應用液態(tài)軟起動技術改善空壓機組異步電動機的起動性能
應用液態(tài)軟起動技術改善空壓機組異步電動機的起動性能
——宋 軼
摘 要：本文介紹了GZYQ型高壓電動機液態(tài)軟起動裝置的系統(tǒng)構成、工作原理及其性能特點，并對該技術在離心式空壓機組上的應用做了小結。
關鍵詞：高壓異步電動機 軟起動 液態(tài)變阻
1 前言
大功率離心式空壓機組一般為直接啟動方式，啟動時對其他用電設備會產生相當大的影響。我公司機組是由無錫阿特拉斯提供的ZH10000-6離心式空氣壓縮機，驅動電機是西門子的1LA45002FD80-Z型高壓異步電動機，功率為1120kW，轉速為2987轉/分，額定電壓10KV，通過高速齒輪變速箱將轉速從2987轉/分提高到11750轉/分和17202轉/分，時間僅用8秒到12秒左右。在這樣短的時間內把轉速提高到高速軸的額定值，常會對齒輪箱產生較大的沖擊而損壞齒輪。一旦出現(xiàn)重大損壞，其直接的維護更新費用就接近20萬，損失巨大；同時直接啟動時會造成電網電壓壓降高達15-18%，使其他用電負載無法正常運行。
因離心空壓機組對電機起動轉矩的要求不是很高，如果能降低起動轉矩，適當延長電動機起動時間，可大大減輕電機起動對齒輪的沖擊，改善高速齒輪箱的運行狀態(tài)，從而達到降低離心機組故障率的目的，對該設備的正常運行意義巨大。為此，我們曾考慮選用變頻器，但1120kW高壓變頻器調速設備費用非常高，如果僅僅是為了改善電機起動性能，其性價比明顯不合理。
經過廣泛的咨詢調研和現(xiàn)場考查，我們了解到目前國內已出現(xiàn)利用液態(tài)電阻原理配以新技術、新材料組成的電液變阻起動器。該技術產品已應用在10MW高壓交流電動機的起動控制上，可使電機最大起動時間控制延長至60秒甚至更長（而且可以現(xiàn)場調整）。而且，整套裝置的設備購置費用根據(jù)電機功率配置只需6~8萬元左右，這為提高大型電動機的起動性能提供了一種較為經濟可行的啟動方案，并且該裝置在工作時不會產生諧波。
2 液態(tài)軟起動裝置的系統(tǒng)構成及工作原理、性能特點
2．1 系統(tǒng)構成及工作原理
電液起動器的系統(tǒng)構成和工作原理相對比較簡單，以GZYQ型液態(tài)軟起動裝置為例，其構成原理圖一所示，在定子回路中串入電液變阻起動器的三相電阻，其中QS隔離開關，QF1為主機運行斷路器，QF2為電機起動斷路器，RS為電液變阻起動器。電液變阻器由三個相互絕緣的環(huán)氧樹脂電液箱構成，內部分別有濃度可調的電液，和一組相對應電極液，一動一定，動極板通過傳動機構及伺服控制系統(tǒng)控制運行。動極板傳動機構裝有行星磨擦式機械無給變速器，可以很方便地調節(jié)動極板移動速度，這樣就能控制液阻無級切除的時間，達到調節(jié)電機起動力矩和起動時間的目的。整個起動過程控制在較小起動電流下均勻升速，從而實現(xiàn)電動機的軟起動。
2．2 液態(tài)電阻對起動力矩的控制 電動機起動時,Rs(液態(tài)軟起動裝置的`阻值)隨起時間的增加而減小，由此可將施加于被控電機的端電壓隨時間斜率式增加，（即通常所謂的“軟起動”方式）顯然，與串接固定電阻或電抗器起動方式相比，液體電阻更能改善被控電機的機械特性。 對于離心空壓機組，最重要的是減小起動力矩對機組增速箱的沖擊，增加升速時間并使之無極平滑升速。由電動機拖動理論可知，起動轉矩和起動電流的關系為：Mq=I2。故只要知道機組最大靜阻力矩與電動機直接起動的額定轉矩之間的比值，就可以確定該電機的最小起動電流和起動力矩。要保證起動過程的平滑加速，這就需要起動設備有很好的平滑可調性，使整個起動過程中起動轉矩與負載轉矩相適應，在恒加速情況下可最大限度地減小起動過程對機組的沖擊。液態(tài)軟起動良好的可調性正好能滿足這一點。 2．3 液態(tài)軟起動裝置性能特點 對于相同功率的電動機，由于負載、工藝、參數(shù)、起動次數(shù)及頻繁程度、工作環(huán)境等條件不同，理論上需要配備不同的起動阻抗，才能獲得良好的起動特性。這實際上意味著每臺不同的電機應有自己最適宜的起動電阻存在，最好是能使起動以軟起動方式成功完成，又將起動電流控制在最小的范圍以內，從而降低起動沖擊，保護被拖動設備及電網。液態(tài)軟起動裝置根據(jù)其系統(tǒng)構成和原理分析，在這方面具有明顯的優(yōu)勢。其次，電液變阻起動器的最大長處就是它的阻值可塑性好，靠改變水中的適宜導電介質的濃度來改變本身的電阻率，其可調整范圍理論上是非常大的。 當然，電液變阻起動器應用還沒有大面積推廣，在運行維護方面積累的經驗還不夠。其液體電阻在高壓電場的作用下是否會發(fā)生騅以捉摸的變化，如何獲得安全而設定的阻值，還是一個有相當深度的技術問題，還需要通過理論－－實踐－再理論的過程加以完善。 3.利用液態(tài)軟起動工技術根據(jù)電機拖動理論的計算機仿真 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4749.png" width="328" height="236" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-13663.png" width="348" height="239" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22333.png" width="32" height="31" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16216.png" width="45" height="32" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6101.png" width="49" height="30" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11811.png" width="25" height="21" />選取用起動設備進行系統(tǒng)的改造，能否將起動力矩有效地控制，并使整個起動過程得以勻均加速，最大速度地減輕高速齒輪的機械沖擊，從而保護機組是成功的關鍵。因此我們要求生產商根據(jù)所提的電機及負載參數(shù)，運用 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21854.png" width="61" height="32" /> 圖三 拖動的理論及計算機技術對起動效果進行仿真設計，依據(jù)仿真情況，我們得到了控制起動的最佳效果曲線。如圖二、三所示。 圖二為機組起動時電磁轉矩與負載轉矩特性曲線圖，較好地保證了起動過程與起動電流變化情況，設備通過合理的控制液態(tài)電阻的變化調節(jié)電機的端電壓，使電機轉速勻均升高，仿真時間在23S時電機轉速達到同步，電流下降，此時完成了同步電動機的異步起動過程。 被仿真系統(tǒng)為：1＃空壓機組，驅動電機是西門子的1LA45002FD80-Z型高壓異步電動機，電機參數(shù)為：Pn=1120kW，Un=10kV，In= 74A，Nn＝2987rpm，Mn=3581Nm，直接起動電流Iq≈7Ie＝520A。 4 液態(tài)軟起動裝置在我公司的應用 我公司空壓站站5臺離心式空壓機組的異步電動機原都是采用直接起動方式。因電網容量較小，每次啟動會造成電網壓降過大（15%左右），對其他電器設備的影響很大。 為解決這一問題，經過對各種電動機起動方式進行技術經濟比較及仿真模擬，并在深入的市場調研的基礎上，最后決定采用GZYQ－1500型高壓交流電動機液態(tài)軟起動裝置。 2005年9月，我們應用電液變阻器進行了1＃機起動部分的改造。依據(jù)前面所述的計算機仿真的相關特征參數(shù)進行配置，我們要求廠家調試人員將電機起動電流限制在2.5Ie（即185A左右），以減小起動對機組的沖擊。 在空載檢驗試驗合格且模擬動作正確后，9月15日，我們會同空壓站技術人員對該機組進行了帶負荷試驗。這次試驗共開了兩次機。第一次因為上一級斷路器過流保護整定值時間未調好（13s），以至于10KV開關跳閘而保護停機。此后，將上級斷路器過流保護整定值時間設定為22s，在二十分鐘后（等電機繞組溫度降到25.8℃）進行了第二次開機，電機成功啟動。下面，是兩次起動的數(shù)據(jù)： 從數(shù)據(jù)上看，這此啟動的結果較令人滿意。該機起動電流由原來的520A左右變?yōu)楝F(xiàn)在的200A，起動時間由13s延長到現(xiàn)在的22s，而且升速過程平滑，很接近仿真的效果，故可以認為技術經濟指標均達到了預期效果。 由兩次起動的數(shù)據(jù)可以看出，液阻溫度在開機時上升明顯，使得第二次起動時初始阻值下降，反映在第二次起動電流的增加和母線電壓的下降很明顯，但起動效果仍在預定的范圍內。前面談到過，對于液體電阻在高壓電場的作用下是否會發(fā)生難以捉摸的變化還需進一步積累經驗，另外，電阻液的阻值也會隨著溫度的變化而發(fā)生改變，因此，電機連續(xù)起動最好不要超過兩次。目前該產品充分發(fā)揮液阻可調性這一優(yōu)點，對起動電流實現(xiàn)跟蹤檢測閉環(huán)控制，使得連續(xù)起動性能的穩(wěn)定性得到了有效的控制，實現(xiàn)了恒流軟起動。 5 結束語 液態(tài)軟起動裝置在空壓站離心式空壓機1#機組上的成功應用，較經濟地解決了該機起動時對齒輪變速箱沖擊過大的問題，使該機實現(xiàn)了軟起動，同時還降低了電動機的起動電流，減少對電網的電壓擾動。我們將加強對它的研究和運行數(shù)據(jù)的積累、分析，特別是要對液態(tài)軟起動裝置在改善高速齒輪箱的運行狀況，減少齒輪箱的損壞的實際效果方面做出客觀的評估，為能否在其他大功率機組上繼續(xù)推廣應用提供判斷依據(jù)。
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