大型空分高压电动机起动装置的比较

62007年第3METALLURGICAL POWER总第121大型空分高压电动机起动装置的比较薛仲刚,潘玉鹏,刘金霞山东省冶金设计院山东莱亮27104)摘要】主要论述了空分装置配套大型电动机的软起动介绍了当前国内国际正在应用和新推出的几种中压软起动装置并对它们的性能作了比较以期对相关设备的设计选型和运行维护有所帮助。【关键词】软起动变频;晶闸管;磁控;液阻;性能比较【中图分类号】TM34【文獻标识码】B【文章编号】100667642003-00604Discussion on Startup Device of High-Voltage Motor for Large Air CompressorXUE Zhong-gang, PAN Yu-peng, LIU Jin-xiaShandong Instinte of Metallurgy Designing, Laiwu, Shandong 271104, China)Abstract】Thdiscuseed. The currentlhome and abroad were presented and their properties were compared, so as to give a refer-1概述2大型交流电机软起动必要性的分析近年来由于钢铁石化行业飞速发展空分设备21电动机直接起动的分析的等级不断提高,其所配套的压缩机电机容量也越大功率交流电机直接起动会产生一系列电气和来越大,如莱钢近两年新上的4台22000m}h制机械问题。氧机配套空压机电机均为10000kW,莱钢冶金电气方面:起动时可达5~7倍的额定电流造厂区容量超过4500kW的大型电动机已达26台,成电动机绕组因电流引起过温从而加速绝缘老化导致6-10千伏级中压电网供电负荷与容量之间的造成供电网络电压波动大当电压≤085时,影响矛盾加剧,加大了对于中压软启动装置的需求。因其他设备的正常使用。此如何科学、合理地选择大型高压电动机的起动装机械方面过大的起动转矩产生机械冲击对被置,已成为现实面临的一大课题。拖劲的设备造成大的冲击力缩短使用寿命影响精对于高压电动机在电网容量和工艺条件允许的确度如使联轴器损坏、增速器齿轮箱损坏等;造成情况下可以直接启动,如果电动机的启动对电网或机械传动部件的非正常磨损及冲击加速老化缩短压缩机冲击较大,造成电网压降过大(标准规定的寿命。最大允许值为15%),或者工艺条件不允许的情况22有级降压起动的分析下就不能直接起动。随着电力电子技术的进步及电有级降压起动主要是指电抗器和自耦变压器起力半导体器件在高电压大电流等方面水平的提高,动方式:中压变频软起动装置、中压晶闸管固态软起动装置(1)电动机在改变其端电压时的转矩特性,转在国外相继出现如美国 Benshaw公司于1988年推矩与电压的平方成正比出的世界上第一台中压晶闸管固态软起动器。2002年以来,几种国产中压软起动装置新产品也应运而串电抗器后起动电流成正比减小起动转矩则生这就是中压磁控软起动装置开关变压器软起动成平方关系地减小,因此电抗器阻值的选择必须依装置和中压晶闸管固态软起动装置。据电机起动的阻力矩的情况,只有起动转矩大于阻冶金动力总第121期METALLURGICAL POWER力矩电机才能顺利起动。这就要求串入电抗器后电设备的冲击,控制灵活,重复精度高,具有完善的电机的端电压不能太小,一般选择不低于07Un,其起机保护。动电流也在直接全压起动电流的07倍左右。为了固态软起动器的输出响应非常快输出电压对移减小起动电流总希望电抗值大一些,但这样又容易相控制信号的平均响应时间只有33ms它可以有三造成起动失败为了保证起动的成功率电抗值就要种起动方式最常用的是采用电压斜坡控制使软起小一些但这样起动电流又偏大,所以电抗器适合于动器输出电压随时间线性上升直到全电压输出。在电网容量较大和负载(起动时)比较稳定的情况。采用电流反馈的情况下可以保证起动电流恒定。(2)与电抗器降压起动相比在获得同样起动转由于目前电力电子制造业能够提供SCR的耐压矩的情况下,自耦变压器降压起动需电网提供的起动有限需要用几个SCR串联,要求SCR器件有很好的电流较小对电网电压的影响也小,适合于阻力矩比致性,SCR的导通和关断有很好的静态和动态的同较大的情况以及电网短路容量较小的情况其性能步性。国内的产品还刚起步不久,应用在2000kW优于串电抗器起动自耦变压减压起动的主要缺点是以上的大型电动机的业绩还不是很多,目前国外的在开关切换的过程中仍然有较大的转矩突变存在 Benshaw、 Rockwell, Motortronlcs等公司已经做到了对电网及设备的二次冲击,且切换开关较多。20000kW以上,但其产品价格还比较贵。3大型中压交流电机软起动的主要方式该装置本身功耗很小,可以连续起动,可以一拖多目前中压电动机软起动装置主要有:变频软起机。对于有多台压缩机的场合还是比较经济的,可动晶闸管固态软起动开关变压器软起动磁控软优先考虑。起动液体电阻它们的性能价格功能差异很大除变频软起动、晶闸管固态软起动、开关变压器软起动外,其他都属于降压软起动。31中压变频软起动装置变频器主要是用在交流电动机调整上,具有明显的节能效果,特大型电动机(10000kW以上)以前多选用变频器来作软起动装置。用变频器做软起动装置其性能是非常理想的它的电压和频率都能连续可调,保持电动机有较小的转差率可以做到起动电流接近电动机额定电流,(a)直接形式(b)开关变压器形式起动力矩大起动过程中保持08-09的功率因数图1晶管中压电机软起动单线图具有很好的起动性能,但是采用变频器起动需要采在图1(b)中,开关变压器式中压电机软起动用同步切换技术即在电动机达到额定转速后要使装置是用开关变压器来隔离高压和低压,其低压绕变频器输出电压的频率、相位和幅值与电网电压完组与晶闸管和控制系统相连,通过改变其低压绕组全相同,然后才能将电动机接到电网的真空接触器上的电压来改变高压绕组上的电压,从而达到改变合闸再将变频器输出至电机的真空接触器断开同电动机端电压的目的以实现电动机的软起动其特步切换一方面技术比较复杂另一方面成本较高。点是开关变压器低压侧电压低,不需采用可控硅的目前采用的中压变频器软起动装置主要从国外串联技术在起动过程中开关变压器始终处于开和进口随着变频技术的进步及价格的降低,变频器作关两种工作状态其损耗很小。该产品已由哈尔滨帕为软起动装置的应用会越来越多,相信最终将取代特尔科技公司研制成功并投入使用实际运行比较其他软起动方式。理想,其价格约为进口产品30%左右。32中压晶闸管固态软起动装置33中压磁控软起动装置中压电动机采用固态软起动器的接线见图1。磁控中压电动机软起动装置的原理接线图如图品闸管固态软起动是用微电脑控制晶闸管导通2所示。角以调节输出电压电流。这种装置的起动性能能磁控软起动装置是从电抗器起动衍生出来的达到全方位的软起动即电压电流都能从零起连续磁控软起动的主要特点是用可控制的饱和电抗器取可调,能完全免除对电网的冲击和对电动机及机械代电抗器在磁控软起动装置里SCR三相桥式整流冶金动力200年第3期METALLURGICAL POWER总第121期电路通过调节饱和电抗器控制绕组中直流的大小改把大量的能量消耗在水电阻上,然后逐渐向电动机变铁芯的饱和度从而改变电抗值的大小来控制电转移能量使电动机升速。起动期间串联电阻的功动机的起动电流耗很大在该装置里饱和电抗器有两个作用,即功率的液阻的连续调节靠的是极板间距,拖动极板的放大作用和高低压隔离作用。磁控软起动装置的控是伺服电机这类装置可按开环或闭环方式工作按制核心是PLC,它接受电流反馈信号,输出触发脉开环方式工作时,伺服电机转速是恒定的;按闭环方冲,实现电流闭环控制式工作时,伺服电机转速按偏差自动调节。磁控制软起动的优势:热变电阻器极板不动,电阻的调节依靠电解液(1)成本低,寿命长;的负温度特性,不需要伺服控制系统。该装置只能按(2)可靠性高耐受恶劣环境的能力强维护工开环工作,无法实现闭环控制。作量小;(3)空间利用率高(装置的电控部分和饱和电抗器以前装在一个柜子里,全部设备均在主配电室内);Q(4)总谐波畸变率较小;(5)可控性好,参数设定方便;(6)能重复起动重复精度高,可以一拖多机。但它尚有如下弱点:(1)起动电流的调节范围偏小,一般在(254)L以内;(a)接电动机进线侧(b)接电动机星点侧(2)有01秒量级的惯性,这使磁控软起动的图3液阻中压电机软起动单线图快速性比晶闸管软起动慢一个数量级;液体电阻的优点(3)辅助电源容量较大(1)不产生高次谐波(4)软起动过程中装置会发出一些噪声。(2)因电流相位相对于电网电压的滞后角较磁控中压软起动装置在2002年已由天津先导小,同样电流引起的电压降比纯电感性的软起动装机电公司研制成功并投入使用,实际运行稳定可靠,置小;武汉克锐尔公司2005年也有类似产品投放市场,目(3)装置的成本低。前已投运单机最高功率为6000kW但液体电阻的工作原理和结构决定它有如下的致命弱点:(1)难于实现软起动仿真。液体电阻器的仿真存在很大的难度。难度在于很难获知数学模型受许多因素的影响,如环境温度、电液介质极板、空间等,因此起动电流的控制精度较差变化范围较大,QF2一次起动成功率较低。(2)在起动过程中随着热量的积累温度上升,电阻变化较大这就使得它在二次起动之间必须充分冷却。因此不宜连续起动对热变电阻尤为明显。(a)接电动机进线侧(b)接电动机星点侧(3)即使采用电流闭环控制,因响应速度慢,如图2磁控中压电机软起动单线图要做转矩控制会更困难。34液阻软起动(4)由于电解液受热会挥发需要不断补充并液阻软起动装置的原理接线图如图3所示。且电极会电解掉需要定期更换。电解液挥发所带来液体电阻由水和电解质组成,利用极板的移动的盐雾会腐蚀周围的电气设备。因此非但它本身的或通电后水温的变化来达到调节电阻的变化。前者寿命不长,而且也会影响其他电气设备的寿命简称“液阻”,后者简称“热变电阻”。起动时,二者(5)由于液阻箱体积大,占用空间就大,势必增30年第3期冶金动力METALLURGICAL POWER加额外投资。从使用的情况来看其最根本的问题还难以解决这(6)电解液的鱼温度特性也决定了该装置受环种起动器只能是现阶段的一个过渡产品,已有被固境温度影响较大,尤其是在我国北方地区,冬季和夏态软起动器代替的趋势。季环境温差可达50℃,冬天就必须设取暖设施增4各种软起动的性能比较加了投资,也增加了运行成本。各种软起动的主要性能和工作特点如下:另外,液阻的调节需通过传动机构降低了可靠(1)自耦变压器有级降压软起动在降压的同时性。而热变电阻尽管不需伺服机构但是以牺牲可控可以使电网电流得到与<1的降压比成反比的放大性为代价。由于热变电阻是根据温度变化进行开环(2)晶闸管:用微电脑通过晶闸管实现软起动,调节使得每次起动时的性能不可能一致连续起动调节快速性好闭环控制,带电机保护操作菜单化。时的电流越来越大,导致继电器保护整定动作这就(3)磁控:蛹PLC通过磁饱和和实现软起动,是重复性问题,重复性指的是不同软起动过程的一调节快速性好,闭环控制,操作菜单化。致性,是软起动的重要指标之一。而热变电阻对环境(4)液阻:离子导体由极板间距控制电阻,可闭温度的变化网压的波动毫无办法。环控制。在国外早期有液阻软起动产品,不过都是串联(5)热电电阻:离子导电,靠电解质电导率的负在绕线电机转子回路里现在已不再使用。前几年开温度特性改变阻值始,国内较多厂家已经将水电阻应用到中压电机的(6)变频:本质上不同于降压软起动。限流不牺起动上,在技术上进行了创新并有相当数量的产品牲转矩。带电机保护操作菜单化投入使用,容量也已经做到了15800kW。但是,以上软起动的性能比较见表1。褒1各种软起动的性能比较软起动控制方式软停止高次谐波重复性连续启动使用寿命起动功耗维护工作量外形尺寸环境耐受设备费用其他配套投资自朝变压器开环难小稳定可以长小较小较强较高晶闸管电流闭环易较大稳定可以长小小较强较高磁控电流闭环较易较小稳定可以长较小小小小大大较小液阻开环、闭环较难较差不推荐短大低低高高热变电阻开环不能无差不可以短大大较弱变频易可消除稳定可以.长较小较小较弱低低高小较高众所周知,起动装置对于大型电动机能否正常件有限的情况下,才考虑采用何种软起动方式。由于运行至关重要而市场上的生产厂家众多,产品的形各地环境不同,比如在北方,就不宜使用液体类产式性能也不尽相同通过前面对各种中压起动装置品,宜采用固态软起动。在经济性方面除了自身装的起动方式和优缺点的论述,希望对合理地选择适置的费用外,还应综合考虑其使用年限、安装成本合本行业的起动装置能有所帮助。运行成本、配套设施部分费用。总之应根据具体情起动方式的选择原则首先要确保设备简单、安况,进行综合比较得出最理想的结果。全、可靠操作维护方便起动一次成功。就空分行业收稿日期:2006-11-30而言大型电动机主要用于压缩机拖动其工作方式作者简介;薛仲刚(192-),男,195年毕业于中国矿业大学电力系为不频繁起动供电电源相对独立在电网和机械允魏及其自动化专业,工程师,现从事电气工程设计工作许的情况下可以采用诸如电抗器等形式。在电网条(上接第2页)尚属最新电能质量控制技术,全球范降低设备对电压叫陷的敏感度。围内的应用最近几年刚刚开始,且装置价格较高约参考文献在2500~3000元№VA左右投资大。以三钢高线(肖湘宁.电能质量分析与控制北京:中国电力出版社厂为例,要装设3700kA大容量的DvR,至少需孙树勤电压波动与电压闪变北京中国电力出版社投资925万元以上不经济。因此在目前情况下解收稿日期:2006-11-28作者简介:王大居(1971-)男,199年毕业于橘州大学电气系电力决电压凹陷最有效、最经济的的办法还是积极采取系统及其自动化专业,工程师现从事高压配电及自动控制工作。组织措施、技术措施减少公用电网发生短路故障和