大功率電動機軟起動方案的優(yōu)化

中國石化北京燕山分公司 楊 楠

大功率電動機軟起動方案的優(yōu)化

中國石化北京燕山分公司 楊 楠

【摘要】大功率電動機的起動電流會對電網(wǎng)產(chǎn)生強烈的沖擊，影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的安穩(wěn)運行，文章以某石化公司12萬噸/年聚丙烯擠壓造粒裝置7100kW擠壓機主電機軟啟動為例，從根據(jù)電網(wǎng)壓降能力最大限度增加電動機的起動轉(zhuǎn)矩以及根據(jù)電機起動時的特殊工況合理選取開機時刻兩方面闡述優(yōu)化大功率電動機軟啟動方案的過程和效果。

【關(guān)鍵詞】電機；軟起動；起動轉(zhuǎn)矩；壓降

1 引言

某石化公司12萬噸/年聚丙烯擠壓造粒國產(chǎn)化改造項目在單機試車過程中，擠壓機主電機空載狀態(tài)下21.8秒完成起動，而在帶料試車時卻出現(xiàn)多次由于“起動時間過長”而導(dǎo)致的軟起動跳閘，延緩了項目進程。在經(jīng)過電機起動轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩的精確計算和起動過程的動態(tài)分析后，通過軟起動方案的優(yōu)化，大大提高了大功率電動機軟啟動成功率，實現(xiàn)了國產(chǎn)化擠壓造粒裝置的順利開車。

2 軟起動方式簡介

國產(chǎn)化12萬噸/年造粒裝置擠壓造粒機組主電機采用佳木斯電機廠生產(chǎn)的YKS900-4型大功率三相異步電動機，其額定參數(shù)和定、轉(zhuǎn)子在工頻下的阻抗數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 主電機額定參數(shù)和阻抗數(shù)據(jù)

可以計算出，主電機直接起動電流高達2386A，在大電流的拉動下，母線電壓在瞬間產(chǎn)生大幅度跌落，必然對同一段上其他負荷的安穩(wěn)運行帶來很大的影響。在項目設(shè)計中，為了節(jié)約成本，該電機的供電方式?jīng)]有采用 “電動機—變壓器組”的獨立供電方式，而是將電源直接取自上級變電站10kV出線開關(guān)，并采用“軟起動”方式。

HRVS系列高壓軟起動器的工作原理為：限制電動機的起動電流為常數(shù)，在設(shè)定時間內(nèi)通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，使輸出電壓緩慢增加，直至電機的輸出轉(zhuǎn)矩滿足負載設(shè)備要求而達到額定轉(zhuǎn)速后，晶閘管全部導(dǎo)通，電機切換至旁路供電，軟起動器退出運行。若當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時電機還未完成起動過程，軟起動器停止工作而不切換旁路，電動機失電，起動失敗。

3 工藝流程簡介

圖1 擠壓機流程簡圖

在裝置開車準(zhǔn)備過程中，粉料下料裝置排出少量聚丙烯粉料，擠壓機組盤車電機（380V，110kW）帶雙螺桿轉(zhuǎn)動，擠壓粉料，使其在筒體內(nèi)充分熔融，當(dāng)盤車電機負荷率達到標(biāo)定范圍時，主電機滿足起動條件而執(zhí)行軟啟動過程，起動完成后盤車電機停轉(zhuǎn)，熔體齒輪泵和切粒機相繼投入運行，粉料開始按產(chǎn)量要求的負荷率排下，裝置開車。

4 改進前的狀況

4.1 啟動數(shù)據(jù)

擠壓造粒機組在試車過程中主電機共起動9次，表2列出的是從軟起動器中讀出的起動數(shù)據(jù)。

主電機帶負載起動9次，只有3次正常完成，成功率只有33.3%，軟啟動器控制器產(chǎn)生 “起動時間過長”報警，軟起動器保護動作，給整個裝置的按期投產(chǎn)造成了極大的困難，項目被迫暫停。

表2 改進前的起動數(shù)據(jù)

4.2 起動故障分析

電機原有的起動參數(shù)設(shè)置如表3所示：

表3 原有軟起動參數(shù)

根據(jù)表3中的起動參數(shù)和軟起動器在3.5倍電流起動時的輸出特性曲線，繪制出軟起動器輸出電壓倍數(shù)、最大輸出轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的變化趨勢：

圖2 原電壓/電流倍數(shù)下的啟動曲線

由表1中所列的電機額定參數(shù)計算出額定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩為：

根據(jù)圖2中的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)關(guān)系計算出電機在原有起動方案下的最大輸出轉(zhuǎn)矩為：

T =1.5TN=1.5×46419=69628 （N·m）

在起動故障發(fā)生后，根據(jù)首次投料后負載設(shè)備的運行工況計算出雙螺桿擠壓造粒機組的起動轉(zhuǎn)矩為：TL=68800 （N·m），該數(shù)值在不同的盤車狀態(tài)下隨著兩根螺桿之間聚丙烯熔體的潤滑程度和下料量的變化有著很大的波動。

電動機達到額定轉(zhuǎn)速的必要條件為：T≥1.1TL，根據(jù)電動機輸出轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)關(guān)系分析，兩者在裝置開車瞬間處于臨界狀態(tài)（T=1.01 TL）。開車經(jīng)驗表明：即使在開車過程中螺桿能夠轉(zhuǎn)動起來，電機在臨界起動條件下也難以在30秒的時間內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速。這正是電機發(fā)生多次“起動時間過長”故障的原因所在。

4.3 對電網(wǎng)的影響

由表2中的數(shù)據(jù)可以計算出，主電機在啟動過程中使10kV母線最高產(chǎn)生了2.7kV的壓降，如第2節(jié)所述，擠壓機組主電機的電源直接取自上級變電站10kV出線開關(guān)，必然對所在母線上的其他負載設(shè)備產(chǎn)生影響。

為了保證相同母線所供裝置供電可靠性，在該電動機啟動之間，上級要將同段母線上的其他重點負荷轉(zhuǎn)移，在轉(zhuǎn)移過程中需要生產(chǎn)人員開起部分備用電機，主、備機切換過程中不允許停轉(zhuǎn)的設(shè)備還要求站內(nèi)人員進行合、分母聯(lián)的倒閘操作，過程相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣，不僅在時間上無法保證一聚裝置的按時開車，在系統(tǒng)壓降方面又給上級電網(wǎng)和其他生產(chǎn)裝置帶來很多不利因素。

5 優(yōu)化方案

5.1 更改軟起動設(shè)置

在新方案下經(jīng)過改進后的起動參數(shù)：

表4 改進后的起動參數(shù)

對比表4和表3可以看出，在新的起動方案下，軟起動曲線和初始電壓維持原來水平，由于該電機在裝置開車時需要帶負荷起動，從增加電機起動轉(zhuǎn)矩的角度考慮，將主電機的起動電流倍數(shù)增加到

3.7倍，起動時間增加到40秒；考慮到大功率密封式電動機存在轉(zhuǎn)子散熱慢的固有因素，將每小時允許的啟動次數(shù)由3次降為2次，起動的禁止時間增加到30分鐘。

5.2 起動轉(zhuǎn)矩計算

圖3 起動過程中的定、轉(zhuǎn)子電路

由于在起動過程中轉(zhuǎn)子靜止，電動機無機械功率輸出，在進行繞組歸算的過程不考慮轉(zhuǎn)差率的影響，籠型轉(zhuǎn)子的實際阻抗就是圖4中的等效阻抗r2、x2。

根據(jù)有勵磁電路的電動機啟動阻抗模型，由表4計算可得軟起動器最大輸出電流為3.7IN=1766A，在電機起動時間內(nèi)，晶閘管工作在調(diào)壓的瞬態(tài)過程，在缺少具體瞬態(tài)趨勢的條件下，無法精確計算在某一時刻的輸出電壓U1，而在此期間定子電流I1全部用來勵磁，因此，可根據(jù)定子電流在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩來計算電機在定子繞組靜止條件下的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)電機廠提供的暫態(tài)數(shù)據(jù)，在3.7倍額定電流的勵磁作用下，勵磁電阻rm=2.89Ω；；勵磁電抗Xm=61Ω，引入表1中的定子和轉(zhuǎn)子靜態(tài)阻抗數(shù)據(jù)，畫出電機的等效起動電路：

圖4 等效起動電路

在已知電機相數(shù)m1=3；極對數(shù)p=2，工頻旋轉(zhuǎn)磁場角頻率w1=100π，以及電機阻抗參數(shù)的前提下，由電機起動轉(zhuǎn)矩計算式：

代入電機定子繞組端電壓U1=1766Zm，Zm表示的就是圖4所示電路的總阻抗值，求出起動轉(zhuǎn)矩T’=83554N·m。

比較負載額定轉(zhuǎn)矩TL=68800可以得出：T’/TL=1.214＞1.1，滿足起動要求。

圖5 改進后電壓/電流倍數(shù)下的啟動曲線

在新的起動方案下，電機的輸出轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的數(shù)量關(guān)系為T’=1.8Tn，較之改進前提高了30%，軟起動器輸出電壓、轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的變化趨勢如圖5。

5.3 開機時刻的選取

在工藝流程設(shè)計中，以盤車電機的負荷率作為主電機的開機依據(jù)：在充分考慮了主電機的負載性質(zhì)后，將主電機的開機時刻由負荷率的“+50%”變更為“-50%”，具體闡述如下：

當(dāng)盤車電機的負荷率上升（為正數(shù)）時，可以理解為聚丙烯粉料下料量的增加或持續(xù)階段，而當(dāng)其下降（為負數(shù)）時，粉料的下料量處于減少或停止階段。

重擠壓機組工藝流程圖如圖6所示。

圖6 擠壓機流程簡圖

雙螺桿在熔體齒輪泵和切粒裝置端沒有固體支點，在主電機接近空載運行時，兩根螺桿由于前端重力而增加了相對于電機軸伸端的張力，并且由于兩根螺桿相互之間摩擦力的存在，因此雙螺桿的支撐和相互之間的潤滑需要由粉料熔體來提供。

在下料量增加時，由于持續(xù)加入到筒體的粉料沒有經(jīng)過完全擠壓而得到充分的熔融，螺桿得不到充分潤滑；而粉料在兩根螺桿上半部的堆積量大于在機筒下半部對螺桿的支撐量而使電機負荷物質(zhì)的總重力增加；當(dāng)下料量減少或停止時，螺桿的潤滑和支撐都得到了較為明顯的改善，這有助于減少主電機在起動時的負載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)擠壓機廠提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)盤車電機負荷率為“-50%”時，由螺桿和熔體構(gòu)成的總負載轉(zhuǎn)矩為45200 （N·m）。

比較新方案下的主電機起動轉(zhuǎn)矩（83554 N·M）和負載轉(zhuǎn)矩（45200 N·M）可以看出，在方案優(yōu)化后，主電機的起動條件較之原方案有了很大改善。

6 改進效果

在改進啟動方案后的1個星期時間內(nèi)，主電機進行了多次帶料試車，下面列出了在盤車電機帶不同生產(chǎn)負荷的工況下，主電機的起動數(shù)據(jù)：

從表5可以看出，在排除4月16日12：10起動成功后由于生產(chǎn)上的需要產(chǎn)生了一次工藝聯(lián)鎖停車外，其余8次均實現(xiàn)了正常起動，試車成功率從33.3%提高到100%

表5 新方案下主電機起動數(shù)據(jù)

在電網(wǎng)壓降方面，改進后的最大壓降發(fā)生在第1次和第9次啟動，為2.54kV，與原方案中的系統(tǒng)壓降數(shù)據(jù)基本持平，起動電流的增加未造成更大壓降。

軟起動方案的優(yōu)化，在保證電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)上，大大提高了試車成功率，實現(xiàn)了國產(chǎn)化造粒裝置的順利投產(chǎn)。

7 結(jié)束語

軟啟動方案的優(yōu)化使擠壓機組滿足了生產(chǎn)裝置的開車需要，然而，對于電動機而言，0.6倍的固有起動轉(zhuǎn)矩?zé)o法從自身性能上得到提高，借鑒在裝置試車過程中積累的經(jīng)驗，在今后將做好通過改進電機結(jié)構(gòu)來增加起動轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)備工作。

針對帶載起動的大功率電動機，在廠家進行軟啟動計算及配置的基礎(chǔ)上，需要從負載設(shè)備性能、負荷物質(zhì)特點等多方面進行綜合考慮，進行符合實際起動條件的轉(zhuǎn)矩計算，在保證電網(wǎng)安全的前提下使電機的起動轉(zhuǎn)矩留有足夠的裕量，使其能夠在復(fù)雜的生產(chǎn)工況下完成起動，滿足裝置生產(chǎn)需要。

參考文獻

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作者簡介：

楊楠（1983—），男，遼寧錦州人，大學(xué)本科，工程師，主要從事石化企業(yè)工廠供電系統(tǒng)運行管理工作。