中压变频软启动装置在大型电动机启动中的应用

中压变频软启动装置在大型电动机启动中的应用
摘要：近些年来，随着工业的生产能力加大，其生产设备的驱动电机也越来越
普遍，然而由于大电机在启动时要产生较大的冲击电流，使负载设备的使用寿命
降低，并且国家对此也有着严格的标准规定，这促使设计者们对大电机的启动关
注程度也越来越高。

关键词：中压变频软启动装置；电动机启动；变频（Variable Frequency 简称VF）
在项目设计实践中，经常遇到大型电动机的启动问题。

针对供电系统小容量
而电动机容量较大的矛盾，采取怎样的启动方式成为必须设法解决的问题。

一、VF软启动装置工作原理
以工业中常见的空压机系统为例，通常一个一拖一备空压机电气系统包括进
线隔离柜一台、空压机运行柜一台、变频软启动器电源柜一台、变频软启动器输
出柜一台、电缆连接柜两台、励磁柜一台、LCI单元（变频软启动器）。

当运行柜、电源柜及输出柜三台断路器置于工作位置，保护装置选择远程控制，且励磁
柜电控允许，则由DCS（集散控制系统Distributed Control System简称DCS）进行
开停车控制。

三台断路器启动切换程序编制在励磁柜内的PLC逻辑内。

三台断路
器之间有必要的硬接点连锁，在空压机旁、中控室配有紧急停车按钮，开关柜上
也具有机械式紧急停车按钮，以确保设备安全。

VF软启动装置主要由输入（降压）、输出（升压）变压器、三相全控整流桥、平波直流电抗器、晶闸管逆变器
组成。

整流器控制系统为速度、电流负反馈双闭环系统；逆变器控制系统由电磁
式和间接式转子位置检测器、换相超前角设定电路及换相剩余角补偿等部分组成。

另外，系统还包括用于并网控制的整步微调和同步并网电路。

软启动装置启动时
必须进行电机转子位置检测和初始定位。

启动前先给转子投入励磁，在转子绕组
产生恒定的磁场。

在转子磁场逐步建立过程中，定子绕组感应出三相电动势，对
电动势积分就可得气隙磁链的大小和转子位置角。

启动期间，控制保持电机磁通
恒定，实现恒转矩调速。

由于是恒磁通控制，可以通过对定子电压测量，计算出
转子位置角。

计算时间的密切配合，保证励磁与LCI检测程序之间严密同步，这
是整个启动过程中最为关键的一步。

LCI软启动数字控制系统应用矢量原理，通
过系统的开环和闭环控制来实现对LCI软启动过程的控制，采用矢量控制方式的
目的，主要是为了提高变频器的动态性能。

根据交流电动机的动态数学模型，利
用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量(电流)和转矩量(电流)，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，即对磁场分量和转矩分量分别控制，以获得类似于直流电机调速的动态性能。

在矢量控制方式中，磁场电流实际值和转矩电流实际值可以根据测定的电机定子电压、和电流的
实际值，经变换计算求得。

磁场电流和转矩电流的实际值与之相应的设定值进行
比较和调节。

同步电动机刚启动和低速运行时，电机定子基本没有反电动势，这
时逆变器晶闸管的换相必须采用电流断续换相法。

由于逆变器晶闸管顺序导通，
电流按顺序流过电动机定子的相应绕组，并产生合成磁场，这样绕组电流不断的
变化必将在定转子空间中产生一个旋转磁场，拖动转子同步旋转，转子旋转的速
度由逆变器的触发周期确定，当电机转速达到5%额定转速以上时，电机定子产
生的电势足够大时，逆变器的晶闸管采用自然换相，这样电机转子产生的启动转
矩将使电机继续不断地提高转速，期间限制电流值，一直到95%额定转速时，电
机将并网拉入全压同步(符合并网条件时)。

变频器退出系统，从而实现同步电机
的软启动。

二、变频软启动方案的产生
以实际工程设计为例，该工程供电系统由三台12 MW发电机(运行方式为两
开一备)和一台可发电8 MW的烟气轮机组成，合计发电32 MW，6kV母线短路容量122 MVA，全厂预接符合为26MW。

高压水泵电动机参数:额定电压为6kV，额
定功率为3200 kW，效率为0.97，功率因数为0.9，起动倍数为5。

根据上述已知
条件，基础设计时考虑到启动设备的投资，选择了晶闸管软启动器方案，软启倍
数设定为3。

经计算，电动机启动时6kV母线电压相对值大于0.90，满足规范要求。

本供电系统为容量较小的独立发电系统，故须校验发电系统的过负荷能力。

经计算，电动机启动时其过负荷倍数为1，基本满足要求。

在基础设计审查时，
参会专家对3200 kW电动机的启动问题展开了讨论，主要针对电网的冲击;大容量晶闸管软启动器在石化行业应用较少，有一定风险;最后讨论提出并采用了VF软
启动方案。

三、VF软启动方案
VF软启动方案与变频运行方案的根本区别在于:此VF软启动方案是选用
2190kW的变频器来起动3200kW的电动机，也就是用较小容量的变频器来完成
起动大容量电动机的任务。

变频器容量选择是由高压水泵的操作条件决定的，因
为在起动过程中，高压水泵为轻载运行，水泵阀门开度一般为30°左右，水泵轴
功率大约1600 kW。

变频起动完成后切换到工频旁路运行，再加大水泵负载。

如
果直接采用变频运行方案，所选变频器的功率必须大于3200 kW电动机功率。

两
者比较，可节省变频器部分投资。

VF软启动方案与其它软启动方案相比，最大优
点是在电动机起动过程中，其起动电流不大于电动机额定电流，消除了对电网的
冲击，又可保持较大的起动转矩。

四、应注意的问题
1. VF软启动装置由多台设备组成，任何一台设备出现问题都将对工程造成严
重影响。

特别应注意三绕组干式降压变压器两个二次侧绕组的电压等级。

在VFD
内整流成直流4160 V，然后再逆变为交流4160 V。

也就是说，降压变压器两个二
次侧绕组电压各为2200 V左右。

2.VF软启动控制系统与水力除焦控制系统之间有很多控制接口，涉及到MV VF软启动成套商、水力除焦成套商、高压水泵成套商及设计院等，是一个复杂的
系统工程。

在设计过程中需要进行多次设计协调，尤其是当有进口机组时将给设
计协调带来困难。

本工程的另外一台高压水泵为进口机组，供货商要求提供给进
口泵控制柜PLC的输入条件是电动机运行信号，但没有明确变频、工频信号全要。

设计院参照水力除焦主控柜对国产水泵的要求，只提供了电动机工频运行信号，
结果在现场调试中进口泵变频起动5 s后跳闸。

跳闸原因是PLC没有收到电动机
变频启动信号，故延时5 s后停机。

将电动机变频起动信号也引入PLC，问题得以解决。

另一方面，水力除焦主控柜（MC）从进口泵控制柜获得的是工频运行信号，为此，在进口泵控制柜PLC内加了一个200 s的延时，以躲过变频启动时间，从
而使除焦系统可进行下一步的加载操作。

总之，电网虽为系统电网，但短路容量小，当采用其它软启动方案不能保证
启动过程中的母线压降允许值，或虽可保证母线压降允许值，但启动转矩较难克
服机械转矩，难以满足电动机对温升限值要求时，可采用VF软启动方案。

参考文献
[1]赵芳．中压变频软启动装置在大型电动机启动中的应用.2019.
[2]程新宇，关于中压变频软启动装置在大型电动机启动中的应用.2018.。