高壓大型同步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器降壓起動(dòng)方式的探討

張寶喜

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

1 前言

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動(dòng)機(jī)制造工業(yè)生產(chǎn)力得到很大釋放，單機(jī)容量迅速提升，產(chǎn)品種類和技術(shù)指標(biāo)不斷增加，標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，與國(guó)外電動(dòng)機(jī)制造工業(yè)水平差距逐漸縮小，大容量電動(dòng)機(jī)的使用越來(lái)越廣泛。

同步電動(dòng)機(jī)作為常用的交流電動(dòng)機(jī)，與直流電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同在于，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無(wú)關(guān)而始終保持為同步轉(zhuǎn)速，且其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，因此適用于恒速負(fù)載且功率較大的場(chǎng)合以及需要改善電網(wǎng)功率因數(shù)的場(chǎng)合[1]。

同步電動(dòng)機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)使用，又可以作為補(bǔ)償機(jī)使用，還可以作為發(fā)電機(jī)使用。在現(xiàn)代發(fā)電廠中，交流發(fā)電機(jī)幾乎都是同步發(fā)電機(jī)；在電力企業(yè)和工礦系統(tǒng)中，大容量的電動(dòng)機(jī)往往都是同步電動(dòng)機(jī)或者同步補(bǔ)償機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，存在著失步與起動(dòng)困難兩大難題，這些難題制約著同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用與發(fā)展[2]。

2 同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的選擇

2.1 交流電動(dòng)機(jī)的各種起動(dòng)方式

籠型異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式常用的有全壓起動(dòng)、降壓起動(dòng)和變頻起動(dòng)。

2.2 交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的比較

變頻起動(dòng)是一種高效率、高性能的起動(dòng)和調(diào)速方式，伴隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，變頻起動(dòng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是其系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)較高，轉(zhuǎn)速變化率小，對(duì)項(xiàng)目的初始投資造成一定的困難。

減壓起動(dòng)常用方式有以下六種：1）星形-三角形減壓起動(dòng)；2）延邊三角形減壓起動(dòng)；3）電阻減壓起動(dòng)；4）晶閘管減壓起動(dòng)；5）電抗器減壓起動(dòng)；6）自耦變壓器減壓起動(dòng)。其中前四種常用于低壓籠型異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)于高壓籠型異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)，一般只采用后兩種減壓起動(dòng)方式。

自耦變壓器減壓起動(dòng)和電抗器減壓起動(dòng)均常用于高壓電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，但是自耦變壓器減壓起動(dòng)的特點(diǎn)是起動(dòng)電流較小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大；而電抗器減壓起動(dòng)的特點(diǎn)是起動(dòng)電流較大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小[3]。

2.3 起動(dòng)方式的要求

對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)優(yōu)先采用全壓起動(dòng)，且在起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電壓降、起動(dòng)容量、電動(dòng)機(jī)及其起動(dòng)設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定應(yīng)滿足要求。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，應(yīng)對(duì)變壓器過(guò)負(fù)荷進(jìn)行校驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求、設(shè)備廠家試驗(yàn)數(shù)據(jù)：1）若每晝夜起動(dòng)6 次，每次起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)15s，變壓器的負(fù)荷率小于90%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許為變壓器額定電流的4 倍；2）若每晝夜起動(dòng)6 次，每次啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間不超過(guò)30s，變壓器負(fù)荷率小于70%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許值為變壓器額定電流的4 倍；3）若每晝夜起動(dòng)10～20次，每次起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)30s，變壓器負(fù)荷率小于70%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許為變壓器額定電流的2～3 倍；4）若每晝夜起動(dòng)10～20 次，每次起動(dòng)時(shí)間不超過(guò)15s，變壓器負(fù)荷率小于90%時(shí)，最大起動(dòng)電流允許為變壓器額定電流的2～3 倍。當(dāng)不符合上述條件時(shí)，應(yīng)加大變壓器的容量，而不是進(jìn)一步降低起動(dòng)電壓，否則會(huì)延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，使變壓器過(guò)熱[4]。

不經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電壓降不應(yīng)大于15%；經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電壓降不應(yīng)超過(guò)10%；在保證生產(chǎn)機(jī)械所要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又不影響其他用電負(fù)荷的正常運(yùn)行，起動(dòng)電壓降可允許到20%。

2.4 項(xiàng)目實(shí)用舉例（僅對(duì)自耦變壓器減壓起動(dòng)方式研究計(jì)算）

某項(xiàng)目2500kW 變流機(jī)組的同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件計(jì)算：

1）變電所3kV 母線上短路容量Sdl=45MVA；2）機(jī)組的靜阻轉(zhuǎn)矩M*j=0.1；3）母線上的無(wú)功負(fù)荷Qfh=1.5Mvar；4）機(jī)組的總飛輪轉(zhuǎn)矩GD2=43.6Mg；5）電動(dòng)機(jī)的額定容量Se=3.3MVA；6）電動(dòng)機(jī)的額定功率Pe=2500kW；7）電動(dòng)機(jī)的額定電流Ie=626A；8）電動(dòng)機(jī)的額定電壓Ue=3kV；9）3kV 母線電壓Ue’=3.15kV；10）電動(dòng)機(jī)的全起動(dòng)電壓U*qe=1；11）電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)的電流倍數(shù)Kiq=7.5；12）電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩M*qe=0.9；13）電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)的牽入轉(zhuǎn)矩M*yr=0.7；14）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的平均轉(zhuǎn)矩M*qp=0.8；15）電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)cosφ=-0.88；16）電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ne=1000r/min；17）連續(xù)起動(dòng)次數(shù)N=2 次；18）最小 電壓（Uqe’=0.6×Ue）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Me’；19）電動(dòng)機(jī)0.6×Ue起動(dòng)時(shí)的牽入轉(zhuǎn)矩M*qyr。

計(jì)算全壓起動(dòng)的可能性：

1）計(jì)算系數(shù)α=1/U*m-1=0.25（根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范GB50055 要求，U*m=0.8，下同）;2）采用全壓起動(dòng)的條件：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，不滿足全壓起動(dòng)條件。

計(jì)算自耦變壓器起動(dòng)的可能性：1）計(jì)算系數(shù)δ=U*m×（1-U*m）=0.16；2）采用自耦變壓器減壓起動(dòng)的條件：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，滿足自耦變壓器減壓起動(dòng)條件。

3）計(jì)算系數(shù)α=1/U*m-1=0.25

4）自耦變壓器的變比

5）可選用某廠家非標(biāo)準(zhǔn)的自耦變壓器，其變比Nbz=0.73。

自耦變壓器起動(dòng)校驗(yàn)：

1）起動(dòng)電壓降低時(shí)的起動(dòng)容量

表1 某廠家自耦變壓器各種電壓段的二次電壓與一次電壓之比

表2 某廠家自耦變壓器的容量和負(fù)荷時(shí)間的變動(dòng)系數(shù)

2）起動(dòng)時(shí)母線上的電壓

3）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子電壓

4）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量Sq=（Ud/Ud）2×（Kiq×Se）=0.572×（7.5×3.3）=8.05MVA

5）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流Iq=U*q×Kiq×Ie=0.57×7.5×625=2670A

6）起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩M*q=（Ud/Uqe）2×M*qe=0.572×0.9=0.292＞0.1，電動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)。

表3 某廠家自耦變壓器各種電壓段的二次電壓與一次電壓之比

7）起動(dòng)一次的時(shí)間

8）起動(dòng)計(jì)算時(shí)間tjs=tq×N=48.7×2=97.4s=1.6min

9）必需的自耦變壓器容量Sbz=Sq×tjs/2=8.05×1.6/2=6.4MVA

10）電壓降低后所需自耦變壓器容量Sbz’=Sbz×（1/U*m）=6.4×（1/0.78）=8.2MVA

11）選用某廠家自耦變壓器的容量9MVA。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）高壓大型同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，對(duì)于電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極大影響，因此，必須按照電壓暫降的要求對(duì)起動(dòng)方法進(jìn)行選擇、計(jì)算及校驗(yàn)[5]。

2）對(duì)于高壓大型同步電動(dòng)機(jī)是否允許直接起動(dòng)，首先取決于電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)條件，它由電機(jī)制造廠決定。在不能取得電機(jī)制造廠的資料時(shí)，通?？砂聪铝蟹椒ü浪悖诜舷率鰲l件時(shí)，是認(rèn)為可以直接起動(dòng)的：

對(duì)于3kV 電動(dòng)機(jī)：Pe/極對(duì)數(shù)≤250-300kW

對(duì)于6kV 電動(dòng)機(jī)：Pe/極對(duì)數(shù)≤200-250kW

3）在電網(wǎng)容量允許時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)盡量采用直接起動(dòng)。只有在電網(wǎng)容量及電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不允許直接起動(dòng)時(shí)，才必須考慮采用電抗器減壓起動(dòng)、自耦變壓器減壓起動(dòng)或變頻起動(dòng)。