2软起动技术发展综述2010

大型电动机软起动技术发展综述余龙海1380727033802787170979目录1、现代电力系统的特征2、电动机发展趋势3、几种典型机械设备的起动条件4、电动机起动应回答的问题5、大型电动机的起动对电网影响6、软起动技术的发展脉络7、常用起动技术8、变压器电动机组9、自耦变压器降压起动10、水电阻降压起动11、热变电阻降压起动12、电抗器减压起动13、电子固态软起动14、开关变压器15、两类串联降压软起动比较16、降补软起动17、大型同步电机变频起动18、单元串联型变频软起动19、电机软起动技术分类比较20、结束语1、现代电力系统的特征简单的说，电力系统由发电、输变电和用电三部分组成。发电是电力生产单位，如分布在全国各地的火电厂，水电站，核电站，风力发电站，太阳能电站等等；所有的电力消费者都是电力的用户，如行政机关，工矿企业，事业单位、家庭等等；输变电是一个庞大而又复杂的网络，将发电和用电联在一起。•电力供求市场化促进了电力系统高度网络化：一方面是利益推动原理，促使电力供应机构尽最大努力向每一个可能的用户提供电力；另一方面是人们在享受电力带来的方便的同时也形成了对电力的依赖。这两个方面的动力的作用促使电力的线路快速地伸向社会的每一个角落。•电力系统的安全涉及到区域经济安全乃至于国家安全，网络化程度的提高更加重了这一命题的重要性与紧迫性。美加大停电、2008年春天的中国南方的冰灾造成的电力灾害等等，都带来了巨大的损失。电力系统网络化程度越高，抗干扰或故障的能力也越低，系统越脆弱。今天要讲述的电动机起动问题就是系统脆弱性的一个重要来源。电动机起动，同步电动机群的失步、整步，再起动等对电网都会造成冲击。网络化使电力系统安全那么重要；网络化使电力系统那么脆弱；电力系统又不得不承担其网络化难荷之重。2、电动机发展趋势工业生产规模化，带动着电动机向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。•在国外，ABB和西门子电动机在国内冶金石化领域较多使用，宣称最大功率48MW；西屋电机在中国电力行业应用较多，宣称功率有100000HP。•国内的电机制造厂也不甘落后，先后有22MW的同步电动机和25MW的异步机投入使用。•就在20年前，2000千瓦的电动机就算大电机，而今我们常解决的是万千瓦级的起动问题。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地作用。尤其是软起动技术地产生发展，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。相对于汽轮机拖动系统而言，电力拖动系统是一套能源供应方便,控制系统简单成熟,而且环保指数高的传动方案。尽管电动机向大容量方向发展地同时也伴随着各种性能参数地优化,但是感应式电动机,在起动瞬间的低功率因数问题和低起动力矩问题却无法得到很好的解决。一般情况下,堵转时的功率因数可能低到0.1以下。可以想象4－6倍额定电流的无功突然接入一个容量有限的电网，结果会是什么样的。这种特性是感应电动机的结构决定的，在这方面目前还没有取得重大突破。优化这是一个典型的国产电动机起动电流曲线和起动转矩曲线，上海电机厂生产，YGF1000-4、19000kW、10kV、4P、应用于新余钢厂有人会问，电动机起动与效率有什么关系呢？对于感应电动机，起动电流小转矩大的，运行效率就低；而效率高的，起动电流大转矩小。因为软起动技术的发展以及其他控制技术的发展，使得电动机设计制造可以放弃部分起动性能，而追求高运行性能。两个方面：一是高效率往往是牺牲起动性能换来的；二是软起动、变频器等控制技术来弥补电动机设计制造时牺牲的起动性能。高效电机高起动转矩电机TSST变频运行特性3、几种典型机械设备的起动条件电动机起动过程的研究，首先是电动机的机械特性能够满足机械设备对它的要求，也就是说不管是否采用软起动技术或用那种软起动技术，其起动过程中电动机的输出转矩必须大于机械设备的起动阻转矩，只有这样才能保证设备能够顺利起动成功；然后才是起动冲击电流对电网电压的影响程度。工业领域常见的电动机械设备有离心式风机、水泵、轴流压缩机、往复式压缩机、挤压机等。不同的机械有不同的起动条件，以下是几种典型的机械起动条件。大型离心式风机的机械特性•从结构上讲，一般在风机的进风口配有挡风门，用于在运行时调节风量，在起动时开10—20%以降低起动阻力，此时阻力只有额定阻力矩的20—30%。•风机的轴功率与转速的三次方成正比，轴转矩与转速的平方成正比。根据这种关系，可以对风机起动过程阻力矩曲线进行初略估算，实际经验表明总的趋势上是相符的。•一般风机制造企业会提供风机起动过程阻力矩曲线或起动技术要求。若只提供起动阻力矩参数时，我们可以根据上述关系把阻力矩平方曲线给模拟出来，便于对起动过程进行逐段量化研究。•图中的A点反应的是机械静止阻力矩，制造商提供的往往是最大值。实际中的这个值是不确定的，与温度、润滑状况、设备磨损状况等诸多因素有关，但最大值是可以确定的，这个值关系到选择起动力矩值。•图中B点反应的是全速下风机的阻力矩，它与风门开度有关。•曲线接近于一个标准的平方关系曲线。典型的风机起动阻力矩曲线三元叶轮离心式压缩机离心式通风机轴流式压缩机一般通过调节动叶角度来改变风量和起动阻力矩。一般在起动时，总是期望把动叶开度调到可能的最小程度（5－10％），以减轻起动过程的阻力。往复式压缩机往复式压缩机是相对较轻的机械，其转速低，转子转动惯量小。在起动过程，一般将放风门全打开，因此几乎没有什么阻力矩。大型水泵大型水泵是相对较轻的机械，其机组转动惯量小，在起动过程，一般将进口阀门关闭，因此几乎没有什么阻力矩。特别提示：•机组转动惯量决定起动时间的长短，转动惯量越大，起动时间越长。机组转动惯量是一个重要数据，涉及到电动机起动方式的选择，以及采用降压起动方式时的电动机端电压的选择。因为会影响到电动机转子的温升。•有两个方面内容要特别注意：一是转动惯量一般折合到电动机转子轴上，电动机与风机直接轴连接的，转动惯量可以直接相加，电动机通过增速（或减速）结构与风机相连的，则应该先将风机转子转动惯量先折合到电动机转子轴上，然后再相加；二是单位要统一，转动惯量J和飞轮矩两个的单位，很容易出错，但物理量上却有个四倍关系，单位统一了方可相加，这点往往需要反复确认。4、电动机起动应回答的问题电机全压起动的必要条件：(1)起动力矩大于被拖动机械阻力矩；(2)足够大的电网容量；(3)机组能够容忍电动机冲击力矩；(4)起动时间小于电动机自身允许的时间。这四个方面的内容应该得到核算与确认。起动力矩能否满足机械起动要求？这是最重要的问题。克服机械静阻力矩；提供足够的加速力矩；加速力矩应保证起动加速平稳。引起的电网最大电压波动有多大？电网能接受吗？回答该问题，需要关注的几个参数：电网最小短路容量（坚强度）；比邻负荷电压波动耐受度（电网容忍裕度）；不同起动方式所产生的冲击无功（扰动强度）。有了这几个参数，就可以进行电压波动校验。根据具体情况计算电动机起动时现场母线电压波动情况，还可以计算出对上一级公共接点处的电压影响情况，通过比较设计最合理的配电方案，配置合理的变压器及其参数，选择合理的电动机起动和保护方式，使电力系统的风险降至最低。采用软起动技术，同样要回答上述几个方面的问题，同时还要回答：高次谐波含量有多大？电网能接受吗？应该作个隐患评估；可控性和起动性能可知性；对使用环境的适应性；允许连续起动次数及其重复性；再起动风险有多大？这里仅列出一些基本考量，回答好了，其他都不是核心问题，不影响方案的确定。5、大型电机起动对电网影响电动机起动问题的研究，过去多数着眼于电机的保护，如今大型电动机大多是允许全电压直接起动的，因此着眼点应该放在电机起动对电力系统的影响方面。前面两节所述的电力网络化趋势与电动机发展趋势所形成的冲突，最直接的反应就是电动机的起动过程对电网电压质量甚至电力系统安全造成威胁。我们专业技术人员不得不更多地关注这方面地问题。对于实际的、有限容量的电网，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：ΔU％=ΔQ/Smin×100％ΔU％—电压暂降,典型持续时间为10～60S；ΔQ—电动机起动时回路无功功率的波动量，Mvar;Smin—母线最小短路容量，MVA。电压暂降容易引起：电压不足，导致设备停运;电压低引起电源监视跳闸，设备停运；电压低引起紧急关闭电路速动切断电源；电压相角跳变或不平衡，引起不平衡保护继电器动作，设备停运。6、软起动技术的发展脉络1、直接起动或绕线式电机2、改善电动机起动性能3、大型装置采用汽轮机拖动1、限制转矩为目的的降压起动2、星－三角3、保护电动机为目的的降压起动1、高压电机电抗降压起动2、高压电机电阻降压起动3、高压电机晶闸管移相降压起动1、降压补偿软起动2、变频软起动单机容量小不需软起动保护电机为目的降低起动电流为目的降低对电网冲击为目的大力为软起动技术发展所作的努力YDQ系列液体电阻起动器用于绕线式电机软起动HTR系列高压热变电阻器用于大中型感应电机降压起动阻容降压软起动用于弱电网下大中型感应电机降压起动降补固态软起动用于弱电网下大中型感应电机降压起动高压变频软起动用于弱电网下大中型感应电机起动(ING)7常用起动技术分类起动方式全压起动全压起动变压器电动机组降压起动自耦降压自耦变压器降压起动电阻降压热变电阻降压起动水电阻降压起动电抗降压电抗降压磁控饱和电抗器相控调压固态软起动开关变压器降补软起动降补起动变频起动同步电动机SFC功率单元串联变频机械起动方式小拖大加超越离合器8、变压器电动机组变压器与电动机一对一拖动：(1)变压器下端没有其他负荷，因此在起动过程中，不用考虑电压降低造成邻近负荷反应，只要考虑有足够的输出力矩。(2)要求上一级电网短路容量足够大，可以容忍该机组起动所产生的无功冲击。上一级电网电压一般是35kV、66kV、110kV。•变压器既作供电用，又作为起动用。•选择变压器是关键，一是容量，二是阻抗。•变压器与电动机容量比较接近，一般为电动机容量的1.5倍左右。•阻抗的选择受到电网短路容量大小、电动机的起动特性以及机械阻力矩和惯性等几个方面的限制。一般选取阻抗要求尽量大一些。•变压器电动机组具有接线简单、投资省、维护方便等优点，特别适用于大型电动机的起动。问题变压器电动机组拖动方式有明显的优点，也要严重的局限：首先是把风险推向上以及电网，由上一级电网承担本该由基层电网承担的风险，因此要求上一级电网必须有足够的风险承担能力。其次会增加电网的一次性投资和长期运行费用。万一造成上一级电网事故，受影响的范围更大，事故损失也更严重。从电力系统风险控制角度来说，这种起动方案可以做个案，不宜推广。9、自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动，是将自耦变压器的线端接入三相电源，中性点短接，输出抽头端接到电动机的定子绕组。待电动机起动完毕，转速基本稳定时切除自耦变压器，将电动机定子绕组直接接人供电电源。自耦变压器起动降低了电动机的起动电流。采用自耦变压器起动，其明显的缺点主要表现在：(1)电压的阶跃性变化(分级转换时产生)引起较大的电流和转矩变动，这将引起机诫和电气应力，导致机械、电气经常性故障的发生;(2)电压分接头数量有限，限制了理想起动电流的选择，当电网电压波动及负载变化时，起动性能将偏离设计效果；(3)在开关切换的过程中，电动机有短时断电的情况，这会造成瞬间的大电流冲击和转矩突变。(4)切换的过程中自耦变压器本身也会承受操作过电压。10、水电阻降压起动在定子回路中串入三相水电阻；水电阻大小可通过传动机构控制极板间距离来调节；阻值平滑减小、起动过程在较小起动电流下进行；起动性能及优点：系统功率因数高；电网电压波动较小；起动平稳无冲击。主要缺点：通过调节极板距离变电阻，精度和灵敏度低；需要经常加水；环境温度变化对起动特性有影响；体积庞大。11、热变电阻降压起动1、热变电阻是一种电解质的水溶液。电解质溶入水发生电解，形成自由阴、阳离子，这些离子在电场的作用下，定向移动形成电流；