大型同步电动机高压降补固态软起动装置的应用

李喜文，韩高翔，张田歌

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

交 流电动机的启动电流是额定电流的 4～7 倍。对于大容量的电动机而言，提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件，强大的启动电流会冲击电网，不仅对电网不利[1]，而且影响电动机的使用寿命。液阻启动方式在干燥地区由于水蒸发较快，对水质要求较高；热变电阻启动方式环境温度变化对启动特性的影响较大；变频启动方式虽然启动过程非常理想，但成本太高[2]。

笔者采用 TCS-M 系列高压降补固态软起动装置[3](以下简称为 TCS-M 装置)对大容量的高压电动机和不能直接启动的电动机进行降压无功补偿启动，此方案已应用于刚果(金)华刚二期半自磨机。半自磨机用同步电动机的额定功率为 6 000 kW，额定电压为 10 kV，频率为 50 Hz，额定电流为 399 A，功率因数为 0.9。

1 工作原理

TCS-M 装置由降压器模块、无功发生器模块、启动开关、运行开关、人机界面及控制系统组成，启动电动机时一次回路如图 1 所示。TCS-M 装置在电动机启动开关和电动机之间，由本地或 DCS 后台启动指令控制电动机启动。当电动机速度达到或接近额定转速时，TCS-M 装置内的控制系统发出合闸指令，运行开关合闸，电动机全压运行，完成启动。

图1 TCS-M 装置一次回路示意Fig.1 Sketch of primary circuit of TCS-M device

电动机在启动过程中，功率因数很低，堵转电流比较大，启动时需要从电网消耗大量无功功率，从而引起较大的电网压降。为了减小电网压降，需要降低从电网中所消耗的无功功率。TCS-M 装置的无功发生器与电动机并联，补偿了电动机启动所需要的部分无功功率，从而减少了从电网中消耗的无功功率。TCS-M 装置等效电路及矢量图如图 2 所示。

由图 2 可以看出，使用无功发生器补偿电动机电流后，电动机从电网吸收的电流明显减少。

图2 TCS-M 装置等效电路及矢量图Fig.2 Equivalent circuit and vector diagram of TCS-M device

为进一步减小电网压降，需要减小电网提供的启动电流。TCS-M 装置配有降压器模块，接在电动机和电网之间，以降低电动机端电压的微小代价，减少了启动时电网侧电流，进一步减小了电网压降。

降压器的输出电流为电动机电流ID与无功发生器电流IC之差，输入电流为输出电流的k倍 (降压器一二次电压比为 1∶k，k＜1)[4]，启动时从电网吸收的电流I1=k(ID-IC)。根据此公式可以看出，调节无功发生器的补偿电流和降压器的变比，即可以将启动时的电网侧电流控制在允许的范围内。根据客户现场实际的电网承受能力，可以设计出满足特定需求的TCS-M 装置。

2 结构特征

TCS-M 装置的总体结构可分为 3 部分：最左边布置控制系统、人机界面、显示仪表、电缆进出线接驳点和旁路开关等；中间布置降压器模块；最右边布置无功发生器模块。3 部分通过铜排或电缆连接，结构紧凑，配有整体槽钢底座，一体化安装，整体吊装。运用外观及工艺设计，该装置较传统开关柜设备，操作更加人性化，整体更加美观。

TCS-M 装置的主要特点如下。

(1)降压器模块含降压器及星点开关 2 个部分，设计 2 档输出电压，并且 1 档输出电压比 2 档输出电压高一次额定电压的 5%。2 档电压的设计，可以适应现场实际电网电压及负载的变化。

(2)无功发生器模块含无功发生器及投切开关 2个部分。无功发生器一般分 2 组进行投切，整体布置在金属外壳内。从外壳上端引出 6 个接线端子，小容量的无功发生器可分为一组，更大容量的无功发生器可分为多组。无功发生器内置放电电阻，放电时间不大于 5 min。

(3)控制系统采用西门子 S7-200 SMART PLC 进行自动控制及保护，采用 TFT 彩色 LCD 触摸屏作为人机交互界面，并配有物联网远程通信模块，可将启动数据实时上传至软起动物联网云平台。通过大数据采集，软件智能统计对比分析不同负载所选用软起动装置的启动性能和启动参数，以便在后续项目配置软起动系统方案时，选择最优方案，不仅减少用户的投资成本，而且达到最佳的启动性能。

3 人机界面及控制说明

触摸屏用来显示系统状态、报警信息、启动数据和设置保护参数，并具有报警和启动数据保存功能。

2015年4月在江苏某湖羊养殖场选取24只7周龄健康状况良好、体重相近[(6.9±0.5)kg]的公湖羊，采用单因素试验设计将试验羊随机分为3组，每组8只，分别为对照组、丙酸组、丁酸组。试验包括预饲7 d，正试期28 d。试验羊采取群饲舍养方式，整个试验期试验羊每天每只人工饲喂鲜羊奶1.0 L，在此基础上补饲基础日粮（第1周每天每只补饲300 g基础日粮，随后试验期每周增加50 g），补饲基础日粮组分和营养成分含量见表1，并制成颗粒饲料，再以颗粒饲料的1%添加脂肪酸制剂，对照组为等量脂肪酸钙。试验期每日06：00和18：00等量饲喂两次，自由饮水。

3.1 主画面

软起动装置触摸屏主画面如图 3 所示。

图3 TCS-M 装置主画面Fig.3 Main interface of TCS-M device

主画面左半部分显示的是开关状态及启动数据，包括实时启动时间、无功发生器电流、降压器电流，以及电动机电压和电流。开关合闸时，其所对应的方框将变成红色，分闸时显示为灰色。主画面右半部分显示了今日启动次数、启动等待时间 (下次启动需要等待的时间)、电压电流模拟功能 (是否开启)、全压切换模式、启动操作指令源及装置工作状态。

启动等待时间是启动结束后 PLC 根据运行时间自动计算降压器的温升，并估算降压器温度降到允许后再次启动所需要的时间，最少为 15 min。一般启动 2 次后等待时间可能达到 40 min；连续启动 3 次之后，需要等待较长时间才能继续启动。

电压电流模拟功能用于模拟启动测试。由于模拟启动时没有电压电流信号，不方便模拟电压电流方式进行切换。开启模拟功能后，相关电压电流数据由PLC 通过程序自动模拟产生，按照实际启动情况就可以进行模拟启动。

软起动装置工作状态有系统停机、预启动备妥、启动备妥、综合报警、正在启动、全压运行 6 种，处于某个状态时其对应的文字框将显示绿色，否则显示灰色。当选择“分步启动”模式时，软起动装置需要先进行预启动。“预启动备妥”状态变为绿色即表示软起动装置允许预启动。启动备妥所需要的条件在触摸屏上可进行查看。

3.2 参数设置

触摸屏参数设置如图 4 所示。左边显示的是跟启动相关的几个参数，右边为进入其他画面的菜单入口。参数设置需要不同用户权限，系统参数设置需要高级权限，开关配置和输出点强制需要专家权限。参数设置一定要准确，且与程序和设备实际相对应，否则启动时会出现故障信号。

图4 触摸屏参数设置Fig.4 Parameter settings of touch screen

3.3 报警事件

报警事件菜单如图 5 所示。其中，当前报警栏显示的是正在发生的报警 (信息内容代号为 A***)，报警及事件栏显示的是所有的报警、事件(信息内容代号为 E***)和状态信息(信息内容代号为 S**)。事件包括开关合分状态、启动状态(收到启动指令、开始启动逻辑、切换备妥)等内容。

图5 报警事件Fig.5 Alarm event

3.4 历史数据

历史数据可以查看之前的启动数据，包括电动机电压与电流、无功电流、网侧电流(降压器一次电流)和启动时刻。数据记录的时间间隔为 0.5 s。网侧电流数据非测量值，是根据电动机电流、无功电流和降压器变比计算出来的数值。从下拉菜单中选择日期，可以查看对应日期当天的启动数据。

3.5 控制说明

图6 TCS-M 装置控制流程Fig.6 Control flow of TCS-M device

(1)软起动装置进行自检时，满足启动条件后系统状态变为启动备妥，才允许电动机启动。

(2)操作人员远程发送启动指令到软起动装置，软起动装置控制启动开关、无功开关、降压器星点开关，依次合闸，延时 1 s 控制启动柜合闸，高压电源接入后开始启动。

(3)软起动装置实时检测电动机电压和电流。当电动机电压超过降压器额定输出电压，且电动机电流小于额定电流时(电压+电流切换方式)，开始全压切换。无功开关、降压器星点开关依次分闸，然后运行开关合闸，启动开关分闸，电动机启动完成。

4 调试

在送高压电之前要仔细检查，并确认以下事项[5]：

(1)检查一次电缆连接是否正确，相序是否正确，连接螺栓是否紧固；

(2)检查二次电缆连接是否正确，连接是否紧固；

(3)检查确认进线柜、启动运行柜及上级高压柜的微机保护设定值；

(4)电动机启动前，应进行盘车，检查电动机转子是否转动灵活，无卡塞现象；

(5)电动机带载启动时，应确保负载处于最小状态，防止电动机带重载启动；

(6)检查各主要开关合分闸是否正常；

(7)检查确认 PLC 程序逻辑控制是否正常，触摸屏上显示状态、参数设置是否按照实际配置。TCS-M 装置参数设置如图 7 所示；

图7 TCS-M 装置参数设置Fig.7 Parameter setting of TCS-M device

(8) 高压电启动时，机旁和高压室应分别有人值守，如发生电动机堵转等异常应及时停机。此外，还要做绝缘电阻试验和交流耐压试验。

在送高压电源试车前，应对软起动装置进行模拟启动测试，以确保联锁信号连接正常。启动测试方法如下：

(1)将电源进线柜或启动运行柜断路器手车摇出至试验位置，确保高压电源不会接入启动回路，同时在启动柜和运行柜的微机保护中取消低电压保护；

(2)在触摸屏参数设置画面中，将电压电流模拟功能切换为已开启状态；

(3)查看启动条件画面，确认启动条件都已经满足，启动备妥变为绿色显示；

(4)远程给启动指令，软起动装置开始启动、各开关依次合闸，随后在 12 s 内电动机电压逐步升到切换电压，电动机电流逐步降到切换电流，满足切换条件后切换到旁路运行，启动完成；

(5)远程发送停机指令，旁路开关和启动柜分闸，电动机停机；

(6)测试完成后，将电压电流模拟功能切换为已关闭状态。

上述检查完毕后，高压送电试车，可在报警事件中查看各个开关的动作顺序是否按照控制流程动作。

电动机电压逐渐升高，说明转矩逐渐增大，电动机电流逐渐降低，在 5.2 s 时，电动机电压升到电网电压的 73%，电动机电流已降到切换电流，此时切换至运行开关，启动开关分闸，数据中查看网侧启动电流最高为 606 A，约为电动机额定电流的 1.52 倍，有效地减少了启动电流，避免了对电网的冲击。

5 结论

使用 TCS-M 装置启动电动机具有启动电流小且恒定、转矩大且逐步增加的特点，可减小电动机启动对电网电压造成的压降，并且无电磁谐波干扰，对电网中其他负荷的影响小。TCS-M 装置整体结构紧凑布局合理，便于装置整体吊装及运输，方便现场安装，人机界面参数设置简便，便于调试、使用和后期维护。