中高压电动机起动方法之比较

.中高压电动机起动方法之比较对于中高压（ 1kv 10kv ）电动机的起动方法，当前的起动方法有直接起动、自耦变压器减压起动、水电阻减压起动、磁控减压起动、变频软起动、可控硅串联软起动（固态）、开关变压器软起动等。一、与自耦变压器式减压起动的比较为了讨论的方便，将开关变压器式中压电机软起动装置称为a装置，将自耦变压器式减压起动装置称为b装置。在使用 b 时，高压侧接电网，低压侧接电动机。一般有几个分接头，可以选择不同的分压比， 这样起动电流和起动转矩可以根据抽头位置来调节。采用 b 的主要优点是能减小电网电流，减小线路压降。设自耦变压器二次电压u2 和一次电压 u1 之比为 kv（ kv1 ），则在起动时， 电机端电压为u2=kvu1 。电机的电流，即自耦变压器的二次电流i2 为：izd 电机直接起动时的电流自耦变压器一次接电网，电网供给电机的电流即是自耦变压器的一次电流i1=kvi2=kv2izd，可见此时电网电流只是直接起动电流的kv2 倍（ kv1 ）。由于转矩和电压的平方成正比，起动转矩也只有直接起动时的kv2倍。与 a 相比，二者有如下差别： .适用场合方面;.与老式减压起动相比，b 适用于电网容量较小的场合，它对减小电网电压波动是较有利的。与 a 相比， b 并无优越性，原因是b 的抽头变比往往较高，起动电流不会有明显的下降； 而 a 的调压范围非常大， 在电机的低速阶段可以用低电压来限制起动电流，当电机具有一定转速时（此时电机阻抗己变大）再提高电机端电 压，使起动电流能限制在更小的范围内。控制的灵活性、可靠性方面容量较小的电网也往往是不太稳定的电网，由于 b 是抽头式调节，在一次起动过程中电压是固定的，这样如果抽头变比比较低，在电网电压过低时，会使自耦变压器二次电压过低，因而起动转矩不足，起动时间过长，如果是定时切换，则冲击电流过大；如果抽头变比比较高，则会在电网电压较高时，对电机有较大的起动冲击，一次电流降低也不明显。a 的控制非常灵活，电流电压都可以大范围调节，无论电网的情况如何，均可按需要调节电流和电压，确保软起动的成功率。冲击方面应用 b 时，电压有 2 3 次切换，因而转矩也有2 3 次突变，这对较精密的机械设备是非常不利的。在电气方面，如果变比较高，对电网的冲击也会较大。a 因是连续调节，起动过程非常平稳，不存在冲击。4起动方式方面a 为软起动装置而b 为减压起动装置， 二者的其它性能完全不在一个水平上（如工作方式、可控性等）。总之， b 对不稳定电网而言，变比的选择非常重要，如果选择不当则会产生许多不利的情况，因此在软起动已广泛应用的今天，b 的应用已越来越少。前不久出现了一种在自耦变压器抽头处加装电容器的起动方法，这种方法其实质就是自耦变起动方法与电容补偿技术的简单结合，谈不上什么新技术。对电机而言，起动情况与自耦变起动情况基本一样：多次冲击依旧、电流会稍大一些。这种方法的出现是为了解决小容量电网起动较大电机的情况，使电机起动时的感性电流较少地流入电网。采用电容器来减小流入电网的感性电流是众所周知的方法，那么过去为什么较少使用这种方法呢？我想不会是人们没想到它，可能下述几个问题是人们所担心的：电机起动时电流突变中的高次谐波是否会影响电容器的寿命？会不会形成某次谐波振荡？电容器合闸时会产生很大的涌流，致使这种方法不适于频繁起动。起动过程中如因事故跳闸，则可能发生电机振荡现象，严重危及机械设备的安全。当电机起动接近结束时电流会下降，此时要及时切除电容器，否则会有过补偿发生。这些问题今天是否已经解决了？所以我们在选起动方法时当三思而后行，以免留下隐患。当前在10000kw以下的中小电机已比较少见有选用自耦变压器作起动的，不知为什么在大电机起动上竞有人选用。二、与变频器软起动装置的比较变频器装置主要是用在交流电机的调速上，具有明显的节能效果。如果把它用在电机软起动上，则不应再把它的调速性能与我公司产品相比较。把变频装置用来做软起动，在整个起动过程中电机不会有过流现象，起动转矩大，具有很好的起动性能。但对于起动转矩小的风机水泵类负荷，变频装置的这一优点则表现不出来。与我公司产品相比它也存在一些不足：1. 变频技术还处于发展阶段，由于开关损耗还比较大，所以可靠性还比较低，故 障率比较高，属于可维修性设备。各单位往往由于维修技术跟不上而造成停工时 间长，某钢铁公司曾发生35000kw高炉鼓风机一个多星期才起动起来的事例。也有搁置一旁不敢用的情况。2. 变频装置输出电压中， 高次谐波的含量大， 会在电机齿槽上产生局部过热现象， 烧毁绝缘，影响电机使用寿命。在调速应用时要使用特殊设计的变频电机就是这个原因；而我公司产品高次谐波含量小，对电机的伤害小。3. 用变频装置做软起动，当达到亚同步转速要从变频电源向工频电源切换时，必须有良好的同步功能（有的变频装置不具备此功能），否则会产生机械冲击，损伤机械设备。4. 变频装置价格高5. 变频装置电路原理复杂，对维修技术水平要求高，维修时间长，而我公司产品一般技术工人即能维修，提供的图纸资料齐全。与变频装置相比， 开关变压器式软起动装置的不足之处仅仅是起动过程中有过流现象，但时间并不长；过电流倍数也不大，空载起动不超过额定电流的2 倍，负载起动（风机泵类负荷）不超过额定电流的3 倍。所以综合起来，开关变压器式高压电机软起动装置应该是高压电机软起动产品中的最佳产品。三、与可控硅串联式软起动装置的比较为了讨论的方便，将开关变压器式中压电机软起动装置称为a装置，将可控硅串联式软起动动装置称为b装置。a装置与b装置二者都是相位控制调压软起动装置。主要性能有许多相近之处，二者比较尚有如下差别：1. 可靠性装置由于采用可控硅串联，因此对元器件特性参数的一致性要求很高。不容易得到保证。元器件在使用一段时间后特性参数会发生变化，使均压性能降低，极易造成整串元器件的损坏，一旦损坏用户很难修复；而a装置由于采用了开关变压器技术，元器件不用串联。因此可靠性大大提高。使用寿命远大于b。2. 高次谐波二者虽然都是相控。产生谐波的情况是一样的。但a装置的开关变压器具有很大的电感量。谐波电压大部分加在它上面，加到电源和电机上的谐波电压较小。 所以a比 b对电机的高次谐波伤害要小得多。3. 体积b比 a的体积小四、与液态减压起动装置的比较为了讨论的方便，将开关变压器式中压电机软起动装置称为a装置，将液态减压起动装置称为b装置。a装置与b装置二者不是一个层次的产品，a装置具有全面的优势，主要表现在：1. 控制的灵活性方面a 装置为一个纯电气装置，控制参数及曲线的调整范围大，灵活性强。比如对大惯量负荷可采取首脉冲方式；而 b 装置是用控制电机带动水电阻的极板运动，灵活性较差。2. 控制精度方面a 装置的控制精度非常高，且不受环境条件的影响，每次起动都能按调定的方式工作， 而 b 装置的水电阻受环境条件的影响很大，起动电流控制不准确 （据了解有这样的情况，安装时调定在3in，有时起动竞达4in 以上），这很容易产生意想不到的后果。3. 能量损耗方面b 装置采用水电阻分压，起动时会产生很大的焦耳热，为有损耗起动；而a 装置采用开关变压器分压，只图 2-1有很小的铜损和铁损（为常规变压器损耗的一半左右）。由电机学可知，起动电流与加在电机上的电压成正比，假定电机全压起动时的起动电流为 5in ，如果要以 3in 来软起动， 则电机上的电压ud 要达 0.6u ，因为电机在起动时的功率因数很小（仅0.2 左右），可近似认为ud=ux （电机感抗上的电压），由此算出水电阻电压ur+ur( 电机电压的阻性分量) 0.8u，从中去掉 ur（小于 0.2u ），可得： ur 0.6u ，这时水电阻上消耗的功率为：pr= ur?3in=1.8? u?in=1.8 pn就是说如果电机为10000kw ，则起动时水电阻上消耗的功率为18000kw ，如此大的功率使极板附近的水汽化，汽化电阻不好控制且这便是控制精度不高的原因，有时甚至有起动失败的情况。4. 起动瞬间的电流尖峰问题b 装置的起动电流是靠汽化电阻来限制的，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，失去了软起动的意义，还很有可能导致起动失败。5. 起动电流调节范围方面起动时 b 装置有大量的功率消耗，因此对于大容量电机其起动电流不可能较小，否则将使水箱体积更大、尖峰电流冲击更大，增加了控制的难度， 而 a 装置不存在这样的问题，电机再大也不影响起动电流的调节范围。6. 过电流时间问题b 装置在起动过程中使电机始终保持较大的设定电流，直至起动结束，过电流时间长，对电机的伤害大，而a 装置在起动时，开始电机电流很小，随着电机的加速慢慢增加电流，达到设定电流的时间很短，对电机的伤害小。7. 关于起动失败问题据了解热变电阻式减压起动装置有起动失败的情况，而我们的产品绝不会有起动失败的情况，这是因为我们产品的起动过程是调压的。根据公式m=ku2 ，在调压软起动时，电压由0 变化到 un，转矩 m 也由0 变化到 mn ，空载转矩m0 一定是小于mn 的，所以在软起过程中，电机总会在电压达到一定值时转起来， 且逐步达到额定工况。任何一台电机依其负载情况的不同，要达到额定转速都必须跨图 2-2过一个门坎电流值im，其值一般在2in 上下变化，由于热变电阻受外界温度变化的影响较大，有时会发生汽化电阻太大，起动电流不能跨过门坎值的情况，这时电机会达不到额定转速，造成起动失败，要第二次起动，可能要等23 个小时降温，这对生产的影响会是很大的。8) 对主开关寿命的影响a 装置的软起动开关投入时主电路电流为0，运行开关投入时两端电压很小，有利于延长主开关的寿命。而b 装置的合闸电流仍然很大，对开关的寿命不利。9) 连续起动次数方面由于 b 装置起动时会产生很大的热量损耗，所以对连续起动次数是有限制的，比如 1250kw以上只允许2 3 次（资料中未提时间间隔）；而a 装置损耗很小， 可以连续起动（当连续次数大于5 时，只需保证时间间隔5 10 分钟），用户不必为电机的起停担惊受怕。10) 体积方面a 装置的体积远比b 装置的体积小，安装方便、土建投资少、总造价低。11) 检修周期方面b 装置要周期性换水（有的经销商说周期为半年）另外其电极驱动部份有可移动部件要经常检查其工作状况；而 a 装置无可移动部件，其检修周期要长得多、使用寿命也长的多。五、与磁控式减压起动装置的比较为了讨论的方便，将开关变压器式中压电机软起动装置称为a装置，将磁控式减压起动装置称为b装置。a装置与b装置的区别主要表现在：1) 控制性能a 的输出电压、电流全范围可调。电压、电流波形可任意设定，是严格意义上的软起动产品。b 的调节范围很小，一般只能做恒流式起动。“磁控 ”即饱和电抗器，它是靠改变铁芯的磁饱和度来改变其电抗值，从而改变其与电机的分压。铁磁性材料的磁化曲线如右图所示，磁饱和电抗器靠改变其直流激磁 0来改变电抗器的电抗值。由图可见磁化曲线的斜率（对应电抗值）变化范围很小，只有 角的范围。因此 b 的阻抗值变化 图 2-3范围不大。电机端电压的变化范围不大。用固定的电抗器起动时，电压是不可调的。随着电机的加速，起动电流将下降， 如果电网容量不足，很容易引起起动失败（或切换到全压时冲击很大）。饱和电抗器与固定电抗器相比， 仅在于它能保持电流不下降，但能不能造成起动失败 （或起动时间过长或切换时冲击过大），还要看最大电抗值的选择。最大电抗值选的小些，起动失败的可能性小，但合闸时对电网和机械设备的冲击大，最小电抗值选的大些，则容易造成起动失败。所以说 b 不能称为软起动产品，只是比电抗器好一点的减压起动产品。a 在起动过程中可以连续大范围调节电压和电流， 这就从原理上保证了起动不失败。从应用实例上也证明了这一点：在鄂钢 10000kw 电机软起时，电网容量较小（该厂说 140mva ，老外计算后说 103mva ）,但由于 a 的调节范围大，仍能做到了无冲击软起。2) 发热方面a 工作于开关状态，开通时开关变压器（tk）上电压很小，无铁损，只有铜损。关断时 tk 中电流为零，无铜损，只有铁损。故其损耗只是常规变压器损耗的一半， tk 发热很小。b 始终工作在饱和区附近，铁芯磁通量很大，铁损很大；另外饱和电抗器有一直流激磁绕组，激磁功率很大（据磁控厂家自己的文章说，7000kw电机起动的辅助电源要 180kva ）。这也引起绕组和铁芯发热。由于发热， b 的连续起动性能非常差。这一点对设备安装和设备维修是非常不利的，设备安装时一般都要经过多次起动，发现问题，解决问题；设备维修后也常常需要多次起动来检查维修质量，连续起动性能差将延误工作的进行。由于发热，绕组绝缘容易老化，引起设备寿命降低。3) 冲击方面a 的电压和电流都可以从零连续调节，对电网无冲击，电压波动小，电机的转速也是从零起慢慢上升，达到了真正的软起动。b 只能以恒流方式工作，且电流不能较小，故在上电时对电网有冲击，电机转速也一下子上升到某一数值，这对于安装非常精密的轴流风机叶片来说，是非常不利的，会增加风机的故障率。4) 控制精度a 完全等同可控硅相位控制，线性度高、控制精度高、响应速度快（3ms ），控制实时性好。b 由于受发热和铁芯磁化曲线非线性等因素影响，控制精度低、线性度差、响应速度慢（几百ms ）、控制实时性差。5） 一拖多性能a 完全是调压软起，输出电压与负载无关，加上发热小可连续起动，因此非常适于一拖多软起，降低总造价，且电机不受容量限制，例如在鄂钢的一拖三软起， 最大电机 10000kw ，最小电机 1000 kw ，相差 10 倍。b 靠分压减压起动，电机端电压与电机容量（阻抗）有关，如果用b 起动多台电机，则容量不能相差较多，否则大电机阻抗小、 分压低、 电流小； 小电机阻抗大、分压高、电流大，另外由于b 的连续起动性能差，一拖多也无实际意义。中压电机软起动的条件比较苛刻，对软起动装置的性能要求较高，只有正确的选择软起动装置才能保证良好的起动效果，这对保证设备的安全长寿、保证生产的连续高效都有重要意义，现把我们的看法写出来供大家商讨，以求共同提高。如果是 10kv ，可直接启动，电机额定电流约是： 29a y降压启动定子绕组为连接的电动机，启动时接成 y，速度接近额定转速时转为运行，采用这种方式启动时，每相定子绕组降低到电源电压的 58 ，启动电流为直接启动时的 33 ，启动转矩为直接启动时的 33 。启动电流小，启动转矩小。y降压启动的优点是不需要添置启动设备，有启动开关或交流接触器等控制设备就可以实现，缺点是只能用于连接的电动机，大型异步电机不能重载启动。自偶变压器降压启动采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转。如启动电压降至额定电压的65 ，其启动电流为全压启动电流的42 ，启动转矩为全压启动转矩的42% 。自耦变压器降压启动的优点是可以直接人工操作控制，也可以用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低，适合所有的空载、轻载启动异步电动机使用，在生产实践中得到广泛应用。缺点是人工操作要配置比较贵的自偶变压器箱（自偶补偿器箱），自动控制要配置自偶变压器、交流接触器等启动设备和元件。软启动器软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能 于一体的新颖电机控制装置，国外称为soft starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管交流调压器。运用不同的方法，改变晶闸管 的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。在整个起动过程中，软起动器 的输出是一个平滑的升压过程，直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作软启动器的优点是降低电压启动，启动电流小，适合所有的空载、轻载异步电动机使用。缺点是启动转矩小，不适用于重载启动的大型电机。变频器通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作 “变频器 ”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（ dc ）。然后再把直流电（dc ）变换为三相或单相交流电（ac）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0 ，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种各样的功率、各种各样的外形、各种各样的体积、各种各样的用途等都有。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用。.10kv高压电机额定功率630kw ，名牌额定电流为46.4 ，计算电流i=p/u/1.732/0.88=630/10/1.732/0.88=41.33说明书上说的额定功率因素计算值是0.88、保证值是0.86，效率计算值是95.1%、保证值是93.8%，算出来还是和名牌电流不一致，偏小电机的额定电流计算方法已知三相电动机容量，求其额定电流口诀（ c）：容量除以千伏数，商乘系数点七六。说明：（ 1）口诀适用于任何电压等级的三相电动机额定电流计算。由公式及口诀均可说明容量相同的电压等级不同的电动机的额定电流是不相同的，即电压千伏数不一样，去除以相同的容量，所得“商数”显然不相同， 不相同的商数去乘相同的系数0.76 ，所得的电流值也不相同。若把以上口诀叫做通用口诀，则可推导出计算220、380、660、3.6k电压等级电动机的额定电流专用计算口诀， 用专用计算口诀计算某台三相电动机额定电流时，容量千瓦与电流安培关系直接倍数化，省去了容量除以千伏数，商数再乘系数0.76 。 三相二百二电机，千瓦三点五安培。常用三百八电机，一个千瓦两安培。低压六百六电机， 千瓦一点二安培。高压三千伏电机， 四个千瓦一安培。高压六千伏电机， 八个千瓦一安培。（2） ）口诀 c使用时，容量单位为kw， 电压单位为k，电流单位为a，此点一定要注意。（3） ）口诀c中系数 0.76是考虑电动机功率因数和效率等计算而得的综 合值。功率因数为0.85 ，效率不 0.9 ， 此两个数值比较适用于几十千瓦以上的电 动机，对常用的10kw以下电动机则显得大些。这就得使用口诀c 计算出的电动机额定电流与电动机铭牌上标注的数值有误差，此误差对10kw以下电动机按额定电流先开关、接触器、导线等影响很小。（4） ）运用口诀计算技巧。用口诀计算常用380 电动机额定电流时， 先用电动机配接电源电压0.38k数去除 0.76 、商数 2 去乘容量（ kw）数。若遇容量较大的 6k 电动机，容量kw数又恰是 6k 数的倍数，则容量除以千伏数，商数乘 以 0.76系数。（5） ）误差。由口诀 c中系数 0.76是取电动机功率因数为0.85 、效率为0.9而算得，这样计算不同功率因数、效率的电动机额定电流就存在误差。由口诀 c推导出的 5 个专用口诀，容量（kw）与电流（ a）的倍数，则是各电压等级（ k）数除去 0.76系数的商。专用口诀简便易心算，但应注意其误差会增大。一般千瓦数较大的，算得的电流比铭牌上的略大些；而千瓦数较小的，算得的电流则比铭牌上的略小些。对此，在计算电流时，当电流达十多安或几十安时，则不必算到小数点以后。可以四舍而五不入，只取整数，这样既简单又不影响实用。对于较小的电流也只要算到一位小数即可。* 测知电流求容量测知无铭牌电动机的空载电流，估算其额定容量口诀：无牌电机的容量，测得空载电流值，乘十除以八求算，近靠等级千瓦数。说明：口诀是对无铭牌的三相异步电动机，不知其容量千瓦数是多少，可按通过测量电动机空载电流值，估算电动机容量千瓦数的方法。测知电力变压器二次侧电流，求算其所载负荷容量 口诀： 已知配变二次压，测得电流求千瓦。 电压等级四百伏，一安零点六千瓦