电机启动方式分析.doc

高压电机软起动方法的分析 高压电机软起动这一概念是由低压电动机引申过来的。低压电动机软起动装置是利用晶闸管来实现三相交流调压，使电动机电压和电流全范围可调，完全区别于传统的起动方法，高压电动机软起动也应该遵循这一原则，即:软起动应该作到对电动机及及机械的伤害降到接近于零值;电压和电流的调节应该作到全范围连续可调并能使起动电流最大值降到最低;对电网无冲击;控制精度的重复性应达到100%。基于此，当前的起动方法分为三种: (1) 直接起动; (2) 减压起动; (3) 软起动。1、全压直接起动及其危害 (1) 电动机直接全压起动时, 过大的起动电流会在线路上产生较大的压降，使电网电压波动很大，影响并联在电网上的其它设备的正常运行，一般的要求是经常起动的电动机引起的电网电压变化不大于10%，偶尔起动的电动机引起的电网电压变化不大于15%。还可以按电源的情况来决定是否允许电动机直接起动，如附表所示: (2) 直接全压起动的危害性主要有如下几点: (a) 普通鼠笼式电动机在空载全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的5-7倍。当电动机容量相对较大时，该起动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故; (b) 电动机直接全压起动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命; (c) 电动机直接全压起动时的起动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎;对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带。对于水泵类负荷来说，电动机全压起动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电机突然停止时，高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，会使叶轮变形或损坏。直接起动时电机速度上升很快，润滑油往往不能及时到位，会引起轴承干磨，降低其使用寿命; (d) 电动机在起动时, 会产生短时间的谐波电流, 使电网的谐波大量增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。同时，还可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题; (e) 直接全压起动还会在高压开关关合时产生陡度很大的操作过电压，使定子绕组上电压分布不均匀，对其绝缘造成极大的伤害。许多电机的自身故障都是由于绝缘受到伤害而引起的。 以上各点都会使设备增加停工台时，影响生产的正常进行，增加维修费用。综合考虑，在经济条件允许的情况下应尽量避免采用电动机的直接起动方式，以保证电网的供电质量。在这种情况下高压电动机的软起动作为一个重要的课题被提出来。2、 减压起动及其优缺点2.1 定子回路串电抗器减压起动 串电抗器后，起动电流成正比减小，起动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机起动时阻力矩的情况，只有起动转矩大于阻力矩电机才能顺利起动。如图1所示起动时先合上3Q再合上1km电机即串入电抗起动，待起动完成后合上2km打开1km，切除电抗器，电机进入全压运行。 图1 定子回路串电抗器减压起动串电抗器起动时，串入电抗器之前电机速度为零，故这时要求的im较大，这就要求串入电抗器后电机的端电压不能太小，一般选择在0.7Un左右，其起动电流也在直接全压起动电流的0.7倍左右。 选用电抗器时便会陷入这样的矛盾之中:为了减小起动电流总希望电抗值大一些, 但这样又容易造成起动失败，尤其是当电网电压不稳定和负载状况经常变化时;为了保证起动的成功率, 电抗值就要小一些, 但这样起动电流又偏大，所以电抗器适于电网电压和负载(起动时)比较稳定的情况。 串联电抗器起动为有级降压起动, 起动过程中转矩会有二次突变, 仍会产生较大的机械冲击, 对机械及电机仍会有损伤，只是程度有所降低;对电网的影响也未达到最低。在操作过电压方面，由于初始电压为0.7un左右，操作过电压的几率也随之降低一些，但由于高频振荡叠加的随机性，操作过电压的幅值并不会降低。2.2 自耦变压器减压起动 自耦变压器降压起动时接线如图2所示。起动时先合3Q，再合1km，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上降压起动。当转速上升到接近稳定时，合2km，断1km，将自耦变压器切除，电机进入全压运行状态，起动结束。 图2 自耦变压器减压起动 与电抗器降压起动相比,在获得同样起动转矩的情况下,自耦变压器式降压起动需电网提供的起动电流较小,对电网电压的影响小,适合于阻力矩比较大的情况,以及电网短路容量较小的情况.这是它优于串电抗器起动的地方。 自耦变压器减压起动的主要缺点是在开关切换的过程中,仍然有较大的转矩突变,对电动机及机械设备仍有较大的伤害,操作过电压方面与电抗器的情况一样。2.3 液阻起动方法 可变电阻一般由水和电解质组成，利用极板的移动或通电后水温的变化来达到调压电阻的变化，前者简称“液态式”，后者简称“热变式”。我们暂且统称之为水电阻式。可变电阻式减压起动为能量损耗性减压起动，起动时把大量的能量消耗在水电阻上，然后逐渐向电动机转移能量，使电动机升速。当起动时电液阻的功耗非常大致使极板附近的水迅速汽化，形成高阻值的汽化电阻，它是水电阻的主要成分。 水电阻减压起动的上述特点决定它有如下的主要弱点: (1) 由于起动电流的设定值是由汽化电阻决定的, 因此在水汽化之前的很短时间内水电阻很小，这时的电流会远大于设定值,在电网容量不是很大的情况下,此大电流会使电网电压急剧下降,影响其他设备的正常运行，失去减压起动的意义; (2) 汽化电阻与许多因素有关，如环境温度、极板情况、电源状况等，因此起动电流的控制精度很差，变化范围大; (3) 起动时产生的热量使水升温，要再次起动则须等水降温后方可，因此对连续起动的次数是有限制的，电动机越大越不允许连续起动; (4) 水电阻减压起动时, 有时会发生汽化电阻太大, 起动电流不能跨过门槛值的情况而造成起动失败(尤其是热变电阻式)。这也是水电阻式的起动电流设定值不能较小的原因; (5) 水电阻减压起动时, 常常把水电阻接在电机的星点处，开关关合时，全电压加在电动机绕组的首端，产生操作过电压的情况与全压直接起动的情况是一样的，会对电动机的绝缘造成很大的伤害; (6) 水电阻减压起动时，起动电流设定值一般在3in以上，电机端电压在0.6un左右，仍会产生较大的转矩冲击，对电动机和机械设备都会造成较大的伤害; (7) 水电阻减压起动时, 因一开始便有较大的电流值，因此电动机仍有较大的加速度，在润滑油尚未到位的情况下电动机有较高的速度，仍会形成干磨，影响轴承寿命。与低压电动机软起动技术的性能相比，水电阻的弱点似乎偏多了些，如果把它称之为软起动实在是有些不妥，故暂称之为改进型减压起动方法。2.4 可变电感减压起动方法(磁控) 该技术源于磁放大器技术。在30年前，在无功补偿领域中，磁放大器曾一度处于领先地位但现在以处于衰败的地位。 可变电感一般由饱和电抗器构成，通过调节控制绕组中直流电流的大小改变铁心的饱和度，从而改变电抗值的大小，原理如图3所示。 图3 可变电感减压起动方法 与水电阻相比，该起动方法前进了一步，即可控性较好，重复精度较好。但它尚有如下弱点: (1) 起动电流仍然偏大, 一般在3in以上，与电抗器相比电流降低得不多，只是恒流性能较好，能保证起动的成功率，但对电网仍有较大的冲击，对电机及机械仍有转矩冲击; (2) 饱和电抗器一般也接在电动机星点处, 开关关合时，全电压加在电动机绕组的首端，产生操作过电压情况与全压直接起动的情况是一样的，会对电动机绝缘造成很大的伤害。如果饱和电抗器接于电动机与电源之间，由于初加电压有所降低(一般在0.6un左右)，产生过电压的几率会少一些，但由于高频振荡电压的随机性，过电压的幅值并不会降低多少，对电动机仍有伤害; 饱和电抗器减压起动方法是从传统的电抗器减压起动衍生出来的，性能有所提高，但尚有较多的弱点，达不到低压电动机软起动的水平，因此只能称之为改进型的减压起动方式。如果能把电抗值的调节范围做大，使起动时的电动机电压和电流都能从零(或很小的一个值)起调，再把它放在电源侧，则会克服上述弱点，称之为软起动也便当之无愧了。3、 软起动方法及其优缺点3.1 高压(310kv)变频器作为软起动装置 变频器主要是用在交流电动机调速上，具有明显的节能效果，特大型电动机(10000kw以上)由于以前找不到合适的软起动装置，故多选用变频器来做软起动装置。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从零起调，保持电动机有较小的转差率，因此可以做到无过流，起动力矩大，具有很好的起动性能，但它也有如下弱点: (1) 变频技术还处于发展阶段, 开关器件的开关损耗还比较大, 所以可靠性还比较低, 故障率比较高, 属于可维修性设备。变频器电路复杂, 对维修技术水平要求高, 往往由于技术跟不上(图纸资料不全)而造成停工时间很长, 影响生产; (2) 价格特别昂贵, 而且后续的备件费用也非常高; (3) 变频器输出电压中高次谐波的含量大, 对电动机的伤害大，在调速应用时要使用特殊设计的变频电动机就是这个原因。 随着变频技术的进步及价格的降低，变频器作为软起动装置的应用也会越来越多。3.2 晶闸管串联式软起动装置 该方式的电路形式是直接由低压软起动电路演变过来的，由于电源电压高，单只晶闸管不能满足其耐压要求，故选用多只晶闸管串联。这种装置的起动性能能达到全方位的软起动性能，即电压、电流都能从零起连续可调，能完全免除对电网的冲击和对电动机及机械设备的冲击，控制灵活，重复精度高。 由于技术上的原因，该方式尚存在如下弱点: (1) 由于采用可控硅串联，因此对元件特性参数的一致性要求很高，不容易得到保证，元件在使用一段时间后特性参数还会发生变化，使均压性能变差，很容易造成整串元件的损坏，致使该装置的可靠性比较低; (2) 谐波比较大; (3) 另外该装置的价格也比较高, 后续的备件费用也高,故该装置在国内应用的还比较少。3.3 开关变压器式高压电动机软起动装置 开关变压器技术(专利技术)，这一技术使高压电动机软起动装置成为一种可靠性非常高的设备，最大容量可以做到50000kw以上，而且价格低，原设备改造方便，原理如图4。 图4 开关电压器软起动 开关变压器式高压电动机软起动装置是用开关变压器来隔离高压和低压，开关变压器的低压绕组与晶闸管和控制系统相连，通过改变其低压绕组上的电压来改变高压绕组上的电压，从而达到改变电动机端电压的目的，以实现电动机的软起动。其特点如下: (1) 电压和电流能从零起连续可调, 对电动机无操作过电压伤害，无转矩冲击，对电网无冲击; 转速慢慢上升，有利于润滑，能延长电动机及机械设备的使用寿命; 高压开关合闸时电流(或电压)为零，能