石油化工裝置中電動機起動方式的探討

胡維

（中國石化工程建設(shè)公司 北京 100101）

　　摘要  本文對石化裝置中的電動機的起動方式進(jìn)行了分類和探討，著重點在各類非直接起動方式。按照低壓鼠籠型電動機、低壓繞線電動機、中壓鼠籠式電動機、中壓繞線式電動機及中壓同步電動機的順序分別介紹了相適應(yīng)的間接起動方法，并比較了傳統(tǒng)的間接　起動方式與現(xiàn)代間接起動方式各自的特點與相互間的差異。文章還從電子電力工程學(xué)角度對一般的變頻起動、晶閘管軟起動及針對大容量同步電機的負(fù)載換相式變頻起動的原理及大致過程做了介紹，并對起動設(shè)備的選擇進(jìn)行了一定程度的研究。

　　關(guān)鍵字：電動機 起動 石化裝置 傳統(tǒng)降壓起動 軟起動 變頻起動 負(fù)載換相式變頻起動

　　電動機在石化裝置作用很重要，它將電能轉(zhuǎn)化成機械能，為裝置運行服務(wù)。本文就石化裝置中電動機的起動方式進(jìn)行分類和探討。

　　選擇電動機起動方式時，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)容量、機械負(fù)載對起動轉(zhuǎn)矩的要求等因素進(jìn)行分析。如果電網(wǎng)容量很大，電動機起動電流不會在電網(wǎng)上引起顯著電壓降落，則起動電流大小不是主要問題；如果機械負(fù)載要求的起動轉(zhuǎn)矩不大，而電網(wǎng)容量相對電動機來說又不很大，則應(yīng)考慮如何減小起動電流。還有既要求起動轉(zhuǎn)矩大，又希望限制起動電流的場合，則需要采取措施來改進(jìn)起動性能，例如采用特殊結(jié)構(gòu)的籠型轉(zhuǎn)子（深槽或者雙籠），繞線型轉(zhuǎn)子等。zui簡單的起動方式就是直接起動，也稱全壓起動，即將電網(wǎng)電壓直接接到電機上，這種方式起動時起動電流大，對電網(wǎng)沖擊較大，會引起電網(wǎng)電壓下降，對負(fù)載側(cè)也會造成沖擊。本文重點將對石化裝置中電動機的非直接起動進(jìn)行分類探討。

　　在石化裝置中，低壓籠型感應(yīng)電動機占有很大比例，因此對這類電動機起動方式的分析很重要。除直接起動外，低壓籠型感應(yīng)電動機還有降壓起動的方式，其中傳統(tǒng)降壓起動方式有定子串電抗器起動、星-三角換接起動、自藕變壓器降壓起動和延邊三角形起動。

在定子電路中串入起動電抗是通過電抗降低加在電機上的端電壓，從而減小起動電流。使用這種方法時通常起動轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩小很多，用于起動轉(zhuǎn)矩大小無關(guān)重要的場合，如空載起動。

　　自藕變壓器降壓起動是利用自藕變壓器把電網(wǎng)電壓降低后再加到電動機定子繞組上，待轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定時再把電動機直接接到電網(wǎng)上。使用這種方法時起動轉(zhuǎn)矩也不大，但和電抗降壓起動比較卻*。若設(shè)定自藕變壓器變比為K_A（K_A＞≡），則在同樣電網(wǎng)電流允許值下，其起動轉(zhuǎn)矩為電抗起動轉(zhuǎn)矩K_A²倍，因此在空間及經(jīng)濟(jì)性評估合理的場合，選擇自藕變壓器降壓起動的可能性通常高于在定子電路中串入電抗起動。

　　星-三角換接起動只適用于正常運行時定子繞組接成三角形的電動機，起動時接成星形，起動完畢后再接成三角形。星-三角換接起動使電網(wǎng)提供的起動電流減小到只有原來用三角形接法時的1/3，起動轉(zhuǎn)矩也減小到原來的1/3。因此星-三角換接起動相當(dāng)于電壓變比為 的自藕變壓器降壓起動，而它比自藕變壓器降壓起動所用的附加設(shè)備較少，操作也較簡便，所以現(xiàn)代小型感應(yīng)電動機常采用這種方法起動。而且為便于采用星-三角換接起動，JO2系列小型感應(yīng)電動機中4kW以上電機的定子繞組都設(shè)計成三角形接法。

　　延邊三角形起動實際上是把星形接法和三角形接法結(jié)合在一起，在起動時，把定子繞組的一部分接成三角形，剩下的一部分接成星形，當(dāng)起動完畢，把定子繞組改接為原來的三角形接法。因此其每相繞組所受的電壓小于三角形接法時的線電壓，大于星形接法時的線電壓。該起動方式的特點：起動電流和起動轉(zhuǎn)矩比直接起動時小，但比星-三角起動時高，而且可以采用不同的星形部分匝數(shù)和三角形部分匝數(shù)之比來適應(yīng)不同的使用要求。該起動法的缺點是定子繞組比較復(fù)雜。

　　除傳統(tǒng)起動方式外，還有使用軟起動裝置起動以及性能優(yōu)良的變頻起動，這里介紹軟起動，變頻起動將在后邊連同中壓電機起動一起介紹。隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列電子式起動控制設(shè)備，用于異步電動機的起動控制，以取代傳統(tǒng)的降壓起動設(shè)備。新型的電子式軟起動器的主回路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，調(diào)壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接于電動機的三相供電線路上。當(dāng)起動器的微機控制系統(tǒng)接到起動指令后，便進(jìn)行有關(guān)的計算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管的異通角β,使起動器按所設(shè)計的模式調(diào)節(jié)輸出電壓,以控制電動機的起動過程。當(dāng)起動過程完成后，一般起動器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使電動機直接投入電網(wǎng)運行，以避免不必要的電能損耗。所謂“軟起動”，實際上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動過程。目前的軟起動器一般有以下幾種起動方式：限流軟起動、電壓斜坡起動、轉(zhuǎn)矩控制起動、轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動與電壓控制起動，可根據(jù)電網(wǎng)端和負(fù)載端對起動電流、起動時間、起動轉(zhuǎn)矩的不同要求選取相應(yīng)的起動方式。晶閘管軟起動器的適用于不允許較大起動沖擊、電動機功率較大、對電網(wǎng)電壓波動要求嚴(yán)格、對起動轉(zhuǎn)矩要求不高，設(shè)備可進(jìn)行空載或輕載起動的場合。嚴(yán)格地講，起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)小于額定轉(zhuǎn)矩50%的拖動系統(tǒng)，才適合使用軟起動器解決起動沖擊問題。對于需重載或滿載起動的設(shè)備，若采用軟起動器起動，不但達(dá)不到減小起動電流的目的，反而會要求增加軟起動器晶閘管的容量，增加成本；若操作不當(dāng)，還有可能燒毀晶閘管。

　　為直觀地描述晶閘管軟起動器的工作原理，下面從電力電子工程學(xué)角度，以負(fù)載為Y形連接、無中心線、反并聯(lián)的晶閘管接在電源與負(fù)載之間的典型電路（見圖1）為例做一簡單介紹，為方便起見，設(shè)其負(fù)載為三相對稱的電阻。

　　基本工作條件：為保證三相交流調(diào)壓電路的正常工作，其晶閘管的觸發(fā)系統(tǒng)滿足下列要求：

　　1.在三相電路中至少有一相正向晶閘管與另一相反向晶閘管同時導(dǎo)通。這對無中線的Y形和D形電路尤為重要，否則不能構(gòu)成電流的通路。

　　2.為了保證電路起始工作時兩個晶閘管能同時導(dǎo)通，并且在感性負(fù)載和控制角較大時，也能使不同相的正、反兩個晶閘管同時導(dǎo)通，要求采用寬脈沖（寬度大于60度），或者雙窄脈沖觸發(fā)電路。

　　3.各觸發(fā)信號應(yīng)與相應(yīng)的交流電源電壓相序一致，并且與電源同步。

　　波形與參數(shù)                                             

　　對三相交流調(diào)壓電路的分析，我們以a＝30°為例說明。

　　1.波形

    圖2給出了a＝30°的觸發(fā)脈沖位置和各晶閘管的導(dǎo)通情況。

　　2.參數(shù)

　　輸出電壓的有效值U_a

    設(shè)相控角為a時A相輸出電壓的瞬時值為u_a，根據(jù)上述分析，u_a的波形為已知，因此可按下式求出輸出電壓的有效值U_a，它是相控角a的函數(shù)，即

　　式中

　　a_i、a_i+1 --- 分別為ua波形中各段曲線的起始角和終了角。

　　由此可見，通過改變晶閘管的相控角a，就可以改變輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

 　　從以上可以看出，對于籠型感應(yīng)電動機，無論采用哪一種降壓起動方法來減小起動電流時，電動機的起動轉(zhuǎn)矩都成平方減小。所以對于不僅要求起動電流小，而且要求起動轉(zhuǎn)矩大的例如礦山、鋼鐵等行業(yè)，就要采用起動性能較好的繞線型感應(yīng)電動機。在石化裝置中，繞線型感應(yīng)電動機使用很少，這里只對它的起動做簡單介紹。

　　繞線型感應(yīng)電動機可以在轉(zhuǎn)子回路中串入起動電阻，選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚?，既可以降低起動電流，又可以提高起動轉(zhuǎn)矩。在電機起動過程中，隨轉(zhuǎn)速的升高逐段切除起動電阻，可以維持較高的起動轉(zhuǎn)矩并縮短起動時間。通常小容量的繞線型感應(yīng)電動機的起動電阻用金屬電阻絲制成，大容量則選用鑄鐵電阻片，有時候也使用水電阻。一般來說起動電阻是按短時運行設(shè)計的，如果長期流過較大電流，就會過熱而損壞，所以起動完畢時應(yīng)把它全部切除。

　　另外，頻敏變阻器日益普遍地應(yīng)用于繞線型感應(yīng)電動機中。頻敏變阻器實際上就是只有一次繞組的三相心式變壓器，其鐵心由多塊厚鋼板或鐵板制成，渦流損耗很大。它利用渦流損耗與頻率平方成正比的原理，隨著轉(zhuǎn)速增加，其電阻逐步減小，從而起到自行逐漸切除電阻的作用。因此采用適當(dāng)?shù)念l敏電阻器起動，能自動減小電阻，使電動機平穩(wěn)起動。

　　對于石化裝置中的中壓電機，大多傳統(tǒng)的起動方式并不適用。在10kV（6kV）等級電壓下，傳統(tǒng)的電抗器降壓起動成本較高，而且很難滿足平滑起動、沖擊小的要求。相比較而言，高壓液阻軟起動更適用于大中容量的鼠籠式電動機。在某一靜態(tài)工作條件下，其性能與電抗器相同，在動態(tài)條件下，可實現(xiàn)無極的連續(xù)起動。在實際應(yīng)用中，它串接于鼠籠式電動機的主回路（即定子回路）上，當(dāng)該電阻通入電流時，由于液體電阻的負(fù)溫度特性，其阻值逐漸減小，從而使電動機的電壓逐步上升。整個過程中，啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩逐步增加，電動機起動平穩(wěn)。定子回路串液阻也可以應(yīng)用于中壓同步電動機的軟起動，因為在同步機采用異步起動法起動時它相當(dāng)于異步籠型感應(yīng)電動機。在礦山、冶金等領(lǐng)域中，也有專門的液阻軟起動裝置適用于中低壓繞線式異步電動機。與前面介紹的原理相同，它也是串入繞線式電動機的轉(zhuǎn)子中，液阻隨著電動機的起動而自動投入，并在預(yù)定的時間內(nèi)液阻阻值由大變小，從而使電動機在接近額定電流和zui大轉(zhuǎn)速的情況下均勻升速，平穩(wěn)起動。有些適用于中低壓繞線式異步電動機的液阻軟起動裝置的升級產(chǎn)品還可以在機組運行過程中通過改變液阻阻值達(dá)到調(diào)速、節(jié)能的目的。液阻軟起動的優(yōu)點是不產(chǎn)生高次諧波、可無級控制、熱容量大，中壓產(chǎn)品價格低廉，缺點是占空間較大，液體受環(huán)境影響大、響應(yīng)速度慢、起動重復(fù)性較差。

　　對于中壓籠型電機，傳統(tǒng)的降壓起動方式在使用上有很大的局限性。自藕變壓器降壓起動需要更多的空間和投資，星-三角換接起動需要把定子繞組的六個端子都引出來且留出換接開關(guān)的安裝空間，延邊三角形起動則要對定子繞組進(jìn)行改造，需要有九個出線頭，而且同樣有換接開關(guān)占空間的問題。而且以上幾種傳統(tǒng)起動方式的靈活性、平滑性也不夠。而前面已經(jīng)介紹過的基于晶閘管調(diào)壓電路的中高壓軟起動器可以得到更多的應(yīng)用。與液阻軟起動器相比較，在低壓領(lǐng)域，晶閘管軟起動器雖然會引起高次諧波，但價格低，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、幾乎免維護(hù)、功能齊全、菜單豐富、起動重復(fù)性好、保護(hù)周全，有很大的優(yōu)勢。在中高壓領(lǐng)域，晶閘管軟起動器基本都是進(jìn)口產(chǎn)品，一次性投入價格比液阻高，需要從基本建設(shè)投資、設(shè)備性能和壽命、運行功耗和維修費用等因素做經(jīng)濟(jì)比較來選擇起動設(shè)備。一般從長遠(yuǎn)看，選擇性價比高的晶閘管軟起動器往往比液阻軟起動器要更合理，特別是對于多臺設(shè)備（例如二臺以上風(fēng)機或水泵）需要起動時，晶閘管軟起動器往往可以一拖二、一拖三，而液阻軟起動器則難以實現(xiàn)，因此晶閘管軟起動就更占優(yōu)勢了。

　　下面簡單介紹一下低壓及中壓電動機的晶閘管軟起動器的選擇。晶閘管是電機軟起動器中zui關(guān)鍵功率器件，整機裝置是否工作可靠與正確選擇晶閘管額定電流、電壓等參數(shù)有很大關(guān)系。選型時應(yīng)該首先考慮工作可靠性，即電流、電壓余量倍數(shù)必須足夠，其次應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性即性價比，zui后應(yīng)考慮安裝美觀、體積盡量減小等因素。低壓電機線電為380V，晶閘管正反向重復(fù)額定電壓選擇為1200V就可以了，而660V 電機則應(yīng)至少選擇電壓為 2200V 以上，1100V的電機，晶閘管耐壓至少選擇電壓為3500V 以上。晶閘管額定電流的選擇必須考慮電機額定工作電流。一般來說，考慮兩倍以上電動機額定電流，例如一個55KW電機，其每相額定電流有效值是 110A，考慮兩倍以上放大余量 選擇額定平均電流為 27/2.22 12以上平板式晶閘管或選額定平均電流為 27/1.8 150A 以上晶閘管模塊。

　　變頻起動是一種優(yōu)良的起動方式。它利用對感應(yīng)電動機變頻調(diào)速的原理在起動過程中控制電動機的電壓及頻率間的關(guān)系，實現(xiàn)平滑、平穩(wěn)、無沖擊的起動。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在通常使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。在具體應(yīng)用中，關(guān)于變頻器的選用應(yīng)注意幾點： 1） 對起動的電流、轉(zhuǎn)矩要求，使用變頻設(shè)備起動是否能達(dá)到該要求；2） 變頻器的負(fù)載類型，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時的方式方法；3） 變頻器與負(fù)載的在電壓、電流、轉(zhuǎn)矩方面是否都匹配；4）負(fù)載是否除起動有要求外，是否還有調(diào)速要求。如果有調(diào)速要求，使用變頻器的可能性更大，如果只是起動需要，則應(yīng)將變頻器與其他間接起動設(shè)備做經(jīng)濟(jì)性比較； 5） 對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，會引起變頻器降容，容量要放大一擋。

　　隨著現(xiàn)代石化裝置的大型化或超大型化，中壓大容量的電動機也更多地出現(xiàn)。當(dāng)電網(wǎng)容量有限，采用變壓器-電動機組起動困難的情況下，常會選用大容量電動機的變頻起動方案。目前比較*的方案有使用負(fù)載換相型變頻器起動的同步電機和采用多功率單元串聯(lián)變頻器起動同步機或者異步機。同步機價格較昂貴，起動也復(fù)雜，但其功率因數(shù)可調(diào)，可以改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，而且其負(fù)載特性也優(yōu)于異步機，在不少場合都會用到大容量中壓同步電機，因此這里簡單介紹一下負(fù)載換相型變頻器起動同步電機方案。同步電機可以用作電動機和發(fā)電機，其起動原理相同，因此這里以某大型發(fā)電機組為例簡單介紹大容量負(fù)載換相型變頻器起動時的工作原理。該變頻系統(tǒng)由變壓器、DC電抗器、整流器、逆變器組成，見圖3所示。主回路采用交－直－交晶閘管電流型變頻器。整流器采用三相六脈波全控晶閘管整流橋，將恒定的三相AC電壓變成可變的DC。

                         　　　　　　圖3

　　各部分功能：諧波濾波器：降低廠用電的諧波水平和防止可能產(chǎn)生的非特征諧波和諧波諧振及避免繼電保護(hù)誤動；SFC變壓器：提供整流器的輸入電壓，一旦出現(xiàn)整流器的橋臂短路時，其漏抗也起著限制短路電路的作用；整流器：通過相控晶閘管控制直流電壓輸出使直流電流為一個適當(dāng)?shù)闹?；DC 電抗器 （DCL） ：對直流電流進(jìn)行平波；逆變器；通過相控晶閘管將直流逆變成頻率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速一致的交流電壓使發(fā)電機平滑加速。

　　整流器采用傳統(tǒng)的三相六脈波全控晶閘管整流橋結(jié)構(gòu)，通過相控可以調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角使輸出直流電壓為任意值。

　　逆變器采用三相六脈波全控晶閘管整流橋，與同步電機繞組一起組成負(fù)載換相式電流源型變頻器（Load commutated Inverter---LCI），負(fù)載為同步電動機。晶閘管的關(guān)斷主要靠同步電動機定子電流反電動勢自然完成而非強換相，逆變器晶閘管的換相與整流晶閘管的換相很相似。變頻器的輸出頻率是依靠轉(zhuǎn)子位置檢測器得到的轉(zhuǎn)子位置信號按一定順序周期性觸發(fā)逆變器中相應(yīng)的晶閘管。LCI這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電動機轉(zhuǎn)速始終保持同步，不會失步和振蕩。同步電動機在整個起動范圍內(nèi)都必須提供超前的功率，以保證逆變器晶閘管正常換相。

　　逆變器運行原理如下：在起動之初和低轉(zhuǎn)速（約10%轉(zhuǎn)速及以下）時，當(dāng)發(fā)電機沒有足夠的電壓輸出實現(xiàn)逆變器的換相時，逆變器換相通過脈沖方式運行來實現(xiàn)。在發(fā)電機加速到足夠的轉(zhuǎn)速并產(chǎn)生足夠的電壓以便逆變器換流后，逆變器運行在負(fù)載換流方式，于是輸出交流電使發(fā)電機加速旋轉(zhuǎn)。

　　用該方式起動時，只要控制定子電流大小或者改變勵磁電流大小就可以實現(xiàn)同步機變頻起動。由于存在換相，轉(zhuǎn)矩過載能力不強且有脈動。

參考文獻(xiàn)

[1] 許實章. 電機學(xué)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[2] 嚴(yán)克寬 張仲超. 電氣工程和電力電子技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2001.

[3] 況明偉. 大功率靜止變頻裝置在400MW級燃?xì)鈾C組起動中的應(yīng)用[Z]

中國勵磁專業(yè)網(wǎng). 2006-10.

[4] 趙盛. 軟起動裝置現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢. [J].

電氣時代增刊 石油化工電氣工程師論文集.2007-10