李喜文，韓高翔，張?zhí)锔?/p>

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

交 流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流是額定電流的 4～7 倍。對于大容量的電動(dòng)機(jī)而言，提供電源的線路和變壓器容量很難滿足電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的條件，強(qiáng)大的啟動(dòng)電流會(huì)沖擊電網(wǎng)，不僅對電網(wǎng)不利[1]，而且影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。液阻啟動(dòng)方式在干燥地區(qū)由于水蒸發(fā)較快，對水質(zhì)要求較高；熱變電阻啟動(dòng)方式環(huán)境溫度變化對啟動(dòng)特性的影響較大；變頻啟動(dòng)方式雖然啟動(dòng)過程非常理想，但成本太高[2]。

筆者采用 TCS-M 系列高壓降補(bǔ)固態(tài)軟起動(dòng)裝置[3](以下簡稱為 TCS-M 裝置)對大容量的高壓電動(dòng)機(jī)和不能直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行降壓無功補(bǔ)償啟動(dòng)，此方案已應(yīng)用于剛果(金)華剛二期半自磨機(jī)。半自磨機(jī)用同步電動(dòng)機(jī)的額定功率為 6 000 kW，額定電壓為 10 kV，頻率為 50 Hz，額定電流為 399 A，功率因數(shù)為 0.9。

1 工作原理

TCS-M 裝置由降壓器模塊、無功發(fā)生器模塊、啟動(dòng)開關(guān)、運(yùn)行開關(guān)、人機(jī)界面及控制系統(tǒng)組成，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)一次回路如圖 1 所示。TCS-M 裝置在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)開關(guān)和電動(dòng)機(jī)之間，由本地或 DCS 后臺啟動(dòng)指令控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度達(dá)到或接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，TCS-M 裝置內(nèi)的控制系統(tǒng)發(fā)出合閘指令，運(yùn)行開關(guān)合閘，電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行，完成啟動(dòng)。

圖1 TCS-M 裝置一次回路示意Fig.1 Sketch of primary circuit of TCS-M device

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，功率因數(shù)很低，堵轉(zhuǎn)電流比較大，啟動(dòng)時(shí)需要從電網(wǎng)消耗大量無功功率，從而引起較大的電網(wǎng)壓降。為了減小電網(wǎng)壓降，需要降低從電網(wǎng)中所消耗的無功功率。TCS-M 裝置的無功發(fā)生器與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，補(bǔ)償了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需要的部分無功功率，從而減少了從電網(wǎng)中消耗的無功功率。TCS-M 裝置等效電路及矢量圖如圖 2 所示。

由圖 2 可以看出，使用無功發(fā)生器補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)電流后，電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的電流明顯減少。

圖2 TCS-M 裝置等效電路及矢量圖Fig.2 Equivalent circuit and vector diagram of TCS-M device

為進(jìn)一步減小電網(wǎng)壓降，需要減小電網(wǎng)提供的啟動(dòng)電流。TCS-M 裝置配有降壓器模塊，接在電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)之間，以降低電動(dòng)機(jī)端電壓的微小代價(jià)，減少了啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)側(cè)電流，進(jìn)一步減小了電網(wǎng)壓降。

降壓器的輸出電流為電動(dòng)機(jī)電流ID與無功發(fā)生器電流IC之差，輸入電流為輸出電流的k倍 (降壓器一二次電壓比為 1∶k，k＜1)[4]，啟動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)吸收的電流I1=k(ID-IC)。根據(jù)此公式可以看出，調(diào)節(jié)無功發(fā)生器的補(bǔ)償電流和降壓器的變比，即可以將啟動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)側(cè)電流控制在允許的范圍內(nèi)。根據(jù)客戶現(xiàn)場實(shí)際的電網(wǎng)承受能力，可以設(shè)計(jì)出滿足特定需求的TCS-M 裝置。

2 結(jié)構(gòu)特征

TCS-M 裝置的總體結(jié)構(gòu)可分為 3 部分：最左邊布置控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、顯示儀表、電纜進(jìn)出線接駁點(diǎn)和旁路開關(guān)等；中間布置降壓器模塊；最右邊布置無功發(fā)生器模塊。3 部分通過銅排或電纜連接，結(jié)構(gòu)緊湊，配有整體槽鋼底座，一體化安裝，整體吊裝。運(yùn)用外觀及工藝設(shè)計(jì)，該裝置較傳統(tǒng)開關(guān)柜設(shè)備，操作更加人性化，整體更加美觀。

TCS-M 裝置的主要特點(diǎn)如下。

(1)降壓器模塊含降壓器及星點(diǎn)開關(guān) 2 個(gè)部分，設(shè)計(jì) 2 檔輸出電壓，并且 1 檔輸出電壓比 2 檔輸出電壓高一次額定電壓的 5%。2 檔電壓的設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際電網(wǎng)電壓及負(fù)載的變化。

(2)無功發(fā)生器模塊含無功發(fā)生器及投切開關(guān) 2個(gè)部分。無功發(fā)生器一般分 2 組進(jìn)行投切，整體布置在金屬外殼內(nèi)。從外殼上端引出 6 個(gè)接線端子，小容量的無功發(fā)生器可分為一組，更大容量的無功發(fā)生器可分為多組。無功發(fā)生器內(nèi)置放電電阻，放電時(shí)間不大于 5 min。

(3)控制系統(tǒng)采用西門子 S7-200 SMART PLC 進(jìn)行自動(dòng)控制及保護(hù)，采用 TFT 彩色 LCD 觸摸屏作為人機(jī)交互界面，并配有物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程通信模塊，可將啟動(dòng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至軟起動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺。通過大數(shù)據(jù)采集，軟件智能統(tǒng)計(jì)對比分析不同負(fù)載所選用軟起動(dòng)裝置的啟動(dòng)性能和啟動(dòng)參數(shù)，以便在后續(xù)項(xiàng)目配置軟起動(dòng)系統(tǒng)方案時(shí)，選擇最優(yōu)方案，不僅減少用戶的投資成本，而且達(dá)到最佳的啟動(dòng)性能。

3 人機(jī)界面及控制說明

觸摸屏用來顯示系統(tǒng)狀態(tài)、報(bào)警信息、啟動(dòng)數(shù)據(jù)和設(shè)置保護(hù)參數(shù)，并具有報(bào)警和啟動(dòng)數(shù)據(jù)保存功能。

2015年4月在江蘇某湖羊養(yǎng)殖場選取24只7周齡健康狀況良好、體重相近[(6.9±0.5)kg]的公湖羊，采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)將試驗(yàn)羊隨機(jī)分為3組，每組8只，分別為對照組、丙酸組、丁酸組。試驗(yàn)包括預(yù)飼7 d，正試期28 d。試驗(yàn)羊采取群飼舍養(yǎng)方式，整個(gè)試驗(yàn)期試驗(yàn)羊每天每只人工飼喂鮮羊奶1.0 L，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)飼基礎(chǔ)日糧（第1周每天每只補(bǔ)飼300 g基礎(chǔ)日糧，隨后試驗(yàn)期每周增加50 g），補(bǔ)飼基礎(chǔ)日糧組分和營養(yǎng)成分含量見表1，并制成顆粒飼料，再以顆粒飼料的1%添加脂肪酸制劑，對照組為等量脂肪酸鈣。試驗(yàn)期每日06：00和18：00等量飼喂兩次，自由飲水。

3.1 主畫面

軟起動(dòng)裝置觸摸屏主畫面如圖 3 所示。

圖3 TCS-M 裝置主畫面Fig.3 Main interface of TCS-M device

主畫面左半部分顯示的是開關(guān)狀態(tài)及啟動(dòng)數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)啟動(dòng)時(shí)間、無功發(fā)生器電流、降壓器電流，以及電動(dòng)機(jī)電壓和電流。開關(guān)合閘時(shí)，其所對應(yīng)的方框?qū)⒆兂杉t色，分閘時(shí)顯示為灰色。主畫面右半部分顯示了今日啟動(dòng)次數(shù)、啟動(dòng)等待時(shí)間 (下次啟動(dòng)需要等待的時(shí)間)、電壓電流模擬功能 (是否開啟)、全壓切換模式、啟動(dòng)操作指令源及裝置工作狀態(tài)。

啟動(dòng)等待時(shí)間是啟動(dòng)結(jié)束后 PLC 根據(jù)運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)計(jì)算降壓器的溫升，并估算降壓器溫度降到允許后再次啟動(dòng)所需要的時(shí)間，最少為 15 min。一般啟動(dòng) 2 次后等待時(shí)間可能達(dá)到 40 min；連續(xù)啟動(dòng) 3 次之后，需要等待較長時(shí)間才能繼續(xù)啟動(dòng)。

電壓電流模擬功能用于模擬啟動(dòng)測試。由于模擬啟動(dòng)時(shí)沒有電壓電流信號，不方便模擬電壓電流方式進(jìn)行切換。開啟模擬功能后，相關(guān)電壓電流數(shù)據(jù)由PLC 通過程序自動(dòng)模擬產(chǎn)生，按照實(shí)際啟動(dòng)情況就可以進(jìn)行模擬啟動(dòng)。

軟起動(dòng)裝置工作狀態(tài)有系統(tǒng)停機(jī)、預(yù)啟動(dòng)備妥、啟動(dòng)備妥、綜合報(bào)警、正在啟動(dòng)、全壓運(yùn)行 6 種，處于某個(gè)狀態(tài)時(shí)其對應(yīng)的文字框?qū)@示綠色，否則顯示灰色。當(dāng)選擇“分步啟動(dòng)”模式時(shí)，軟起動(dòng)裝置需要先進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)?！邦A(yù)啟動(dòng)備妥”狀態(tài)變?yōu)榫G色即表示軟起動(dòng)裝置允許預(yù)啟動(dòng)。啟動(dòng)備妥所需要的條件在觸摸屏上可進(jìn)行查看。

3.2 參數(shù)設(shè)置

觸摸屏參數(shù)設(shè)置如圖 4 所示。左邊顯示的是跟啟動(dòng)相關(guān)的幾個(gè)參數(shù)，右邊為進(jìn)入其他畫面的菜單入口。參數(shù)設(shè)置需要不同用戶權(quán)限，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置需要高級權(quán)限，開關(guān)配置和輸出點(diǎn)強(qiáng)制需要專家權(quán)限。參數(shù)設(shè)置一定要準(zhǔn)確，且與程序和設(shè)備實(shí)際相對應(yīng)，否則啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障信號。

圖4 觸摸屏參數(shù)設(shè)置Fig.4 Parameter settings of touch screen

3.3 報(bào)警事件

報(bào)警事件菜單如圖 5 所示。其中，當(dāng)前報(bào)警欄顯示的是正在發(fā)生的報(bào)警 (信息內(nèi)容代號為 A***)，報(bào)警及事件欄顯示的是所有的報(bào)警、事件(信息內(nèi)容代號為 E***)和狀態(tài)信息(信息內(nèi)容代號為 S**)。事件包括開關(guān)合分狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)(收到啟動(dòng)指令、開始啟動(dòng)邏輯、切換備妥)等內(nèi)容。

圖5 報(bào)警事件Fig.5 Alarm event

3.4 歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)可以查看之前的啟動(dòng)數(shù)據(jù)，包括電動(dòng)機(jī)電壓與電流、無功電流、網(wǎng)側(cè)電流(降壓器一次電流)和啟動(dòng)時(shí)刻。數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔為 0.5 s。網(wǎng)側(cè)電流數(shù)據(jù)非測量值，是根據(jù)電動(dòng)機(jī)電流、無功電流和降壓器變比計(jì)算出來的數(shù)值。從下拉菜單中選擇日期，可以查看對應(yīng)日期當(dāng)天的啟動(dòng)數(shù)據(jù)。

3.5 控制說明

圖6 TCS-M 裝置控制流程Fig.6 Control flow of TCS-M device

(1)軟起動(dòng)裝置進(jìn)行自檢時(shí)，滿足啟動(dòng)條件后系統(tǒng)狀態(tài)變?yōu)閱?dòng)備妥，才允許電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

(2)操作人員遠(yuǎn)程發(fā)送啟動(dòng)指令到軟起動(dòng)裝置，軟起動(dòng)裝置控制啟動(dòng)開關(guān)、無功開關(guān)、降壓器星點(diǎn)開關(guān)，依次合閘，延時(shí) 1 s 控制啟動(dòng)柜合閘，高壓電源接入后開始啟動(dòng)。

(3)軟起動(dòng)裝置實(shí)時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)電壓和電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓超過降壓器額定輸出電壓，且電動(dòng)機(jī)電流小于額定電流時(shí)(電壓+電流切換方式)，開始全壓切換。無功開關(guān)、降壓器星點(diǎn)開關(guān)依次分閘，然后運(yùn)行開關(guān)合閘，啟動(dòng)開關(guān)分閘，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成。

4 調(diào)試

在送高壓電之前要仔細(xì)檢查，并確認(rèn)以下事項(xiàng)[5]：

(1)檢查一次電纜連接是否正確，相序是否正確，連接螺栓是否緊固；

(2)檢查二次電纜連接是否正確，連接是否緊固；

(3)檢查確認(rèn)進(jìn)線柜、啟動(dòng)運(yùn)行柜及上級高壓柜的微機(jī)保護(hù)設(shè)定值；

(4)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，應(yīng)進(jìn)行盤車，檢查電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無卡塞現(xiàn)象；

(5)電動(dòng)機(jī)帶載啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)確保負(fù)載處于最小狀態(tài)，防止電動(dòng)機(jī)帶重載啟動(dòng)；

(6)檢查各主要開關(guān)合分閘是否正常；

(7)檢查確認(rèn) PLC 程序邏輯控制是否正常，觸摸屏上顯示狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置是否按照實(shí)際配置。TCS-M 裝置參數(shù)設(shè)置如圖 7 所示；

圖7 TCS-M 裝置參數(shù)設(shè)置Fig.7 Parameter setting of TCS-M device

(8) 高壓電啟動(dòng)時(shí)，機(jī)旁和高壓室應(yīng)分別有人值守，如發(fā)生電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)等異常應(yīng)及時(shí)停機(jī)。此外，還要做絕緣電阻試驗(yàn)和交流耐壓試驗(yàn)。

在送高壓電源試車前，應(yīng)對軟起動(dòng)裝置進(jìn)行模擬啟動(dòng)測試，以確保聯(lián)鎖信號連接正常。啟動(dòng)測試方法如下：

(1)將電源進(jìn)線柜或啟動(dòng)運(yùn)行柜斷路器手車搖出至試驗(yàn)位置，確保高壓電源不會(huì)接入啟動(dòng)回路，同時(shí)在啟動(dòng)柜和運(yùn)行柜的微機(jī)保護(hù)中取消低電壓保護(hù)；

(2)在觸摸屏參數(shù)設(shè)置畫面中，將電壓電流模擬功能切換為已開啟狀態(tài)；

(3)查看啟動(dòng)條件畫面，確認(rèn)啟動(dòng)條件都已經(jīng)滿足，啟動(dòng)備妥變?yōu)榫G色顯示；

(4)遠(yuǎn)程給啟動(dòng)指令，軟起動(dòng)裝置開始啟動(dòng)、各開關(guān)依次合閘，隨后在 12 s 內(nèi)電動(dòng)機(jī)電壓逐步升到切換電壓，電動(dòng)機(jī)電流逐步降到切換電流，滿足切換條件后切換到旁路運(yùn)行，啟動(dòng)完成；

(5)遠(yuǎn)程發(fā)送停機(jī)指令，旁路開關(guān)和啟動(dòng)柜分閘，電動(dòng)機(jī)停機(jī)；

(6)測試完成后，將電壓電流模擬功能切換為已關(guān)閉狀態(tài)。

上述檢查完畢后，高壓送電試車，可在報(bào)警事件中查看各個(gè)開關(guān)的動(dòng)作順序是否按照控制流程動(dòng)作。

電動(dòng)機(jī)電壓逐漸升高，說明轉(zhuǎn)矩逐漸增大，電動(dòng)機(jī)電流逐漸降低，在 5.2 s 時(shí)，電動(dòng)機(jī)電壓升到電網(wǎng)電壓的 73%，電動(dòng)機(jī)電流已降到切換電流，此時(shí)切換至運(yùn)行開關(guān)，啟動(dòng)開關(guān)分閘，數(shù)據(jù)中查看網(wǎng)側(cè)啟動(dòng)電流最高為 606 A，約為電動(dòng)機(jī)額定電流的 1.52 倍，有效地減少了啟動(dòng)電流，避免了對電網(wǎng)的沖擊。

5 結(jié)論

使用 TCS-M 裝置啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)電流小且恒定、轉(zhuǎn)矩大且逐步增加的特點(diǎn)，可減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對電網(wǎng)電壓造成的壓降，并且無電磁諧波干擾，對電網(wǎng)中其他負(fù)荷的影響小。TCS-M 裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊布局合理，便于裝置整體吊裝及運(yùn)輸，方便現(xiàn)場安裝，人機(jī)界面參數(shù)設(shè)置簡便，便于調(diào)試、使用和后期維護(hù)。