1  引言

水利是现代农业建设不可或缺的首要条件，是经济社会发展不可替代的基础支撑，是生态环境改善不可分割的保障系统^[1]。近年来，国家对水利建设高度重视，投资规模不断扩大。

随着国际和地方政府对大型水利项目建设的不断投入，与其配套的大型高压电机设备需求大大增加，而大型高压电机是否可以安全可靠的起动越来越受到人们的关注。如何更好的提高电机的平稳起动、运行已成为保证水利建筑工程中最为重要的环节。同时，由于水利现场泵站空间有限，供电系统相对较远，汛期期间必须保证机组可靠起车等特点，故对电控系统的可靠性和稳定性均提出了严格的要求。

电机起动最简单的方式是直接起动。但直接起动危害很大，会对电机本身和负载都会造成损伤。具体如下：

1起动电流大，一般为额定电流的5~7倍；

2起动中大电流和电动力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、破坏绕组绝缘、鼠笼条断裂等故障。

3起动转矩大对传动机械带来的机械冲击大，会加速机械磨损。

4对电网冲击大。当电动机容量相对较大时，过大的起动电流将引起电网电压急剧下降，破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失稳，引发更大的事故。

当全压起动条件无法满足用户现场的使用需求时，应采用软起动方式起动电机，从而达到保护电机的目的。

本文结合卧龙电气集团辽宁荣信电气传动有限公司VFS系列一体化高压固态软起动装置（以下简称软起动器），对产品的基本原理进行简要的阐述，并说明了一体化软起动装置的特点及优势，在通过甘肃省某大型泵站更新改造输水段项目进行论证，说明了一体化软起动装置在水利工程项目的优势及价值。

2  软起动装置基本原理

VFS系列软起动器基于“跳波”原理，同时引入了变频机制，可实现电机由“0转速到1/4全转速”，“1/4全转速到全转速”的2级软起动。这样，起动转矩将是传统电机软起动的十余倍，起动电流却可以控制在2倍额定电流以内，成为大型高压同步/异步电动机起动的理想解决方案。

通过控制晶闸管的触发时刻，有选择地控制工频电源的某些半周波通过，而另一些半周波截止，由此便可以得到一定频率的电压和电流，实现了对频率的控制。按照此原理我们可以得到12.5Hz频率的波形，也就是说我们按照一定的触发规则,使可控硅交替导通就可以实现电源频率的分级离散变化。普通固态减压起动主要面临的问题是，电机在起动初由于减压而造成的起动力矩不足，而采用有级变频技术可以解决电气起动之初起动力矩不足的问题。所以我们有级变频起动装置一般只选用12.5Hz既4分频和50Hz，这两段频率来实现电机的平滑和无冲击起动。

有级变频在12.5Hz低频率下，获得较大的初始起动转矩，能带动负载起动所需的设定电压最小，这样带来的好处是起动的冲击较小，这样产生的电流也比较小，但是却可以产生足够大的起动转矩。当电机达到1/4额定转速电源频率自动变化到50Hz，在全频率下控制策略和普通固态减压相同，可以采取电压斜坡，电流斜坡，恒流等多种控制策略。系统主电路原理图（10kV）如图1所示。

图1  系统主电路原理图（10kV）

首先，触发1/4 f频率（电机额定频率50Hz），实现12.5Hz调压起动，有效降低起动电流的同时保持电机转矩最大化。1/4f时，由晶闸管控制的电动机相电压波形如图2所示。

图2  1/4f时，由晶闸管控制的电动机相电压波形

然后，在达到1/4全速后，触发全额（工频）触发信号，全波触发，实现50Hz调压起动过程。VFS 50Hz时起动电压波形如图3所示。

图3  VFS 50Hz时起动电压波形

电动机通过频率从0Hz-12.5Hz-50Hz的2个阶段的加速，完成了从静止到全速的加速过程，达到电机额定转速运行，加速过程结束后，旁路装置将电机进行工频旁路，电机进入额定转速运行状态，实现电机的有级变频起动，起动完成。^[2]

3  结构特点

卧龙荣信一体化高压固态软起动装置在目前有级变频无级调压起动技术优势基础之上，通过将高压开关柜及运行柜的有效设计及布局，完美的实现了“三柜合一”的最优解决方案。具有高压开关柜电机保护功能，电力变压器和高压线路功能同时，实现电机软起动、软停车；内置旁路真空接触器,可实现电机软起动后的工频旁路运行。一体化高压固态软起动装置系统图如图4所示。

图4  一体化高压固态软起动装置系统图

4  软起动装置的特点优势

（1）先进的无冲击平滑起动技术

不改变硬件结构基础上，在普通移相调压技术基础上增加有级变频技术，实现有级变频、无级调压起动方式，完全避免了传统软起动为克服静摩擦采用突跳电压对设备及负载产生的瞬间冲击。为电机无冲击平滑起动提供最优解决方案。

（2）可靠的可控硅双重保护

保护一：具有先进的可控硅二次补脉冲技术。

替代了压敏电阻过压保护技术，在以下情况下均实现补脉冲功能：

1）当电网出现操作过电压或者其他类型过电压时，会对可控硅产生过电压危害，该保护技术可以自动产生强制触发脉冲使可控硅强制开通避免过电压的损坏。

2）当高压可控硅串中某单只可控硅的相应触发脉冲出现丢失或者其他原因致使可控硅没有有效的被触发导通时，该技术可以产生二次强制触发脉冲可以使可控硅强制开通，这样避免了高压击穿可控硅的故障发生。

保护二：具有全面的可控硅检测功能。

当检测单只可控硅击穿故障时，设备报警提示，并禁止起动，避免再次起动导致其它可控硅击穿。当检测多只可控硅击穿时，立即跳闸，避免电机受损。

（3）完善的电机及可控硅保护

内嵌全功能电机综合保护器，对设备运行的全过程及切换到旁路工作时都提供全面的保护，它的灵敏度和对故障保护反应速度是用毫秒来计算的，这是常规的电机起动和保护器所无法比拟的。

（4）人性化安全设计

一体化设计，用户只需要接入输入、输出高压电力电缆和控制电缆，便可投入运行。在加高压运行前，允许使用低压对整个系统进行机械及电气测试，避免人为的误操作引起意外事故。

高低压之间通过光电隔离技术，增强安全性、可靠性及抗干扰性。

（5）丰富的通讯接口

可向用户提供了Modbus、Profibus、Can、Ethernet等工业网络接口，可以满足各种工业现场的自动化操作要求。

（6）独特的结构设计

独特的结构设计，通过合理的布局，将开关柜、软起动柜及运行柜三柜合一，节省了现场的使用空间，降低了用户投资成本。

4  应用实例

甘肃省某大型泵站更新改造2018年度输水段项目，2015年前已对泵站高压柜更新完毕，受泵站内场地的限制，新增加机组软起装置需安装在高压柜内，则需对已有的高压柜进行改造；改造为高压固态软起一体柜。故须改变柜内设备的组装方式，增加软起设备单元。提供6kV高压固态软启动单元等工作。输水段电机配置如表1所示。
                                                                 

4.1  改造过程说明经现场实地考察及大量的技术论证，并结合目前软起动市场的充分调查与评估，用户最终决定选用卧龙电气集团辽宁荣信电气传动有限公司VFS系列一体化高压固态软起动装置对输水段七个泵站开关柜进行一体化技术改造。并取得了预期目标。

项目改造时间：现场停水期。

项目改造地点：各现场泵站开关柜配电室。

性能指标：

（1）起动电流：小于4倍电机额定电流

（2）起动时间：0~30秒可调

将原高压开关柜内原有的智能操控装置、电动机保护控制装置、智能操控装置、手车式真空断路器等全部利旧，安装位置保持不变。开关柜下部空间与电缆室之间的隔板拆除，进而放大下部空间。利于放置软起动装置及旁路装置等。卧龙荣信公司一体化型高压固态软起动装置功率单元的设计基础就是高压开关柜，功率单元形式专为高压开关柜量身设计，采用高集成型模块化设计。具有体积小、稳定性高等特点，放置于操作手车上，方便现场维护时从机柜中抽出。整个功率单元采用高绝缘性的树脂材料进行封装，保证设备功率单元之间安全距离满足国家标准相关要求。软起动控制系统及低压二次器件放置于高压开关柜低压仓内。根据现场实际测量，卧龙荣信公司一体化型高压固态软起动装置控制系统完全可以放置于高压开关柜低压仓内。旁路接触器放置于软起动功率单元后侧，与功率单元背靠背放置，在保证器件安全距离的基础上，最大限度节省内部空间。通过对功率单元、旁路接触器、接地开关等器件的整体重新布局，进而更加合理的利用高压开关柜的内部空间。

4.2  改造成果介绍

通过本次的技术改造，在保证现场配电室空间不变的条件下，经过三个月的改造升级，所有七个泵站共计71套VFS系列一体化高压固态软起动装置均在规定时间内改造成功，并达到预期技术指标。经改造后高压固态软启动装置技术指标如表2所示。

通过数据对比可得出，在不改变现有土建条件的情况下，原配电室高压开关柜均改造成一体化型高压固态软起动装置，改造后各泵站电机起动电流均达到用户预期的要求。解决了原直接起动电机对电网和负载造成的机械冲击和电气冲击，延长电机使用寿命。起动效果显著。达到用户预期。
                                                              

5  结语

本文基于卧龙电气集团辽宁荣信电气传动公司的一体化高压固态软起装置，首先简要介绍了一体化高压固态软起动装置的基本原理、结构特点，同时结合产品的技术特点及优势，以甘肃省某大型泵站更新改造2018年度输水段项目的实际应用案例进行分析。阐明了该产品在现实生产过程中带来的显著效果。

现代工业领域，随着产品同质化的日益严重，产品需要多元化，满足不同用户实际应用需求在未来将是新一代产品研发和推广的方向。