應(yīng)用液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)改善空壓機(jī)組異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能
應(yīng)用液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)改善空壓機(jī)組異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能
——宋 軼
摘 要：本文介紹了GZYQ型高壓電動(dòng)機(jī)液態(tài)軟起動(dòng)裝置的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理及其性能特點(diǎn)，并對(duì)該技術(shù)在離心式空壓機(jī)組上的應(yīng)用做了小結(jié)。
關(guān)鍵詞：高壓異步電動(dòng)機(jī) 軟起動(dòng) 液態(tài)變阻
1 前言
大功率離心式空壓機(jī)組一般為直接啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)對(duì)其他用電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。我公司機(jī)組是由無(wú)錫阿特拉斯提供的ZH10000-6離心式空氣壓縮機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是西門子的1LA45002FD80-Z型高壓異步電動(dòng)機(jī)，功率為1120kW，轉(zhuǎn)速為2987轉(zhuǎn)/分，額定電壓10KV，通過(guò)高速齒輪變速箱將轉(zhuǎn)速?gòu)?987轉(zhuǎn)/分提高到11750轉(zhuǎn)/分和17202轉(zhuǎn)/分，時(shí)間僅用8秒到12秒左右。在這樣短的時(shí)間內(nèi)把轉(zhuǎn)速提高到高速軸的額定值，常會(huì)對(duì)齒輪箱產(chǎn)生較大的沖擊而損壞齒輪。一旦出現(xiàn)重大損壞，其直接的維護(hù)更新費(fèi)用就接近20萬(wàn)，損失巨大；同時(shí)直接啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成電網(wǎng)電壓壓降高達(dá)15-18%，使其他用電負(fù)載無(wú)法正常運(yùn)行。
因離心空壓機(jī)組對(duì)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求不是很高，如果能降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適當(dāng)延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，可大大減輕電機(jī)起動(dòng)對(duì)齒輪的沖擊，改善高速齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到降低離心機(jī)組故障率的目的，對(duì)該設(shè)備的正常運(yùn)行意義巨大。為此，我們?cè)紤]選用變頻器，但1120kW高壓變頻器調(diào)速設(shè)備費(fèi)用非常高，如果僅僅是為了改善電機(jī)起動(dòng)性能，其性價(jià)比明顯不合理。
經(jīng)過(guò)廣泛的咨詢調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)考查，我們了解到目前國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)利用液態(tài)電阻原理配以新技術(shù)、新材料組成的電液變阻起動(dòng)器。該技術(shù)產(chǎn)品已應(yīng)用在10MW高壓交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制上，可使電機(jī)最大起動(dòng)時(shí)間控制延長(zhǎng)至60秒甚至更長(zhǎng)（而且可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整）。而且，整套裝置的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用根據(jù)電機(jī)功率配置只需6~8萬(wàn)元左右，這為提高大型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能提供了一種較為經(jīng)濟(jì)可行的啟動(dòng)方案，并且該裝置在工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生諧波。
2 液態(tài)軟起動(dòng)裝置的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理、性能特點(diǎn)
2．1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
電液起動(dòng)器的系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，以GZYQ型液態(tài)軟起動(dòng)裝置為例，其構(gòu)成原理圖一所示，在定子回路中串入電液變阻起動(dòng)器的三相電阻，其中QS隔離開關(guān)，QF1為主機(jī)運(yùn)行斷路器，QF2為電機(jī)起動(dòng)斷路器，RS為電液變阻起動(dòng)器。電液變阻器由三個(gè)相互絕緣的環(huán)氧樹脂電液箱構(gòu)成，內(nèi)部分別有濃度可調(diào)的電液，和一組相對(duì)應(yīng)電極液，一動(dòng)一定，動(dòng)極板通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及伺服控制系統(tǒng)控制運(yùn)行。動(dòng)極板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝有行星磨擦式機(jī)械無(wú)給變速器，可以很方便地調(diào)節(jié)動(dòng)極板移動(dòng)速度，這樣就能控制液阻無(wú)級(jí)切除的時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)起動(dòng)力矩和起動(dòng)時(shí)間的目的。整個(gè)起動(dòng)過(guò)程控制在較小起動(dòng)電流下均勻升速，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。
2．2 液態(tài)電阻對(duì)起動(dòng)力矩的控制 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),Rs(液態(tài)軟起動(dòng)裝置的`阻值)隨起時(shí)間的增加而減小，由此可將施加于被控電機(jī)的端電壓隨時(shí)間斜率式增加，（即通常所謂的“軟起動(dòng)”方式）顯然，與串接固定電阻或電抗器起動(dòng)方式相比，液體電阻更能改善被控電機(jī)的機(jī)械特性。 對(duì)于離心空壓機(jī)組，最重要的是減小起動(dòng)力矩對(duì)機(jī)組增速箱的沖擊，增加升速時(shí)間并使之無(wú)極平滑升速。由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)理論可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的關(guān)系為：Mq=I2。故只要知道機(jī)組最大靜阻力矩與電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的額定轉(zhuǎn)矩之間的比值，就可以確定該電機(jī)的最小起動(dòng)電流和起動(dòng)力矩。要保證起動(dòng)過(guò)程的平滑加速，這就需要起動(dòng)設(shè)備有很好的平滑可調(diào)性，使整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相適應(yīng)，在恒加速情況下可最大限度地減小起動(dòng)過(guò)程對(duì)機(jī)組的沖擊。液態(tài)軟起動(dòng)良好的可調(diào)性正好能滿足這一點(diǎn)。 2．3 液態(tài)軟起動(dòng)裝置性能特點(diǎn) 對(duì)于相同功率的電動(dòng)機(jī)，由于負(fù)載、工藝、參數(shù)、起動(dòng)次數(shù)及頻繁程度、工作環(huán)境等條件不同，理論上需要配備不同的起動(dòng)阻抗，才能獲得良好的起動(dòng)特性。這實(shí)際上意味著每臺(tái)不同的電機(jī)應(yīng)有自己最適宜的起動(dòng)電阻存在，最好是能使起動(dòng)以軟起動(dòng)方式成功完成，又將起動(dòng)電流控制在最小的范圍以內(nèi)，從而降低起動(dòng)沖擊，保護(hù)被拖動(dòng)設(shè)備及電網(wǎng)。液態(tài)軟起動(dòng)裝置根據(jù)其系統(tǒng)構(gòu)成和原理分析，在這方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其次，電液變阻起動(dòng)器的最大長(zhǎng)處就是它的阻值可塑性好，靠改變水中的適宜導(dǎo)電介質(zhì)的濃度來(lái)改變本身的電阻率，其可調(diào)整范圍理論上是非常大的。 當(dāng)然，電液變阻起動(dòng)器應(yīng)用還沒(méi)有大面積推廣，在運(yùn)行維護(hù)方面積累的經(jīng)驗(yàn)還不夠。其液體電阻在高壓電場(chǎng)的作用下是否會(huì)發(fā)生騅以捉摸的變化，如何獲得安全而設(shè)定的阻值，還是一個(gè)有相當(dāng)深度的技術(shù)問(wèn)題，還需要通過(guò)理論－－實(shí)踐－再理論的過(guò)程加以完善。 3.利用液態(tài)軟起動(dòng)工技術(shù)根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)理論的計(jì)算機(jī)仿真 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4749.png" width="328" height="236" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-13663.png" width="348" height="239" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22333.png" width="32" height="31" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16216.png" width="45" height="32" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-6101.png" width="49" height="30" />600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11811.png" width="25" height="21" />選取用起動(dòng)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的改造，能否將起動(dòng)力矩有效地控制，并使整個(gè)起動(dòng)過(guò)程得以勻均加速，最大速度地減輕高速齒輪的機(jī)械沖擊，從而保護(hù)機(jī)組是成功的關(guān)鍵。因此我們要求生產(chǎn)商根據(jù)所提的電機(jī)及負(fù)載參數(shù)，運(yùn)用 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21854.png" width="61" height="32" /> 圖三 拖動(dòng)的理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)起動(dòng)效果進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，依據(jù)仿真情況，我們得到了控制起動(dòng)的最佳效果曲線。如圖二、三所示。 圖二為機(jī)組起動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線圖，較好地保證了起動(dòng)過(guò)程與起動(dòng)電流變化情況，設(shè)備通過(guò)合理的控制液態(tài)電阻的變化調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速勻均升高，仿真時(shí)間在23S時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步，電流下降，此時(shí)完成了同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)過(guò)程。 被仿真系統(tǒng)為：1�？諌簷C(jī)組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是西門子的1LA45002FD80-Z型高壓異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)參數(shù)為：Pn=1120kW，Un=10kV，In= 74A，Nn＝2987rpm，Mn=3581Nm，直接起動(dòng)電流Iq≈7Ie＝520A。 4 液態(tài)軟起動(dòng)裝置在我公司的應(yīng)用 我公司空壓站站5臺(tái)離心式空壓機(jī)組的異步電動(dòng)機(jī)原都是采用直接起動(dòng)方式。因電網(wǎng)容量較小，每次啟動(dòng)會(huì)造成電網(wǎng)壓降過(guò)大（15%左右），對(duì)其他電器設(shè)備的影響很大。 為解決這一問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)各種電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較及仿真模擬，并在深入的市場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，最后決定采用GZYQ－1500型高壓交流電動(dòng)機(jī)液態(tài)軟起動(dòng)裝置。 2005年9月，我們應(yīng)用電液變阻器進(jìn)行了1＃機(jī)起動(dòng)部分的改造。依據(jù)前面所述的計(jì)算機(jī)仿真的相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行配置，我們要求廠家調(diào)試人員將電機(jī)起動(dòng)電流限制在2.5Ie（即185A左右），以減小起動(dòng)對(duì)機(jī)組的沖擊。 在空載檢驗(yàn)試驗(yàn)合格且模擬動(dòng)作正確后，9月15日，我們會(huì)同空壓站技術(shù)人員對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了帶負(fù)荷試驗(yàn)。這次試驗(yàn)共開了兩次機(jī)。第一次因?yàn)樯弦患?jí)斷路器過(guò)流保護(hù)整定值時(shí)間未調(diào)好（13s），以至于10KV開關(guān)跳閘而保護(hù)停機(jī)。此后，將上級(jí)斷路器過(guò)流保護(hù)整定值時(shí)間設(shè)定為22s，在二十分鐘后（等電機(jī)繞組溫度降到25.8℃）進(jìn)行了第二次開機(jī)，電機(jī)成功啟動(dòng)。下面，是兩次起動(dòng)的數(shù)據(jù)： 從數(shù)據(jù)上看，這此啟動(dòng)的結(jié)果較令人滿意。該機(jī)起動(dòng)電流由原來(lái)的520A左右變?yōu)楝F(xiàn)在的200A，起動(dòng)時(shí)間由13s延長(zhǎng)到現(xiàn)在的22s，而且升速過(guò)程平滑，很接近仿真的效果，故可以認(rèn)為技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期效果。 由兩次起動(dòng)的數(shù)據(jù)可以看出，液阻溫度在開機(jī)時(shí)上升明顯，使得第二次起動(dòng)時(shí)初始阻值下降，反映在第二次起動(dòng)電流的增加和母線電壓的下降很明顯，但起動(dòng)效果仍在預(yù)定的范圍內(nèi)。前面談到過(guò)，對(duì)于液體電阻在高壓電場(chǎng)的作用下是否會(huì)發(fā)生難以捉摸的變化還需進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn)，另外，電阻液的阻值也會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，因此，電機(jī)連續(xù)起動(dòng)最好不要超過(guò)兩次。目前該產(chǎn)品充分發(fā)揮液阻可調(diào)性這一優(yōu)點(diǎn)，對(duì)起動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)跟蹤檢測(cè)閉環(huán)控制，使得連續(xù)起動(dòng)性能的穩(wěn)定性得到了有效的控制，實(shí)現(xiàn)了恒流軟起動(dòng)。 5 結(jié)束語(yǔ) 液態(tài)軟起動(dòng)裝置在空壓站離心式空壓機(jī)1#機(jī)組上的成功應(yīng)用，較經(jīng)濟(jì)地解決了該機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)齒輪變速箱沖擊過(guò)大的問(wèn)題，使該機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，同時(shí)還降低了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，減少對(duì)電網(wǎng)的電壓擾動(dòng)。我們將加強(qiáng)對(duì)它的研究和運(yùn)行數(shù)據(jù)的積累、分析，特別是要對(duì)液態(tài)軟起動(dòng)裝置在改善高速齒輪箱的運(yùn)行狀況，減少齒輪箱的損壞的實(shí)際效果方面做出客觀的評(píng)估，為能否在其他大功率機(jī)組上繼續(xù)推廣應(yīng)用提供判斷依據(jù)。
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