变频起动范文

2024-07-15

变频起动范文（精选4篇）

变频起动第1篇

关键词：起动变频器,起动工艺要求,起动工序,特性曲线

0 引言

CCPP(燃气-蒸汽联合循环发电)电厂具有整体循环效率高、对环境污染极小、在同等条件下单位发电量投资低、调峰性能好、起停快捷和自动化程度高等优点，是一种有显著优点、有较大发展潜力的动力装置[1]。

武汉钢铁(集团)公司CCPP电厂装备2台GE 109E燃气轮机，采用一套科孚德公司的SD7000变频器(负载换流型变频器，LCI)分别起动两台燃气轮发电机组。在起动过程中，LCI向同步发电机提供幅值和频率可变的电压，使同步发电机工作在同步电动机状态，升速至足够自主运行的转速，在同步发电机并入电网之前将起动变频器脱开。

1 燃气轮机起动对LCI的工艺要求

燃气轮机及燃气轮机所连接的同步发电机参数如下。

2台燃气轮机参数:

型号美国GE公司PG9171 E(重型、侧向排气、热端输出);

点火燃料0号轻柴油;

额定功率92.34 MW;

热耗率14.83 MJ/kW·h。

燃气轮机所连接的同步发电机参数:

额定输出功率 124 MW

额定频率和转速50 Hz,3 000 r/min;

额定定子电压15 k V;

额定电流4 773 A;

功率因数0.85;

磁极数2;

直轴起始瞬时电抗X″d=12.9%×厂家电抗标幺值(不饱和电抗);

转动惯量(约为)25 645 kg·m2(发电机+励磁机)。

起动同步发电机所需的功率要求只略大于机组额定速度时的空载功率，约20 MW，而不需要达到发电机的额定功率，起动电流约为额定电流的1/3。

2 与LCI相关的燃气轮机起动工序及对LCI的要求

与LCI相关的燃气轮机起动工序包括吹扫、盘车、正常起动、重起动、多台机组起动等过程，以及燃气轮机起动完成之后，同步发电机进入并网和同期并重新起动励磁过程。

吹扫。LCI使燃气轮机在额定转速的25%运行一定时间，旨在吹掉可能漏进机组热通道中的油雾。

盘车。在起动前，由盘车电动机将转子带至一定的转速。

正常起动。燃气轮机正常起动的转速时序为:首先由盘车电动机带至100 r/min，然后燃气轮机由LCI带至额定转速的25%，进入吹扫过程。燃气轮机控制器的点火条件是:燃气轮机完成吹扫且转速达到最小点火转速(480 r/min)，并处于升速状态。其转速时序为:480 r/min,450 r/min，再升速至点火转速480 r/min时点火。完成后，燃气轮机和LCI共同给电动机提供转矩。当转速到达额定转速的98%时，LCI与燃气轮机发电机脱离，燃气轮机发电机开始并网，并网成功后，起动完成。

重起动。如果点火失败，要求LCI能维持转速，并能重新执行一次点火程序。

多台机组起动。武钢CCPP电厂中2台独立的燃气轮机机组采用同一套LCI起动。在逆变器输出侧有2个隔离刀闸89SS1和89SS2，用来选择起动1号或2号机组。完成依次起动两台燃气轮机，就要求LCI发出控制信号控制这两个隔离刀闸动作，以保证起动的正确顺序。

3 LCI参数、结构和控制器模块组成

3.1 LCI参数和结构

起动燃气轮机所需的功率是随着燃气轮机转速的上升逐渐增大的。在点火后的一段时间内仍需要LCI输出转矩和功率，同时考虑到LCI到同步机之间的线路损耗，因此要求LCI的输出功率应大于20 MW。

由于输出为6.5 kV的变频器已有成熟的技术，而且在起动至燃气轮机转速的98%后，LCI会与同步机脱离，燃气轮机控制器会重新建立同步机的励磁电流，以使同步机的输出电压达到额定值，不需要LCI的输出电压值达到同步机的额定电压，因此选用输出为6.5 kV的变频器已符合工艺要求。

根据燃气轮机的工艺参数，所采用的LCI参数为:

额定输入电压和频率1 700 V,50 Hz;

额定输出功率25 MW;

输出电压范围0～6 500 V;

输出频率范围0～50 Hz;

直流电流3 200 A;

短路功率200 MW最小(根据耐压能力)。

LCI的功率回路采用24脉波整流和6脉波逆变器，其结构如图1所示，由整流器、电抗器、逆变器、输出隔离刀闸、控制器等组成，其输出功率和电流范围均符合燃气轮机起动工艺的要求。

整流桥采用24脉波晶闸管整流器，在额定工作条件下，一次侧电流的总谐波畸变率小于2%[2]。根据整流器所选的晶闸管耐压等级，整流器的输入电压为1 700 V。整流器的每相桥臂由4组晶闸管串联，每组的输入电压为1 700 V，串联得到6 800 V电压，以使LCI的输出值达到6 500 V的额定电压。

逆变器采用6脉波电流型三相桥式逆变电路，所接负载为同步电动机，通过控制励磁电流使同步负载呈现电容性，当转速达到额定转速的4.5%后，利用同步电动机负载滞后于电流相位的反电动势实现换流，即负载换流。

冷却方式采用软水密闭循环冷却，起动变频器柜内装配有软水冷却系统，用来为整流、逆变桥臂中的功率元件和饱和电抗器提供冷却用的去离子水，其特点是冷却效率高、无噪音。

3.2 控制器模块组成

控制器模块基于VME总线，其组成如图2所示，包括CPU模板(VP325)、16输入/16输出模板(BIO232)、传输数据接口模板(PIB 504)、光纤连接模板(PIB 100G)、带处理功能的模拟量输入模板(PIB 101C)、无处理功能的模拟量输入模板(PIB 101A)、带反馈的8通道光电接口卡(PIB310)、背板(PIB 906)等。

4 LCI工序

起动燃气轮机的过程中，LCI的实际运行工序如下。

4.1 正常起动

LCI处于停止状态，且已备机，即local/remote键处于“remote”位置，且“LCI ready”绿灯亮起。

在正常起动过程中，燃气轮机首先由盘车电动机带至100 r/min。初始条件"statorvolt＿chk＿1"具备，表明发电机定子电压低于6 500 V。

LCI与燃气轮机控制器、励磁机控制器之间通过硬接线进行信号传递，燃气轮机将速度参考值，起动、停止命令等信号送入LCI,LCI将速度反馈信号送至燃气轮机控制器。在整个起动过程中，都是由燃气轮机控制器向LCI发出4～20 m A的电流信号(速度参考值)，控制LCI的输出，进而控制转子的加速度。LCI通过模拟量输出模块将励磁电流参考值送至励磁机控制器，控制励磁电流大小。

当来自燃气轮机控制器的“normal start/stop4CSF1＿1”命令出现，LCI控制系统起动冷却水泵，冷却水流进电力变流柜，闭合输出隔离刀闸89MD，并闭合MV隔离刀闸(MV1和MV2)。当转速参考信号达到起动电流条件时，LCI发出请求励磁信号，解锁磁通控制和定子控制闭锁，并将励磁电流参考值送至励磁机。

电动机轴转速跟随转速设定值平稳上升。当转速达到750 r/min(额定转速3 000 r/min的25%)时，维持此转速14.4 min，进入吹扫过程。吹扫的时间长短是:应该能使整个机组换4次空气(即流过4倍于机组通道空腔容积的空气)，以保证任何可燃混合物从燃气轮机以及排气烟道和余热锅炉内部彻底吹扫干净[3]。

完成吹扫、点火后，燃油系统给出燃油流量，在计时60 s内，火焰探测器探测到不少于2个火焰时认为点火成功。

当电动机转速到达额定转速的98%时，LCI的输出电流降为0，通过隔离刀闸切断LCI与同步电动机的联接，燃气轮机发电机开始并网。并网成功后，转速达到额定转速(3 000 r/min)，保持此转速1～2 min，直至“normal start/stop 4CSF1＿1”信号消失。转速参考值重置为0，定子控制闭锁(FI-PL)，励磁控制闭锁，移相变压器进线MV隔离刀闸断开。

在LCI与同步电动机断开后，其冷却水泵继续运行约3 min后，LCI停止运行。LCI参与起动的时间约为20 min。

4.2 重起动

在转速上升过程中，当燃气轮机点火后，如果在LCI外部出现任一跳闸信号，则燃气轮机起动停止，这时需重新点火一次。

如果此过程中又出现跳闸信号，燃气轮机主轴必须重新恢复盘车状态，重新进入吹扫等起动过程。

4.3 多台机组运行

由于武钢CCPP电厂中2台独立的燃气轮机机组采用同一起动变频器起动，所以在逆变器输出侧有2个隔离刀闸89MD1和89MD 2，用来选择起动1号或2号机组，2个刀闸之间有互锁信号以保证两个刀闸不会同时闭合。

4.4 并网和重新起动励磁

由于外部电网的额定电压为110 k V，而同步机的额定电压为15 kV，因此同步机的定子输出端接至升压变压器，同步机输出电压由升压电压器升至与外部电网相对应的电压，然后再连接至外部电网。在起动过程中，当转速达到98%后，同步机在燃气轮机控制器的控制下进入并网和同期过程。

起动过程中，同步机的励磁电流由LCI控制器的给定进行控制，在转速达到额定转速的98%时，LCI控制器输出的励磁电流降为0，励磁机与同步机之间的灭磁开关(断路器)断开，励磁机重新起动励磁，燃气轮机控制器重新给定励磁电流，重新建立磁通，使同步机的定子电压达到额定电压值(15 kV)，此后由燃气轮机控制器控制励磁电流。

5 起动过程中LCI输出功率和转矩特性

起动过程中实测的转速、定子电压、直流电流、励磁电流曲线和LCI输出转矩的给定值曲线如图3所示，其实际值为测量值与相应标幺值Kpu之积。LCI提供的电动机转矩由实际转速决定，低于LCI的额定转矩值。

根据燃气轮机起动工艺，转速曲线如图3中的曲线1，在同步机转速达到吹扫转速0.43Kpu1(750 r/min)后，保持此转速直至吹扫完成;完成吹扫后，同步机转速下降至0.25Kpu1(450 r/min)，然后再上升至0.27Kpu1(480 r/min)，开始点火;点火完成后，转速继续上升，直至达到额定转速(3 000r/min)。

根据工艺控制规范，进入燃气轮机燃烧室的各种燃料总量(燃料行程基准，FSR)由燃气轮机控制系统控制，并使燃料总量逐渐上升。燃料所提供的转矩由0逐渐增大，而刚完成点火后，燃料所提供的转矩初始值较低，因此在转速从0.27Kpu1(点火转速)到1.3Kpu1(2 350 r/min)之间，燃气轮机由燃料燃烧和LCI共同提供转矩，此时仍需要LCI提供较大的转矩和输出功率。

图3中的曲线3为变频器直流电抗器的电流，其值的大小也就是变频器输出至同步机电流的幅值。

图3中的曲线4为电压曲线，当电动机转速小于1 800 r/min时(图3中A虚线左侧)，根据同步机力矩特性和电磁特性，电动机磁通Ψ保持为常量，电动机磁通与UM/n成正比(n为转速)，电动机端电压UM与转速成比例上升，功率输出也上升;当转速不小于1 800 r/min时，电动机端电压UM达到额定值6.5 kV，保持至起动结束。

当转速大于1 800 r/min时(图3中A虚线右侧)，UM保持恒定(6.5 kV)，要继续提高LCI的输出功率，在A虚线和B虚线区域内，需要继续增大LCI输出电流，保持励磁电流基本不变(如图3中曲线2)。当转速大于2 350 r/min(1.3Kpu1)后(图3中B虚线右侧)，LCI输出功率达到最大值，约为19 MW;在B虚线和C虚线区域内，LCI输出功率保持不变，为使转速继续上升，则励磁电流下降。在此后主要由燃料燃烧提供转矩，LCI输出电流，励磁电流和转矩逐渐减小，转速升至2 980 r/min(1.6Kpu1)后，LCI输出电流降为0，输出电压降保持6.5 kV短暂时间，同步机进入同期和并网过程。

6 结束语

武钢CCPP电厂自2009年投产以来，起动变频器已多次完成燃气轮机起动过程。

相对于其他的起动方式，如自耦变压器直接起动、辅机起动等[4]，对于大型同步电动机来说，用降压起动仍然会对电网产生很大干扰。用辅机起动一方面辅机本身就很大，使机组轴系很长;另一方面，辅机本身的直接起动也很困难。因此，随着电力电子技术的发展，越来越多的大型同步电动机采用变频起动法。一台变频起动装置可以依次起动多台同步电动机。采用变频器起动具有有效减小起动冲击、减小损耗和提高效率的优点，同时变频器还能连续调节电动机速度，有利于提高起动过程中的控制精度和电网利用率。

采用LCI作为起动设备时，由于采用了24脉波整流器，其谐波性能较好，对电网干扰较小;整流器可以控制起动电流的幅值，使变频器在一定的电流限幅下运行，以减小起动电流，使机组起动过程平稳;由于作为起动用变频器的最大功率只略大于机组额定速度时的空载功率，而不需要达到电动机的额定功率，因此这样机组的起动电流将大大小于电动机的额定电流，约为额定电流的1/3，对电力系统毫无冲击，这是其他起动方式无法比拟的。另外，由于限制了起动电流，起动时间比其他起动方式长，变频起动时间约需20 min(含吹扫时间)，因此，对机械设备的冲击也大大减小。采用LCI可实现燃气轮机的快速起动，提高了2台燃气轮机的倒机操作效率，当一台运行中的机组跳闸时，可迅速起动另一台机组，保证生产正常进行。

参考文献

[1]杨顺虎.燃气-蒸汽联合循环发电设备及运行[M].北京:中国电力出版社,2003.

[2]吴斌.大功率变频器及交流传动[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3]邓建玲.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书[M].北京:中国电力出版社,2009.

变频调速电机的起动分析第2篇

变频调速电机与普通鼠笼式电机相比, 其起动特性是较人性化的。针对不同的对象, 无论是变频电机的设计者和生产者, 还是使用的厂家, 或用户, 不断深化他们对变频电机起动特性的更深了解是很有必要的。本文举例分析计算, 对相关的重要物理因素进行了深入分析, 这些参数包括变频电机起动转矩、起动电流, 研究后便可更好地控制操作。

1 重要影响因素

以160 k W-4p、7.5 kw_4p变频电机来详细分析, 举例说明。

1.1 计算数据

压频比相对于电动机来说, 也是一个极为重要参数, 表示为u/f=常数与变化的相关状态成正比, 对于异步电动机来说, 基于电路的基本原理, 并且参照“三相异步电动机电磁计算程序”, 对变频电机的特点多加利用, 经探究后, 研发了有用的程序, 即VVVF变频电机计算辅助设计程序, 对160 k W4p变频电机在不同赫兹下的转矩进行细微的计算, 依次递增, 分别是10 Hz、20 Hz、30 Hz、40 Hz、50 Hz。表1及表2表示的是另一层次的赫兹, 分别对应增加一定量:0.5 Hz, 1 Hz~5 Hz的数据来列入的, 其中包括7.5 k W4p。

1.2 重要规律

起动电流与频率是成正比关系的, 而最大转矩线, 则随频率按一定趋势降低, 并向纵底标逐渐靠近直至相平。对于最大转矩点, 在一个关键的点之后开始下滑, 这个点相对于的是10Hz, 为了产生的差异不大, 理论上从10 Hz开始, 依据实际情况对电压的大小进行调整。

注:额定电流IN=286.5A, 额定转矩靠TN=104.9×9.8Nm

注:额定电流IN=15A, 额定转矩靠TN=5.03×9.8Nm

下面, 要对变频调速电机做更深一步的分析, 包括它们的起动特性、负载起动特性等。

2 电动机的起动曲线

2.1 普通异步电机起动曲线分析

普通异步电机的启动影响情况:有直接起动转矩的情况和平稳起动的情况, 而平稳起动这种情况只有当电机的T-n曲线比它的负载阻转矩曲线对比后有相对差值, 即前者比后者高的情况下才会发生, 曲线的交点 (A点) , 是在此根据下的运行点。若要使起动加速快, 那么T-n曲线比负载阻转矩线相对要高出一定程度。若T-n曲线比负载线低则电机无法起动。

2.2 变频电机的起动曲线

起动过程要能进行, 是有一定的前提的, 必须由低频向目的频率逐渐变化, 与此同时, 它的电压和频率也是在不断增加的。而在不同电压以及不同频率下, ns曲线也是有所不同的, 所以, 当频率、电压逐步增加时, 相应的起动曲线, 要考虑到频率的不同, 还有电压的相对应。

有负载存在时, 由变频器发出的相应频率, 便由低数值逐步升至起动状态的频率, 当和负载转矩相比时, 若对应的起动转矩较大时, 电机便开启起动状态。之后电机的频率继续上升, 可以观察到运动状态的电机是沿着KLMOPQR达到稳定运行时, 便停留在所需要转速的频率线上的S点。相关的起动过程曲线族的存在, 相对应这样的变频电机运动情况, 成一定形状变化, 对应的形状是呈锯齿形曲线沿折线AKLMNOPQRS变化的。见下图:

变频电机一开始是处在低频状态下的, 最后停止的时候是处在额定频率, 若有起动时间需要时, 根据相关的情况需要设置若干频率点, 相邻的两个频率点若他们之间的差值越大, 也就是说数值差距越大, 那么起动电流的变换幅值也会随之加大。反之, 可能因为频率步长较小, 波动相对就小, 那么相对应情况就是, 电流变化的大小也随之变化, 会逐渐变小, 相对应的起动电流的变化也跟着变小。

2.3 电动机的重要影响因素

影响电动机的另一个重要影响因素是起动时间。

上式中, JT等字母代表的是各个重要的相关因素, J表示转动惯量, 相对应的是负载和电机本身的情况;T表示P点起动的转矩;Tm则表示对应的负载线上负载阻转矩;dn表示相应频率变化段转速差;C1是重要的系数。

若要电机带动的负载有起动的趋势, 其基本需要满足的条件是:

1) 前提是启动频率对应的启动转矩与负载转矩相比要大一些;

2) 起动电流要控制适宜, 一般变频电机的电流要处于额定电流的1.5~2.0 A;

3) 启动时, 要保持从较小的频率状态下开始, 如果起动时间允许, 频率可逐渐以较小的增幅慢慢增加, 让起动时要达到的电流值尽量小, 现在比较好的变流器可以达到到0.01 Hz。

3 不同负载的起动要求

负载性质如果不一样, 相应的变频电机起动要求也很不一样。

3.1 额定负载起动

变频调速电机在不同赫兹下, 要进行不同的操作, 介于5~50 HZ之间, 要操作成恒转矩运行, 在50~100 Hz时, 则要设置为恒功率运行。还有一种状况, 其要求比较高, 是在带额定负载起动的状态下, 要求电机的起动赫兹要在f≥5 Hz的范围内, 而且它们的起动转矩和最大转矩都要比额定转矩大些, 还要事先预留相应的裕度。另外一种情况, 当低频时最大转矩时, 是与起动转矩比较接近的, 设置的赫兹数就要求数值A>5 Hz, 起动电流也要控制在适宜范围内:<1.5~2.0 A额定电流。

小容量电机的定转子电阻值也有一定的特点, 其重要特点是电阻值比较大, 如果U/f与常数相当接近, 相对应的起动转矩值会比较小, 那就要通过提高电压值来增大起动转矩。

而大容量电机的定转子电阻值是比较小的, 在较低频的状态下, 起动转矩、起动电流相对于其他情况就比较大, 相对应的起动频率值就要相对降低, 面对这样的情况要对起动低频电流进行抑制。

3.2 风机水泵类负载

考虑到风机水泵负载的阻转矩情况, 它与转速平方是正比关系, 那么处于低频情况下, 若要完成起动, 只要考虑到如何克服一些重要问题, 比如较小的初始负载阻转矩L, 这些问题解决后, 就能做到顺利起动, 在阻转矩小的情况下若要起动, 那么频率5 Hz可以在恒转矩起动时大幅度降低, 当出风机负载5处于1 Hz状态下, 而且恒转矩负载以为较小的频率下, 一般为3 Hz左右的情况下, 对应的起动电流是相对较小的。

3.3 负载启动要从空载开始

对于这样的负载, 它的起动频率是最低的, 起动状态也是最好的, 起动电流还是最小的, 设计时只要对最大转矩多加考虑就行了。

4 结语

对于变频电机, 运动时一般以3~5 Hz的较低频率来启动;对于起动电流, 它的大小范围一般在2 A额定电流之内;若起动转矩低于10 Hz, 那就要求提高转矩, 方法之一是通过增加电压来实现的, 还能把频率增加的步长做适当的改变, 比如调节到更大些。

摘要：变频调速电动机一般被称为变频电机, 它在起动过程的机械运动, 有其独特性。对于变频电机, 它的起动过程中有转矩和电流这两个比较重要的物理因素, 其对相关的变化规律进行研究是很有必要的。除此之外, 起动时还有很多重要因素, 比如恒负载、风机、水泵类负载等。

关键词：频率变换,电动机,转矩,电流, 启动状态

参考文献

[1]杨兴瑶.电动机调原理及系统[M].北京.机械工业出版社.1992.

[2]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[3]李哲生, 刘迪吉, 戈宝军.电机学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1997.

[4]汤蕴谬.电机理论与运行[M].北京:水利电力出版社, 1983.

变频起动第3篇

梅钢4号烧结机工程已于2009年5月中旬顺利投产, 本文将对该方案进行介绍, 同时对10k V大型同步电机变频起动系统的一些常见问题进行分析。

1 主抽变频启动装置类型

目前国内大型烧结机的主抽风机大多选用同步电机拖动, 采用变频起动方式。

同步机变频启动装置工况特殊, 目前国内烧结行业已投入运行的烧结主抽变频系统主要有以下三种类型:

(1) 负载换向型变频器 (LCI) 用于主抽软起动。在本领域西门子公司、ABB公司都有LCI产品解决方案。负载换向型变频器的频率控制与负载的运转有关, 不会出现变频器输出失败的情况。负载换向型变频器的优点是直流转动特性;功率无限制;对电网无短路加载现象;可以四象限运行;包括弱磁部分调速范围可达1:50;即使在低负载率下也有高的效率;免维护 (无电刷、无熔断器) ;对电机绝缘无损害, 电缆长度无限制。负载换向型变频器的常用工作电压低于10k V;用于烧结10k V同步电机需要设置降压变压器及升压变压器。负载换向型变频器用于同步电机软启动是非常合适的。

(2) 电流源型变频器 (SGCT) 用于主抽软启动器。电流源型变频器直流电路用大电感保护开关元器件和滤波。在本领域, AB公司的SGCT方案已广泛应用。其优点是采用合适的PWM脉冲形式时可得到很低的转矩脉动;输出频率高, 可达220Hz;电机的损耗小;可四象限运行;动态性能高;可实现无熔断器设计, 可靠性高;对电机绝缘无损害, 电缆长度无限制。电流源型变频器的常用工作电压低于10KV;用于烧结10KV同步电机需要设置降压变压器及升压变压器。

(3) 功率器件串联型变频器 (IGBT) 用于主抽软启动器。此种变频器采用多个功率单元串联来实现中压变频。罗宾康变频器和安川公司变频器采用此种结构, IGBT型变频器用于大型同步机软启动, 其变频器输出的健康状态依赖于对电机工况的检测, 电机侧安装测速编码器。安川公司有近期在本行业内的使用业绩。其优点是效率高, 动态性能好, 过载能力强;对电机绝缘无影响, 电缆长度无限制;可直接输出10KV, 系统不需要设置降压变压器与升压变压器。全系统体积小、重量轻、成本低;但测速编码器是系统的薄弱环节。

2 梅钢4号烧结机主抽风机变频起动系统构成

2.1 系统方案介绍

梅钢4号烧结机采用的变频启动器启动的主抽风机, 容量10KV, 起动速度快、效率高, 但成本较高, 因此, 以降低成本为前提, 我们选择的是型号GL150型变频器, 依次起动两台主抽风机方案。除了包含以下装置外, 还应包括两路从主抽风机的10KV电源进线, 每台风机一路, 两路AC380V电源到主抽风机电机的连接线路的全部设备。包含的具体装置如下:

(1) 变频起动装置*1;

(2) 正常驱动并含电气及仪表方面保护的继电系统, 包含从主抽风机系统的高低压配电柜、根据开关柜功能配置相应的继电保护器;

(3) 风机同步电机 (利用一套变频器设备软启动同步两台风机电机的启动方式) ;

(4) 来自于西门子公司的励磁系统、升降压变压器;

(5) 软件控制系统 (PLC编程的软件来自动控制风机的启动及运行过程中的时间同步) ;

整个系统的10KV母线按功能分为三段, (10KV进线A (10KV进线B (母线启动段C。其中C段联接变频器的输出侧。在系统的启动过程中, 以A母线为变频器供电的目的是通过对各断路器的系列开关动作来实现的;起动结束A线可继续为A电机供电 (A B两组电机的启动过程相同) 。

2.2 主抽变频起动系统的主要功能介绍

(1) 电气保护:变频器主要是在系统启动过程中进行电机同步保护, 系统启动后的电气保护工作择由带保护装置的高压配电柜自带电机来完成;

(2) 主抽变频起动系统所配置的变频起动系统是以机械负载的配置为依据, 单台主抽的起动可在规定时间内完成, 两台主抽在同步电机的管理下可以满足同步、异步、异时启动的需求;

(3) 为便于手动起动风机, 两台风机设备都配有现场控制箱。起动及切换风机在现场及控制室均可实现。另外, 在起动控制柜装置触摸屏, 可实现实时监控、控制室内收集详细资料及提高风机起动控制容错效率;

(4) 两台同步电机可以使用一台变频器进行启动切换管理, 启动一台同步电机后系统通过变频器可以快速切换到另一台同步电机的启动过程中;

(5) 系统配置的专用同步控制装置可以微调频率、电压和相位等参数, 在主抽同步电机完成启动进程后, 可以顺利的在电网和变频器间切换;

(6) 变频起动系统的控制系统可以与主控PLC系统进行交互通讯。厂家在控制柜上专门配备有一套控制系统的人机操作界面。

2.3 梅钢西门子GL150变频软启动系统的技术特点

变频器外形如图所示:

系统技术特点如下:

(1) 采用技术可靠的低压可控硅元器件和升降压变压器组成的软启动系统, 保证了系统高度的可靠性。可控硅元器件质量可靠, 耐压性好, 电流裕量充足, 保证了系统的高可靠性。简单的电路拓扑结构, 减少了元器件使用数量, 从而降低了故障概率;

(2) LCI (负载换流技术, 即被动换流技术) 在变频器上的成熟应用, 杜绝了换流失败的状况。改变同步电动机转速的方法是改变其供电电源的频率, 由于大型同步机转动惯量大, 若是电源频率变化太快, 或者负载波动过大, 都有可能引起同步电机振荡和失步。因此, 同步电机使用“它控式”变频器 (如采用IGBT元件主动换流技术的异步机变频器) 存在安全隐患, 必须采用“自控式”变频器。LCI变频器的输出频率是受到安装于电机轴上的电子式转子位置指示器控制的, 它自动跟踪转子位置, 保持了输出频率与电机转子之间的位置同步一致性, 杜绝了震荡和失步的问题;

(3) 系统在检测电机转子位置时采用的是通过监测定子电压和电流大小来换算转子位置方法, 取消了机械位置传感器需要使用测速编码器这一不稳定因素;

(4) 全套系统实现了0~50Hz全程无极调速。整个启动过程不会对风机造成脉冲击;变频器可以在风机自由转动时启动, 无需等待风机状态稳定后再启动控制系统;

(5) 本方案在启动时从1~2Hz开始, 无需被旁路或切换低频段输出变压器。

3 结语

梅钢4号烧结机已于2009年5月工程完工并投入生产, 在整套系统的调试过程中, 主抽风机曾在短时间内 (8小时内) 多次启停, 这种短时内反复启动对于选用异步启动方式的同步电机来说是无能为力的, 也显示出变频启动方式的设计优越性。

负载换向型的变频软启动系统方案, 变频器在整个启动并网过程中一直处于监视状态, 随时准备切入淡出, 直至系统完全并网成功后才会自动退出, 这也是其它变频软启动设计方案无法做到的。本方案A风机起动过程如下:选择A电机起动->变频器投入拖动A电机状态->变频器起动A电机->变频器升到工频输出直至A电机进入额定转速->主断路器合闸->变频器退出。

变频起动第4篇

关键词：同步电机,变频起动,ETAP软件

0 引言

同步电机凭借其优异的性能在工业生产中有着广泛的应用。同步电机接于频率一定的电网上运行时, 其转速恒定, 不会随负载变动, 且功率因数可调节, 故在需要改变功率因数和不需要调速的场合 (如大型空气压缩机、粉碎机、离心泵等) 常优先采用同步电机。但是它最大的缺陷是起动困难, 不能直接起动[1,2,3]。

1 同步电机起动方法

同步电机仅在同步转速时才产生恒定的同步电磁转矩。同步电机起动时, 若把定子直接投入电网, 在转子加上直流励磁, 则定子旋转磁场将以同步转速旋转, 而转子磁场静止不动, 定、转子磁场间具有相对运动, 作用在转子上的电磁转矩快速地正、负交变, 平均转矩为零, 电机不能自行起动[4]。为使同步电机起动起来, 必须借助于其它方法。目前, 同步电机常用起动方法有异步起动和变频起动。

1.1 异步起动

多数同步电机起动使用异步起动法, 在电机的主极极靴上装设笼型起动绕组, 该绕组类似于感应电机转子上的笼型绕组。同步电机异步起动时, 先将励磁绕组接到限流电阻, 再让定子绕组接上三相交流电源, 依靠定子旋转磁场和转子起动绕组中感应电流所产生的异步电磁转矩, 电机便能起动起来。待转速上升到接近于同步转速时, 将励磁电流接入励磁绕组, 使转子建立主磁场;这时依靠定、转子磁场相互作用所产生的同步电磁转矩以及凸极效应所引起的磁阻转矩, 通常便可将转子牵入同步[5]。

1.2 变频起动

变频起动方式是利用晶闸管变频装置产生从零到额定频率值的变频电源, 向电机定子绕组输入频率逐渐上升的三相交流电。这种起动方式能使同步电机平滑起动, 对电网几乎没有冲击。变频起动方法有异步起动和同步起动, 高压大功率同步电机一般采用异步起动方式。本文重点讲解同步电机变频起动。

2 同步电机起动ETAP实例

搭建某工矿企业简化电力系统接线图, 研究同步电机起动问题。如图1所示, 1台27MW同步电机经1台50MVA, 110kV/10.5kV变压器接在110kV母线, 其它负荷用等效负荷表示。下面利用电力系统仿真软件ETAP进行系统参数建模, 分析同步电机变频起动过程。

2.1 同步电机建模

同步电机建模需设置铭牌页、堵转模型页、惯量页、负荷模型页、起动设备页、起动类型页。

(1) 在铭牌页, 指定电机铭牌数据 (额定值) , 数据来源于电机基础参数。

(2) 在堵转模型页, 可指定用于电机起动的堵转模型 (LR Model) , 这里的模型只能来源于库。ETAP提供的可选择库为CKT模型库、特性库。当用户所需的堵转模型不在这两种典型库中时, 可选择自建库。对于建库所需的电路等值参数, 若电机生产厂家不能提供, 但又是电机动态起动分析必需的这种情况, 由于同步电机异步起动所依赖的堵转模型在原理上等同于感应电机起动的堵转模型, 因此可使用感应电机提供的参数估计法来进行同步电机近似参数估计。具体做法:首先, 输入电机生产厂商可提供的电机堵转电流、堵转功率因数、堵转转矩、最大转矩及满载下的转差率、功率因数、效率等参数;然后, 点击“估计”按钮, ETAP会根据内置算法估算出一套电路模型参数 (定子电阻、定子电抗、励磁电阻、励磁电抗、堵转转子电阻、堵转转子电抗、满载转子电阻、满载转子电抗) ;最后, 将这些电路模型参数录入电路模型库, 完成库的自建。在同步电机堵转模型页选择CKT模型库并选中刚刚自建的模型库, 就会生成电路模型和对应的特性曲线。堵转模型页如图2所示。

(3) 在惯量页, 指定电机、联轴器和负荷的转动惯量。这些参数会影响电机的动态起动时间, 而且一般电机生产厂家可提供。

(4) 在负荷模型页, 指定电机的负荷转矩模型, ETAP提供两种方法供用户选择。从负荷模型库中选择, ETAP提供了十几种典型负荷模型, 这些负荷模型采用如T=A0+A1ω+A2ω2+A3ω3的多项式来描述负荷转矩T和电机角速度ω间的关系。若电机参数提供了实际的负荷转矩-转差特性曲线, 则可采用曲线法进行描点, 再将这些点录入到负荷模型库中。本实例由于提供了负荷转矩-转差曲线, 因此采用曲线法。

(5) 在起动设备页, 为电机指定一种起动设备, 并为起动设备指定控制方案。对于不同的起动方式, 此页设置不同, 因为本算例采用变频起动, 所以需额外加变频器, 此处选择None。

(6) 在起动类型页, 指定电机的起动类型, 可定义电机起动过程最初和最终的负荷百分数, 并指定负荷的加载持续时间。

2.2 变频器建模

变频器参数主要需要设置额定值页、起动设备页。

(1) 在额定值页, 指定变频器的输入、输出额定值。输入端容量由输出端功率除以输入端功率因数和效率决定。

(2) 在起动设备页, 指定变频器在电机起动过程中的控制类型, 并制定控制曲线。

3 变频起动仿真分析

3.1 变频起动原理

同步电机转子速度为:

异步电机转子速度为:

式中, n0为同步转速;n为转子转速;f为电源频率;P为极对数。

由式 (1) 、式 (2) 可知, 当极对数P不变时, 转子转速n和电源频率f成正比, 因此连续改变供电电源频率, 可平滑调节电机转速。式 (2) 是同步电机异步起动时转子转速和频率间的关系, 在这种情况下, 同步电机相当于异步电机。

变频起动时, 希望气隙磁通量Φm基本保持不变, 因此磁路饱和程度、激磁电流和电机功率因数均可基本保持不变。由于忽略定子漏阻抗压降时U1≈E1=4.44f1N1kw1Φm (其中, E1为感应电动势;U1为定子电压;f1为电网频率;N1为定子绕组匝数;kw1为绕组基波绕组因数) , 因此要保持Φm不变, 应使定子端电压与频率成比例地调节, 即:

另外, 一般生产过程中, 希望调速时电机的过载能力保持不变, 即保持最大转矩不变。同步电机的最大转矩Tm为:

式中, C为常数。

由式 (3) 、式 (4) 可知, 在改变频率的同时, 相应地改变定子电压, 使不变, 即保持磁通不变, 就能保持最大转矩Tm不变[6]。

3.2 变频起动方案设置及仿真分析

变频器的过载能力为1.2~1.5倍。为了确保变频器不过载, 根据现场经验, 27MW大功率电机起动时间一般设置为100~120s, 在本算例中设置为100s, 初始起动频率设置为1Hz。起动方案设置两种, 即线性方式起动方案和“S”形方式起动方案, 起动过程中电压随频率成比例增大, 始终保持U/f恒定。下面分别就两种起动方案结果进行分析。

3.2.1 起动方案

线性方式起动频率控制为额定频率的2% (1Hz) , 频率在100s内呈线性上升至100%, 如图3所示。“S”形方式起动频率控制为额定频率的2%, 在开始阶段和结束阶段, 频率上升加速过程较缓慢, 而在中间阶段, 加速较快, 如图4所示。同步电机起动类型页选取带10%额定负荷起动, 待电机起动成功后, 维持10%额定负荷2s不变, 然后在6s内呈线性加载到100%额定负荷。

3.2.2起动电机机端电流比较

在上述设置条件下, 分别完成线性方式、“S”形方式的电机起动仿真计算, 得到电机机端电流变化曲线如图5、图6所示。采用线性方式或“S”形方式起动时, 都会产生电流冲击, 峰值均约为电机额定电流的12.3%;100s起动成功后, 电机电流上升是由电机负荷加载过程引起。

3.2.3 变频器所连母线电压比较

完成电机起动仿真计算, 得到变频器所连母线电压变化曲线如图7、图8所示。两种起动方案下, 变频器所连母线电压在起动过程中波动都很小, 且在起动成功后均稳定下来;100s起动成功后, 有一段压降是由电机负荷加载过程引起的。

3.2.4 电机转差比较

完成电机起动仿真计算后, 得到电机转差变化曲线如图9、图10所示。转差的定义是变频起动过程中定子旋转磁场速度与转子旋转速度的差值相对于定子旋转磁场速度的百分数, 理论上其值越小越好, 因为转差太大, 所以转子旋转速度很难跟随定子旋转磁场转速, 很可能引起失步并导致起动失败。两种起动方案下的电机转差在起动瞬间就降为一个较小的值, 这也从侧面反映了两种起动方案下的电机均成功起动。

3.3 小结

通过仿真结果, 得到以下几点结论。

(1) 两种变频起动方案中, 电机机端电流和母线电压下降幅值均很小, 对电网几乎没有冲击。

(2) 两种变频起动方案中, 电机机端电流最终基本稳定在额定值的24%左右, 这是由电机机械负荷模型决定的。

(3) 同步电机变频起动时间和变频起动特性与变频器控制方式息息相关, 而变频器的控制方式需视实际的负载类型而定。

4 结束语

本文采用ETAP软件对同步电机变频起动进行了仿真分析。从起动电流、母线电压等参数变化曲线可看出:变频起动过程平滑, 起动电流小, 对电网的冲击很小。但是, 由于变频设备投资较大, 因此需从工程实际和经济角度综合考虑是否需要采用变频起动方式。

参考文献

[1]高东升.大功率同步电机的软起动[D].成都:西南交通大学, 2009

[2]王茜茜.大型同步电机静止变频器软起动控制系统研究[D].武汉:华中科技大学, 2013

[3]管西华.变频软启动技术在高压同步电动机中的应用[D].上海:上海交通大学, 2011

[4]李怀莉.大容量同步电动机启动对电力系统影响的分析及对策研究[D].西安:西安工程大学, 2015