超大型电动机起动方法之比较

作者简介：孙向瑞（1979-），男，助理工程师，2000年毕业于黑龙江科技学院自动化专业，曾在哈尔滨第一机器制造集团公司工作，现任哈尔滨帕特尔科技有限公司技术部经理。1超大型电动机起动方法之比较孙向瑞，王立会（哈尔滨帕特尔科技有限公司，黑龙江省哈尔滨市150090）摘要：过去，大型电机的起动不外乎有三种方法，每种起动方法都各有特点，但在不同方面不同程度上都存在着缺陷，而开关变压器式高压电机软起动装置不仅可以解决超大型电机的软起动并且具有更多的优越性能。关键词：自耦变压器减压起动；高压变频器软起动；独立变压器供电直接全压起动；开关变压器式高压电机软起动一、概述随着国民经济的发展，许多行业的生产规模越来越大，所使用的高压电动机的容量也越来越大。近几年来，在钢铁、石化、造纸等行业，20000KW以上的高压电动机越来越多，比如我国的钢铁行业正面临结构调整时期，要逐步淘汰500M3以下的小高炉，随着高炉容量的加大，高炉鼓风机电机的容量也变大；1000M3左右的高炉要20000KW左右的鼓风电动机，2000M3左右的高炉要30000KW左右的鼓风电动机，5000M3左右的高炉要60000KW左右的鼓风电动机；在石化行业，每个60~100万吨/年乙烯项目都有一台20000KW左右的电动机，每一台60000M3/h左右的空分装置都有一台30000KW左右的电动机。抽水蓄能电站一般都有几台4万~30万KW的发电电动机。根据我国的近期发展规划，千万吨级的钢铁公司和百万吨级的乙烯项目都有十几个。要上的抽水蓄能电站项目也很多。如果再加上其它行业的情况，超大型高压电动机的数量是相当可观的。因此超大电机的起动问题便被提到日程上来。过去，超大型电机应用不多，研究它的起动方法的人也较少，所见到的不外乎三种起动方法：①自耦变压器减压起动。②独立变压器供电直接全压起动。③用高压变频器做软起动。对于超大型电机，减压起动的一些缺点变得突出起来，因此应用于10000KW~20000KW电机较多，电机再大则用此法较少；对于20000KW以上的超大型电动机，如要软起动则只有花高价购买高压变频器，由于其价格昂贵，人们常常舍弃软起动而采用独立变压器直接全压起动，这是在权衡各方面情况之后所做出的不得已选择，并非优选之法，因为直接全压起动的危害性对超大型电机变得更加突出。二、电动机直接全压起动的危害性及软起动好处⒈引起电网电压波动，影响同电网其它设备的运行交流电动机在全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的4~7倍，当电机的容量相对较大时，该起动电流会引起电网电压的急剧下降，影响同电网其它设备的正常运行。软起动时，起动电流一般为额定电流的2~3倍，电网电压波动率一般在10%以内，对其它设备的影响非常小。⒉对电网的影响对电网的影响主要表现在两个方面：①超大型电机直接起动的大电流对电网的冲击几乎类似于三相短路对电网的冲击，常常会引发功率振荡，使电网失去稳定。②起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。软起动时起动电流大幅度降低，以上影响可完全免除。⒊伤害电机绝缘，降低电机寿命①大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化、寿命降低。②大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命。③高压开关合闸时触头的抖动现象会在电机定子绕组上产生操作过电压，有时会达到外加电压的5倍以上，这样高的过电压会对电机绝缘造成极大伤害。软起动时，最大电流降低一半左右，瞬间发热量仅为直起的1/4左右，绝缘寿命会大大延长；软起时电机端电压可以从零起调，可完全免除过电压伤害。⒋电动力对电机的伤害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，会造成夹紧松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障。软起动时，由于最大电流小，则冲击力大大减轻。⒌对机械设备的伤害作者简介：孙向瑞（1979-），男，助理工程师，2000年毕业于黑龙江科技学院自动化专业，曾在哈尔滨第一机器制造集团公司工作，现任哈尔滨帕特尔科技有限公司技术部经理。2全压直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速齿轮磨损甚至打齿、加速皮带磨损甚至拉断皮带、加速风叶疲劳甚至折断风叶等等。软起动的转矩不会超过额定转矩，上述弊端可以完全克服。当采用减压起动时，上述危害只有一定程度的降低；当采用软起动时，上述危害几乎完全消失；独立变压器供电方式直接起动只能在电网电压波动方面有所缓解，而其它方面的危害都照样存在。超大型电动机的价值都很高，在生产中也都起着核心作用。它的一点故障便会造成很大的经济损失，对它采用完善的保护是非常必要的。比如说对一台电机我们不能指望它的各处绝缘都是完全一致的，可能在某一点就有个薄弱环节，出厂试验时它能通过，但在长时间的冲击下这个薄弱环节会逐渐首先显露出来，使其寿命缩短。如果我们采取软起动，则可以大大延长电机的使用寿命，这两种方案哪一个合算呢？这是显而易见的。三、几种起动方法之比较⒈自耦变压器减压起动这种方式在起动时电机接于低压侧。因此一次电流较小，能减小线路压降，减小对其它设备的影响。这种起动方式的缺点如下：①冲击方面：在起动过程中，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。②可靠性方面：在电压切换时由于电流还比较大，因而在自耦变压器绕组上会产生感应过电压，有时会伤及绕组绝缘，降低使用寿命。这种方法常在10000~20000KW电机上用，电机再大时已很少应用。2.独立变压器供电直接全压起动该方法实际上就是直接全压起动。只是用一个独立变压器来隔离对其它用电设备的影响，其它的对电机、对机械设备的危害依然存在。另外，与共用电网的情况相比，要增加相当可观的电能损耗，在过去其实就是一种没有办法的办法，在如今是很不值得称道的。以20000KW/10KV电机为例，当采用独立变压器供电方式时，一次系统一般如图1所示：T1为三绕组主变。10KV绕组给其它负荷供电；35KV绕组给T2-D供电。D的容量一般在T2容量的0.6左右。图1如果电机D与其它负荷共网运行，则一次系统如图2所示。主变T选择双绕组变压器即可。图2从三相油浸式电力变压器国家标准上可以查到如下数据：变压器功率损耗110KV/10KV双绕组63000KVA260KW110KV/35KV/10KV三绕组63000KVA300KW35KV/10KV双绕组31500KVA132KW比较图1和图2可见，独立供电方式较共网方式耗损增加主要由两部分组成：①主变的损耗差异。②T2的功率损耗。T2的功率损耗主要由铁损和铜损构成。由于不满负荷，故铜损较满负荷时小些，铜损与电流的平方成正比，此时的铜损相当于满负荷的40.031500200002。我们假设满负荷时作者简介：孙向瑞（1979-），男，助理工程师，2000年毕业于黑龙江科技学院自动化专业，曾在哈尔滨第一机器制造集团公司工作，现任哈尔滨帕特尔科技有限公司技术部经理。3的铁损等于铜损，则可得出如下的多耗能计算：KWP4.13224.1132)260300(大电机一般都是连续工作制，假设按0.5元/KWh计算，则每年多耗电费581165.0365244.1325.0(万元)即由于采用独立变压器供电方式，每年多耗电116万度，多花电费58万元。如果考虑到共网运行时少用一个变压器T2，在基建投资中又可节约一笔费用，其经济效益是相当可观的。3.用高压变频器来软起动用高压变频装置做软起动，其性能是非常优异的：起动力矩大、起动电流小、起动平滑无冲击。但是当前变频技术尚处于发展时期，开关器件的开关损耗还比较大，变频装置的可靠性还不是很高。常常会出现这样那样的故障。维修技术也相当复杂，一般技术工人很难处理，要有专业修理人员。高压变频装置的高次谐波很大，容易在电机铁芯齿槽部产生磁场局部集中现象，使局部电场强度增强，对电机绝缘造成伤害。在许多变频调速应用中选用特制的变频电机就是为了防止这种伤害。对于超大型高压电动机的软起动，虽然电动机的起动时间很短，但由于电机价格昂贵，还是要防止高频谐波对它的反复伤害，防止其寿命缩短，应该配滤波器使用。大容量高压变频装置当前国内还不能生产，要依靠进口，其价格十分昂贵。另外其后的维修服务费用也非常高。4.开关变压器式高压电机软起动装置开关变压器式高压电机软起动装置是对可控硅串联式软起动装置（俗称固态软起动装置）的改进，它用开关变压器（TK）的高压绕组来代替可控硅串，而把可控硅放在开关变压器的低压侧（如图3所示）这样可控硅不用串联，可靠性大大提高；且由于开关变压器漏抗的滤波作用，加到电源上的谐波大大减少。其它方面：电压电流可全范围调节；可输出任意波形；可构成闭环控制，时间常数小、反应迅速；电动机功率增加时只要增加功率器件的容量即可；开关变压器工作于开关状态，开通时只有铜损，隔断时只有铁损，起动过程中开关变压器损耗很小，可连续起动；由于是纯调压软起动，故一拖多时电动机的容量可以相差很远。这一切使开关变压器式高压电动机软起动装置成为当前性/价比最高的高压电动机软起动装置。只要主电路功率元件的容量选择合适，开关变压器式高压电机软起动装置可用来起动任意大容量的电动机。图3四、结语超大型高压电动机价格昂贵，在各行业的生产运行中起核心作用，对它进行多方呵护是非常必要的。软起动装置虽然工作时间短，但其重要作用不可轻视，应该引起我们电气技术工作者的高度重视。从电机系统节能的角度看，使用软起动可以取消独立供电变压器，具有很大的节电效果。超大型高压电动机软起动装置属于重大技术装备类别。过去主要靠进口，价格昂贵，哈尔滨帕特尔科技公司生产的开关变压器式高压电机软起动装置技术性能先进、可靠性高、价格低廉，给我们提供了一个新的选择。业内专家和国家有关领导曾多次指出：“我国对有关技术装备的引进量太大，已经影响到国家的经济安全”。这个问题应该引起我们的重视，在国家大力提倡自主创新、建设创新型国家的今天，我们更应该振奋精神，自强、自重，为国家的崛起贡献我们的力量。