轧钢系统电气设备的选型标准.doc

轧钢系统电气设备的选型标准电气设备/工作特性/选型1 引言 在轧钢系统中，不管是棒材、线材还是板材，交流调速系统都已经占据了主导地位，如何进行调速系统相关设备的选型，就已经成为摆在设计人员面前一个至关重要的问题，下面我们将以某高速线材生产线为例介绍轧钢系统中电气设备的选型。2 变压器的原理及选型2.1 变压器原理 车间变所用的变压器一般是35/0.4kV配电变压器。下面就以单相变压器为例简单介绍变压。图1 变压器的工作原理 如图所示，当匝数为N1的一次绕相接到频率为f、电压为U1的交流电源上时，由励磁电流I0在铁心中产生主磁通z，从而在一、二次绕组中感应出电动势E1和E2，匝数为N2的二次绕组端产生电压U2。当二次绕组接有负载Z时，一、二次绕组中流通电流I1和I2。2.2 变压器选型2.2.1一次线电压U1的选择 小型机组的机端额定线电压是400V，但小型水电站一般都处于电网的远端，离变电站线路很长阻抗大，造成末端的网电压过高，尤其是在丰水期发电高峰时段，网电压（机端）往往高达460V以上。如果此时一次电压还是按照400V来设计，变压器就会承受过电压，使损耗增大，发热超标。 整流变压器的铁损与其承受电压倍数比成4次方的关系，例如按400V设计的整流变压器，在1.2倍（480V）电压下运行时，其铁损的增加到（480/400）4=2.07倍。这些损耗最终都在变压器内转为热量，使变压器的温升大增。 更有甚者，当电源电压超高到达一定程度后，变压器的铁心的磁通密度就会进入饱和区，使一次侧电流激增以致线圈烧毁。一些整流变压器的设计制造时由于成本的考虑，选取铁心的磁通密度Bm值偏高，而一次绕组的电压值仍然选取400V，故在网电压过高地区烧毁变压器的例子并不罕见。 对此就应该适当加大一次绕组的电压值，以使网电压升高20 %变压器也能应付工作。一般变压器尚有5% 的电压过载能力，故我们可用经验公式来选取一次侧绕组额定线电压值 U1=0.95U1（MAX） 式中，U1（MAX）是网电（折合到机端）的最高电压值。计算结果若小于400V则按400V选取。 一次电压选取值增加后，二次电压也应该增加同样的比值，保持变压比不变，以维持励磁电压与机端电压相同比例地增减，因为发电机电压越高，需要的励磁功率就越大。 提高一次电压的做法，等效于增加每伏圈数，都是为了降低变压器铁心的磁通密度。防止进入磁通密度曲线的饱和段。带来的好处还有降低了变压器的空载电流和铁损。 当然这样也有些负面影响，因绕组圈数加多，使变压器内阻增大，电流损耗（铜损）略有增加，但对变压器的正常运行不构成什么影响。电压调整系数为nU1/400。 简易计算时，可以通取U1=440V，能适应大多数电网条件（400V-470V）的要求。2.2.2 二次电压U2的计算 二次电压的选取值关系到励磁系统的顶值（强励）电压，最大励磁电流、晶闸管导通角和谐波失真、整流电路的功率因数等等。 按有关规范，励磁电路要提供1.61.8倍的强励电压，即变压器的二次电压需是额定值的1.61.8倍。但是实际上，我国的小水电机组很少有自成孤立电网运行的，绝大部分都是并入大电网售电运行，没有向电网提供强励功率的需要和能力须知大电网容量极大，单个小水电机组的对它的影响是微不足道的。 如果按提高1.61.8倍的数值来选取二次电压，整流电压就比较高，晶闸管整流系统励磁时长期处于被深控的状态，晶闸管的导通角小，波形畸变增大，功率因数变差，故障的短路电流变大，这些因素都对变压器和机组设备运行不利。同时在相同的变压器功率容量下，电压高了必然导致电流降低，线圈绕组的导线截面积下降，电流损耗也增大。 根据我们的经验，选择最大整流电压为额定励磁电压的1.3倍就比较适中，除了处理避免上述电压过高的缺点以外，也保留了一定的整流功率裕量，适应了运行条件变化的要求。 相电压U2的计算式 三相全波整流U2=1.31.06(nUE +2.5)/2.34 =0.59nUE+1.47 三相半波整流U2=1.31.06(nUE +1.7)/1.17=1.18 nUE+2.0 对上式各项的解释： UE发电机额定励磁电压(V)； 系数1.3如前所述，是励磁电压的裕量值； 系数1.06电流满负载时变压器内阻漏抗引起电压降的补偿值。这里用简单的一个固定数值来代替复杂计算，误差也不太大；n电压调整系数，见上节所述； 系数2.34（或1.17）三相全波（或半波）整流元件全导通时输出直流电压与输入交流相电压的比值, 即UE/U22.34（或UE/U21.17）；数字2.5（或1.7）励磁回路的电压降的总和，其中包括整流元件的正向压降（1.5V或0.75V），以及馈电导线和碳刷集电环的压降（1.0V）。 变压比K=U2/U1。 简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有U2=0.71UE(全波)，或U2=1.4UE(半波)。2.2.3 电流的计算 三相全波整流一次电流I20.816 KIE，二次相电流I10.816IE 三相半波整流一次电流I20.472 KIE，二次相电流I20.577IE 这里的I1值尚未考虑变压器的效率。2.2.4 功率的计算 励磁功率：PE=UEIE（W） 变压器二次侧功率： 全波整流P2=3U2I2=3（0.59nUE+ 1.47）*0.816IE=1.45nPE+3.60IE(W) 半波整流P2=3U2I2=3（1.18nUE+ 2.0）* 0.577IE=2.04nPE+3.46IE(W) 变压器容量的计算： 全波整流S1=P2/（0.8*97）=1.29 P21.29（1.45nPE+3.60IE）=1.87n PE + 4.64IE（VA） 半波整流S1=P2/（0.8*97）=1.29 P2=1.29（2.04nPE+3.46IE）=2.63nPE +4.46IE（VA） 式中，0.8为变压器的额定功率因数，97%为变压器一次侧效率。 简易计算时，可把上式结果的第一、二项合并，有 S1=2.2PE（全波用），或S1=3PE(半波用) 在实际的订货中我们有时发现，某些厂商为了降低成本，变压器制造的用料偏紧，使变压器运行温升偏高。在这种情况下为保险起见，最好把订货的变压器容量加大10%来应付，此时变压器的电压数值不改变，一、二次电流要按比例提高。2.2.5 计算实例 某小型水电站需订购一励磁整流变压器, 发电机参数为： 发电机功率400kW，额定电压400V，发电机励磁电压UE=49.4V，励磁电流IE=153A。工作条件：励磁装置为晶闸管三相全波半控整流，机组并大电网运行，网电最高电压（机端）460V。 求解步骤如下： （1）连接组D，y11 （2）励磁功率PE=UEIE=49.4153=7558.2（W） （3）一次线电压U1=4600.95= 437（V），取440V 电压调整系数n =U1/400= 1.1 （4）二次相电压U2=0.59nUE+1.07 =0.591.149.4+1.07=33.13V，可选34V； （5）变压比K=U2/U1=34/440=0.0773； （6）二次电流I2=0.816IE=0.816153=124.85（A），可选125A； （7）一次电流I1=0.816KIE=0.816 1530.0773=9.65（A），可选9.7A； （8）功率容量S1=1.87nPE+4.64 IE=1.871.17558.2+4.64153= 16257（VA），可选17kVA；最后，填写订货清单：三相干式整流变压器订货数据： 变压器容量：17kVA； 连接组：D，y11； 电压比：440V（线）/34V(相)； 电流（一次电流可不报）：9.7A/125A； 功率因数：0.80； 工作制：长期连续工作。 按照本文的计算结果，在额定工况时变压器的负载率为0.77，处于经济运行状态。额定励磁电流输出时整流晶闸管的控制角约65。2.2.6 简易计算方法 发电机参数同前，励磁电压UE=49.4V，励磁电流IE=153A。 励磁功率： P=40.3161.4=7558.24(W) 通取一次线电压：U1=440V 三相半波整流时，二次相电压U2=1.4UE=1.449.4=69.2V，可选70V 变压器容量S1=37558=22674（VA），可选23kVA；三相全波整流时二次相电压U2=0.71UE=0.7149.4 =35.1（V），可选35V 变压器容量 S1=2.27558.2=1662（VA），选17kVA图2 变压器参数向量图3 整流设备的原理及选型3.1 整流设备的原理（a） （b）图3 桥式整流电路的电流路径 以桥式整流电路的工作原理为例，如图3所示，电源电压为正时，电流试图经过整流电路由a流到d。二极管D1导通，但D2不能使电流由a 流到c，所以它处于截止状态。在b点，因为D3不允许电流直接由+流到&，所以电流必须流经电阻。最后，D4导通，电流由c流到d。因此，当电源电压为正时，正电流由电源的“+”端流出，经过D1和负载电阻，最后经过D4返回电源。在周期的这一部分，二极管D2和D3截止。当电源电压为负时，D2和D3导通，而D1和D4截止。因此在周期的第二部分，正电流由电源的负极流出，由d点经过D3到达b点，经负载电阻D2返回电源。电流的这两条路径如图3所示。在周期的正负两部分内，负载的电流都是由b到c。流过负载的电流如图4所示。电流仍然是脉动形式，但全波整流电路没有在两个脉冲之间留有空闲时间，这一点与半波整流电路不同。 作为电源电路，全波整流电路的性能要优于半波整流电路。通过将输出电压的负半周倒转，电路使输出的直流成分加倍。因为电流的直流成分为： 直流电压3.2 整流设备的选型3.2.1 以电机为依据 （1）电机的极数，一般电机极数以不多于4极为宜，否则整流器容量就要适当加大。 （2）转矩特性、临界转矩、加速转矩。在同等电机功率情况下，相对于高过载转矩模式，整流器规格可以降格选取。 （3）电磁兼容性。为减少主电源干扰，在中间电路增加电抗器，或者在装置前安装隔离变压器。 根据负载率与效率的关系，整流器的选择应该注意以下几点： （1）整流器功率与电机功率相当为最合适，对于西门子整流设备，大约为整流器功率=1.15电机功率这样利于整流器在高效率状态下运转。 （2）当电动机属频繁启动、制动工作或出于重载启动且较频繁时，可选取大一级的整流器，以利于整流器长期、安全地运行。 （3）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电机功率的整流器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过流保护动作。 （4）当整流器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利于达到较高的节能效果。3.2.2 整流器容量的选择 合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施，根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种。 （1）电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率，以此来选择整流器的容量。 （2）公式法。计算后，按整流器产品目录选具体规格。当一台整流器用于多台电机时，至少要考虑一台电机启动电流的影响，以避免过流造成跳闸。 （3）电机额定电流法。整流器容量选定过程，实际上是一个整流器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使整流器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此，按电机的实际功率选择整流器是合理的，避免选用整流器过大，使投资增大。对于轻负载类，整流器电流一般应按1.1LN（LN为电机额定电流）来选择，或者按厂家在产品中表明的与整流器的输出功率额定值相配套的最大电机功率来选择。4 变频器的选择 选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10%，而温升会增加20%左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。 当变频器用于控制并联的几台电机时，变频器的电流等于所有电机的电流总和，控制方式只能使用V/F控制方式，并且变频器无法实现电动机的过流，过载保护，此时需要在每台电动机侧加熔断器来实现保护。 使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，会产生较多的高次谐波，而这些高次谐波会使变频器的输出电流增加。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。 变频器用于变级电动机时，应充分注意选择变频器的容量，是其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下，另外，在运行中进行极数转换时，应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时，会造成变频器损坏。 驱动防爆电动机时，变频器没有防爆构造，应将变频器设置在危险场所之外。 使用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动润滑方式的制约。润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在超过额定转速以上的高速范围内，有可能发生润滑油用光的危险。因此，不要超过最高转速的容许值。 变频器驱动绕线转子异步电动机时，大多是利用已有的电动机。绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比，绕组的阻抗小，因此容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应比通常容量稍大的变频器。对于压缩机，振动机等转矩波动大的负载和，如果按照电动机的额定电流或功率选择变频器的话，有可能因峰值电流使过电流保护动作的现象，因此应选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。 变频器驱动潜水泵电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大，所以选择变频器时，其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。 选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的灰尘，水会影响变频器的长久运行。 单相电动机不适用变频器驱动。 电机负载非常轻时，即使电机负载电流在变频器额定电流之内，亦不能使用比电机容量小很多的变频器。这是因为电机的电抗随电机的容量而不同，即使电机负载相同，电机容量越大其脉动电流也越大，因而有可能超过变频器的电流允许值。表1 载流量校正系数表表2 导线载流量减少系数表表3 空气中多根并敷设时载流量的校正系数表表4 多股单芯聚氯乙稀绝缘电线连续负荷载流量表表5 矩形铜母线、铝母线连续负荷载流量5 制动单元的选择 选择制动单元的功率和制动电阻的功率，不要无目的的选择。首先你得制动是什么性质？时间多长？需要的制动功率是多少？他的制动周期？这些实际的现场需求搞清楚了，再谈选择制动功率单元和制动电阻。 对制动要求不高的应用场合制动单元功率和变频器功率差不多或稍小点。 （1）估算制动转矩 制动转矩=（(电机转动惯量+电机负载测折算到电机测的转动惯量）（制动前速度- 制动后速度）/375减速时间-负载转矩 一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置； （2）计算制动电阻的阻值 制动电阻的阻值=制动元件动作电压值的平方/（0.1047（制动转矩20%电机额定转矩）制动前电机转速） 在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电解电容的容量。这里制动单元动作电压值一般为710V。 （3）制动单元的选择 在进行制动单元的选择时，制动单元的工作最大电流是选择的唯一依据，其计算公式如下： 制动电流瞬间值=制动单元直流母线电压值/制动电阻值 （4）计算制动电阻的标称功率 由于制动电阻为短时工作制，因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得： 制动电阻标称功率=制动电阻降额系数制动期间平均消耗功率制动使用率% 制动特点：能耗制动（电阻制动）的优点是构造简单，缺点是运行效率降低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量，且制动电阻的容量将增大。6 导线的选择 下面给出常用导线的载流量，我们可根据设备的容量计算出导线的载流量，进而选择使用什么型号的导线。 在电缆制造产家的目录中，一般都给出了电缆在规定的工作温度和环境温度下，不同敷设条下的允许载流量及各种校正系数。 根据我所生产的电控设备的安装配线和使用特点，为了确保产品质量，设备运行可靠，设计进一步规范化，对盘、箱、柜、台、屏内配线，所用导线的选型和载流量作如下规定： （1）盘、箱、柜、台、屏内配线，一般应选用BVR型500V单芯多股聚氯乙稀绝缘电线。 （2）环境温度变化时，载流量的校正系数也有变化，具体见表1。 （3）盘、箱、柜、台、屏内用的导线的载流量，应取导线在空气中放置，环境温度为25时，其载流量的0.7倍。对装入线槽或捆成一束时，导线载流量的减少系数见表2。 （4）电线电缆在空气中多根并敷设时载流量的校正系数如表3所示