大型電動機變頻軟啟動容量計算方法

佘小龍，左繼平，黃旭東，程世國，寧國云（.陜西龍門鋼鐵有限責任公司，陜西韓城75400；.大禹電氣科技股份有限公司，湖北孝感43000）

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大型電動機變頻軟啟動容量計算方法

佘小龍1，左繼平1，黃旭東2，程世國2，寧國云2
（1.陜西龍門鋼鐵有限責任公司，陜西韓城715400；
2.大禹電氣科技股份有限公司，湖北孝感432000）

摘要：介紹了一種大型電動機高壓變頻軟啟動裝置容量的計算方法，詳細分析了計算原理，按照該計算方法在高爐風機大型電動機變頻軟啟動裝置項目中進行了容量計算，并按計算容量設(shè)計選型了GBRQ系列高壓變頻軟啟動裝置，滿足項目的使用要求，實際啟動電流約為電動機額定電流的20%。

關(guān)鍵詞：大型電動機；變頻軟啟動；啟動容量計算

我國鋼鐵企業(yè)大量采用大功率電動機拖動大型風機、壓縮機、水泵等負載設(shè)備，大功率電動機的啟動問題是長期困擾鋼鐵行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)問題［1］，變頻軟啟動相對于傳統(tǒng)降壓啟動具有顯著的性能優(yōu)勢［2］，由于大容量高壓變頻器成本高，而大型電動機啟動時負載輕，通常只有額定負載的30%左右，因此，選擇合適的變頻啟動容量尤為重要，能最大限度地降低設(shè)備投資，優(yōu)化設(shè)備的利用價值，本文提出了一種大型電動機變頻軟啟動容量的計算方法，并以陜鋼集團龍門鋼鐵有限責任公司27 000 kW高爐風機項目為例，進行了變頻軟啟動容量計算分析。

1　變頻軟啟動容量的計算方法

1.1啟動容量的計算原理

工業(yè)企業(yè)的大型負載設(shè)備通常都是在空載或者輕載條件下啟動［3］，啟動負載轉(zhuǎn)矩是選擇變頻軟啟動容量的主要依據(jù)，大型負載設(shè)備都能提供啟動轉(zhuǎn)矩曲線，其最大值就是啟動過程的最大負載阻力矩，由于負載設(shè)備的啟動轉(zhuǎn)矩曲線并不包括負載設(shè)備本身的轉(zhuǎn)子飛輪矩（轉(zhuǎn)動慣量），因此，在計算變頻軟啟動容量時，還要考慮負載設(shè)備本身的飛輪矩（轉(zhuǎn)動慣量）和電動機的飛輪矩（轉(zhuǎn)動慣量），以及傳動系統(tǒng)中其他設(shè)備的飛輪矩（轉(zhuǎn)動慣量），依據(jù)下式可計算出在一定加速時間內(nèi)所需要的啟動轉(zhuǎn)矩：

式中：TM為折算到電機端的啟動輸出轉(zhuǎn)矩；TL為啟動過程的負載轉(zhuǎn)矩；GD2為電機及其負載的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；dn為啟動加速范圍；dt為啟動加速時間。

依據(jù)下式可計算出對應(yīng)的軸功率：

式中：P為電機輸出軸功率；T為電機啟動輸出轉(zhuǎn)矩；n為電機啟動轉(zhuǎn)速。

根據(jù)電動機以及其他傳動設(shè)備的效率可計算出電動機所需要的電功率，再根據(jù)電動機的功率因數(shù)，依據(jù)下式可計算出變頻軟啟動所需要的啟動容量：

式中：SE為變頻軟啟動容量；PM為電機軸功率；η為電機效率；λ為電機功率因數(shù)。

1.2啟動容量計算中的注意事項

大多數(shù)工業(yè)負載設(shè)備在設(shè)計中能給出相對準確的啟動轉(zhuǎn)矩曲線或啟動轉(zhuǎn)矩值，尤其是功率在5 000 kW以上的大型設(shè)備，但也有部分工業(yè)負載設(shè)備不能準確計算出啟動轉(zhuǎn)矩，通常情況下要根據(jù)已經(jīng)投運的同類設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行估算。制氧壓縮機，管道氣體壓縮機等部分設(shè)備在不同情況下會有多種啟動轉(zhuǎn)矩曲線，要取最大啟動轉(zhuǎn)矩。例如制氧壓縮機，當壓縮機中沒有氣體，完全空載情況下啟動轉(zhuǎn)矩很小，約為額定轉(zhuǎn)矩的10%，但壓縮機在運行過程中異常停機，再次啟動時，壓縮機內(nèi)部氣體不能排空，因此要帶載啟動，負載啟動轉(zhuǎn)矩較大，能到達額定轉(zhuǎn)矩的60%。

大型負載設(shè)備都配套了頂升油泵以及盤車電機，設(shè)備本身不容許在關(guān)閉頂升油泵的情況下啟動，因此，電機及負載設(shè)備的靜阻轉(zhuǎn)矩都非常小，可以忽略不計。但有些中小型的負載設(shè)備沒有配套頂升油泵和盤車電機，電動機及負載設(shè)備的靜阻轉(zhuǎn)矩較大，因此，要對比計算出來的啟動轉(zhuǎn)矩TM和靜阻轉(zhuǎn)矩TJ，當靜阻轉(zhuǎn)矩大于啟動轉(zhuǎn)矩時，要按照靜阻轉(zhuǎn)矩來計算啟動容量。

在計算傳動系統(tǒng)飛輪矩的時候要包含傳動系統(tǒng)中的所有設(shè)備，比如變速箱等，在計算傳動效率的時候，也要包含傳動系統(tǒng)中的所有設(shè)備。

2　變頻軟啟動容量的計算案例

2.1計算條件

陜西龍門鋼鐵有限責任公司高爐鼓風機同步電動機高壓變頻器軟啟裝置采用“一拖二”方式，負載是陜鼓動力股份有限公司生產(chǎn)的2臺AV71-16軸流壓縮機組，電動機分別是上海電氣和西門子生產(chǎn)的2臺27 000 kW交流同步電動機型號分別為：1DZ2049-8AE02-Z，TWS2700-4。西門子電動機主要參數(shù)為：額定功率27 000 kW，額定電壓10 kV，額定電流1 762 A，功率因數(shù)0.9，效率0.982，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，轉(zhuǎn)動慣量9 250 kg·m2；上海電氣電機參數(shù)為：額定功率27 000 kW，額定電壓10 kV，額定電流1 764 A，功率因數(shù)0.9，效率0.982，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，轉(zhuǎn)動慣量10 240 kg·m2。

負載軸流風機的啟動阻力矩曲線（折算到電機端，不含電機，冬季第1級靜葉角度14°）如圖1所示。其中，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，啟動力矩41 000 N·m，靜力矩2 800 N·m（頂升油泵），折算到電機端的轉(zhuǎn)子GD2為：36 000 kg·m2（不含電機）。從圖1可知阻力矩和飛輪矩都折算到了電機端，也就是已經(jīng)包括了變速箱等傳動設(shè)備的阻力矩和飛輪矩。

圖1　啟動阻力矩曲線圖Fig.1 Starting torque curve

2.2容量計算

設(shè)啟動時間為3 min，dt為180 s，啟動加速到額定轉(zhuǎn)速，dn為1 500 r/min，取2臺電機的最大轉(zhuǎn)動慣量10 240 kg·m2，依據(jù)式（1）計算可得：

依據(jù)式（2）計算啟動最大軸功率可得：

取功率因數(shù)0.9，效率0.982，依據(jù)式（3）計算啟動容量可得：

最小啟動容量為9 075 kV·A，按照高壓變頻器選型規(guī)范［4］，取變頻啟動裕量15%，啟動容量為10 436 kV·A，選變頻器容量為10 500 kV·A，型號GBRQ-MV10500-10/10B-N。變頻器主要參數(shù)為額定容量10 500 kV·A，額定電流577 A，功率因數(shù)0.95，效率0.97。

2.3變頻軟啟動試驗結(jié)果

陜西龍門鋼鐵有限責任公司高爐鼓風機選用了大禹電氣和艾默生共同生產(chǎn)的高壓變頻軟啟動裝置，采用一拖二的方式，分別啟動27 000 kW上海電氣生產(chǎn)的1#電機和西門子生產(chǎn)的2#電機，設(shè)定啟動加速時間均為180 s，為了防止軸流風機喘振，設(shè)定了3個調(diào)頻點［5］，1#電機啟動過程中跳頻點最大電流約為475 A，啟動到額定轉(zhuǎn)速運行電流約為367 A，2#電機啟動過程中跳頻點最大電流約為399 A，啟動到額定轉(zhuǎn)速運行電流約為240 A，2#電機啟動過程變頻器輸出電流電壓波形如圖2所示。

圖2　2#電機啟動電流、電壓Fig.2 Starting current & voltage of 2#motor

從圖2可知變頻軟啟動過程輸出電壓平穩(wěn)上升，輸出電流穩(wěn)定，啟動完成以后旁路切換平穩(wěn)，沒有沖擊電流。

3　結(jié)論

試驗結(jié)果表明采用該計算方法能準確計算變頻軟啟動容量，既能滿足大型電動機變頻啟動的要求，又能最大限度地減少變頻器容量，節(jié)約設(shè)備投資，試驗數(shù)據(jù)還表明采用變頻軟啟動裝置啟動大型電動機，啟動電流約為額定電流的20%，啟動到額定轉(zhuǎn)速切換到旁路運行無電流沖擊。

參考文獻

［1］寧國云，袁佑新，黃聲，等.大型電動機軟啟動裝置性能分析與比較［J］.電氣傳動，2011，41（8）：52-57.

［2］金光哲.大功率同步電動機自控變頻式軟啟動技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2014.

［3］李崇堅.交流同步電機調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：科學出版社，2006.

［4］仲明振，趙相賓.高壓變頻器應(yīng)用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［5］馬少棟，李春曦，王歡，等.動葉可調(diào)軸流風機失速與喘振現(xiàn)象及其預(yù)防措施［J］.電力科學與工程，2010，26（7）：33-37.

修改稿日期：2015-12-15

Large Motor Variable Frequency Soft Capacity Calculation Method

SHE Xiaolong1，ZUO Jiping1，HUANG Xudong2，CHENG Shiguo2，NING Guoyun2
（1. Shaanxi Longmen Iron & Steel Co.，Ltd.，Hancheng 715400，Shaanxi，China；
2. Dayu Electrical Technology Co.，Ltd.，Xiaogan 432000，Hubei，China）

Abstract：Introduced a calculation method of variable frequency soft starting device for large high voltage motor，analyzed calculation principle in detail，according to the calculation method，calculated the capacity of variabled frequency soft start device for the blast furnace blower motor，and designed a GBRQ series high voltage variable frequency soft start device for the project，the device meet the requirements of the project，the actual starting current is about 20%of the rated current of the motor.

Key words：large motor；variable frequency soft starting；calculate capacity of starting

中圖分類號：TM573

文獻標識碼：A

作者簡介：佘小龍（1974-），男，本科，Email：sxl6690@163.com

收稿日期：2015-09-22