关键词：降补固态软启动装置；大型电动机起动；起动过程计算

Abstract: This article is aimed at the reconstruction project of No. 5 blast furnace blower station and supporting facilities of Kunming Iron and Steel Plant.. Combining motor parameters, grid parameters, user requirements and actual engineering conditions, the start of the blower motor The scheme proposes the most cost-effective way---using a reduced-compensation solid-state soft-start device to start. This article introduces in detail the working principle and characteristics of the Voltage-reduced Compensation solid-state soft-start device, calculates the starting process of the motor in conjunction with related parameters, and draws the simulation curve. After field commissioning, it is put into operation smoothly, and it has a good promotion of the starting method of large motors effect.

Key words: Voltage-reduced compensation solid-state soft starter; Starting of large electric motor; Calculation of starting process

1  引言

    昆钢5号高炉拟将炉顶常压操作改为高压操作制度，高炉本次设计有效容积为V=700m³，为保证鼓风系统安全运行，同时考虑以后5号高炉扩容到V=1200m³生产时所需要的风量，必须对原有配套的鼓风系统进行改造，本项目考虑异地新建一座电动鼓风机站，鼓风机站房最终规模按照二套鼓风机考虑，一期安装一套鼓风机设备及相应的辅助设施，预留一套安装设备的位置。鼓风机采用西安陕鼓动力股份有限公司生产的AV63-15型轴流式电动鼓风机组，机组配套电动机为10kV、18000kW异步电动机，根据以往应用实例，一般容量小于15MW电动机采用传统的降压起动方式是性价比最高的。但是，在超过15MW的大型电动机上，传统的降压起动方式已不能满足其电机起动要求，需要采用变频软启动装置启动，但变频软启动装置具有价格昂贵、维护困难等缺点，且只能把变频器当成软启动器使用，未能发挥出变频器的最大特性。为克服变频软启动装置上述缺点，本工程对鼓风机电机的起动方案提出了性价比最高的方式——采用降补固态软启动装置起动。

2  降补固态软启动装置工作原理及特点

对于大型电动机起动应用中，有没有一种软启动装置，既能客服自耦变压器降压起动、水电阻降压起动及晶闸管式固态软起动的缺点，又能替代变频软起动呢？答案是有的，那就是降补固态软启动。

2.1  装置工作原理

一次主回路如图1所示。

                                                                       图1  降补固态软起动装置主回路                                                                                                 

众所周知，大型电动机在起动过程中将消耗大量的无功功率，从而引起电网电压的波动。为了降低电机起动对电网电压的影响，需要在电机端并联一个无功发生器，由它提供电动机起动过程中所需要的部分无功功率。其等效电路如图2所示。

           （a） 电路图                                                 （b）矢量图                         

图2  无功补偿矢量图                                                                                      

由图2可以看出，提供无功后，电机从系统吸收的电流I1明显减少。为了进一步降低母线电流I1，装置将电动机及无功发生器并联回路经降压器接入电网，通过降低机端电压的方式进一步减小电流。此时降压器的输出电流为电机电流ID与无功发生器电流IC之差，输入电流为输出电流的K倍(降压器一、二次电压比为1:K,K＜1)。即：

2.2  装置组成

包括1套降压补偿固态软起动装置（含无功控制柜、降压控制柜、降压器和无功发生器），1套高压供电及切换系统（含运行柜、起动柜、起动连接柜等）。

2.3 工作过程简介：

将电动机及无功发生器并联，经降压器接入电网。当起动柜合闸后，电机端电压逐渐升高，起动转矩逐步增加。电机达到额定转速后，运行柜合闸，同时降压装置连接柜及起动柜分闸，切除降补固态软起动装置，起动完毕。

2.4  装置特点

Ø 起动时回路电流小于1.5倍电机额定电流，最小可达到额定电流，且恒定；

Ø 起动时电网的压降一般在5%-12%之间可任意选择；

Ø 对电网容量要求低，显著减小变压器安装容量，大幅降低一次设备投资；

Ø 起动转矩大，可满足不同负载的要求；

Ø 可连续起动，重复精度高；

Ø 无谐波，母线压降很低，基本不影响电能质量；无附加有功损耗；

Ø 全密封，不受环境限制，安全可靠，寿命长，基本免维护；

Ø 体积较小，安装使用方便。

3  降补固态软启动装置在昆钢炼铁厂5号高炉鼓风机站及配套设施改造项目中的应用

3.1  降补固态软启动装置起动技术方案

3.1.1一次系统图

如图3所示，起动回路由起动柜、降压器、降压控制柜、无功控制柜、无功发生器组成，其中，软起动装置包括降压器、无功发生器、无功控制柜、降压控制柜四个装置。

Ø 起动时软起动装置通过起动柜接入高压回路，起动完成后通过运行柜进行旁路。

Ø 降压器和无功发生器为三相一体油浸式全封闭结构，可室外安装。

Ø 降压器的作用是降低母线电压，给电机施加恰当的起动电压值。

Ø 无功控制柜的作用是与无功发生器配合，组成无功控制系统，适时提供合理的无功量。

Ø 降压控制柜为自制全封闭结构。其作用一是对二次电压的平衡调节作用，弱化中性点的飘移；二是消除转切全压时的操作过电压。同时起动完成后柜内的出线断路器分闸，使降压器与高压回路脱开。

                                                      图3   一次系统图

3.1.2  起动过程描述

（1）无功控制柜PLC检测无功控制柜、降压控制柜、起动柜、运行柜均已备妥，触摸屏显示“允许起动”；

（2）从机旁或者中控进行起动操作，起动指令送至无功控制柜PLC，PLC接收到起动指令后，控制无功控制柜合闸、降压控制柜合闸，延时一秒控制起动柜合闸；起动柜合闸后，电机开始起动，触摸屏显示“正在起动”；

（3）当电机端电压达到第一组无功电压设定值时，PLC控制无功控制柜1#断路器分闸，切除第一组无功；

（4）当电机端电压达到第二组无功电压设定值时，PLC控制无功控制柜2#断路器分闸，切除第二组无功；

（5）当PLC检测到电机电流降到电机额定电流以下，PLC控制降压器星点断路器分闸；然后控制运行柜合闸，电机在额定电压下运行；

（6）运行柜合闸后，PLC控制起动柜分闸、降压控制柜出线断路器分闸，降补软起装置与高压电源脱开，起动完成。

3.1.3  停车操作程序

起动过程中如果需要停机，从机旁或者中控进行停机操作。

但停机信号需同时送起动柜和运行柜。

3.1.4  起动完成判定方式

由于电机电流与转速存在着对应关系，通过检测电流可以判断是否起动完成。因此采用的是电流控制方式，即当电机起动电流降至额定电流的80％左右时，即判断起动完成，PLC进行切换操作。

3.2   降补固态软启动装置仿真及计算

3.2.1  原始数据及设计依据（参考值）

（1）电机参数

电机型号   YGF1000-4  

额定功率P_N    18000  kW       额定电压U_N   10    kV

额定电流I_N     1179   A        额定转速n_N  1486   r/min

额定功率因数cosφ  0.91         额定效率η_N   96.9%   

直接起动电流倍数k_I   4.1        额定频率f    50  Hz     

直接起动转矩倍数k_st   0.52       最大转矩倍数k_M  1.83    

电机转动惯量J   1493  kg.m²     飞轮矩GD²   5972  kg.m² 

（2）负载参数（折算到电机端）

负载类型     AV63-15轴流压缩机    

负载飞轮转矩GD²/g    23803    kg.m²

静阻转矩T_JZ            5000       N·m    

额定转速时的阻力矩     19608     N·m

起动额定阻转矩（带载起动阻转矩）T_N2     115671   N·m

（3）用户要求

电机起动时端电压：      60%以上    

10kV（6kV）母线电压允许波动范围：  不低于90%Ue

网侧电流不大于：      不大于1.5倍     

电机起动时间：        小于60秒        

（4）电网参数

主变压器容量：  31.5  MVA

主变压器短路阻抗：  8 %

10kV系统最小短路容量： 207.7  MVA

电机同母线下系统原有固定负荷：  1000   kW

同母线下系统原有固定负荷功率因数：  0.9  

3.2.2  电动机起动过程电气参数计算

要保证母线压降在  10%  以内，同时启动电流按照  1.5Ie  考虑，选取降压器变比  1：0.73  ，内阻抗  0.13  欧姆； 无功发生器等效阻抗  –j3.9  欧姆；计算结果如下：

计算所得起动时间（采用分段计算法）：

全压起动时间  16  s；降补方案起动时间  44  s。

3.2.3  模拟起动过程重要参数变化曲线

3.3  起动效果

    本工程热负荷一次性试车成功，起动过程中实测各项参数如下：

（1）10kV母线电压最小9.05kV，机端电压在63.5%以上；

（2）起动时母线电流在1.32倍电机额定电流以内；

（3）起动时电机电流在2.60倍电机额定电流。

    完全满足业主的起动要求，证实了应用降补固态软启动装置的正确性、稳定性、可靠性。

4  结语

降补固态软起动装置将电机电流和电网电流分开考虑，彻底解决了降压起动的电流和转矩的矛盾。

装置起动电流小，起动时回路电流小于1.5倍电机额定电流，最小可达到额定电流，且恒定；电机端电压被控制在需要的范围内，起动时电网的压降一般在5%-12%之间可任意选择；对电网容量要求低，显著减小变压器安装容量，大幅降低一次设备投资；起动转矩大，可满足不同负载的要求；可连续起动，重复精度高；无谐波，母线压降很低，基本不影响电能质量；无附加有功损耗；全密封，不受环境限制，安全可靠，寿命长，基本免维护；体积较小，安装使用方便。

降补固态软起动装置起动性能及各项指标均优于国内降压系列软起动装置；又能替代变频软启动装置。这种起动方式在大电机起动中的应用效果非常好，而且也越来越得到广大用户的认可，对大型电动机的起动方式具有较好的推广作用。

参考文献：          

[1]王洪才,等.钢铁企业电力设计手册[M]. 北京：冶金工业出版社，1996.1

[2]于永源，杨绮雯.电力系统分析[M].北京：中国电力出版社，2007.08

[3]刘玫.电机与拖动[M].北京：机械工业出版社，2009