（广州智光电气股份有限公司 广东省 510760）
摘要：分析高压变频软起技术在大型电动机启动中的应用并和目前其他的几种启动方式进行了比较，并结合功率单元串联型高压变频器软起原理和多机拖动分时复用技术在项目实际应用中碰到的技术问题给出相应的工程解决方案。
1、引言
随着科技的日新月异，电动机的单台容量越来越大，大型高压同步异步启动方式的基本都需要配套软启动装置，以此来限制启动时的启动电流，降低对上级配电装置的要求和对电网及其他负系统的冲击。那么对软起动装置性能要求需谨慎选择，若性能不佳则有可能造成启动失败，有可能造成设备的损坏及危机配电网的安全运行，还有可能会导致设备的寿命减短。高压变频软起技术较常见的启动方式有很大的优势：其启动电流小启动转矩大，一般在额定电流以下；多级串联运行的谐波小，无需滤波器；功率因素高，一般不小于0.95；无级平滑快速调速，可无限次数启动，对电网和电机的冲击相当小。目前基于多级功率单元串联的高压变频软起已经在冶金、造纸、油气输送等行业大型电机中均有应用。
2、常见的大型电机的起动方案分析
常见的电机启动有直接起动、转子串电阻降压起动、电磁变压器起动、转子变频器起动、定子串电阻降压启动和固态软起动器起动等启动方式等。这些均属于较成熟的单纯降压起动方案，其启动过程中的启动电流比较大，一般都在3Ie以上，高的可达8Ie。对配电系统、电气设备都是一个较大的考验，对前期投资较大。
2.1异步电动机起动分析
异步电动机的轴端输出转矩：
式2-1
其中：Tst—起动转矩，
U，U1—定子绕组相电压，电源电压，V
R2—转子每相绕组的电阻，Ω
X20—n=0时转子每相绕组的感抗，Ω
K—三相异步电动机的转矩常数
S—转差率，
异步机启动电流：
式 2-2
其中：U1—定子电压，V
—定子漏抗，Ω
—折算到定子侧的定子电阻，Ω
—定子漏抗，Ω
—折算到转子侧转子漏抗，Ω
图1 电机启动过程中电流趋势图 图2 异步电机的电压与转矩机械特性
图1中①是直接启动②是固态软起启动③水阻启动，图2中U3>U2>U1；结合公式2-1和2-2中可以看出，电机的启动转矩和机端定子电压是平方正比例关系，电机的定子启动电流与定子机端电压是正比例关系。从式到图我们可以得出一个普遍的结论：降低机端的启动电压可以有效的降低启动电流，但随之也会降低其启动转矩。在轻载或是空载等要求不高的场合可以使用这种启动方式，这也是常规启动器的同时兼顾降低启动电流且保持足够启动转矩的问题。在此背景下新一代的启动器应运而生，那就是变频软起设备，此设备具有变频器的功能有同时具有软起器的功能，说它能当作变频器是因当不做软起器的时候用它作为变频驱动器进行调速和节能设备来用，说它能作为软起是因当不具备节能空间或是工艺或其他原因的情况下将其做软起器用。
根据电机理论有定子每相绕组的感应电动势为：
式2-3
其中：
—忽略漏磁后的供电电压，V
—气隙磁通在定子每相绕组中的磁感应电动势，V
—定子绕组综合系数
—定子频率，HZ
—定子每相绕组的匝数
—
=
气隙磁通量，Wb，其中
图3 变频器拖动的电动机在不同频率下的转矩特性
出当一台电动机设计生产完后其定子匝数，气隙主磁通都是一个定值，从公式2-3中可以得其定子感应电压值只跟频率的大小有关系，那么调节机端电压就变成了一个比较容易的事情。根据项目实际情况选用的变频是的VVF型矢量控制型多机串联变频软起，V/F控制方式在低频率段运行时容易受定子阻抗的影响，需要进行特殊的处理即将频率分段多级分段非线性电压以补偿低频段时的电机负载机械特性。虽变频软起也是降低了机端电压但其是通过斩波改变频率的方式实现降低电压，这样既能保证初始启动电压低也能使电机在足够大的磁通的工况下输出满足负载需要的电磁转矩，图3表示出不同频率下电动机的机械特性。
以上是异步机的特性分析，同步机的特性与此类似但同步机多了一个励磁装置与其控制系统，为保证机械特性的稳定在变频的模式下励磁机采用的是采用的恒电流模式控制。
3 高压变频软起装置
3.1 变频软起系统原理
高压变频软起装置是采用整流移相变压器、多级串联单元技术、SPWM调频技术和锁相遏流技术等多种技术融合的新型装置。此装置没有以前的高低高电压转换而是直接输出的就是电动机系统所需的电压，减少了投资、设备、故障及维护相关的资源。高精度的锁相技术能将变频软起所输出的电压、频率、相位同步锁相到与电机工频侧电网电压三要素一致，配有防止系统小误差波动的逆功率防止装置技术，通过自动化逻辑控制技术达到变频转换到工频的无缝连接，从而实现了变频的软起功能。
3.2 变频软起系统的组成
变频软起系统由整流变压器、功率逆变柜、控制柜、同期柜及切换柜等组成，实际使用时还可按用户要求配套手动或自动工频旁路切换柜。
3.2.1整流变压器
整流变压器副边绕组相互隔离，并采用移相延边三角形接法，保证系统工作在20%负载以上时电网侧的功率因数在0.96以上，可有效的降低硅开关器件在工作中产生的谐波污染。
3.2.2 功率单元电气原理
功率单元主要由三相全桥整流器、滤波电容器组、IGBT逆变桥（H桥）构成，同时还包括功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。其电气原理如图4所示，单元输出电压如图5所示。
图4 系统功率单元图 图5单元输出电压
3.2.3 功率单元的串联
Zinvert系列高压变频调速系统由多个功率单元经过移相串联而成，经多重化后波形更加接近于正弦波，谐波更加小。电压叠加原理类同于“电池组叠加”技术，如图6所示，以6kV每相六单元串联为例，每个功率单元输出交流有效值Vo为577V，相电压即达到3464V，线电压则为6000V，输出相电压波形如图7所示，谐波含量很小，已很接近标准正弦波形。
图6 6kV系统6级输出电压叠加示意图 图7 6kV系统6级输出相电压波形
3.2.4 同期电抗
同期电抗利用的时电抗器电流不瞬变的原理进行遏制电流突变，采用低阻抗大电流串联电抗串入变频输出系统，切换完成后利用高压断路器进行旁路，从而完成其功能。
3.2.5 高压切换系统
高压切换系统主要时采用多台KYN28型高压开关柜，利用控制柜内PLC的控制工艺及电气逻辑对真空断路器合分闸实现同期及工变频的实时转换。
4、一拖多变频及软启动系统组成及原理
4.1 系统组成
一机拖动多机系统的是由两台同步高压电动机、一台高压变频软起、两台励磁装置、多台高压开关柜及一套综合后台PLC控制系统组成，图8就是其系统的原理图。
4.2 系统实现原理
以变频器启动1#电机为例。启动前，合闸1#段母线进线开关QF1，1#母线高压带电；在远方中控或者就地给出“1#电机启动”指令，变频系统接收到该指令后，自动合闸变频器进线开关QF101，励磁涌流柜QF10，变频输出开关QF12；一次回路接通后，变频自动带动电机由0转速升速到额定转速；变频器升速到50HZ后（电机额定转速运行），自动检测工频电压与变频输出电压的相角、幅值，当检测到两者同期后，立即合闸工频开关QF201，待QF201合闸后立即分闸变频输出开关QF12并合闸同期柜QF11，再停止变频后分闸QF101，从而完成无扰的变频转工频切换，完成整个1#电机的启动过程。在同期柜的设计上，不仅能满足变频到工频电源之间同步切换，还可以进一步降低工频线路在无扰转换时期内的工频切换电流。完成1#机启动后即可进行2#电机的启动，相关操作及控制要求同1#电机。
图8高压变频软起一拖二系统原理图
高压同步电机启动摒弃了传统的异步辅助启动牵引入同步的方法，采用新型独家首创的调频启动法，利用变频电源辅助进行，既节省成本又操作简单，具体过程如下：首先高压接入待变频充电完成后，允许接收到启动信号，变频闭合励磁启动节点，投入励磁，并控制励磁电流在一定的范围内；然后系统自动控制输出一定的直流电压，使转子磁极与定子磁极的异性端靠近并开始逐渐在一定的角度内转动；最后输出低频交流电压，产生旋转磁场，进入低速同步阶段，转子很快跟随定子电压频率开始旋转。其中按用户设定的启动时间，系统自动调节输出电压与频率，同时调节励磁电流的大小，直至启动到设定的运行频率。若是异步机则无需进行励磁控制，只需更改控变频软起控制系统的相关参数即可。
5、结束语
这种一拖多分时复用方式进行高压大功率电机的启动和拖动既可是节省前期的投资又可以减少对电网容量的需求，其启动电流控制在电机额定电流以下减少了对电网的冲击，也有效的保护了电机由于大电流冲击造成的热效应和机械冲击效应。这种启动方式在宁波钢铁7800KW、马鞍山钢铁公司7800KW电机及广西金桂浆20MW同步电机等项目中应用，均得到了客户的一致好评。高压变频软启近年来一直成为企业用户及设计院在高压大功率电机启动器首选。
参考文献：
[1]大功率变频器及交流传动（加拿大）吴斌（译者）卫三民 机械工业出版社 2015年8月
[2]ZINVERT系列高压变频说明书V2.0 广州智光电气股份有限公司 2016年10月
[3]变频器技术及应用 徐海 施利春 机械工业出版社 2015年8月[4]电机及电力拖动基础 张晓江、顾纯谷 机械工业出版社2016年11月
作者简介：
毕远胜 男 本科 现任职于广州智光电气股份有限公司，从事高压变频器应用设计研究工作
论文作者:毕远胜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/15
标签：定子论文; 电压论文; 高压论文; 电机论文; 电流论文; 系统论文; 转矩论文; 《电力设备》2018年第3期论文;