禹门口一级站改扩建工程大机组启动方式比选

刘若宙

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024)

1 概述

山西省禹门口一级站改扩建工程紧靠一级站上游侧，主要任务是解决北赵灌区、西范灌区、西范东扩灌区水源问题。受益范围包括万荣、临猗、闻喜、稷山和新绛五县(市)，设计提水规模供北赵灌区15.06 m3/s、西范灌区和西范东扩灌区13.8 m3/s，输水损失流量5.0 m3/s，总计33.86 m3/s，考虑兼顾向禹门口灌区和汾南灌区补充水源确定加大设计流量40 m3/s;年提水量2.90亿m3，其中北赵灌区1.38亿m3，西范灌区1.52亿m3。新增和改善灌溉面积112.85万亩。其中，扩建一级泵站总装机8 000 kW，装机2台，总提水流量40 m3/s，设计扬程5.91 m～10.29 m。由于该泵站是大流量泵组，总装机为2台4 000 kW同步电动机。电机的启动方式采用何种方式是泵站运行需要解决的重要问题。

2 电机的启动方式比选

就电机的启动方式来说，目前常用的方式有：全压直接启动、串电抗器启动、同轴小电机启动、利用软启动器启动、变频器启动等。本阶段对机组启动进行了以下方案比选：

1)全压直接启动。

全压直接启动要求供电系统有足够大的容量，供电系统的容量不够大时，启动机组时对电网的冲击很大，导致机组启动失败的可能性大大提高。另外采用全压启动时电机将产生大约5倍～8倍的额定电流，对电机的冲击大。

2)串电抗器启动。

采用这种方式，启动电流不可控，不可调，数值为额定电流的3.5倍～5倍，当然启动时间也不能控制，对电网的电流冲击大，以及对传动机构的机械冲击大，因此，对本工程来说，选择此种方法不科学。

3)同轴小电机启动。

通过装在电动机顶部的一台小容量绕线式感应电动机进行启动加速，启动过程中，通过调节，使小电机保持一定的出力，当接近主机同步转速时，同期并网，切断小电机，完成启动。相对于直接启动，该方案对电网的冲击较小，但需以扩大主厂房为代价，并且由于本工程机组功率大，同轴小电机的功率也会很大。

4)软启动器启动。

软启动器主要分液态和固态两种。液态软启动器是在电机定子回路串接一特制可变液体电阻，随着电动机的启动，通过PLC程序控制，使阻值无级平滑减小、电动机端电压均匀提高。但对于液态软启动器来说，维护很困难，占地也较大，采用软启动启动后电解液通的温升将达到10℃～30℃，另外，由于其重复性能及控制性能低，安全性差，且对环境的要求高，因此，就本工程来说，不应选择此方案。

固态软启动器中调压器一般采用三相反并联晶闸管，接在电源与电动机定子间，这样，当电动机被启动时，其输出电压逐步增加，同时电动机速度逐步加快，当晶闸管实现全部导通，电动机就在额定电压机械特性上实现平稳启动，这将大大降低启动电流，避免因电流过大跳闸。具有体积小，易控制的优点，但启动力矩不足。晶闸管软启动器可以将电流控制在额定电流的2倍～3倍，但不能在启动时控制电机转速。

软启动器输出的电压波形不是正弦波而是半波，谐波含量大，需要滤波装置。并且启动对电网有冲击，如果电网短路容量小会拉下电网电压，并且对无功没有补偿效果，需另外增设无功补偿装置。

5)变频器启动。

对于大功率同步电动机，变频器可实现平稳启动，导致启动电流不大，这样对电网的冲击将大大减小。在限流同时保持高的启动转矩;启动电流很小，而且可根据工况进行适宜性调整。变频启动重复性强，启动一台负载后，可以马上通过切换柜启动另一台负载，没有冷却时间，还具有维护简便的优点，没有定时需要更换的部件，且节能效果明显。

变频器具有软启动方式的所有优点，输出电压波形为完美正弦波，启动电流更小，可以控制在额定电流以下，所需的电网容量也最小，启动最平稳，无需无功补偿装置。

因此，通过比较，结合运行工况按照经济实用和技术可靠的原则，本工程采用变频器启动方式是最佳选择。现就变频器工作原理及特点叙述如下。

3 变频器的工作原理

目前，工程中应用最广泛的是交—直—交变频器，其工作过程分成两个部分：整流，先将电源的三相(或单相)交流电经三相全波整流桥整流成直流电。逆变，直流电经三相逆变桥“逆变”成频率和电压都任意可调的三相交流电。

4 变频器特点

1)变频调速装置对大功率同步电动机可实现平稳启动，启动电流小，对电网冲击小，在限流同时保持高的启动转矩。2)高压变频器可直接驱动普通三相交流电机，直接高—高输出，无需任何滤波与功率补偿装置。3)高压变频器综合运用现代电力电子技术，计算机控制技术，计算机网络技术的先进发展成果，集多种高新技术为一体，如模块化设计技术，低感母排技术，采用DSP的多电平控制技术，技术水准高，应用灵活，使用范围极广。4)高压变频器采用多电平拓扑结构，由单相逆变器模块串联而成，其功率单元模块可实现互换，维护极为方便。5)高压变频器被称为“绿色变频器”。它对外部电网及其负载电机没有所谓的谐波污染。6)高压变频器一次性投入资金较大，从而使其在某些应用场合受到了限制。

5 变频器启动控制

现在，通用的变频器控制器由双DSP微处理器和工控PC一起构成。实现双微处理器控制，可以提供友好的全中文监控和操作界面，方便远程与网络化控制;将其内置于柜体，则能处理开关逻辑信号，方便用户灵活接口。将光纤通信技术用于控制器与功率单元中，将可靠隔离高低压部分。该系统安全性与抗磁干扰性能高。另外，控制电源点时，控制器可由配备的继续供电，变频器可以继续运行。变频器具有旁路功能，可手动/自动实现变频与工频运行状态的自由切换，变频器可实现正常状态时的软启动，启动一台负载后，可以马上通过切换柜启动另一台负载，当变频器故障时，可以自动进行旁路，当对变频器进行检修维护时，使用自动旁路开关柜的手动挡对负载进行启停，这样，可以满足用户负载的不断电要求。

6 结语

结合运行工况按照经济实用和技术可靠的原则，山西省禹门口一级站改扩建工程中大机组选用变频启动仍是比较理想的选择。变频器作为先进节能的电子技术产品，有着其他启动方式无法比拟的优点，尽管投资价格有点高，但是，随着技术的不断改进，其成本的不断降低，它将被越来越多地运用到更为广泛的应用场合。