催化裂化裝置大功率電機的軟起動

關鍵詞：電機 軟起動 開關變壓器 晶閘管

Abstract: This article from the motor soft start talking about the benefits of introducing a soft starter motor and the principle of a higher cost of high-voltage soft starter motor, and details on the installation of a petrochemical company in the catalytic cracking unit electrical blast Soft start in the application.

Key words: Motor Soft-start Transformer Switching Thyristor

1.引言

　　交流異步電機以其優良的性能及無需維護的特點，在各行各業中得到廣泛的應用，特別在石油的催化裂化裝置中隨著裝置的增大送風電機的容量也隨之增大。然而由于起動時產生較大的沖擊電流，同時由于起動應力較大[3]，使電機本身及傳動的機械設備承受較大的沖擊造成壽命降低。傳統的星/角、自藕降壓起動方式雖然有助于改善電機的起動性能，但并沒有從根本上解決問題.

　　在電力電子技術飛速發展的今天，軟起動器得到了廣泛的應用。利用晶閘管、單片機技術實現電機軟起動和軟制動是目前普遍采用的一種較好的方法[2]。國內外也涌現了一大批軟起動廠商，比如國外的AB、ABB、西門子，國內的西普等公司，但起動裝置在性能及價格上存在較大的差異。本文從電機軟起動的好處談起介紹了一種具有較高性價比的高壓電機軟起動裝置及其在某石化公司催化裂化裝置中的應用情況。

2.軟起動的好處

　　普通鼠籠式電動機在空載全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的5～7倍。當電動機容量相對較大時，該起動電流將引起電網電壓急劇下降，這會破壞同電網其它設備的正常運行，甚至會引起電網失去穩定，造成更大的事故。因此，一般要求經常起動的電動機引起的電壓波動不大于10%;偶爾起動的電動機引起的電壓波動不大于15%。采用軟起動后起動電流可降為額定電流的1.5～3倍，可大大降低電網電壓的波動率。電動機直接全壓起動時的大電流在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產生很大的沖擊力，加大了定子線圈（尤其是端部）與鐵芯的磨損，會破壞繞組絕緣;鼠籠條上的沖擊力也容易引起斷裂，引起電機故障。電動力的大小與電流的平方成正比。電動機直接全壓起動時的大電流會使定轉子繞組產生大量的焦耳熱。燒損繞組絕緣，降低電機壽命。軟起動可以大大降低發熱量，提高電機壽命。

3.基本原理

　　用晶閘管控制的電機軟起動裝置是在19世紀出現的。當時美國航天局有一位“弗蘭克”的工程師取得了一項專利，叫“功率周波控制器”，利用晶閘管反并聯、調節晶閘管的導通角達到交流調壓的目的，為解決在空載和輕載時交流異步電動機功率因數過低的問題，此技術得到了應用。后來又引入電流反饋技術，使該項控制水平大幅度提高，得到廣泛的采用，美國將采用此技術的裝置命名為“節電器”。

3.1相控調壓

　　由電機學可知，電機運轉轉矩有三個：電磁轉矩、空載制動轉矩和負載制動轉矩。其中電磁轉矩起拖動電機的作用，它與電機端電壓的平方成正比

　　只要能夠平滑的調節機端電壓就能夠達到軟起動的目的。經閘管的相空調壓電路就可以實現這一功能。

圖1 相控軟起原理圖

　　由電力電子理論有，電機的相電壓與電源相電壓、觸發延時角及功率因數角有關[4]。所以改變觸發角度就可以改變電機端電壓起到軟起動的效果。此時的相電壓是非正弦的，上下半周對稱[1]。

3.2開關變壓器調壓原理及特點

　　當前國內外低壓電機的軟起動器已經較為普遍的應用，對于較大型電力電子裝置，當單個電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件串聯或并聯起來工作[4]，由于元件生產工藝所限各器件參數存在一定差異這就大大降低了晶閘管串聯使用的可靠性，這也是高壓電機軟起動沒有得到迅速發展的主要因素，而開關變壓器技術巧妙的回避了這一技術壁壘。

　　它的基本工作原理如圖2所示，是用開關變壓器來隔離高壓和低壓，開關變壓器的低壓繞組與可控硅和控制系統相連，通過改變其低壓繞組上的電壓來改變高壓繞組上的電壓，從而達到改變電動機端電壓的目的，以實現電動機的軟起動。其特點如下：

圖2 開關變壓器原理單線圖

　　1） 電壓和電流能從零起連續可調，對電動機無轉矩沖擊，對電網無沖擊;轉速慢慢上升，有利于潤滑，能延長電動機及機械設備的使用壽命。

　　2） 控制靈活，重復精度高。在起動過程中，能在額定電流以內給電動機以充分加速，因此能最大限度的降低起動電流最大值，最大值保持時間短。

　　3） 開關變壓器是一種高可靠性設備;低壓側電壓低，不用采用可控硅串聯;可控硅的控制技術很成熟，因此該裝置為高可靠性設備。

　　4） 該裝置本身功耗很小，可以連續起動，可以一拖多（容量可不同）。

4.某石化企業應用情況

　　中國石化燕山分公司千萬噸煉油擴建項目中，催化裂化裝置的送風電機由原來的9000kW，增容至12000kW因現有電網情況不能滿足直接起動的要求，所以需要增設軟起動裝置一套。由于石油催化裂化裝置生產工藝的特殊性，所以裝置中主風機的可靠起動關系著生產的連續性及安全性。

　　國內外現有的高壓電機起動方式有串電抗器、自藕變壓器、水電阻、電子式固態軟起動器、開關變壓器式軟起動器、高壓變頻軟起動器，在綜合考慮各種軟起動方式的優缺點后燕山石化最終選定了DJRQ03-12000-1型開關變壓器式高壓電機軟起動裝置，以下是該電機的起動情況。

4.1.燕山石化三催化12000kW高壓電機及負載相關參數：

　　電機：額定功率12000kW，額定電流1322A，額定電壓6kV。（佳木斯電機廠生產）

　　風機：AV-50系列軸流壓縮機。（陜西鼓風機集團有限公司）

　　電網:變壓器—電動機組供電方式,20000kVA變壓器,電壓等級為35kV/6kV

4.2.起動情況

　　2007年4月11日上午10：05分光軸起動12000kw電機，最大起動電流3000A（為額定的2.27倍）、起動時間10.4秒、6kV母線電壓降30%。起動曲線如圖3所示：

圖3 起動曲線

　　2007年4月16日，輕載起動負載靜葉開度為22度，最大起動電流為2850A（為額定的2.16倍），起動時間為40s, 6kV母線電網最大壓降為25%，起動曲線如圖4所示：

圖4 起動曲線

　　由以上兩圖可見其電壓波動率較大，這和系統短路容量有關。該項目是改造項目，原來該系統用于9000kW電機，現改為12000kW電機，系統不變。現在電機電流已做得很小，說明起動裝置性能好，如果不能把起動電流控制得很小，電壓波動還要大。

5.結語

　　用開關變壓器式軟起動裝置起動大電機成功經驗消除了人們的疑慮，解決了大電機起動國產化的問題，在國家大力強調自主創新的今天，無疑具有非常重要的意義。

參考文獻：

　　[1] 　張大禹，紀延超 中壓異步電機軟起動裝置的研制，電氣應用， 2008.8

　　[2]　王新巖 軟起動器的特點及其應用 ，電力自動化， 2007.8

　　[3] 王毅 趙凱岐 徐殿國 電機軟起動控制系統中功率因數角的研究，中國電機工程學報，2002.22

　　[4] 張巖 王歡 , 從電力電子技術看中壓電機的軟起動，控制與傳動，2005.3

　　[5] 孫樹樸 電力電子技術,中國礦業大學出版社2000 年7月

　　[6] 吳大榕,電機學 , 電力工業出版社，1978年。

　　[7] 周希章、周全 ,電動機的起動制動和調速,機械工業出版社，2001年

　　[8] [英]M.G.SAY著.錢慶鑣等譯, 交流電機,中國計量出版社，2000年

　　[9] 楊芳春主編 ,電機與傳動,煤炭工業出版社，1995年

　　[10] 馮欣南編 , 電機學, 機械工業出版社，1985年