高压液态电阻装置的软起动特性分析.pdf

软起 动技 术 高压液态电阻 装置的软起动特性分析 王 义兵 武汉钢铁股份有限公 司烧结厂，武汉4 3 0 0 8 3 [ 摘要] 介 绍高压液 态电阻装置的组成 ，分析其 工作过程 ，指 出在 实际应用中 出现 的问题 ，并提 出改进建议 。 关键词抽 风机液态电阻装置 软起动 特 性 P I C P I D 温升 0 引言 在烧结生产 主工艺系统中，抽风机普遍采用高压 同步 电机拖动。而同步 电机 主要有直接起动和在定子 回路 中串 电抗器实现降压起动两种起动方式 。直接起 动时的起动 电 流可达到额定电流的 2 ～7 倍 ；降压起动方式 尽管可减少 起动 电流 ，但适应性较差 。 某厂烧结抽 风机负载重且起动时间长 ，为了不影响 电 网上其它用 电设 备 ，并减少 直接起 动对风 机和 电机的 冲 击 ，增加风机单位时间内的起动次数 ，最终采用液态 电阻 软起动方式实施改造 。 1液态软起动装 置介绍 1 ． 1 基本 构成 液态软起动装置采用国产 G Z YQ系列产 品，它是一种 无级调节软起动装置，由 3 面液阻柜和 1面星点高压柜拼 装而成 。在其 中一面液阻柜的上方控制室 内装有 1 套 P I C 控制系统 。每个液阻柜 的下方均放置有电液箱 ，箱 内注有 一 定量的电解液 ，动 、静 极板装 在箱 内；中部 为传动 机 构 ，采用丝杆传动方式来牵引动极板上下移动 ；箱顶有传 动机构支撑 、排气孔和冷却风扇 。 1 ． 2特性描述 1 利用该液 态软起 动装置降压起 动 电机 ，实际上就 是在电机定子 回路 中末端星点前串联 3 箱液态可变电阻进 行分压 ，以减少定子绕组端电压 ，达到限制起动电流的 目 的。起动过程较平滑 ，从而能有效改善 电机 的机械性能 ， 减小对电网和风机 的冲击。 2 液态电阻可塑性强、适应性好 ，能实现最佳起动参数 的匹配。配制电解液就是往箱内注入 Ih 来水至液位线 以下约 1 ／ 3 处后 ， 把用温水溶解后 的电解粉倒人箱 内，并用传动电 机带动极板搅拌几次使之充分溶解。阻值测定方法如下将 动静极板放在初始位置后，在动静极板间施／ j n 6 ． 3 V电压，通 过测量电解液回路中的电流 ，由R一 J 即可计算出配出的 电解液阻值。若测量值与所要求的理论值相差过大，则可通 过缓慢加水或电解粉来重新配制电解液。 3 性价比较高 。液态软起 动装置在工况允 许的情况 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 一 O 3 作者 简历 王义兵 1 9 7 2 一 ， 工程硕士 ， 电气高． z t -T - 程 师。 4 6I W WW c h i n a e t ． n e t I 电_T技术 下可连续起动不少于 3 次 ，起动电流倍数可控制在较 宽的 范围内；一 次性 投 资低 于 同功 率 的变 频 软起 动 装 置 的 1 ／ l O ；另外 ，构成简单 、维护方便 、控 制系统透 明、备件 种类少且价格低 、运行稳定、无谐波干扰 。 4 同变频软起动相 比，起 动更简单 、成 功率更高 。 液态软起动 P l C控制系统通过通信 网络与抽风机使 用的 主 P I C控制系统进行通信 ．可 实现 “ 空操作 ”功能 。所 谓 “ 空操作 ” 功能就是断开高压隔离开关 或 断路器 在试 验位 确保在电机定子端不承受 电压 的情 况下 ，在操作站 上检查所有外部 条件具 备后 发出起动命 令，使断路 器合 闸，软起动器开 始T作 ；液态软起动 P I C控 制系统接 收 到励磁柜发出的投全压信号后即切 除电阻 ，动极板 随后 自 动返 回至初始位作好下一次起动准备。 “ 空操作 ”功能可 有效检定全套控制系统 ，保证实际带载起动一次性成功。 变频软起动 由于要检测电机转子的初始位置和不断 比较运 行过程中的电机 、电网参数 ，因此无法实现 “ 窄操作 ”功 能。 2 液态软起动工作原理与运行分析 2 ． 1 工作 原理 液态软起动1 二 作原理如图 l 所示 。一旦运行断路器闭 图 1 液态软起 动工作原理 合 ，液态电阻便随着电机的起动而 自动投 运，同时液阻柜 内的 P L C在预定 的时间 内 自动无级地 减小液态 电阻 ，使 电机端电压和起动转矩逐渐增大 ，电机速 度不断增加 。软 起动装置接收到励磁系统发出的投全压信号后便立 即闭合 星点断路器短接星点 ，电机定子直接并人 电网全压加速至 软起动技术翮 亚 同步状态 。整个起动过程平稳 ，起动 电流大大减小 ，有 效降低了电机异步起动过程中起 动电流对定子绕组绝缘的 冲击和因励磁绕组感应 出高电压 而导致 的击穿可能性 ，最 终实现了 “ 软 ” 特性 。 2 ． 2 理 论分 析 在电机投入同步稳定运行前 ，整个起动过程实际上是 一 个异步起动的过程 。从 电机学原理得知 ，电机定子 回路 的等效电阻、等效电抗与液态电阻共 同组成了一个较准确 的 I 1 型等效 电路 ，且起动电流为 式 中， 为校正系数 ，电机容量足够大时接近于 1 。 在电机投入电网瞬间，转速 ” 一0 ，转差 率 S 一1 ，低 速运行时 S 近似为 1 ，且 电抗远大于电阻 。 设 串人液态电阻前的起动电流 J 刚为 mI ；串入液态电 阻后的起动电流 J 啦为 n I ；串人的液态 电阻为 ，远大于 电机 自身等效阻抗 。因此近似计算可得 出 ， ／ I 一 、 ／ ／ R 。 ／ R t T r 一 一 L √ 一T r1 一 1 3 mi 、 i。 结合 同步 电机和 风机 的技 术参 数 电机 额 定 电流 为 3 2 4 A ，利用仿真软件对不同最大起 动 电阻值下 的软起 动 过程进行仿真 ，结果见表 1 。 表 1不 同最大起动电阻下的仿真结果比较 对 象 善 言 最 大 蜥 曲线 l 曲线 2 曲线 3 曲线 4 从表 1 可知 ，液态电阻的大小可根据要 求灵 活调整， 但选择初始阻值时必须考虑 电机起动所需 的最低允许起动 电压、最长起动时间以及在降低起动电流的同时最大 限度 地提高 电磁转矩 。液态电阻对 电机起动过程、电网、液态 电阻 自身的温升和电机定子绕组的温升起着至关重要 的影 响。电机起动过程中的等效阻抗基本不变 ，等效 电阻随转 差率的不断减小而增大 ，当定子回路 中串入一个逐渐减小 的液态 电阻后 ，总电阻基本不变 ，因此起动 电流较平稳 ， 起 动过程相 当平滑 。 2 ． 3存在的问题 该软起动装置 自投产 以来运行情况基本正常 ，但也存 在 问题 。 1 风机起动时间和电机加速 时问过长 ，造成液 态电 阻温升过高 。液阻柜温度超过 6 5 C 后不允许再起动 ，而每 次起动后液态 电阻温 升较大 最大为 3 5 ℃ ，而若强行 起 动 ，则会造成整个液态装置 “ 开锅 ”，因此无法连续起 动 3次。从厂家现场调试交付后 的程序来看 ，控制极板 的程 序存在设计缺陷。降压起动过程实际上就是通过改变动静 极板间的极距来凋整 电阻从而控制起动 电流的过程。通过 分析极板控制程序 ，发现极板 的时序控制过程不连贯 ，极 板传动 电机从起动下放 、液阻切除完毕 至极板返 回的过程 中出现 了停顿 。这对 电机的加速没有太大益处 ，反而会使 液阻产生较大 的热量 积累 和损耗 。通 过调整 极板 动作时 序 ，使起动时间缩短 ，液阻温升明显下降。 2 P I C配置存在 问题，程序易 丢失 。在设 备停机检 修恢复送电时 ，液阻柜极板不动 。检查 硬件 无明显异 常， 而应用程序丢失 。由于液态软起 动控制系统不 复杂 ，i ／ o 点数不多 ，因此该 系统的 P L C配置没有 主工艺控 制系统 P L C高。其实，在实际应用中可将液态 电阻装 置的软起动 控制程序交 由主工艺控制 系统进行集成 ，这样既能降低投 资成本 ，也能减少故障点 ，控制系统也更稳定。 3对 策和建议 3 ． 1安全防范措施 首先，需定期检查液阻箱的箱体绝缘 ，以防电解液腐 蚀及绝缘柱老化等造成绝缘 降低 。其次，应防止水分挥发 导致动极板外露 ，起动时 的高压 电源击穿空气 ，引起弧光 放 电，甚至火灾。第三 ，务必确保软起 动过程 结束后 ，星 点柜与运行柜一致 闭合且联锁可靠，否则可能 出现星点柜 在电机正 常运行过 程 中突然断开 而运行 柜无 法分 断的危 险。 3 ． 2电阻液的冷却问题 起动过程中 ，大电流通过电解液后 ，电解液箱体将有 明显的温升。为 了限制 温升 ，一般将 装 置的体积 做得 很 大 。起 动中液 体温度 升高 ，水 分蒸发 加快 ，液面逐 渐下 降，因此需要经常补充水 。曾有抽风机采用高压绕 线型异 步 电机拖动的应用案例 ，其起动方式是在二次回路 中串入 可变的液态电阻，液态电阻的无级切除过程与在定 子回路 串人的液态电阻相同。值得借鉴 的是前者配置了 2台循环 泵 ，一用一备 ，始终保证 电解液不停循环 ，因此在 电机起 动过程中电解液 的热量很快地被交换 ，电解液温升极低 ， 挥发很少 ，电解液阻值变化不大 ，维护量大为减少。 3 ． 3 P I D调节功能的引入 此次改造应用的软起动装置的传动机构是 以固定速度 运动的，如果不考虑水 电阻因发热带来的负温度特性 ，那 么在极板运动过程中液态阻值呈线性下降 ，且不可逆。从 某种意义上讲 ，软起动装置投入后就无法对起 动电流进行 调整和控制，因此可考虑将极板传动改为变频调速 ，充分 利用液阻柜 P L C内置 P I D功能块具备 的调 节功能 。电流 变送器 、P L C 、变频器 、传动机构和 电机共同组成 一个闭 环控制系统，以电机 电流为控制对象。电流互感器二次 电 流 由变送器转 变为 P I C可接收 的标 准模拟量 信号 ，反馈 给 P I C后经 P I D计算 ，输 出作 为变频器转速 给定 和正反 转控制信号 ，极板的运动情况直接改变着液 阻值 和起动 电 流 ，从而实现对起动过程更为合理 的控制 。 电工技术 I 2 0 1 2 5 期 l4 7