10 kV固态软启在氮气压缩机启动中的应用

王 龙， 刘海啸

(山西潞安煤基合成油有限公司，山西 长治 046100)

引 言

当前我国经济进入了快速发展阶段，大型设备越来越多，大型电机的启动方法也越来越受到人们的重视。高压大功率电动机直接启动的危害主要体现在以下几个方面：一、电机直接启动时,瞬间启动电流高达额定电流的5倍～8倍，引起电网电压的急剧下降，影响系统其它设备正常运行。二、大的启动电流对电网的冲击类似三相短路对电网的冲击，常常引发功率振荡，造成速断保护误动作，自动控制失灵等故障。三、大电流产生的发热使绝缘加速老化，伤害电机绝缘，降低电机寿命。四、大的启动转矩对机械设备的伤害。为了避免上述情况的发生，高压大功率电动机通常采用软启动或者降压启动。

1 软启动分类

软启动分为有级和无级两类，有级软启动调节是分档的；无级软启动调节是连续的。传统软启动均是有级的，例如星/角变换软启动，自耦变压器软启动等。传统的有级软启动因性能差，现在已经很少采用。连续调节的软启动主要有四种：以电解液限流的液阻软启动，以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动，以IGBT为调频调压器件的变频器，以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。

1.1 液态水电阻软启动

液态软启动的原理是利用伺服电机改变浸泡在导电液体中的极板距离，使其电阻值由大到小平滑无极减小，电机端电压逐渐上升至全压，实现电机软启动[1]。它的优点是成本低，在启动过程中不产生高次谐波。但它也有很多缺点：一、液阻箱容积大、温升高、重复性差。启动一次后会导致电解液温度升高，如果需要进行二次启动就必须等到导电液温度下降到最初设定的温度后方可再次启动。二、移动极板动作需要有一套伺服机构，不容易实现启动方式的多样化。三、维护周期短、工作量大，箱体中的液体需要定期补充，电极板表面易腐蚀，需要定期做表面处理。四、对工作环境要求高，不易安装在易结水或颠簸的现场。

1.2 磁控软启动

磁控软启动是利用饱和电抗器的原理，在高导磁的闭合回路中通过直流励磁平滑改变电抗器的电抗值，使电抗器两端电压由大到小平滑改变，从而实现电机平滑的启动过程[2]。优点是启动过程高次谐波较小，免维护，易控制。与高压晶闸管软启动相比,其缺点是控制快速性比，噪音大，体积大占空间，还需装配一套辅助电源。

1.3 变频软启动

变频器是比较理想的软启动装置，可以在限制启动电流的同时保持电机较高的启动转矩。虽然它具有很好的软启动性能，但它的价格较高，尤其是在高压领域，变频器价格通常为晶闸管软启动的三倍多。因此，高压变频器一般都是着眼于调速场合，单纯用作软启动使用不经济。

1.4 固态晶闸管软启动

固态晶闸管软启动的特点：

1) 结构设计紧凑，体积小，维护简单；

2) 采用晶闸管技术控制精度高，可实现电流闭环调节，启动过程平滑，启动重复性好；

3) 软启、软停可通过修改参数满足多样化的启动方式，启动的电压、电流、时间可根据负载不同而设定，满足各类负载的要求；

4) 保护功能完善，不需要再单独配置继电保护装置；

5) 启动和运行过程中无噪音；

6) 对环境要求低，耐振、耐温性能好，适用范围广；

7) 调试方便，可采用低压电机测试软启性能，避免使用高压电机测试带来的风险，降低了调试难度；

8) 10 kV高压电源和控制电源之间采用光纤隔离，安全性更好；

9) 运行参数可通过MODBUS通讯远传到监控系统，方便实时监测。

通过上述分析可知，固态晶闸管软起动维护方便，调节简单，功能完善，价格合理，在软启动领域具有很大的优势。

2 固态软起动

2.1 工作原理

固态软起的工作原理是在电网和电动机之间接入反并联晶闸管调压电路,通过对晶闸管的触发角控制进行斩波，起到调节电压作用。由于单只晶闸管耐压水平有限,所以在设计10 kV高压软启动装置的时候，采用晶闸管串联技术,功率单元通常采用10只晶闸管反并联再串联的方式提高耐压值。该系统可实现输出电压连续可调,避免了对电网和电动机及负载的冲击。氮气压缩机电机的参数：功率3 500 kW，额定电压10 kV，额定电流228 A，转速2 990 r/min。此电机为全厂最大功率的设备，经计算分析氮气压缩机直接启动时，高达1.7 kA的启动电流将会对变压器、电缆造成巨大冲击，10 kV系统电压降为1 000 V左右，运行的高压电机会发生过流告警或误跳闸；0.4 kV系统电压降为40 V，低压设备的接触器将欠压脱扣。为了降低直接启动对电网和设备的影响，我们采用了索肯和平的固态晶闸管软启动。

高压固态软启动是向电机提供平缓渐增的电压来完成的，从而实现了以最小的电流来平稳加速启动电机，其控制示意图如图1所示。

在高压大功率电机起动期间，通过软起动柜内

图1 10 kV固态软启动的控制示意图

主接触器C1和每一相的晶闸管组将高压电源接至电机，通过主控制系统DNC调节每一相晶闸管组的导通角，平滑增加高压电机上的电压，使高压电机的转矩逐渐增加。在设置的起动时间结束后，高压电源再切换至旁路接触器C2，将全压接至高压电机，起动过程结束。氮气压缩机软起动时，起动电流为800 A左右，高压电压降为600 V左右，与直接启动相比，确实发挥了降压限流的作用，软起动效果良好。

2.2 HPMV-DN软起动的控制方式

固态软启动装置根据不同类型的负载可提供不同的启动曲线。

1) 不限流软启动。启动时软启动输出的启动电压以特定斜率不断上升,直到电机启动完毕,在此期间启动电流不加任何限制。因为这种启动方式未能对电机启动电流进行限制，对电网冲击较大，一般只适应于重载启动场合，启动曲线如第166页图2所示。

图2 不限电流启动曲线

2) 斜坡恒流软启动。该启动方式是在电机启动的初始阶段启动电压、电流逐渐增加,当电流达到预先所设定的限流倍数值后保持恒定,直至启动完毕。在启动过程中,电压上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。这种启动方式应用得最多,尤其适用于风机、泵类负载的启动，启动曲线如图3所示。

图3 斜坡恒流启动曲线

3) 脉冲突跳启动。用来启动高静摩擦力负载，需要一个短时间的较大启动转矩。启动开始时用一个大约80%的电压脉冲，不限流启动来克服负载静摩擦。脉冲结束后，加载给电机的电压又恢复到初始电压，并按照正常的恒流软启动方式升压,启动曲线如图4所示。

2.3 保护功能

固态软启动装置可提供速断、过流、欠压、缺相、接地、相序保护等多种保护，完善的保护功能在电机启动、运行、软停过程中提供保护，保证电机设备的安全。保护整定值可由用户自由设定和投退。

图4 脉冲突跳启动曲线

2.4 通讯功能

HPMV-DN带标准的RS-485通讯接口(Modbus/profibus协议)，具有完善的通信功能。它通过标准接口传输数据，可集成网络化，实现分散控制，集中管理。人机界面友好，工作时可以显示输出电压，工作电流，最大相电流，故障时可以显示故障报警信息，便于运行人员排查故障。

3 结语

HPMV-DN固态晶闸管软启动装置改善了异步电机的启动过程, 很好地限制了电机启动电流，消除了直接启动对电机及负载的不利影响。整个系统具有结构简单、无噪声、占地小、控制灵活、启动平稳、运行可靠等优点，在今后的大型电机启动领域中有着广泛的应用前景。