转矩较小。尽管鼠笼式电动机比绕线式电动机结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，但以上问题的存在，大大限制了高压鼠笼式电动机的应用。 
　　

近年来，水泥厂球磨机、风机等大型水泥生产设备的电动机多采用绕线式电动机+液体变阻器+无功就地补偿(电容器或静止进相机)的起动方案，虽实现了无级起动，且起动电流小，起动转矩大，但仍不尽如人意。一是起动时虽比高压鼠笼型交流电动机液体电阻软起动装置能量消耗有所减少，但仍较大，浪费能源，需要经常测电阻和加水；二是由于存在可移动部件等传动机构，不仅体积较大，而且需要定期检修；三是受环境温度影响较大，起动电流控制不准确。随着技术的进步，在电力拖动领域涌现出3种高压大功率电动机的软起动新技术:高压热变电阻软起动装置、开关变压器式高压电动机软起动装置和高压磁控软起动装置，可望解决鼠笼式电动机难起动问题。  

2　高压热变电阻软起动装置 

　　 
2.1　工作原理 
　　

它是针对大中型高压鼠笼交流异步电动机或异步起动的高压同步电动机而研制的软起动装置。热变电阻实质上是一种特殊的液体材料、一种特殊的电解质的水溶液。它随着电阻体温度的逐步升高，电阻值逐步降低，呈现出明显的负温度电阻系数特性。 
　　

高压热变电阻器是由三相平衡的具有负温度特性的电阻组成。在高压大中型电动机的起动时，将该电阻器串入电动机的三相定子回路中，电动机定子电流流过热变电阻器致使电阻体发热，温度逐步升高，电阻逐步降低，电动机端电压逐步升高，起动转矩逐步增加，从而实现电动机在较小的起动电流下平稳平滑起动。电动机在起动过程中，其等效电抗值X是不变的，而电动机等效电阻r2′/s是随着转差率s的减少而增大。在电动机起动瞬间，s=1，而X和r2′都非常小，因此直接起动时电流很大(5～7倍电动机额定电流)。如图1所示，当在电动机定子回路串一热变电阻RQ时，电动机等效电阻r2′/s是随着转差率s的减少而增大，而热变电阻RQ则随着通电发热阻值逐步降低，回路总电阻在区间0.1<s≤1近似不变，从而有效地保证电动机的恒电流起动。起动电流小，为电动机额定电流的2.5～3.5倍，对电网影响很小，起动时电网压降在10%以内，起动平稳，对机械设备无冲击，相对地延长机械设备的使用寿命。电动机机械特性见图2。 

　　 
　1.电动机自然特性；2.串热变电阻后特性；3.离心风机水泵类负载转矩；4.阴影区为加速转矩 

　　

高压热变电阻软起动有以下特点: 
　　

1)恒加速度，起动平滑平稳。热变电阻具有较大的热容性特性，且加速转矩接近不变，从而使电动机起动过程无机械冲击且为近似恒加速起动。在电动机起动瞬间，因有较大的热变电阻的存在而使电动机起动转矩比“自然特性”时的转矩小，因此它只适用于水泥厂大型风机、空压机、水泵等静态阻力比较小的机械负载。 
　　

2)结构简单，维护方便，造价低廉。与液体变阻器相比，结构较为简单，没有传动机构，提高了可靠性，维护方便。与高压变频器、高压固态软起动器相比，价格低廉，只有同性能进口设备的1/8～1/10。 
　　

3)对电网和负载适应性好，不受电网电压波动和负载变动的影响。当因电网电压低和负载较重等原因造成电动机输出力矩相对不足时，电阻会进一步降低，从而逐步提高电动机端电压，使电动机出力增加，确保一次起动成功。 
　　

4)与电抗器、自耦变压器等降压起动方式相比，起动时的功率因数高。 
　　

5)与高压变频器、高压固态软起动器相比，无电磁污染。 

2.2　系统控制方案 
　　

针对所控制电动机的不同，热变阻起动器有4种控制方案(见图3)。其中，方案A和方案B较为复杂，高压热变电阻通过高压开关柜(起动控制柜)接入电动机起动回路。方案A的高压电携带点少、安全；保护方式可采用纵差，适用于2000kW以上，且中性点可打开的电动机。方案B复杂，且高压电携带点多；但电动机保护最方便，起动与运行可以分开考虑。方案C简单、投资少，适用于2000kW以下的电动机。但热变电阻长期带电，应考虑加强防护。方案D适用于“一拖多”方案。 

2.3　使用与维护 

2.3.1　使用 
　　

1)热变电阻器适用于不频繁起动场所，使用完毕后应完全从电力线路中脱开，防止长期带电。 
　　

2)环境温度:上限40℃(24h平均气温不超过35℃)，下限0℃；相对湿度不超过90%。 
　　

3)海拔高度不超过1000m。 
　　

4)安装地点应无剧烈振动及冲击、无导电尘埃及腐蚀性气体、没有火灾及爆炸危险的场所。 
　　

5)安装完后应作绝缘电阻检测和耐压试验。 
　　

6)电动机起动过程中的保护整定应能覆盖起动时间，推荐采用定时限过流保护。 
　　

7)热变电阻体顶部进出线端以高压电缆与外部联接。 

2.3.2　维护 
　　

1)每次起动之前应检查电阻器有无异常现象，如渗漏等等； 
　　

2)每次起动之前应检查绝缘子是否清洁，有无裂纹及爬电痕迹或其它异常情况； 
　　

3)定期检查对地绝缘电阻和对地耐压。 

2.4　应用实例 
　　

山西海鑫国际钢铁公司炼铁二厂1080m3高炉鼓风机，所配T13500-4同步电动机，额定功率为13500kW，额定电压为10kV，额定电流为888A，额定转速为1500r/min，堵转电流倍数为5.96，起动转矩倍数为2.35，折合到电动机转子轴机组转动惯量GD2为23100kg·m2，静阻力矩为2500N·m，空载力矩为22000N·m，10kV母线最小短路容量为240MVA。2002年5月23日，采用HTR3-15000型高压热变电阻起动器一次试机获得成功。起动电流为2206A，不到电动机额定电流的2.5倍，电动机起动时间为23.12s，引起10kV母线压降小于8%，电阻温升10℃。起动平稳，无冲击、无啸叫声。2000年3月5日，辽宁本溪北龙炼铁公司在Y900-4型6kV、4260kW、458A高压鼠笼式电动机上安装了1台HTRS1-Y4500/6型高压热变电阻起动器。2000年3月6日带风机一次试机获得成功，母线压降小于5%，起动平稳，无冲击。该起动器在北京水泥厂、安徽巢湖金庭水泥厂、广安桂兴水泥有限公司、凤阳水泥总厂等水泥厂大型风机已成功应用。 

3　开关变压器式高压电动机软起动装置 

　　 
3.1　工作原理 
　　

该装置是用开关变压器来隔离高压和低压，把开关变压器的高压侧绕组串联在高压电动机定子回路中，开关变压器的低压侧绕组与可控硅和控制系统相连，通过改变其低压侧绕组上的电压来改变其高压侧绕组上的电压，从而达到无级改变高压电动机定子端电压的目的，以实现高压鼠笼式电动机的软起动。 
　　

系统结构示意如图4所示。隔离开关GK1、真空开关ZK1和电动机为原系统，隔离开关GK2、GK3、真空开关ZK2、开关变压器T、可控硅以及可编程序控制器(PLC)构成软起动系统。当电动机起动时，首先检查隔离开关GK1、GK2、GK3是否合上，在确认全部闭合情况下，按下“起动”按钮，真空开关ZK2闭合，软起动回路接入，开关变压器T与电动机串联接在电源上，PLC控制可控硅的导通角，使开关变压器T两端的电压由大到小变化，电动机转速逐渐上升。当达到额定转速时，真空开关ZK1闭合，电动机接入原系统，真空开关ZK2断开，软起动回路脱离，电动机以额定转速运转，进入正常工作状态。此时，可手动拉开隔离开关GK2、GK3，以使开关变压器T上无高电压。当要停止电动机时，首先合上隔离开关GK2、3，按下“停止”按钮，PLC首先使真空开关ZK2闭合，然后断开真空开关ZK1，软停止回路接入，PLC使电动机的端电压逐步下降，直至电压为零，断开真空开关ZK2，软停止结束。 

　1)电压斜坡控制 
　　

PLC逐步提高控制电压，电动机的端电压逐步升高，电流逐步上升，同时由于电动机的转矩与电动机定子端电压的平方呈正比，起动转矩小，对机械负载冲击小，从而延长了电动机及机械负载的使用寿命。尤其适用于水泥厂大型风机、空压机、水泵等静态阻力比较小的机械负载。这种起动模式电流逐步上升，超过额定电流的时间较短，电动机发热小，在工艺上对起动时间不作严格要求的条件下，应优先采用这种起动模式，以减少电动机的发热。 
　　

2)恒电流控制 
　　

PLC不断检测电动机的电流，如果电流小于设定值，则提高电动机的端电压，直至达到设定值。随着电动机的加速，电动机的反电势增加，电流下降，当电流低于设定值时，PLC再提高电动机的端电压，如此反复，使电动机的电流保持在设定值附近，直至达到电动机的额定转速时，软起动结束。 
　　

这种起动模式起动时间短，但电动机的过电流时间较长，电动机的发热较大，如果工艺上要求起动时间短，可采用这种起动模式。而水泥生产工艺对起动时间不作严格要求，因此一般不采用。 
　　

3)初始脉冲式 
　　

在这种模式下，PLC可控制软起动装置输出4～6个额定电压周波的首脉冲力矩(指在起动瞬间输出0.08～0.12s时间的额定电压所产生的力矩)，然后电动机的端电压下降到与负载相适的值，再根据设定的情况电动机的端电压逐步升高，直至电动机达到额定转速。 
　　

该装置具有完善的保护功能，在电动机进入正常运行状态后，PLC仍对电动机的电压、电流进行监测，当发现电源电压过高、过低、缺相，电动机相间、匝间短路、过流、三相电流不平衡时，进行报警并跳闸。 
　　

该装置其它技术性能见表1。

3.2　性能特点 
　　

1)控制功能强大。具有3种控制模式，控制参数及曲线调整范围大，灵活性强。如对大惯量负荷可采取首脉冲方式。 
　　

2)控制精度高，受环境条件影响小，可在低温下工作，每次起动都按调定的方式工作，重复性能好。 
　　

3)起动时能量损耗小，只有很小的铜损和铁损，可连续起动次数多。 
　　

4)体积小，土建投资少，总造价低，安装改造方便。起动装置投入时，不需改变原电路，调试时间短。 
　　

5)与高压变频器、高压固态软起动装置相比，技术成熟，可靠性高，检修周期长。开关变压器低压侧的电压很低，不必采用电力电子器件串联，而低压控制技术已十分成熟，因而该设备是一种高可靠性设备。 
　　

6)“一拖多”性能优势明显，只要最大电动机的容量不超过软起动装置的容量即可，不必象液体变阻器那样要考虑对不同电动机的兼容性(如绕线型电动机需考虑转子电压和转子电流的比值，鼠笼型电动机需考虑定子电压和定子电流)。 
　　

需要指出的是，开关变压器式高压电动机软起动装置价格稍贵，是液体变阻器软起动装置(含高压热变电阻软起动装置)的2倍左右。 

3.3　应用实例 
　

2001年8月，第1台800kW开关变压器式高压电动机软起动装置采用“一拖二”方案(如图6所示)，成功地实现了大庆油田钻井机组2台高压电动机的软起动，其中1台为6kV、280kW钻机电动机，另1台为6kV、780kW泥浆泵电动机。泥浆泵电动机起动时间为45.2s，起动过程中的最大电流169.8A，为电动机额定电流89A的1.9倍。起动电流中虽含有一定的高次谐波，而电压的总谐波畸变率只有2.72%，不会对系统造成大的影响。

3.4　注意事项 
　　

1)对环境要求较高，需安装在灰尘、腐蚀性气体、金属粉尘少的场所； 
　　

2)高压电源的相序与控制室内三相低压电源的相序务必保持一致； 
　　

3)安装高压电缆时，务必注意接头与箱体之间的安全距离不能少于12m； 
　　

4)在地沟内走线要加金属蛇皮管保护，电源线、控制线、屏蔽线要分别穿管，不能在同一管内走线； 
　　

5)控制箱体必须牢固接地。 

4　高压磁控软起动装置 

　　

高压磁控软起动装置它是将三相磁饱和电抗器串接在电动机定子回路中，通过晶闸管控制磁饱和电抗器，改变铁芯的磁饱和度，实现对高压、大容量电动机的降压(限流)软起动。起动开始时电抗器的电抗值较大，在软起动过程中，通过反馈调节使电抗值逐渐减小，软起动完成后被旁路。高压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压(380V)磁饱和电抗器一样，只是在某些方面采取了一些特殊处理。将三相磁饱和电抗器(三对交流绕组、每相一对)合为一个整体，共用一个直流励磁绕组，通过晶闸管控制直流励磁电流，改变其电抗值，利用可编程序控制器，实现对磁饱和电抗器的闭环控制，使起动电流更加平稳。该装置具有可靠性高、成本低、结构紧凑、占地面积小等优点。 
　　

需要指出的是，磁控软起动装置的辅助电源功率相对较大，因而噪声较大。同时，还会产生一定的高次谐波。此外，磁饱和电抗器具有0.1s量级的惯性，其快速性也不如晶闸管软起动装置。 
　　

我国第1台高压大容量磁控软起动装置，于2002年5月4日在济源钢铁公司炼铁厂高炉的4号风机6kV、2000kW异步电动机上实现了恒流软起动。起动电流为3.2倍额定电流，起动时间为34s。 

5　结束语 

传统观点对磨机起动力矩估计过大，甚至提出起动力矩高达额定力矩的2.5倍，从而排斥鼠笼型电动机拖动大型球磨机的方案。但文献[1]的研究表明，球磨机在起动瞬间的阻力矩均在磨机额定阻力矩以下(即使在长期停车后起动也是如此)，加速过程中的最大阻力矩也不超过磨机额定阻力矩的1.1倍，再加上电动机选型时的富裕容量，说明普通鼠笼型电动机用于重载起动是可行的。以上几种电动机软起动器由于推出时间较短，有的尚未在水泥行业应用。但开关变压器式高压电动机软起动装置的首脉冲力矩起动模式，为普通鼠笼型电动机的重载起动提供了可能。笔者认为高压热变电阻软起动器与高压磁控软起动装置比较适合在水泥厂大型风机上应用；而开关变压器式高压电动机软起动装置不仅适合在大型风机上应用，更适合在水泥厂磨机上应用。