冶金工厂高压电动机的几种起动方式比较.pdf

2 0 1 4年第 6期 总 第1 7 2 期 冶 金 动 力 M瞳TA l L U RGI CAL P OWE R 冶金工厂高压电动机的几种起动方式比较 高贵军，高辉 鞍钢集团工程技术有限公司电气 自 动化室， 辽宁鞍山1 1 4 0 0 1 【 摘 要】 伴随 着经济的 快速发展， 冶 金、 矿山 等产业规模也 不断 的壮大， 而大功率高 压电 动机在工业 生产 中所占的比例也越来越大， 能否成功地保证高压电动机起动和可靠运行就显得十分重要， 直接关系到企业的经 济效益。文章以某钢厂为样本， 分析比较了高压电动机常用的几种起动方式。 【 关键词】高压电动机 ； 全压起动； 电抗器降压起动； 软起动 【 中图分类号】 T M 3 【 文献标识码】B 【 文章编号】1 0 0 6 6 7 6 4 2 0 1 4 0 6 0 0 0 1 0 3 A Co mp a r i s o n o f t h e S t a r t - u p M o d e s o f Hi g h -_ 。 v o l t a g e M o t o r s i n M e t a l l ur g i c a l W o r ks G A O G u i j u n ，G A O Hu i t h e E n g t n e e r i n g T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ．o f A n s h a n I r o n S t e e l G r o u p ， An s h a n ，L i a o n i n g 1 1 4 0 0 1 ，C h i n a 【 A b s t r a c t 】Wi th t h e r a p id d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y ， th e s c a l e s o f m e t a l l u r g ic a l a n d ra i n i n g i n d u s t r i e s h a s b e e n c o n t i n u o u s l y g r o w i n g a n d m o r e a n d mo r e h i g l 1 p o w e r h i g h - v o l t a g e m o - t o r s h a v e b e e n u s e d i n i n d u s t r i al p r o d u c t i o n ，t h e r e f o r e i t b e c o me s v e r y i mp o r t ant a n d d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e e c o n o mi c p e r f o r ma n c e o f t h e e n t e r p r i s e s t o e n s u r e t h e s t a r t i n g an d r e l i a b l e o p - e r a t i o n o f the s e h i g h - v o l t age mo t o r s ．T a k i n g s o me s t e e l ma k i n g p l an t a s an e x a mp l e ，t h e a r t i c l e c o mp a r a t i v e l y an aly z e s s e v e r a l c o mmo n s t a r t i n g mo d e s o f hi g h -v o l t a g e mo t o r s ． ’ 【 K e y w o r d s 】h i g h v o lt age m o t o r ；f u l l v o lt ag e s t a r t u p ； r e a c t o r r e d u c e d v o lt a g e s ta r t u p ； s o f t s tartu p 1 引言 电动机是将 电能转换成机械 能的转换装置 ， 是 工矿企业、 交通运输等广泛采用的一种动力机械 ， 随 着工业生产的迅速发展，其生产设备的驱动电机功 率也越来越大， 能否保证其安全、 可靠的运行直接关 系到工矿企业产品生产的连续性及其经济效益， 所 以合理正确地选择高压电动机起动方式就显得格外 重要。 2电动机起动的基本要求【1 】 电动机起动时，其端子电压应能保证所拖动的 机械要求的起动转矩，且在配电系统中引起的电压 波动不应妨碍其他用电设备的工作。 为此， 交流电动 机起动时， 各级配电母线上的电压应符合下列要求 1 一般情况下， 电动机频繁起动时， 不宜低于 额定电压 的 9 0 ％， 电动机不 频繁起 动时 ， 不 宜低 于 额定电压的 8 5 ％。 2 配电母线上未接照明或其他对 电压波动较 敏感的负荷 ， 且电动机不频繁起动时， 不应低于额定 电压的 8 0 ％。 3 配电母线上未接其他用电设备时，可按保 证电动机起动转矩的条件决定； 对于低压电动机， 尚 应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。 3 工程概况 某钢厂异地搬迁新建制氧系统，空压机及起动 设备利旧， 氧压机及氮压机新建， 三种电机相关参数 如表 1 所示。 表 1 主电机参数 3台主 电机 电源均取 自新建 1 0 k v供配 电系 统 ， 1 0 k V系统母线短路容量约为 3 6 4 MV A，设计 2 冶 金 动 力 ME TA LL U】 3 I C AL P OWER 2 0 1 4 年 第 6 期 总 第1 7 2期 并校验主电机起动方式。 4电动机起动方式的选择 4 ． 1 氮压机全压起动 校验电动机起动时母线电压是否符合要求 电动机额定容量 S r M 、 ／ 3 lr M， r M -- - v 3 1 01 3 5 2 ． 3 MV A 电动机额定起动容量 5 lI l J} |s 棚 72 ． 3 1 6 ． 1 MVA 起动回路的额定输入容量 ． 线路距离短 ， 电抗 忽略 ．s 1 6 ． 1 MV A 1 ．At ’ 2 电动机起动时母线电压相对值 一 S k 一 式 中， S b 。 ～ 1 0 k V母线短路容量 ， 3 6 4 MV A， p 一 欲接负荷 的无功功率 ， 4 ． 7 Mv a r 。 带入上述数据， 求得 “ 0 ．9 5 t0 ．9 ， 起动时母线 电压符合要求。 笼型电动机和同步电动机符合下列条件时， 电 动机应全压起动 1 电动机起动时， 配电母线的电压应符合电动 机起动的基本要求； 2 机械能承受电动机全压起动时的冲击转矩； 3 制造厂对电动机的起动方式无特殊规定。 本工程氮压机符合上述所有条件，故采用全压 直接起动。 另外，还可以按电源容量估算电动机是否允许 直接起动 ， 如表 2所示 。 表 2 按电源容量估算的允许全压起动的电动机最大功率 电 动 机 连 接 处 电 源 容 量 的 类 别允 许 鑫 昊 甥 翠 动 机 配电网络在连接处的三相 短路容量S ／ k V A 1 0 ／ 0 ．4 k V 变压器的额定 容量 S ,r k V A 小型发电机功率 批w 变压器 一电动机组 0 ．0 2 0 ． 0 3 S k 注 对应 于电动机额定电流起 动 倍数 为 7 ～ 4 ． 5时 经常起动时 O ． 2 S 不经常起动 时 0 3 S 0 ． 1 2 ～ 0 ． 1 5 只G 电动机功率不大于变压器额定 容量的 8 0 ％ 综上所述 ， 只要 电网容量足够大， 且符合规定的 条件， 电动机就应采用全压起动。 4 ． 2 空压机定子绕组串电抗器降压起动 校验电动机起动时母线电压是否符合要求 电动机额定容量 S a t-- 、 ／ 3 U ,M‘ M 、 ／ 3 1 03 5 7 6 ． 2 M V A 电动机额定起动容量 5 瞰 S M 6． 86 ． 2 4 2． 1 6 MVA 直接起动时起动回路的额定输入容量 线路 电抗忽略 ．s l S 4 2 ． 1 6 MV A 直接起动时母线电压相对值 ⋯ 5k u k m ‘Y ‘ u s t 式中， 一 1 0 k V母线短路容量 ， 3 6 4 MV A， p 一 欲接负荷的无功功率， 4 ．7 M v a r 。 带人上述数据 ， 求得 u 0 ． 8 9 ， 直接起动时母线 电压基本处于临界状态。 考虑仍利旧原有空压机起动电抗器 ，对母线电 压进行计算校验 ， 看是否满足要求。 每相电抗器额定电抗 为 0 ． 8 6 6 Q。 起动回路的额定输入容量 _ 。 ‘州 v A 电动机起动时母线电压相对值 u 一 o． 9 2 ． 9 电动机起动时端子电压相对值 舢 生 0． 6 7 8 t M 由于电动机的起动转矩与起动时其定子绕组电 压平方成正比，故要求电动机起动时端子电压应能 保证传动机械要求的起动转矩， 即要求 一 ＼ ／ 根据电机资料，电动机传动机械的静阻转矩相 对值 为 0 ．3 ，电动机起动转矩相对值 ‰ 为 0 ． 8 ， 带 人 上 式 中 襁0 ．67 ＼ ／ _ 0 ．6 4 根据上述计算结果， 电机串电抗器起动时配电母 线电压降符合要求，电动机起动转矩亦符合要求， 故 本空压机仍采用电动机定子绕组串电抗器降压起动。 在电动机定子绕组串电抗器起动时， 起动电流 成比例减小， 而起动转矩则成平方关系减小， 因此， 电抗器阻值的选择必须满足电动机起动时端子电压 应能保证机械所需的起动转矩的条件 ，只有电动机 2 0 1 4年第 6期 总 第1 7 2 期 冶 金 动 力 Ⅳ 匝T A I ．L U R G I C A L P O W．E R 3 起动转矩大于机械所需的起动转矩 ，电动机才能顺 利起动。 如果其参数选择不当， 则电动机不能正常起动 ， 引起继 电保护误动 ， 或起动时间过长电机发热 ， 甚至 烧毁电抗器。 空压机定子绕组串电抗器起动一次系统图， 如 图 I 所示。 l mc l 『 图 1 电动机 串电抗器降压起动 一次 系统 图 4 ． 3 氧压机软启动 校验电动机起动时母线电压是否符合要求 电动机额定容量 S r r, r 、 ／ 3 U ,M M 、 ／ 3 1 03 1 1 5 ． 4 MV A 电动机额定起动容量 S M k S 75 ． 43 7 ． 8 MVA 起动回路的额定输人容量 线路 电抗忽略 ．s t M 3 7． 8 MVA 七 电动机起动时母线电压相对值 r ， 一 k m fl I ．s k Is 式中， 5 b 。 一 1 0 k V母线短路容量 ， 3 6 4 M VA， p 一 欲接负荷的无功功率， 4 ．7 M v a r 。 带人上述数据， 求得 U s n 0 ．9 ， 起动时母线电压 基本处于临界状态。 为保证母线电压降符合要求及起动安全可靠， 考虑采用软启动器进行降压起动 ， 如图 2 所示。 软启动器是用多个可控硅串并联而成，可以满 足不同的电流及电压要求，控制可控硅的触发角就 可以控制输出电压的大小。 在电动机起动过程 中，软启动器按照预先设定 的起动曲线增加电动机的端电压使电动机平滑加 速 ， 从而减少 了电动机起动时对电网、 电机本身 、 相 l 0 r 、 { 骛 ／ 审 [ I I 图 2电动机软启动一次 系统图 连设备的电气及机械冲击， 使电机平稳起动。 当电动 机达到额定转速后， 旁路接触器接通， 电动机正常运 行 。 当电动机起动完毕后 ， 软启动器继续监控电机并 提供各种故障保护。 软启动器主要组成部分 1 主功率回路 主要由高压可控硅串联阀组和 旁路接触器组成。当软启动器得电后， 通过控制可控 硅的导通角以实现对交流三相电源进行斩波、 控制输 出电压的幅值。 并在起动过程完成后将旁路接触器闭 合， 软启动器切换到旁路状态， 同时关闭可控硅。 2 控制和保护电路 控制和保护电路是软启动 器的核心部分，通过闭环控制可控硅的导通角的大 小 ， 从而完成对电机的起动和停车的控制。 同时完成 软启动器的状态监测、 故障诊断与保护等功能。 3 人机界面单元 主要由液晶面板、 键盘及上 位远程软件组成， 用以实现相关的参数设置、 起动方 式的选择及显示设备运行方式等。 软启动器能够提供多种起动方式 1 标准软起动 该起动方式可以有效减少起动转矩冲击，可以 提供无级平滑的起动加速度。根据需要设定起动转 矩， 软启动器便根据堵转转矩和起动时间确定的斜 率线性控制输出电压 。 2 限流软起动 对于要求限制电机加速过程中的电流冲击的场 合 ， 起动电流可设定为电机满载 电流的 3 ～ 5 倍 ， 限制 时间为 0 ～ 3 0 s 。在限流起动的过程中， 软启动器一 旦检测到电机达到全速， 输出电压将达到全压， 旁路 接触器将闭合。 下转第 7页 2 0 1 4 年第 6期 总 第1 7 2 期 冶 金 动 力 MEr A L L U R G I C A L P R 7 4 - 2 配电负荷控制部分 4 _ 2 ． 1 在孤网方式下运行时 ， 若发生发 电机故障跳 机， 发电量随之将急剧减少 ， 而 D E H由于调节机构 的限制 ，无法在很短时间内将其他发 电机的负荷增 加上来 ， 此时电网的负荷需求却米发生变化 ， 如不对 负荷进行快速控制， 电网频率将迅速降低， 甚至引起 电网崩溃。 因此 ， 配电负荷控制系统必须有效解决这 一 问题。 在发电机故障跳机瞬间， 负荷快切系统采集 到系统故 障后 ，主控系统在 1 0 0 ～ 2 0 0 ms 内快速下 达切除负荷指令 ， 在 3 0 0 m s内切除相应负荷 ， 在电 网频率恶化前迅速完成发、 用 电平衡调节 ， 从而维持 电网持续稳定运行。 4 - 2 _ 2 在半孤网方式下运行时 ，大网与小网通过同 期隔离变压器始终保持同步。当出现发电机故障跳 机时， 首先启动快合母联系统， 合上一降压母联开关 A 3 1 2 ， 将小网并人大 网， 从而保证小网的稳定运行。 当并大网不成功， 经少量延n 3 0 0 m s 后 ， 负荷快切 系统会启动 ， 切除相应负荷维持 电网持续稳定运行 。 4 ． 2 ． 3 在并大网方式下运行 时 ，必须考虑两种情 况 一是并网容量不能超过上级系统容量， 出现容量 越限时要切除多出部分的负荷 ；二是出现非计划转 孤网时 ，要迅速切除转孤 网前大网向小 网的供电功 率对应的负荷， 确保小网中的发电机不受到冲击， 从 而实现持续稳定运行 。 4 ． 3 低周减载备用控制部分 低周减载系统是负荷快切系统 的后备系统 ， 与 负荷快切系统同时运行。 当负荷快切系统失效， 且系 统的频率降到设定值时， 低周减载系统启动， 按预案 切除相应的负荷， 使系统的频率能尽快恢复到正常 状态。为此 ， 主要做 了如下优化 1 针对电力小网系统的功率缺额更容易引起 频率快速下降的特性， 增设了妒 加速切负荷的功 能， 在切第一轮时可加速切第二轮 ， 以尽早制止频率 的下降， 防止出现频率崩溃事故 。 2 针对电力小网系统由于短路故障、负荷反 馈 、频率或电压的异常情况更容易导致低周减载备 用系统误动作的情况 ， 增设 了 d t 、 d u ／ d t 闭锁功能。 5 应用效果及结论 智能稳控技术 自2 0 1 2年 l 2月 1日正式上线运 行以来， 各项性能参数稳定， 成功处置多次发电机非 计划停机故障。 在实现了快速、 智能稳定区域小电网 的基础上 ， 还有效避免 了电力中断供应情况的发生， 取得了显著的经济效益， 具有较高的推广应用价值。 [参 考 文 献 】 [ 1 】国家经济贸易委员会． 电力系统安全隐定导则 D L 7 5 5 2 0 0 1 I S ] ， 中华人民共和电力行业标准． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 1 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 1 0 作者简介 李兆华 1 9 6 6 一 ． 女， 1 9 8 7 年毕业于山东工业大学电机专 业 ， 本科学历 ， 高级工程师 ， 现从事能源开发应用及技术管理工作 。 。 I I l ⋯l I ⋯- 。 l l I l 。 川⋯ 一 ’ l l I ⋯ ” I I I I i ． ． ． “I I I h 。 ” I I I i _ _ ’ 1 ． 1 l ⋯ ⋯l l ⋯ ， ⋯⋯ ’ ’ 。 J i l l , “’ ⋯ 1 ． Ⅲ ‘ ⋯l l 【 l I - “ 一 ’ 1 ． I l 一 t ’ ’ ‘ l l l i 一 ’ ⋯I l ‘ ”I l l s l 一 ‘ ‘ 一 “『 l l ⋯ ‘ ”⋯ l l ’ ⋯⋯ l - “I I I h, ． ‘ ” l i b 。 ’ l I I 一 ’ ”l l 上接 第 3页 3 双斜坡起动 双斜坡起动方式能够在两种不同斜率的起动曲 线之间进行选择 ，可以分别地调整斜坡时间和初始 起动转矩。 4 全压起动 在全压起动方式下 ，软启动器相当于固态接触 器， 电机受到全额的冲击电流。 4 ． 4 其他几种高压电动机的起动方式 除了上述介绍的几种起动方式之外 ，还有采用 自耦变压器降压起动 、 水电阻软起动装置起动、 变频 器起动及变压器 电动机组起动等 。采用 自耦变压器 降压起动时， 起动电压、 起动电流及起动转矩与串电 抗器降压起动原理相同； 采用水电阻装置起动时， 起 动性能较好， 但装置的体积大， 控制复杂且维护相对 繁琐， 同时受到电动机功率的限制， 在大功率高压电 动机起动中应用较少；采用变频器起动时对电网的 冲击很小， 起动性能好， 但费用相对较高， 一般应用 于需要调速变负载运行的风机和泵类机械及大容量 电动鼓风机等；变压器电动机组适用于用户单位内 无高压电动机所需等级的电压母线，或者相同电压 等级的母线容量不能满足电动机起动要求时，这时 可考虑采用一台变压器单独给电动机供电，这台变 压器既作为供电变压器又作为起动变压器。 5 结束语 综合分析 比较各种高压 电动机的起动方案 ， 电 动机应优先考虑全压起动 ， 全压起动是最简单 、 最经 济 、 最可靠的起动方式 ， 只要符合规定的条件 ， 就应 该优先采用 。当不能满足全压起动条件或工艺上有 调速等特殊要求时， 才应考虑采用软启动、 变频等降 压起动方法进行电动机的降压起动。 [参 考 文 献 】 【 l 】 任元会． 工业与民用配电设计手册啡北京 中国电力出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 鲍德芝． 钢铁企业电力设计手册嗍 ． 北京 冶金工业出版社， 1 9 9 6 ． 收稿 日期 2 0 1 4 一O 1 2 0 作者简介 高贵军 1 9 8 1 一 ， 男 ， 2 0 0 4 年毕业于辽宁工程技术大学， 大学本科学历， 工程师， 现从事电气工程及其自动化技术研究工作。