大型电动机软起动技术的现状与发展综述_王雪帆

大型电动机软起动技术的现状与发展综述文／华中科技大学电气与电子工程学院王雪帆／一、软起动技术产业发展3）工业生产规模化的结果是工业装置单机容量越来越大，需要的电动机容量也越来越大。越低，系统越脆弱。背景及意义2.电力安全涉及到区域乃至于国家安全，网络化程度的提高更加重了这一命题的重要性与紧迫性。高压大功率电动机的软起动产生于工业生产高度规模化和电力系统高度网络化矛盾日益尖锐的年代，高压大功率电动机的应用越来越多，电动机每起动一次就对电网有一次冲击，引起电网电压波动，严重地威胁到电力系统的安全。高压电动机软起动通过采用降压、补偿或变频等技术手段实现电动机软起动，减少对电网的影响程度，使电网、电机软起动运转、电动机拖动机械负载等整个动力系统稳定和谐，安全高效。这是本技术领域研究的主要内容。1.软起动技术应用目的主要有以下三个方面4）电动机是电网用户重要组成部分，电动机消耗的电能占全部发电量的60%，其中大型电动机消耗的电能占全部发电量的40%。3.大型电动机起动问题就是系统的一个重要扰动源。随着我国经济建设的发展，工业生产规模化，带动着电动机向高压大容量方向高速发展。工业装备单机生产能力日益提高，而作为原动力的电动机单机容量也日益扩大。控制技术的发展对电动机向大容量方向发展起到了推波助澜的作用，尤其是软起动技术的产生发展，有力的促使工矿企业采用大型电动机作为重型工业装备的原动机。国外最大功率100000HP；国产已经有25MW的异步机投入使用。20年前，2MW就算大电机，而今我们常面对的是20-50MW级的电动机问题。对于实际的、有限容量的电网，大型电动机直接起动对电网的影响是不可忽略的。电动机起动引起的电网电压波动为电动机起动时回路总的无功功率波动量占母线短路容量的百分数，即：然而电网的容量不仅不可能与电动机等比例发展，而且随着网络化程度越来越高，电网还变得越来越“脆弱”，任何电动机起动过程中异常情况的发生，影响的不仅仅是需要起动的场合本身，还可能是整个电力接入端所在的系统，甚至系统所在的整个区域。保障电力系统安全运行已成为关系到国计民生的战略性问题。因此，软起动技术的产生及发展，很好的解决了这一矛盾，保障了电力系统安全运行，促进了现代工业的规模化进程。不难想象，电力系统中如果没有软起动，大型电动机起动不了，或起动造成系统电压崩溃，系统将不可能正常工作。软起动技术的产生及发展，有利于电力系统向高度网络化方向发展，同时促进电网不断优化配置，确保始终运行于安全高效状态。1）使电动机的输出力矩满足大型机械系统对电动机起动力矩的要求，保证平滑加速，平滑过渡，避免破坏性力矩冲击；2）使起动电流满足高压大型电动机承受能力的要求，避免电动机起动发热造成绝缘破坏或烧毁，避免冲击性力矩对电动机组的破坏；ΔU％=ΔQ/Smin×100％式中：ΔU％—电压暂降,典型持续时间为10~60s；3）使起动电流满足电网电能质量相关标准要求，减少电压暂降幅度，减少高次谐波含量等。二、现代电力系统与大型电动机发展ΔQ—电动机起动时回路无功功率的波动量，Mvar；2.软起动技术应用的实际意义Smin—母线最小短路容量，MVA。1）软起动技术对解决生产高度规模化和电力系统高度网络化的矛盾，具有重要的现实意义。1.电力供求市场化促进了电力系统高度网络化。三、软起动技术的发展脉络（如图1）1）利益驱动电力网络伸向每一个角落；2）软起动技术的产生及发展，促进了电力系统的优化，为实现电力系统高效稳定运行，具有重要作用。2）同时消费者也形成了对电力的强烈依赖。网络化程度越高，抗干扰的能力1.国外软起动技术现状国外的高压电动机软起动产品分为2012.07.DQGY61T技术交流ECHNOLOGYEXCHANGE高端和低端两类。低端产品主要有自耦降压软起动和电子固态降压软起动。自耦降压软起动技术较成熟，在国内外已经普遍认同并接受；电子固态降压软起动以以色列的Solcon公司、美国的ABB公司和新西兰的奥康公司为代表，在国内市场占有一席之地。起动电流小，电压波动小，成本较低等优点，比较适合现时我国的国情；磁控软起动技术属于较落后的电抗降压起动技术，解决电动机起动与电网电压波动问题没有明显的优势，现在有少数厂家在研究和推广，所占市场份额有限；晶闸管调相降压软起动技术在起动性能方面与电抗器降压没有明显的优势，它的优势主要在于体积小，控制方便，适用于电网问题不突出的中小型电动机的起动；开关变压器软起动技术是晶闸管调相降压软起动技术的变种，特性也一样；降压补偿软起动技术适用于高压大功率的电动机软起动以及电网短路容量严重不足的场所，具有起动电流小于1.5倍额定电流的优良性能，直接进入过去西门子、ABB高压变频软起动技术的市场，近年发展势头很猛。高端的产品主要是以西门子为代表的同步电动机静止变频软起动装置SFC，占据了全部的大型和超大型电动机软起动市场份额，特别是在中国大型钢铁企业的高炉风机、抽水蓄能电站等市场。另一个代表就是ABB生产的异步电动机变频软起动装置，近几年才进入国内，但来势很猛。变频软起动技术的主要优点在于其技术性能的绝对优异，起动电流小到额定的50%，对电网最小短路容量没有限制，只要电网能够保障电动机正常运行，那么起动就不存在问题，再就是起动力矩可以做到与电流成正比例线性控制，不像降压起动，转矩与电压的平方成比例降低。因此，单从技术角度来说，变频软起动技术代表软起动技术的发展方向。国内大型电机行业在工业发展强劲需求下得到了长足发展，仅在湖北省就拥有相关企业50余家。其中襄樊大力工业控制股份有限公司等三家核心企业，年工业总产值已达十多亿元；高压大功率软起动产品涉及液体电阻、高压变频、电子式、降补固态软起动等多项技术，代表着国内先进软起动技术的降补固态软起动装置已可与国外同业竞争；目前国内软起动产业集中地主要分布在湖北省内。省内软起动行业经过多年快速发展，产业化集群优势逐步形成，已经拥有一个省级企业技术中心、三个博士后产业基地，与清华大学、武汉大学、华中科技大学、华北电力大学、浙江大学等十多所高等院校有人才培养、技术开发、学术交流等各个方面的合作，形成了一定的产业规模，品牌效益初步显现，同时还拥有一批年轻有为、富于创造力和闯劲的企业家群体。2.国内软起动产业发展状况国内软起动行业的发展是从用于绕线式异步电动机多级起动金属电阻器开始的，现多用液体电阻起动器的平滑起动，频敏变阻器技术在上述两种起动器之间起到了一个过渡作用。目前，在绕线式异步电动机的起动应用中，频繁起停的中小型设备如行车、提升机等，仍多采用金属电阻起动；重型不频繁起动的设备如球磨机、破碎机等，以液体电阻起动器为主；频敏变阻器已经逐步退出市场。目前国内适用于普通异步电动机的软起动技术发展相当强劲，软起动产品种类繁多。各专业软起动生产厂家经过不懈努力，相继开发出了热变电阻软起动装置、液态电阻软起动装置、磁控软起动装置、晶闸管调相降压软起动装置、开关变压器软起动装置、高压降补固态软起动装置等产品。目前国内市场上的主力还是热变电阻和液态电阻软起动装置，其3.与国外软起动技术差距发达国家软起动行业现状：从进口软起动产品看，发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置和变频软起动装置。我国软起动行业和国外的差距主要表现在一下两个方面：1）大功率电动机软起动装置主要还是进口，如20000kW以上的电动机，多采用西门子和ABB的变频软起动装置；尤其是SFC，国内目前还没有能力突破；2）高端产品如固态软起动产品，其可靠性设计和数字化智能化方面，远远高于国内同类产品。4.国内外技术研究开发及工程化发展趋势高压大功率电动机软起动技术产业发展趋势，有以下几个特征。1）高电压成为必然：目前电动机电压等级6kV的正逐步退出市场，10kV已经成为主力电压等级，20kV电压等级的应用也已经开始；图12012.07.DQGY622）容量越来越大：权威资料统计，2000年前国内最大功率电机为5000kW，2002年已完成13500kW电机的研究与成功试用，而今的冶金、石化项目中万千瓦电动机得以广泛应用；碎、生料磨、煤磨、窑头窑尾风机、熟料磨、空压机等都需要大电机，电机用电量占水泥企业的用电量的90%以上。玻璃生产企业对大中型电动机的需求同样很多。4）化工工业对大电机的需求：不管是化肥工业还是煤化工工业，都需要大量的压缩机、风机水泵、球磨机等。动工程技术中心的进一步发展提供了无穷的动力。纵观现阶段工业整体状况，由于环境保护、企业发展等原因，各大型工业企业的异地改造、扩容正如火如荼地进行。随着工业产业规模的不断扩大，单机容量也在不断增加，而这些电机若采用传统的起动方式，必然带来电力增容的巨额投资压力，因此，软起动装置的市场前景将更加广阔。据调查，目前国内市场估计每年超过7000~8000万kW容量的电机亟待解决起动问题。3）专用：有大型风机、大型压缩机、大型泵等，不同的用途对电机软起动有不同的要求；5）其它行业对大电机需求：随着环保产业的深入发展，再生材造纸工业正如雨后春笋般蓬勃发展。木材造纸行业都离不开大型磨桨机，而国家对小规模造纸厂家实施“关、停、并、转”措施后，使得剩下的大中型造纸企业部分大型驱动电机功率在6000~20000kW左右，这些设备都可采用高压降补固态软起动装置进行起动。4）性能指标要求越来越高：比如起动电流，串联电抗可做到3倍额定电流，热变电阻软起动可以做到2.5倍额定电流，降补软起动装置可以做到1.5倍额定电流；5）高新技术的应用越来越多，涉及到新型电机、电力电子技术、微电子技术、信息与控制等多个学科领域，并且强力地带动相关产业的发展。四、常用起动技术及分类（见表1）1.变压器电动机组（如图2）变压器与电动机一对一拖动：（1）变压器下端没有其他负荷，不用考虑电压降低造成邻近负荷反应；（2）要求上一级电网可以容忍机组起动所产生的无功冲击；目前软起动行业状况是：中小功率的、低端的软起动产品制造能力有余，比如转子起动器、水电阻软起动、低压电子固态软起动等都属于此列。而对于需要满足复杂条件要求的、技术含量高的产品，研究生产能力不足，比如高压供电系统较弱的电动机软起动、高压超大型电动机的软起动还得靠进口产品。还有就是过去这么多年采用的一些软起动技术，随着时间的推移已经不能满足现有条件的要求，需要进行高技术改造等，这些都为高压软起5.市场需求及效益分析1）冶金工业对大电机需求：需要大功率电机带动的风机在钢铁与其它金属材料的冶炼过程中占有极其重要的位置。从矿石到炼成钢要经过矿石烧结、炼铁和炼钢等主要冶炼过程，即钢铁冶炼的全部工艺流程中都需要风机。（3）把风险推向上一级电网；（4）会增加电网的一次性投资和长期运行费用。2）石化工业对大电机的需求：气体压缩机在石化工业的应用和发展：气体压缩机是对气体进行压缩，产生气体压缩能的设备。对气体进行压缩的目的是输送气体或者气体分离。气体压缩机是石化装置的关键设备，大部分石化装置都有气体压缩机。一般常用的有离心式压缩机、往复式压缩机、螺杆式压缩机等。2.自耦变压器降压起动（如图3）通过自耦变压器降压实现电动机软起动。表1分类起动方式全压起动全压起动自耦降压变压器电动机组自耦变压器降压起动热变电阻降压起动水电阻降压起动电抗降压3）建材工业对大电机的需求：我国是建材生产大国，水泥、平板玻璃及陶瓷产品的生产量居世界第一。其中，水泥统计产量超过13亿吨，增幅在10%以上；出口创汇145亿美元，增长15%左右。水泥制造业能耗总量占建材工业的75%。未来10年，我国建材工业将会继续保持高速发展态势，发展速度将高于国民经济发展速度3到4个百分点。预计到2010年，建材工业产值将会达到一万六千多亿元，成为国民经济的重要增长点。水泥企业从矿山破电阻降压降压电抗降压起磁控饱和电抗器固态软起动动相控调压开关变压器降补软起动变频起动降补起动同步电动机SFC功率单元串联变频小拖大加超越离合器机械起动方式2012.07.DQGY63T技术交流ECHNOLOGYEXCHANGE用容量为5000kW。5.磁控软起动（如图8、9）