高压交流电动机液态软起动技术.doc

高压交流电动机液态软起动技术 陈建国 孙玉鸿 曲安义 张珍珠 李 刚(湖北追日电气设备有限公司 襄樊 441002)1 概述大功率交流电动机直接起动的冲击电流造成以下两方面的危害：一是对短路容量有限的电网，造成网压的下降，影响共网其它电气设备的正常运行，例如跳闸，精密仪表不能运行，被加工产品质量下降，高压钠灯等照明灯具长时间熄灭；二是对电动机及所带动的设备产生电气和机械冲击，加速电动机的老化或机械的损坏。软起动装置应能抑制电动机的起动电流，在限定的时间内将它驱动到额定转速。并在必要的情况下允许多次连续起动，同时还应兼有若干保护功能，如短路、过载、起动超时、欠电压、系统异常等故障出现后，装置应能作出相应的防护并发出警示信号。 软起动装置在起动过程中的节能功效并不是本装置的突出优点。但是，一些大容量电动机往往因起动困难而长期处于空转等待状态，借助本软起动装置去实现起停自如的特点将大大提高作业率，从而产生巨大的节能效果。（例如某钢铁公司1250kW风机就曾经因为起动困难而长年空转浪费电能达300多万度年)2 液态软起动装置在起动过程中，将阻值可变的液态电阻串入到定子回路或转子回路，实现限流，在起动完成后将它短接。电阻值的可变性是靠改变两电极板之间的距离实现的，电动机转速随着电阻值的减少而平滑升高，借以维持或增加起动力矩，并为短接时不产生电流冲击准备条件。 将液阻串入定子侧的方法本质上属于降压起动，它是以损失部分起动力矩为代价的；但对于非恒转矩负载（如风机）或轻载起动的大功率高压交流电动机来说，在电网容量不是足够大或瞬时对拖动设备冲击大时却是可采取的最佳方式之一。而在转子侧串入液变电阻的方法，可以在限制起动电流的同时，始终保持较大的起动转矩，另外还可根据工况的需要进行平滑调速。由于既可串在定子侧，也可串在转子侧，所以液态软起动设备具有适应范围宽的特点；同时液态软起动设备可融合多项先进的控制技术手段（如计算机仿真设计、可编程控制、远程通讯等），所以比之传统的金属电阻、频敏变阻、电抗器等产品，是一个内涵更宽，高新技术理念更强的、特别适宜于大功率电动机的起动家族产品。 3 高压交流液态软起动装置的开发3.1 开发用于高压(6-10kV)交流电动机液态软起动产品的必要性湖北追日电气设备有限公司的技术人员在与相关设计院所和用户厂家的长期接触中，悉知国内市场存在着对于大功率高压笼型电动机（含同步电动机）液态软起动装置产品的大量需求状况。对于鼠笼型（含同步）大功率高压电动机而言，此前人们往往只能在直接起动；串电抗起动(注：一旦起动后轻易不停机)等办法中选择，回旋余地狭窄。(据悉迄今市面上尚无10kV的固态SCR软起动定型产品)。3.2 开发用于大功率高压笼型电动机液态软起动产品的可行性液态变阻软起动已发展成为一项成熟的技术，已能充分满足包括高压绕线式电动机和低压笼型电动机在内的各种电动机软起动的要求。但是，据省级情报部门检索，迄至1998年，世界上尚无适合于高压大功率笼型（同步）电动机的液态变阻软起动产品。人们会问：是否笼型高压+电液变阻=技术禁区？这里，关键在于高压。电液液阻能否承受高压以及液阻的载体材料为何物？能否找到在高压下连续改变电阻箱内两极板之间液阻阻值的安全可靠的方法？在高压条件下，需要串入电阻值较大的液态起动电阻，技术上应如何实现？为了得到准确的答案，我们进行了一系列的调研和试验。 对于可能选择的电液电阻箱箱体材料，我们对其在高压情况下的耐受能力在理论上进行反复论证，并进行了一系列小样比较试验，从而找到这种情况下最合适的电化工材料。在该材料必须面对的环境条件下，它的耐压绝缘耐抗性必须可靠，且刚度是足够的，加工是方便的，成本价也是可承受的。我们对一定组份构成的液态电阻导电率和电场强度E的关系作了测试，得出了在电场强度的一定限度内欧姆定律基本成立的结论。我们对某组份下的液态电阻导电率在不同浓度下的温度特性作了测试，得知在大于某浓度的一定范围内，值对温度变化曲线是平坦的。以上这些试验的成功，使我们对该产品的开发充满必胜信心。并为怎样开发指明了方向。3.3 高压笼型电动机液阻软起动产品的技术特点大功率交流电动机液阻软起动产品在高压工况下必须具备以下的技术特点：1、安全性：为保证人身和设备安全，产品均必须严格遵循现行国家标准(如GB1102289标准等)进行出厂测试，包括箱体的工频耐压、抗振动性、热稳定性测试；在设计上设置了过压、失压、缺相、接地不良、起动超时保护，采取了严格的接地和避雷保护措施，并保证整个液态软起动产品的液阻箱体在起动开始前和结束后与高压电网分离。2、电液的高阻性：因为高压电阻液箱应具有比低压起动产品高得多的阻值。为了保证电阻率具有对温度变化的不敏感性，液箱中电解质浓度又不能太低。这样，高得多的阻值主要是通过电解液箱体和导电极合理的结构设计实现的。3、检测仪表的隔离性：高压笼型电动机电液变阻软起动产品需要有一定数量的传感器，用以诸如起动电流、电阻液温度、浓度，液面高度等电量和非电量的监测和输出，同时作用到二次仪表或馈送到控制中枢。4、液态电阻的可调整性：由于液态电阻可以很方便地根据不同的电动机参数，负载特征现场调配适当的电阻值，而且整个起动过程可跟踪起动电流或起动转矩的变化达到恒流软起动，因而可以最好地满足电动机的软起动要求。4 交流电动机起动过程的计算机仿真设计在选择液态软起动时，用户最关心的是起动能否成功，起动过程多长，电动机转速和电流的波形如何，电流冲击有没有，有多大，能否在特殊工况下多次连续起动以及满足遥控、自控的要求。为此选择最佳的技术设计参数，并建立针对不同的起动对象都正确适用的数学模型就是十分必要的了。为了解决上述问题，根据交流电动机及拖动系统的基本理论，采用计算机仿真技术，开发相应软件是很重要的。以对象的数学模型-亦即已知的或计算的电动机的电气参数和负载机械特性，电网的短路容量-为依据，参照体现我们选定的控制策略的电液电阻时间曲线，按照事先内置于计算机的电动机拖动理论计算出转速、电流、电磁转矩、负载转矩、电网在电动机起动时的瞬间压降、液态电阻等项时间变化曲线，并用曲线图形式直观地呈现出来。 仿真还提供在起动过程中的转速与电磁转矩、转速与负载转矩关系曲线即电动机的机械特性曲线和负载的机械特性曲线。可模拟电动机的整个起动过程。5 高压大功率电动机液态软起动装置的发 展前景对于高压大功率笼型电动机或高压大功率同步电动机的起动而言，如果不采用价格上比高压固态软起动装置还昂贵许多的现已问世的高压变频调速装置，降压软起动就成为工程上的唯一选择。高压SCR固态软起动装置中的每一相导电支路均由多个SCR串联而成，每只SCR的失效均会威胁整个装置的正常运行、为了有效地防范，必须提高安全系数并采取均压等技术措施，这必然导致单位容量软起动装置价格大幅度的上扬。且设备的安装环境、操作维护要求都较高。在起动过程中，在转子绕组里串SCR将遇到转子频率不是常数的困难。而且，即使能限制转子电流也无法提高其有功分量。因此，迄今还不存在接在转子侧的SCR固态软起动器。对于重载起动的绕线型异步电动机或同步电动机软起动而言，转子绕组串电阻几乎是工程上最优的选择。高压造成的困难促使我们在装置的传动系统采用了特殊的、独创的设计。从而对顺利实现高压笼型电动机的软起动方式开辟了途径。高压笼型交流电动机液态软起动装置相对于SCR固态起动装置具有相当大的价格优势（约为1618）。电压愈高、容量愈大，二者性价比优势愈明显。作为一个新生事物，高压大功率交流电动机液态软起动装置还有许多有待完善之处。例如，高压液态起动装置要求电液电阻有较高的阻值，但是高阻值不宜通过稀释电解液(提高电阻率)的方法获取。因为过分稀释会导致电阻率温度稳定性的下降。高阻值只能通过加长导电通道路径，减小导电截面积的方法实现。高压增加了电液箱内液面、温度等参数测量和显示的难度，还应优选出更好的技术对策。我们认为，随着技术上的不断完善，凭借性价比优势，在大多数场合下的高压大功率笼型电动机（包括同步电动机)而言液态软起动技术装置显现出强大的生命力。截止目前为止，检索表明，国内、外尚无此类产品面世。6 应用举例 6.1 某炼铁分厂高炉改造扩容后，采用6kV，5000kW笼型电动机作为高炉鼓风机动力源，由于扩容后，电网容量不足，集团经慎重抉择，并多方对比后，采用本公司的液阻软起动装置，获得了良好的起动效果，并一次起动成功。下面分别介绍其实测及仿真情况。1、电动机及负载参数电动机型号YK50002，Ue=6000V，Ie552A，负载参数：额定风阻转矩8627Nm，静阻转矩1150Nm，电网短路电抗：0.2312、仿真结果为验证大功率电动机所带负载的起动成功率及起动效果，常常事前先用仿真设计来模拟起动过程，并事后用实测曲线对比验证。该厂仿真曲线如下图1、2所示。图1 图2设定电液阻值Rq2.5。仿真结果，起动过程平滑，起动最大电流1646A（3Ie）起动时间41秒，最大电网压降9。图1所示为起动过程中，电动机电磁转矩及负载转矩随起动时间变化曲线。图2所示为起动过程中，电动机转速、起动电流、电网电压随起动时间变化曲线。3、电动机起动过程实测用不同的母线电压和电液阻值分别起动电动机，实测观察电动机起动情况，获得了如下数据，并作曲线如图3、4所示。图3 图4图3起动条件：电压6300V，电液阻值2.8，其相应起动电流从1200A平稳上升到1600A，起动时间34秒，母线最大电网压降为11%。图4起动条件：电压6100V，电液阻值3.1，其对应起动电流从900A平稳上升到1600A，起动时间38秒，母线压降为96.2 某烧结主抽风机10kV，5000kW同步电动机液体变阻软起动仿真1、已知：(1)起动对象为高压同步电动机，数据如下：额定容量5000kW，额定定子线电压10kV，额定电流331A，额定转速1000rpm，最大电磁转矩89015Nm，起动电磁转矩59252Nm，电动机额定转矩47750Nm，电动机飞轮转动惯量(2)驱动负载参数：额定转速时的风阻转矩17000Nm，风机转动惯量(3)电网短路阻抗等于0.02；2、技术要求：90秒完成起动，起动电流小于3Ie=993A，温升小于30。3、仿真结果：如图5所示 最大电流944A，起动时间为66s，电液起动一次温升18。4、实测起动曲线如图6所示，实测Iqmax950A，tq60S。图5图6通过对起动过程的仿真计算和实际测试表明，若所提供的电动机负载和电网短路容量各项技术参数基本正确的情况下，选择恰当的控制策略，就可使仿真曲线与电动机实测起动曲线很好吻合，一般可使起动时间和冲击电流与设定值误差控制在10的范围内，使大电动机的平稳起动成功率大大提高。可以说，由于高压液态软起动装置的开发成功，从而使大功率电动机的起动完全处于受控状态。7 结论(1)我们在高压交流大功率电动机液态变阻软起动产品的开发上已取得初步的成功，虽然产品还存在一些有待进一步完善的地方。这个成功标志着我国在大功率电动机软起动技术上有了新的突破亦即：液态电阻只要处理得当，仍可适用于高压禁区。这一成功，由此开辟了液态软起动装置应用一个崭新的天地。(2)与SCR软起动装置产品相比，它具有数量级的价格优势和其它优势；其对环境和负载的适应性以及良好的维护性都是其