结合有机朗肯循环的异步发电机启动

何小辉，朱 弢

（南京天加热能技术有限公司，江苏 南京 210046）

0 引 言

人类自从第一次“蒸汽革命”之后，科技与经济水平较之前几个世纪有了突跃地发展，但期间化石燃料的大量消耗，产生了严峻的环境污染，其危害程度超过了工业革命之前几个世纪的总和。“绿色经济”的理念随即在本世纪由联合国环境署提出，全球政府开始更加注重节能减排，对污染较大的企业，尤其是化工厂，有了更为严苛的环保要求，因此在节能研究领域中的低温余热回收利用技术已经发展成为重要课题之一[1]。目前针对ORC系统的研究，大部分集中在热力系统设计上，如工质的选择[2-4]，换热器的设计与优化[5-7]等，而对发电机的研究文献在网上较少。在少量关于ORC系统电机文献中，大部分都集中在同步发电机上，对异步发电机的介绍就更加难以搜寻。本文主要介绍了在某ORC系统中，为突破某种带有专利技术保护的软启动器的限制，设计采用了一套常规开式星三角启动方案，并用测试实验数据加以论证，从而丰富了异步发电机在ORC系统中的案例信息，为ORC的实际应用提供参考。

1 ORC发电系统

有机朗肯循环与常规的蒸汽朗肯循环类似，只是采用的是低沸点有机物作为工质的动力循环，是一种新型、环保的发电技术[8]。本文中的测试平台建立在公司实验室内，测试平台由热水（蒸汽）循环装置、冷却水循环装置、电力装置三部分构成，如图1所示。平台配合向心透平有机朗肯循环发电设备发电。电力装置连接380 V 电源，接入点和接入方式需提前到当地供电局申报并备案。该部分包括断路器、多功能双向计量电表等[9]。

2 异步发电机

2.1 工作原理

异步发电机是利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。依工作原理又称“感应发电机”。转速略高于同步转速。输出功率随转差率大小而增减。可由电网激磁或用电力电容器自行激磁[10-12]。

2.2 电机参数

本文实验室测试的异步发电机的机头部分数据如表1所示。

3 异步发电机在ORC系统中的启动

3.1 软启动器（特殊定制款）

3.1.1 定 义

软启动器是一种集电机软启动、软停车、多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的核心部件是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。

3.1.2 工作原理

（1）电动机状态。使用软启动器启动发电机时，首先将异步发电机看成一个普通异步电动机，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低了启动电流，避免启动过流跳闸。

（2）发电机状态。待异步发电机达到额定转速时（转速有电机内预制的速度传感器测量），启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，之后只为发电机机正常运转所需要的电压，机组透平进气阀门在软启动器启动结束（到达额定转速）的瞬间打开，高压气态工质进入，推动透平高速旋转，进一步带动异步发电机转动，当电机转速超过额定转速时，即转差率S＜0，异步电机进入发电状态，工质推动透平的机械能转化为电能向电网或者负载输送[13-15]。

3.1.3 优 点

晶闸管降压启动，减少启动电流，启动时电流变化趋势比较平滑，对电网冲击相对较小，图2为软启动理论电流运行曲线图，图3为实际示波器测试电流曲线图。

3.1.4 特殊点

不同于普通电动机的软启动器只提供降压启动和计量启动及电机运行过程数据的功能，该款软启动器根据此异步发电机的电气参数性能特殊定制，具有双向电路计量和保护的功能，通过两块含芯片的PCB控制板，实时监测电机在耗电（电动机状态）和发电（发电机状态）两个过程中的运行数据，从而保护整个发电机的工作电路。

3.2 开式星三角启动（用在异步发电机上）

3.2.1 定 义

在电机启动时将电机接成星型接线，当电机启动成功后再将电机改接成三角型接线的一种启动方式。

3.2.2 工作原理

（1）电动机状态。①星型启动：机头接线柱X-Y-Z通过星型接触器吸合相连，A、B、C三端接三相交流电压380V，此时每相绕组电压为220 V，较直接加380 V启动电流大为降低，避免了过大的启动电流对电网形成的冲击。此时的转矩相对较小，但电动机可达到一定的转速；②三角型运行：经星型启动电动机持续一段时间（约10 s）达到一定的转速后，通过PLC控制，断开星型接触器，将三角型接触器吸合，每相绕组电压变为380 V，转矩和转速大大提高，电动机进入额定条件下运行。

（2）发电机状态。通过发电机内置的速度传感器监测电机的转速，在发电机以三角型模式运行达到额定转速时，机组透平阀门瞬间打开，高压气态工质进入，推动透平高速旋转，从而带动发电机转动，当电机转速超过额定转速时，即转差率S＜0，异步电机进入发电状态，工质推动透平的机械能转化为电能向电网或者负载输送。

3.2.3 优点

星三角启动也属于降压启动，它是以牺牲功率为代价换取降低启动电流。相较于直接启动，启动电流较低；但比软启动的启动电流略高一些。

3.2.4 特殊点

星型启动是将电机从静止状态变成旋转状态，并通过电网提供无功电流产生自励，切换成三角型状态时，中间的切换时间不宜过长，否则切换瞬间的电流过高容易使发电机处的断路器脱扣。

4 应 用

4.1 第一次试验

4.1.1 选 型

根据272 kW异步发电机额定电流430 A，选取某A品牌接触器2个，规格是475 A和410 A，分别用在三角型和星型启动模式下。为了实时监测发电机启动和运行状态，在断路器与星三角接触器间安装了1套电流互感器CT和1个相配套的多功能电表。

4.1.2 安 装

根据“精益预制”的设计理念，将两个接触器和铜排组装成1个撬装模块（底板与原软启动器尺寸开孔一致），以适应项目现场电控柜内原软启动器与星三角改造的无缝衔接更换，做到易拆易装的效果，减少安装失误率，在外观上也有美化的效果，如图4所示。

4.1.3 测 试

经过测试，发现星三角启动方案基本达到预期效果，但也有一些问题需要改善，如星型与三角型接触器切换的时间间隔选取；星型接触器规格是否偏大；某品牌A接触器内部拉弧现象比较严重等。

4.1.4 数 据

经过多功能电表在电机启动时数据的记录，星型运转时电流34 A，切换成三角型瞬间电流达到200 A，三角型运转电流（发电机空转电流）66 A，如图5所示。

4.1.5 分 析

常规的多功能电表在异步发电机以星三角启动过程中，只能计量电流的有效值，且短时间峰值电压无法计量（精度较低），但图5内3组电流数据足够可以给ORC发电系统前端断路器的选型提供参考。

4.2 第二次试验

4.2.1 目 的

针对第一次测试结果，做出优化，即星型接触器型号规格适当减小来节省成本和接触器品牌的更换来观察触头拉弧现象（主要目的）。

4.2.2 选 型

根据272 kW电机额定电流430 A，重新选取某B品牌接触器2个，规格是460 A和375 A，分别用于三角型和星型启动。

4.2.3 测 试

经过测试，发现某B品牌接触器拉弧现象较A品牌有显著改善，星型接触器型号缩小后，接触器表面与相连的铜排无明显发热现象，试验结果达到预期目标。

4.3 第三次试验

4.3.1 目 的

第二次测试结果，基本满足试验期望。为追求严谨的符合试验数据，采用示波器取样电机启动电流。

4.3.2 数据记录

数据记录见图6～图10。

4.3.3 分 析

异步发电机在启动到运行的过程中，有2个电流变化剧烈的阶段，分别是电机以星型启动的瞬间和星三角切换的瞬间，从图6中可以直观地看出。在图7星型启动过程中，发电机从静止到空转状态，共耗时2.14 s，在这期间最大的波峰电压为1 475 A，后面逐步衰减；从图8可以看出星型平稳运行电流39.25 A（即星型启动的空载电流）；从图9可以看出，星三角切换共耗时248 ms，期间最大波峰电压1 118 A；从图10可以推算出，三星型运行平稳运行电流66.375 A（即三角型启动的空载电流）。

4.4 后续试验设想（持续改善）

4.4.1 目 的

针对前两次测试结果，主要针对星型启动瞬间启动电流偏高的问题做出优化。

4.4.2 思 路

（1）星型启动瞬间，是电能将电机从静止状态变成旋转状态，初始的启动电流较高，这是每个电机都会遇到的问题，电机容量越大，启动电流越大，一般是电机的额定电流的3倍以上，改为闭式星三角是否有改善；

（2）电机星型启动之前，提前投入无功补偿，给发电机提供无功，星型启动后观察启动电流有无改善；

（3）针对在发电机的应用场合，可以在透平进口处安装一个微型调节阀，设置一个开度，控制一定量的蒸发器中的高压气态工质推动透平，让透平以一定速度带动发电机运转，再关闭阀门。在发电机旋转状态下以星型启动，观察初始电流是否会减小；

（4）步骤（3）难点一是何时给微型调节阀一定开度，比如蒸发器中压力达到一定数值开启；难点二是微型调节阀瞬间给多大开度，开多长时间关闭，否则透平带动电机转速过快，之后电机再以星型启动，初始电流反而比静止时更大；

（5）将（2）和（3）结合考虑，再次比较。

5 结 论

目前在利用有机朗肯循环回收余热的项目现场，一般余热的品质相对较低，对单台装机容量小的机组比较适合。而且一般有大量余热的工厂，其厂规模相对较大，企业无功容量比较富足，可以克服异步发电机并网瞬间对电网的冲击的缺点，因此在满足上述条件后，当异步发电机不能在400 V电网电压下直接启动的情况下，采用开式星三角启动也不失为一种经济且可靠的运行方式，本文对异步发电机在ORC应用上的启动运行提供一个借鉴。