高压大型同步电动机自耦变压器降压起动方式的探讨

张宝喜

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 前言

伴随着我国经济的发展，电动机制造工业生产力得到很大释放，单机容量迅速提升，产品种类和技术指标不断增加，标准不断提高，与国外电动机制造工业水平差距逐渐缩小，大容量电动机的使用越来越广泛。

同步电动机作为常用的交流电动机，与直流电动机和感应电动机不同在于，转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速，且其功率因数可以调节，因此适用于恒速负载且功率较大的场合以及需要改善电网功率因数的场合[1]。

同步电动机既可以作为电动机使用，又可以作为补偿机使用，还可以作为发电机使用。在现代发电厂中，交流发电机几乎都是同步发电机；在电力企业和工矿系统中，大容量的电动机往往都是同步电动机或者同步补偿机。同步电动机直接投入电网运行时，存在着失步与起动困难两大难题，这些难题制约着同步电动机的运用与发展[2]。

2 同步电动机起动方式的选择

2.1 交流电动机的各种起动方式

笼型异步电动机和同步电动机的起动方式常用的有全压起动、降压起动和变频起动。

2.2 交流电动机起动方式的比较

变频起动是一种高效率、高性能的起动和调速方式，伴随着电力电子技术和微电子技术的发展，变频起动得到了广泛的应用，但是其系统复杂，造价较高，转速变化率小，对项目的初始投资造成一定的困难。

减压起动常用方式有以下六种：1）星形-三角形减压起动；2）延边三角形减压起动；3）电阻减压起动；4）晶闸管减压起动；5）电抗器减压起动；6）自耦变压器减压起动。其中前四种常用于低压笼型异步电动机，对于高压笼型异步电动机和同步电动机，一般只采用后两种减压起动方式。

自耦变压器减压起动和电抗器减压起动均常用于高压电动机的起动，但是自耦变压器减压起动的特点是起动电流较小，起动转矩较大；而电抗器减压起动的特点是起动电流较大，起动转矩较小[3]。

2.3 起动方式的要求

对于同步电动机，应优先采用全压起动，且在起动时起动电压降、起动容量、电动机及其起动设备的动热稳定应满足要求。

电动机起动时，应对变压器过负荷进行校验。根据相关规范要求、设备厂家试验数据：1）若每昼夜起动6 次，每次起动时间不超过15s，变压器的负荷率小于90%时，最大起动电流允许为变压器额定电流的4 倍；2）若每昼夜起动6 次，每次启动持续时间不超过30s，变压器负荷率小于70%时，最大起动电流允许值为变压器额定电流的4 倍；3）若每昼夜起动10～20次，每次起动时间不超过30s，变压器负荷率小于70%时，最大起动电流允许为变压器额定电流的2～3 倍；4）若每昼夜起动10～20 次，每次起动时间不超过15s，变压器负荷率小于90%时，最大起动电流允许为变压器额定电流的2～3 倍。当不符合上述条件时，应加大变压器的容量，而不是进一步降低起动电压，否则会延长电动机的起动时间，使变压器过热[4]。

不经常起动的电动机电压降不应大于15%；经常起动的电动机电压降不应超过10%；在保证生产机械所要求的起动转矩又不影响其他用电负荷的正常运行，起动电压降可允许到20%。

2.4 项目实用举例（仅对自耦变压器减压起动方式研究计算）

某项目2500kW 变流机组的同步电动机起动条件计算：

1）变电所3kV 母线上短路容量Sdl=45MVA；2）机组的静阻转矩M*j=0.1；3）母线上的无功负荷Qfh=1.5Mvar；4）机组的总飞轮转矩GD2=43.6Mg；5）电动机的额定容量Se=3.3MVA；6）电动机的额定功率Pe=2500kW；7）电动机的额定电流Ie=626A；8）电动机的额定电压Ue=3kV；9）3kV 母线电压Ue’=3.15kV；10）电动机的全起动电压U*qe=1；11）电动机全电压起动时的电流倍数Kiq=7.5；12）电动机全电压起动时的转矩M*qe=0.9；13）电动机全电压起动时的牵入转矩M*yr=0.7；14）电动机起动时的平均转矩M*qp=0.8；15）电动机的功率因数cosφ=-0.88；16）电动机的额定转速ne=1000r/min；17）连续起动次数N=2 次；18）最小 电压（Uqe’=0.6×Ue）起动时电动机的起动转矩Me’；19）电动机0.6×Ue起动时的牵入转矩M*qyr。

计算全压起动的可能性：

1）计算系数α=1/U*m-1=0.25（根据现行规范GB50055 要求，U*m=0.8，下同）;2）采用全压起动的条件：Kiq×Se＜α×（Sdl+Qfh）；Kiq×Se=7.5×3.3=24.75，α×（Sdl+Qfh）=0.25×（45+1.5）=8.1375，24.75＞11.625，不满足全压起动条件。

计算自耦变压器起动的可能性：1）计算系数δ=U*m×（1-U*m）=0.16；2）采用自耦变压器减压起动的条件：δ×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）＞1.1×（M*j/M*q）；

δ×（Sdl+Qfh）/（Kiq×Se）=0.16×（45+1.5）/（7.5×3.3）=0.3，1.1×（M*j/M*q）=1.1×（0.1/0.9）=0.122，0.3＞0.122，满足自耦变压器减压起动条件。

3）计算系数α=1/U*m-1=0.25

4）自耦变压器的变比

5）可选用某厂家非标准的自耦变压器，其变比Nbz=0.73。

自耦变压器起动校验：

1）起动电压降低时的起动容量

表1 某厂家自耦变压器各种电压段的二次电压与一次电压之比

表2 某厂家自耦变压器的容量和负荷时间的变动系数

2）起动时母线上的电压

3）起动时电动机端子电压

4）起动时电动机的起动容量Sq=（Ud/Ud）2×（Kiq×Se）=0.572×（7.5×3.3）=8.05MVA

5）起动时电动机的起动电流Iq=U*q×Kiq×Ie=0.57×7.5×625=2670A

6）起动时电动机的起动转矩M*q=（Ud/Uqe）2×M*qe=0.572×0.9=0.292＞0.1，电动机可以起动。

表3 某厂家自耦变压器各种电压段的二次电压与一次电压之比

7）起动一次的时间

8）起动计算时间tjs=tq×N=48.7×2=97.4s=1.6min

9）必需的自耦变压器容量Sbz=Sq×tjs/2=8.05×1.6/2=6.4MVA

10）电压降低后所需自耦变压器容量Sbz’=Sbz×（1/U*m）=6.4×（1/0.78）=8.2MVA

11）选用某厂家自耦变压器的容量9MVA。

3 结束语

1）高压大型同步电动机起动时，对于电网电压波动有极大影响，因此，必须按照电压暂降的要求对起动方法进行选择、计算及校验[5]。

2）对于高压大型同步电动机是否允许直接起动，首先取决于电动机的结构条件，它由电机制造厂决定。在不能取得电机制造厂的资料时，通常可按下列方法估算，在符合下述条件时，是认为可以直接起动的：

对于3kV 电动机：Pe/极对数≤250-300kW

对于6kV 电动机：Pe/极对数≤200-250kW

3）在电网容量允许时，同步电动机应尽量采用直接起动。只有在电网容量及电动机结构不允许直接起动时，才必须考虑采用电抗器减压起动、自耦变压器减压起动或变频起动。