变频启动电励磁高压同步电动机在盐厂MVR蒸发工段的应用

变频启动电励磁高压同步电动机在盐厂 MVR蒸发工段的应用

蒋鲜花 曾清平

中国轻工业长沙工程有限公司，湖南 长沙 410114

摘要：本文介绍了盐厂MVR蒸发工段中变频启动电励磁高压同步电动机的电气设计方案，着重阐述了该方案技术上的难点及解决措施，如同步电动机的变频启动、磁平衡差动保护等。

关键词：同步电动机 变频启动 磁平衡差动保护

0引言

某盐厂根据本厂电力需求，前期已建设自备热电站一座，与当地电网并网为厂区内用电设备供电，未设置无功补偿装置。本项目建设时，厂区电源侧功率因数低于电网要求，故根据工艺需要及结合电网对用户功率因数的要求，在制盐车间设置1台容量为7100kW的同步电动机及配电装置驱动MVR蒸发工段蒸汽压缩机。

1 电气设计方案

1.1 配电装置主要设备及参数

某盐厂制盐车间驱动MVR蒸发工段压缩机（参数见1.1.1）的同步电动机及主要配套装置包括同步电动机（参数见1.1.2）、高压变频器（参数见1.1.3）、电励磁装置、高压开关柜。其主要参数及性能如下所示：

1.1.1 压缩机参数

名称：离心压缩机 型号：EGV125-1

介质：水蒸汽 轴功率：6245kW

工作转速：7453r/min

1.1.2 电机铭牌参数

电机类型：同步电动机 型号：T7100-4

功率：7100kW 功率因数：0.85（越前）

额定电压：6000V 额定电流：825A

转速：1500r/min 额定频率：50Hz

空载励磁电压：28V 空载励磁电流：185A

满载励磁电压：86V 满载励磁电流：443A

满载效率：97.46% 制造商：上海电机厂

1.1.3 变频器铭牌参数

变频器型号：希望森兰SBH-060-4500高压变频器

额定容量：5700kVA 输入电压：6000V

输入频率：50Hz 输出电压：0-6000V

输出电流：559A 输出频率：0-50Hz

控制电压：380V 控制电流：20A

变频器容量按电动机带负载启动考虑，约为电动机容量的60%。

1.2 配电装置工作方式及特点

同步电动机采用带负载的方式变频启动，启动完成后切换到工频运行。配电装置主接线详见附图1.2.1，该系统有如下特点：

a.变频装置是静止元件，维护工作量小，可靠性高，设备安装布置较灵活。

b.工作效率高，机组运行时无附加损耗。机组起动过程对供电系统不会产生冲击。

c.对电机结构无特殊要求，可多台机组共用一台装置，经济性好。

d.操作和控制调节较复杂，要采用适当的晶闸管触发方式和冷却方式。

附图1.2.1 配电装置主接线图

2 电动机的启动

2.1 变频启动过程

变频启动时，转子加入励磁电流，定子侧由变频电源高压变频器供电，变频器输出频率由零逐渐增加，向电机定子输入频率逐渐上升的三相交流电。定子三相电流产生的旋转磁场与已励磁的转子相互作用而产生加速转矩，牵引着转子缓慢地同步加速，直到转速达到额定同步转速。满足同期条件时，将机组投入电网，切除变频装置，完成启动过程。

2.2 高压变频器

SBH变频器为交直交电流源型变频器（交直交变频器首先将恒定的交流电经整流变换成直流电,经过滤波再将平滑的直流电逆变成频率可调的交流电），可根据电动机参数如同步电机额定转矩、转动惯量的不同计算出频率随时间变化的规律以能够保证转子的转速随着旋转磁场转速增加直额定值，同时调节电动机的端电压值满足电压大小与频率大小比值恒定，以保证启动过程中电动机的过载能力不变。

2.3 励磁系统

同步电动机采用它励的直流无刷励磁，励磁电源采用交流双电源供电。系统采用三相半控桥式可控硅整流电路，向同步电动机转子绕组提供直流励磁电流。励磁电流的设定值主要通过电枢电流与速度的函数值来设定。励磁系统具有以下功能：

1. 具有手动/自动调节励磁功能；

2. 具有恒电流、恒功率因数自动调节功能；

3. 具有失步保护及不减载自动再整步功能；

4. 在运行期间，电网电压降至额定电压的80%时，励磁系统可提供不小于额定励磁电压1.4倍的强励电压；

5. 具有完善的保护功能，能满足长周期连续运行的要求。

2.4 高压变频器与励磁系统的配合

励磁控制柜在变频器启动过程中完全由变频器控制。

（1）变频启动阶段

变频器启动时，其输出频率一般从0Hz 或一极小频率开始运行，此时变频器发出运行信号、励磁电流给定信号至励磁装置。励磁装置根据控制逻辑将立即投励，并根据所给定的励磁电流信号输出，将同步电动机在低转速下牵入同步。随着变频器输出频率的增加，电机速度逐渐升高，励磁装置依据给定的励磁电流信号使装置工作在恒流励磁状态，达到同步启动过程中定子电流最小的启动要求。

如果变频器在起动过程中发生故障，当励磁装置收到此故障信号时，立即关断输出并通过灭磁回路进行续流灭磁，将励磁绕组中的能量依发热形式消耗。

(2) 变频启动完成整步并网阶段

启动完成后电动机将切换到工频运行，切换后，励磁装置平滑过渡到切换前的励磁电流值运行，在收到变频器发来的触点信号（“提供励磁”）后，励磁装置方可改为其它方式运行。

(3) 电机工频运行加载阶段

此阶段励磁装置按设定的运行方式及设定值运行，装置的功能如失步保护、灭磁误导通保护、缺相保护等全部投入。此后励磁装置按通常的控制方法及程序进行。

2.5 配电装置与DCS系统的配合

DCS系统与配电装置（变频装置、高压配电柜）的通信功能采用控制电缆等硬接线方式实现。

变频启动过程中，整个控制过程全部由变频器配合DCS系统自动实现，DCS系统只需向变频装置发出启动和上切开始两个指令，操作简单明了。

电机的运行电机并入工频电网运行后，电机的继电保护以及励磁电流调节完全由励磁系统实现。压缩机在运行中，根据工艺需要对其进、出口阀门进行调节，这将带来电机负荷的变化，此时可根据同步电动机的功率因数、无功功率以及同步的需要，对励磁电流进行设定。励磁电流的设定模式有内设定（操作面板）和外设定（用户DCS上位机），控制模式有恒励磁电流、恒无功功率与恒功率因数。实际运行中，通常采用恒功率因数控制模式，励磁电流根据功率因数的设定值而自动调节。

DCS系统通过控制电缆与电动机馈线柜联系，将电机电流信号、断路器状态信号、允许DCS合闸等信号从配电装置传递给DCS系统，同时馈线柜接受来自DCS系统的启动、停机控制信号，使得配电装置更好地配合生产工艺，安全可靠地运行。

同步电动机配电装置与DCS系统的接口详见附图2.5.1

附图2.5.1 同步电动机配电装置外部接线图

3 电动机的保护

根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB/T 50062-2008的对容量为2 MW及以上电动机的要求，以及在实际运行过程中同步电动机可能出现各种故障或不正常运行状态，方案已设置如下保护：

1. 负序过电流保护 负序过电流分别对电动机反相、断相、匝间短路以及较严重的电压不对称等异常运行工况提供保护。

2. 单相接地保护

3. 过负荷保护

4. 低电压保护

5. 同步电动机失步保护

6. 同步电动机失磁保护

7. 同步电动机出现非同步冲击电流保护 防止电源短时中断再恢复时造成非同步冲击。

8. 启动时间过长保护

9. 堵转保护 防止在运行中发生堵转，电流将急剧增大，容易造成电动机烧毁事故。

（10）磁平衡差动保护及过电流后备保护。

本文着重对高压同步电动机的磁平衡差动保护进行讨论。

3.1 磁平衡差动保护与传统纵联差动保护的异同

磁平衡差动保护是自平衡差动保护，有的称为“小差动保护”，它是基于磁势平衡原理实现差动保护的一种方法。通常条件下，磁平衡差动保护由三个磁平衡电流互感器和三个对应的电流继电器组成。高压同步电动机的磁平衡纵差保护可以灵敏反应定子绕组的相间短路故障(含定子绕组对另两相中性点短路)，但不能反应电动机内部同相定子绕组的匝间短路和定子绕组的断相故障，因此，就反应故障类型来说，与常规纵差保护无区别。在电动机启动、外部短路故障时高压电动机流向配电装置的反馈电流、外部短路故障切除后高压电动机自动启动过程中不会形成不平衡电流，这与常规纵差保护是有区别的。对外部单相接地故障，则有不大的不平衡电流。若电动机所在网络的电容电流足够大，磁平衡式差动保护还可以反应单相接地短路故障。

3.2 磁平衡差动保护整定计算

电动机（凸极）电容电流：

=[314*40*(7100/0.85)^3/4*6000*10^-6]/[ *(6000+3600)*1500^1/3]

=(6.5844*10⁴)/1.9011*10⁵=0.3464(A)

定子绕组每相零序电容：

=0.3464/(1.732*314*6)=0.106*10^-3( )

磁平衡差动保护动作电流：

=1.2*314*2.27*3.64*0.106*10^-3=0.33(A)

保护动作电流过低，为防止误动作，电动机磁平衡保护整定值应按电动机额定运行电流的 10% ～20%整定。

选用规格为500/1A,5P20级15VA磁平衡差动保护装置互感器，

Iopk=Iop/n_TA =0.15*825/500=0.25(A)

4 结束语

某盐厂变频启动电励磁同步电动机自投运以来，启动和运行过程平稳，具有有以下优点：

（1）启动过程平稳，对电网、机械设备无损害，启动时间可调；

（2）配电系统具有磁平衡差动、过负荷、单相接地、失步保护及防止非同步冲击的断电失步保护等保护功能，电动机运行可靠；

（3）启动可靠性高，一次启动成功率高达98%；

（4）充分体现同步电动机功率因数可调、对电网电压不敏感、过载能力强、运行效率高等优点。

综上所述，该同步电动机在某盐厂运行良好。该电气设计方案解决了同步电动机启动困难等难点，发挥了同步电动机的优势，对于推广变频启动电励磁高压同步电动机的应用具有实用价值。

参考文献：

［1］中国航空工业规划设计研究院． 工业与民用配电设计手册（第4版）

［M］． 北京：中国电力出版社，2016

［2］李斌、范瑞卿、贺家李． 电动机磁平衡式差动保护的整定计算

［J］． 电力系统保护与控制，2010，38(13):79 －82

［3］GB/T 50064—2014，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范

［S］． 北京：中国计划出版社，2014

［4］GB/T 50062—2008，电力装置的继电保护和自动装置设计规范

［S］． 北京：中国计划出版社，2009