安春江

（唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305）

2012年由于公司生產(chǎn)的需要決定安裝一臺(tái)電拖式空氣壓縮機(jī)用于純堿生產(chǎn)，經(jīng)測算在保證生產(chǎn)工藝參數(shù)要求的條件下，應(yīng)采用2 500kW異步電動(dòng)機(jī)作為壓縮機(jī)的動(dòng)力源；針對(duì)我公司電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)，選擇運(yùn)行額定電壓為6kV的電動(dòng)機(jī)。由于我集團(tuán)電力系統(tǒng)為自備電廠供電的小型電網(wǎng)系統(tǒng)，容量較小，我公司乃至全集團(tuán)都沒有使用過如此大容量的電動(dòng)機(jī)，直接啟動(dòng)這么大容量的電動(dòng)機(jī)必將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊而造成整個(gè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，那么如何順利啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)來滿足生產(chǎn)的需要成為該項(xiàng)目的主要解決的問題。

1 異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特點(diǎn)

眾所周知普通異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流將達(dá)到額定電流的5～7倍，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4～1.6倍。它在電網(wǎng)條件（電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)壓降小于10%）和工藝條件（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足）允許的情況下，可以直接啟動(dòng)。但對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)來說當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的6～7倍時(shí)，線圈發(fā)熱量是電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的36～49倍，產(chǎn)生的電磁力同樣達(dá)到了36～49倍。過高的溫度、過快的加熱速度、過大的溫度梯度和電磁力，產(chǎn)生了極大的破壞力，縮短了定子線圈和轉(zhuǎn)子銅條（特別是轉(zhuǎn)子常利用趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，降低啟動(dòng)電流，轉(zhuǎn)子銅條在啟動(dòng)時(shí)，表面的溫度達(dá)到350℃以上）的使用壽命，同時(shí)啟動(dòng)過程中需要從電網(wǎng)吸取大量無功來建立旋轉(zhuǎn)磁場造成啟動(dòng)損耗過大，給電機(jī)和電網(wǎng)都將造成極大的危害。

2 設(shè)計(jì)方案的制定

2.1 供電方案的制定

公司用電來自于熱電分公司，熱電分公司的電源分別進(jìn)入股份公司生產(chǎn)裝置變電所、輔助裝置變電所、第四變電所、固定銨變電所，供電采用放射式供電方式向各用電設(shè)備供電（如圖1所示）。由圖1不難看出3＃發(fā)電機(jī)容量為30MW，又比較各6kV母線段的負(fù)荷情況，也只有3＃發(fā)電機(jī)母線所供電的固定銨變電所6kV I段負(fù)荷量較低，具備為壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)供電的條件（如圖2所示）。

圖1 供電系統(tǒng)簡圖

圖2 固定銨變電所Ⅰ段系統(tǒng)圖

2.2 啟動(dòng)方式的選擇

較早的高壓降壓起動(dòng)中，我國采用電抗器降壓起動(dòng)居多，傳統(tǒng)的電抗器存在阻抗不可調(diào)，起動(dòng)特性不好，功率因數(shù)低等缺點(diǎn)，目前國內(nèi)已很少使用。而大容量高壓變頻技術(shù)國內(nèi)成熟產(chǎn)品很少，應(yīng)用并不廣泛，關(guān)鍵設(shè)備依然依賴于進(jìn)口設(shè)備，然而高昂的購置費(fèi)用和維護(hù)成本又是用戶的很大負(fù)擔(dān)，因此國內(nèi)更多的是使用晶閘管串聯(lián)式軟啟動(dòng)器，但由于晶閘管耐壓等級(jí)所限只能采用數(shù)個(gè)晶閘管串聯(lián)來降低每個(gè)晶閘管的壓降，然而如晶閘管組內(nèi)有一只元件存在薄弱因素將導(dǎo)致整個(gè)軟起的故障。磁控式軟啟動(dòng)器正是在以上的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良產(chǎn)品，通過在電抗器中加入控制繞組，利用電、磁控制技術(shù)，外部自動(dòng)控制單元調(diào)整控制繞組中電流的大小，控制磁導(dǎo)率來調(diào)節(jié)電壓的手段，改變勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。起動(dòng)過程中，電抗器兩端的電壓（電流）根據(jù)起動(dòng)電流自動(dòng)調(diào)整，由大變小無級(jí)變化，使電動(dòng)機(jī)端電壓平滑上升至額定值。磁控理論上可以調(diào)速，但是實(shí)際應(yīng)用反映在起動(dòng)過程上，當(dāng)達(dá)到最優(yōu)化起動(dòng)后，起動(dòng)電流是不進(jìn)行調(diào)整的，因此是一種限電流軟啟動(dòng)模式，其可靠性較高，故障率低，因此我們選擇磁控式軟啟動(dòng)器作為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)設(shè)備。

然而電動(dòng)機(jī)定子串入電抗器的啟動(dòng)模式加大了感性無功的需求，造成啟動(dòng)中需從電網(wǎng)中吸取大量的無功來保證電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場的建立，造成發(fā)電機(jī)發(fā)出大量的無功以保證啟動(dòng)的需要，造成電網(wǎng)電壓下降功率因數(shù)降低，系統(tǒng)損耗加大，為解決這個(gè)問題我們引入就地容性無功補(bǔ)償配合磁控式軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制方式，不但彌補(bǔ)電動(dòng)機(jī)及電抗器的感性無功缺額，而且提高啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)電壓降低啟動(dòng)電流。啟動(dòng)一次方案圖如圖3所示。

圖3 啟動(dòng)一次方案圖

2.3 工作原理

整個(gè)啟動(dòng)裝置包括電源部分、軟啟動(dòng)部分、旁路運(yùn)行部分，啟動(dòng)補(bǔ)償部分、運(yùn)行補(bǔ)償部分和控制系統(tǒng)組成。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前將電源斷路器6101合上，現(xiàn)場啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制按鈕，KM1真空接觸器閉合，同時(shí)KM3、KM4閉合，磁控式軟起動(dòng)器開始工作，自動(dòng)以限流模式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，同時(shí)就地?zé)o功補(bǔ)償裝置全部投入，當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)軟啟動(dòng)器控制KM2閉合，同時(shí)KM1、KM4斷開，切除軟啟動(dòng)器和啟動(dòng)補(bǔ)償裝置，電動(dòng)機(jī)由旁路接觸器KM2保持正常工作狀態(tài)，同時(shí)通過運(yùn)行補(bǔ)償裝置為電動(dòng)機(jī)提供無功補(bǔ)償。

當(dāng)啟動(dòng)過程出現(xiàn)問題可從現(xiàn)場直接按下停車按鈕，分?jǐn)郖M1真空接觸器，當(dāng)正常運(yùn)行狀態(tài)需停車時(shí)也同樣按下停止按鈕分?jǐn)郖M2旁路接觸器來完成停車操作。

3 應(yīng)用效果

表1 電機(jī)啟動(dòng)實(shí)測值

表1為壓縮機(jī)帶負(fù)載試車時(shí)的實(shí)際記錄數(shù)據(jù)，單純采用磁控式軟起動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)電壓降低0.9kV，已超過系統(tǒng)電壓波動(dòng)不超過±10%的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此必須加入無功補(bǔ)償來保證電能質(zhì)量的要求。無功補(bǔ)償裝置投入啟動(dòng)運(yùn)行后，啟動(dòng)時(shí)無功補(bǔ)償裝置1500kvar的容性無功全部投入以補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)和電抗器的感性無功，啟動(dòng)時(shí)電壓降低0.4kV，滿足電能質(zhì)量的要求，同時(shí)壓縮機(jī)啟動(dòng)電流降低140A，運(yùn)行電流降低20A，功率因數(shù)提高到0.96。

由此可見，此啟動(dòng)方式不但能夠可靠順利的啟動(dòng)大容量電動(dòng)機(jī)，而且優(yōu)化了電能質(zhì)量，保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，尤其在有限小容量電網(wǎng)中起到了良好的使用效果，并且由于啟動(dòng)、運(yùn)行電流的降低，功率因數(shù)的提高降低了線路損耗，節(jié)約了能源，是一舉多得的新型電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行模式。