软起动的介绍及应用

张 红 启



软起动的介绍及应用

张 红 启

（中国石油抚顺石化公司石油二厂，辽宁 抚顺 1130082）

从软起动的定义着手，指出了电机直接起动的要求及危害，介绍了软起动的工作原理、控制方式及技术特点，结合软起动的应用条件，通过计算验证了起动过程电压下降满足设计规范的要求，阐述了软起动的调试及同步电机软起的起动过程。总结列出了常见故障现象及处理方法，最后从运行的角度分析了应用效果及注意事项。

软起动; 软停车；斜坡电压起动；恒流起动；恒压起动；同步电机；电压损失

软起动装置是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter,在使用时将其接入电源和电机电枢之间。软起动通过限制起动电流和起动转矩，能够可靠地防止起动过程中的机械冲击和电网电压下降。凭借对电机电压的无阶跃控制及根据被驱动的负载特性对电机进行调节，平缓加速机械设备，从而显著提高机械设备的运行性能，延长设备的使用寿命。

电机直接起动是最简单、最可靠、最经济的起动方式，应优先采用，但起动电流大，在配电母线上引起的电压下降也大，只有运行不满足电网条件（电机启动时的电网压降小于10%）和工艺条件（启动转矩只有额定转矩的0.4~1.6倍）的情况下，采用降压起动方式，降压起动过程中起动电流小，起动转矩也小，起动时间延长，绕组温升高，起动电路复杂。当大电机直接起动时，要求变压器有充分的储备容量，在增加变压器投资的同时也给电网带来极大的电能浪费。

电机直接起动的危害性主要有如下几点：

（1） 大容量电机直接起动会引起电网电压急剧下降，这会破坏电网上其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。

（2） 直接起动时的大电流在电机定子线圈和转子上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。

（3） 在起动时会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加，电网谐波含量的增加将导致电气设备寿命缩短，系统发生谐波谐振的可能性增加，还可能引起继电保护和自动装置误动。

（4） 直接起动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压，使定子绕组上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大地伤害。

1 工作原理、控制方式及技术特点[1-4]

长沙奥拓生产的QB-H06/6400三相交流电机的软起工作原理：软起动主回路采用三相反并联可控硅作为调压电路，触发单元采集三相电压的同步信号，将调节单元给出的调节量转换为触发角，产生触发脉冲，功率放大、隔离后可靠触发可控硅，三相自动对相序，利用可控硅进行调压，其输出电压大小由可控硅的导通角决定，而可控硅的导通角又与其触发角有关，触发角越小，输出电压越大。因此，只需在电机起动过程中通过控制可控硅触发角的大小，可使电机的定子端电压和起动电流根据设定的控制曲线进行变化。

根据电机负载的不同，软起动可设定不同的控制方式，常用控制方式如下：

（1）斜坡电压控制：给予一定的初始输出电压和软起时间，电机在起动过程中，电压随时间线性上升，直至电机达到额定转速。初始电压为全电压的20%~80%，大小可随负载性质而调整，重负载初始电压高一些。初始电压必须设定合理，起动时才能给电机一个足够大的起动转矩，又使电机不受到起动转矩冲击，从而避免机械部件的损伤。如图1所示，图中还设置了突跳起动。

图1 斜坡电压方式

软起时间设定范围0~60 s，电机从初始电压０开始起动，直到起动达速时的电压ｔ所经过的时间。突跳时间设定范围0.0~3.0 s,对某些重负载的场合，初始起动时，软起动在突跳时间内给电机施加全电压，给电机一个足够大的起动转矩，使电机转动起来，然后又从初始电压０开始加速，在突跳时间不为0时，该过程称为突跳起动。

图2 恒流方式

（2）限流控制：给予一定的限流系数，电机在起动过程中，按限流控制方式输出电压，电流大小限制在电机额定电流的100%~400%，如图2所示。

（3） 恒压控制：给予一定的输出电压，电机在起动中，按恒压控制方式输出电压，电机在该电压下起动，起动时间为0~60 s，如图3所示。

图3 恒压方式

（4） 软停控制：在电机进入运行后，旁路断路器合闸，可控硅在电源过零点后自行关断（控制及触发电路不再发触发信号）。当接收到“软停”指令后，控制及触发电路将可控硅再次全开通，然后旁路断路器分闸，控制及触发电路开始将可控硅的导通角由全导通逐渐减小，使电机三相电压从额定值逐渐降低，直至可控硅关断，电机的转速也逐渐变小直至停车。

长沙奥拓软起动QB-H06/6400技术特点如下：

（1） 软起动主回路与控制系统间采用了国际先进的光纤技术，控制器还采用了基于DSP控制技术和单片机管理的双CPU系统，通过对电流和功率因素的检测来控制输出电压、降低起动电流，使电机平滑起动，减小起动时产生的起动力矩冲击。

（2） 保护功能齐全，例如：缺相、欠压保护，电源过压保护，可控硅组件保护，过流、速断保护，三相电流不平衡保护，瞬时过压保护，起动间隔时间保护，起动超时保护，联锁控制保护。

（3） 中文LCD显示屏可显示各种状态参数，方便对故障原因及记录进行查询。可快速、舒适地设置各种参数，功能齐全，菜单丰富，因此设备调试及故障排查极为便捷。

2 应用的背景及计算实例

石油二厂200万t/a加氢裂化装置始建于2010年6月，2012年6月建成投产。高压变压器采用有载调压变压器SFFZ11-50000/66，6 kV系统主接线为单母线分段，正常情况下，母线分列运行。软起动装置采用长沙奥托自动化技术有限公司生产的QB-H06/6400，起动的电机为增安型无刷励磁同步电动机TAW6400-20/3250，同步电机励磁部分采用双电源冗余励磁装置，电机拖动的负载为新氢压缩机。选用的一拖二方案节约了一台软启动器，减少了投资，节省了空间，充分体现了方案的经济性，实用性。

根据《工业与民用配电设计手册》电动机起动时在配电系统中引起电压下降时的电压允许值技术原则：电动机起动时，其端子电压应能保证被拖动机械要求的起动转矩，且在配电系统中引起的电压降不应妨碍其它用电设备的工作，即电动机起动时，配电母线上的电压应符合下列要求，在一般情况下，电动机频繁起动时不应低于系统标称电压的90%，电动机不频繁起动时，不应低于标称电压的85%。

查P551《工业与民用配电设计手册》6 kV交联聚乙烯绝缘电力电缆电压损失为0.438%/（MW·km）,线路长度为0. 02 km,负载有功功率为17 Mw。

线路电压损失百分数计算公式为：

= 0.438×0.02×17

= 0.15

式中：Δ%—线路电压损失百分数，%(1 MW.km)；

Δu%—三相线路每1 kW.km的电压损失百分数，%（1 kW.km)；

—线路长度，km；

—有功负荷，MW；

由于电源线路的距离可忽略不计，线路电压损失也忽略不计，6 kV母线的电压损失可忽略不计。

电气技术参数为：额定功率rM=64 00 kW，额定电压rM=6 kV，额定电流rM= 709 A，功率因素为0.9，起动电流倍数st=5.5。预接负荷Sh为20 MVA,母线短路容量km=205 MVA。根据《工业与民用配电设计手册》第三版表6-16得，

=7.37（MVA）

=40.54（MVA）

式中：rM—电机额定容量，MVA；

stM—电机额定起动容量，MVA；

由于采用高压起动,则按表6-16(1距离0.4 km,忽略1)得

=stM=40.54（MVA）

=8.72（MVA）

式中：fh—预接负荷的无功功率，MVA；

式中：km—母线短路容量，MVA。

由于新氢压缩机电机不频繁起动，母线电压水平低于85%不符合规定。

当软起动起动电流倍数2.5倍时，则按表6-16得：

=18.43（MVA）

= (205 + 8.72) / (205 + 8.72+ 18.43)

= 0.92≥0.85

选择降压起动电气需要满足转矩的基本条件，即起动时电机端子电压应能保证传动机械要求的起动转矩，查表6-14知stM取1.5，j取0.3；即

式中：stM—起动时电机端子电压相对值，即端子电压与标称电压的比值；

stM—电机起动转矩相对值，即起动转矩与额定转矩的比值；

j—电机传动机械的静阻转矩相对值；

经过上述计算知，采用软起动装置启动满足电气设计电压下降及起动转矩规范的要求，故参数的设置是合理的。

3 软起动调试及电机软起流程

低压电机带载模拟调试和高压电机空载及带载调试：在连接高压电源和高压电机之前，选择一台10 kW左右的低压电机，分别按照软起柜进、出线的要求连接好，打开软起柜的小门，分别将短路端子1、2、3短路，使软起动处在低压工作状态，按照软起动操作过程进行操作，软起动应该正常工作。低压联动试验检查：起动正常、停止正常、转换正常，如不正常，则应找出原因，排除故障。如低压模拟调试功能正常，则去掉短路端子1、2、3，恢复高压工作状态。在高压工作状态下，按照软起动操作过程进行操作，软起动应该正常工作。软起动参数设置：起动电压2 900 V，起动电流1 800 A，起动时间30 s，起动方式限流，起动速断5倍额定电流，功率6 400 kW 。

洛阳石油化工工程公司设计的一拖二软起动方案，其中1#、2#电源柜分别取自两段不同的6 kV母线，1#、2#电源柜输出并联后给软起动装置供电，1#、2#选择柜进线接在软起动装置输出母线上，1#选择柜输出连接1#同步电机，1#运行柜连接1#同步电机，1#电源柜与1#运行柜来自同段母线，1#同步电机由1#励磁柜提供励磁，2#选择柜输出连接2#同步电机，2#运行柜连接2#同步电机，2#电源柜与2#运行柜来自另一段母线，2#同步电机由2#励磁柜提供励磁。以1#同步电机起动为例，首先分别给1#电源柜、1#选择柜、1#运行柜、1#励磁柜送电并检查电气正常的情况下，软起动装置电机选择开关选择1#电机，等待仪表联锁允许起动信号，当一切准备就绪后，按下现场1#电机操作柱的起动按钮，当1#电源柜收到同步电机起动信号时，1#电源柜断路器合闸，软起动装置LED显示屏显示上电，按下软起动装置上的起动按钮，软起动LED显示屏上显示软起动状态及过程中的相关信息，当1#选择柜收到软起动发出的起动信号时，1#选择柜断路器合闸，1#同步电机进入软起动状态，1#同步电机按照软起动设定的控制曲线开始起动，软起动装置可控硅导通角的大小按照控制曲线发出的同步信号开通，电机端子电压逐渐升高，电机平稳起动，当软起动装置中的检测设备检测到同步电机的转速达到电机额定转速的85%时，发出投全压信号，1#运行柜收到软起动装置发出的投全压信号时，1#运行柜断路器合闸，1#同步电机转速继续升高，当1#励磁柜检测到1#同步电机达到亚同步转速时投励，拉入1#同步电机达到额定转速运行状态，1#同步电机启动过程完成。同时软起动装置中的检测设备检测到励磁装置投励后，关闭软起动装置可控硅触发信号，并给1#电源柜、1#选择柜发出分闸信号，1#电源柜、1#选择柜收到信号后断路器分闸，将软起动装置切除，软起动过程结束。1#运行柜继续监视电机的运行状态，并提供多种故障保护。在软起或运行过程中，如果需同步电机停机，按下现场操作柱的电机停止按钮，运行柜断路器分闸，电机停车。如果软起动装置故障停机，根据故障显示类型排除故障，具体见常见故障现象及处理方法。

4 常见故障现象及处理方法

长沙奥拓生产的QB-H06/6400交流电机软起动常见的故障现象分为以下几类，由于产生故障的原因很多，当出现下列情况时，可以按照下述的方法进行处理：

（1）上电后显示屏无显示、可能故障原因控制电源未接好或显示控制板故障、处理方法检查电源或更换显示控制板。

（2）上电后故障指示灯亮、可能故障原因外部故障、处理方法检查门禁行程开关是否到位。

（3）缺相保护或欠压保护、可能故障原因电源缺相或电压过低，处理方法检查电源。

（4）短路保护、可能故障原因可控硅短路、均压板击穿短路，触发板短路检测电路故障、短路检测光纤或光纤头故障、处理方法更换可控硅、更换均压板、更换触发板、检查短路检测光纤及光纤头。

（5）过电流保护、可能故障原因速断过流或运行过流、处理方法参数设定不合理或硬件故障。

（6）起动超时保护、可能故障原因在给定的时间内没完成软起动、处理方法参数设定不合理。

（7）起动时电机电流波动较大、可能故障原因电流互感器故障或控制板故障，处理方法更换电流互感器或更换控制板。

（8）旁路真空断路器不动作、可能故障原因外围电路故障或控制板故障、处理方法检查外围电路或更换控制板。

（9）旁路后真空断路器跳开、可能故障原因旁路真空断路器不能自保、处理方法检查线路。

（10）起动时间很短并保护、可能故障原因设定起始电压过高或设定起动时间过短、处理方法降低起始电压或增加起动时间。

5 应用效果及注意事项

长沙奥拓生产的QB-H06/6400交流电机软起动常见的故障现象分为以下几类，由于产生故障的原因很多，当出现下列情况时，可以按照下述的方法进行处理：

自2012年投产以来，软起动历经多次切换起动运行，表现出起动平稳顺利、运行性能良好、起动可靠性高、性能完善等特点。同时要求设计同步电机起动选择开关安装在软起动柜面上，以方便电工的检查和操作，在设计时要求电源柜、运行柜上各种故障跳闸出口继电器回路不同，方便高压综合保护器厂家定义不同的指示灯来区分电气故障跳闸及仪表联锁跳闸，并保持跳闸指示灯信号，查出故障问题后复位，电气备妥信号、软起动备妥信号及仪表允许起动信号定义不同的指示灯，但不保持指示灯信号。

［1］孙伟栋,任元会,卞铠生,姚家祎,等.工业与民用配电设计手册[M].中国供电出版社,2005.

［2］QB-H系列中高压电动机固态软起动器使用说明书[R].

［3］保定天威集团特变电气有限公司出厂技术文件2010[R].

［4］南阳防爆集团股份有限公司电机使用说明书[R].2010.

Introduction and Application of Soft Start

（Fushun Petrochemical Company the Second Refinery, Liaoning Fushun 113008，China）

From the definition of soft starting, requirements and harm of direct starting motor were pointed out; the working principle, control mode and technical characteristics of soft starting were introduced; combined with the application condition of soft start, calculating result proved that the starting voltage drop could meet the design requirements; the debugging process of soft start was introduced as well as the soft starting process of the synchronous motor. Common faults and treatment methods were listed, finally application effect was analyzed and the matters needing attention were put forward.

Soft start; Soft stop; Ramp voltage starting; Constant current starting; Constant voltage starting; Synchronous motor; Voltage loss

TM 301

A

1671-0460（2014）06-0969-04

2014-05-04

张红启（1979-），男，河南驻马店人，中级职称，注册安全工程师， 2003年毕业于郑州轻工业学院电气工程及其自动化专业，从事石油二厂电气设备技术管理工作。E-mail：zhq123@petrochina.com.cn。