电机降压起动（共4篇）
电机降压起动 篇1
0 引言
在我国石油石化企业中, 应用广泛的电力拖动设备主要是异步电机, 异步电机在起动时的电流是额定电流的6~7倍, 因而在起动时常给其它电气设备带来影响和危害。为了限制异步电机较大的起动电流, 在电机轻载和空载时常采用降压起动的方法 (例如抽油机电机的Y-Δ换接起动、输油泵电机采用变频器降压降频起动[1]和注水电机软起动[2,3]等) , 也即是在起动时使得电机实际电压Uσ低于电机额定电压UN, 当转速上升到额定转速后再换接额定电压UN继续运行。本文主要分析了降压起动后异步电机的起动时间、起动功率和起动损耗参数的变化规律, 并得出具有实际指导意义的结论。
1 异步电机在降压起动过程中起动时间的分析
异步电机的起动时间tst是指电机自转速n=0逐渐上升到额定转速nN, 也即n=nN所用的时间。如图1所示[4]。如果用转差率表述的话, 即指转差率S由1到SN (额定转差率) 所用的时间。
综合计算机电传动系统的运动方程, 可得出在空载情况下, 电机的拖动方程近似表示为:
在额定电压UN下, 空载起动时, 由式 (2) 积分可得电机的起动时间tN:
上式st为起动转差率, 通常st=1, 则有:
在此假设电机起动电压为Uσ, 则降压系数σ=Uσ/UN, 0<σ<1。由于最大转矩与电压的关系Tm∝U2[3], 所以降压时电机最大转矩Tm′为:
当拖动系统与电机电压均确定时, 则sm、sN、GD2和n0不变, 降压后的机电时间常数T′MA为:
由于σ<1, tσ>tN, 以采用星-角 (Y-Δ) 换接方式对电机降压起动为例, 则有, tσ=3tN, 所以可得出额定电压起动时间为降压起动时间的1/3。
2 异步电机在降压起动过程中起动功率的分析
在起动过程中, 电机由零转速上升到额定转速时电机所消耗的功率ΔP定义为电机的起动功率, 由异步电机机械转矩T的表达式[3]
画出电机固有机械特性曲线, 如图2所示。
据功率的基本关系式, 利用n= (1-s) n0的关系可得:
通过式 (9) 可以看出, ΔP为图2中阴影部分的面积, 则任意一台电机对应电压U时, 电机在起动过程转差率均为1→SN, 式 (9) 结果为定值, k、r2、X20和n0均为常数, 故可得:
设额定电压UN起动时起动功率为ΔPN, 则ΔPN∝UN2, 由于降压起动时Uσ=σUN, 降压起动功率ΔPσ为
3 异步电机降压起动过程中起动损耗的分析
一般情况下, 设Uσ<UN, 在起动后电机转速为nσ (0<nσ<nN) 时, 换接到额定电压运行, 则起动损耗ΔW可表示为:
由图3可见, ΔPσ′为四边形0T′stTσnσ的面积;ΔPN′为四边形nσtN′TNnN的面积。四边形0TstTN′nσ相当于电机额定电压起动达到nσ时所消耗的功率ΔPN″, 设所用时间为tN″, 由式 (7) 和式 (11) 可知:
由图3可见, 四边形0TstTN′nσ与四边形nσTN′TNnN相加, 即是额定电压起动时电机所需要的总功率ΔPN, 所用时间为tN=tN′+tN″, 损耗为ΔW=ΔPN·tN, 则有:
对上述分析讨论如下:
(1) 由于所设Uσ为任意值 (0<Uσ<UN) , 所以无论Uσ如何变化, 降压起动时总的损耗等于直接额定电压起动的损耗ΔPNtN, 同理由于所设nσ为任意值, 因此无论在何处换接到额定电压UN, 降压起动时总的损耗也等于直接额定电压起动的损耗ΔPNtN。如图4、图5所示, 可知采用换接降压起动过程, 不能减小起动损耗。
(2) 当Uσ=UN时, 电机在额定电压UN下起动, 显然nσ=0, ΔPσ′=0, tσ′=0, ΔWσ=0, ΔPN′=ΔPN, tN′=tN, 起动功率ΔPN相当图2中阴影部分的面积, 起动损耗仍为ΔW=ΔPNtN, 此时起动时间最短, 起动功率最大。
4 结论
通过分析可以看出, 电机采用降压起动虽然减小了电机的起动电流, 降低了起动功率, 但延长了起动时间。同时由于起动损耗不变, 若采用降压起动为节能考虑, 则将不能实现这一目的。
摘要：在生产生活中, 异步电机的使用占用很大一个部分, 而异步电机在起动瞬间会产生较大的电流, 所以, 经常采用降压起动的方法。本文在电机理论分析的基础上, 深入分析机械特性曲线, 针对异步电机起动瞬间的时间、功率、损耗等参数进行研究, 得出异步电机在起动时的一系列特性关系, 对工程实践起到了一定的指导作用。
关键词：异步电机,降压起动,机械特性,起动性能
参考文献
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电机降压起动 篇2
近年, 随十二五规划项目的不断展开, 新型工业园区的电力负荷稳步增长, 其中大部分的企业拥有大量的计算机、微电子制造设备等敏感性电力负荷, 这些负荷对电能质量的要求很高, 如频繁发生电压暂降等问题将造成巨大的经济损失, 因此电能质量的优劣状况成为了企业关注的重点。
大功率电动机是配电网的常见负荷, 启动时产生巨大的冲击电流, 对中压配网电压水平和供电质量有十分重要的影响。大功率电机起动通常要使用软启动装置, 通过降低起动电压, 减小电机起动电流, 降低起动过程对配电网的影响。
本文采用MATLAB中曲线拟合工具对电机类负荷进行起动特性的曲线拟合, 再运用电力仿真软件PSCAD/EMTDC对10k V配电线路上电机起动过程进行短时仿真分析, 得出合适的降压起动系数, 从而减小异步电机起动对配电线路供电质量的影响, 并提供了利用PSCAD获取线路状态最优值的方法[1,2,3]。
1 电机类负荷起动过程分析
电机类负荷在起动过程中影响配网电能质量的两个重要因素是:起动电压和起动时间。起动电压是指电动机起动时定子端的接入电压, 如果电机直接起动, 起动电压近似等于电动机接入点线路电压, 如果对电机采用软起动装置, 起动电压便等于软起动装置后电机定子端电压。起动时间是指从额定电压和额定频率的供电线路中获得起动电流开始, 拖动额定负载, 电动机从静止达到额定转速 (或额定电流) 所需要的时间[4,5]。对电机起动电压和起动时间的计算式如下:
式中, t为起动时间 (s) ;GD2—机组转动惯量 (kg/m2) ;g—自由落体加速度 (m/s2) ;—角速度 (rad/s) ;n—电机额定转速 (r/min) ;MB—平均加速转矩;MM—电动机平均起动转矩;ML—平均负载阻转矩;US—起动电压 (V) ;UN—额定电压 (V) ;Tst1—电机起动转矩倍数;Tst2—系统阻矩倍数;PN—电机额定功率 (kw) ;k定义为电机起动时的降压比。
对式 (1) — (5) 进行合并可得:
文中算例仿真主要针对水泵机组, 文献[6]中描述了流体类负荷转矩的动态方程, 本文对电机的起动过程主要采用的流体负荷阻力矩。从式 (6) 可以看出起动时间与起动电压的平方约为反比关系, 在PSCAD中构建简单的电机起动仿真系统 (如图1所示)
图1中电机主要技术参数见表1, 电机的起动电压-时间数据仿真结果如表2所示。
使用MATLAB中的curve fitting tool对表2中的数据进行二次方曲线拟合得出如下表达式:
其中误差项平方和SSE=3.355e-008, 均方根误差RMSE=0.0001057, 拟合程度良好。文中在PSCAD中的算例均采用以上方法获取电机的起动电压-时间函数关系。
2 配网电压暂降的严重指标
目前, 世界上还没有可以推广采用的衡量电力系统电压暂降的指标体系, 而参考用户负荷的敏感曲线[7], 在企业用户端角度来说, 最为关心的主要是配电网的电压暂降幅度和暂降时间这两个重要因素, 在文献[7]中提出的配电网电压暂降能量指标能很好的反应出电压暂降幅度和暂降时间这两个因素影响程度, 其中对计算节点的电压暂降能量指标定义如下:
式中V (t) 是计算节点的电压暂降幅值, Vnom是计算节点电压暂降前的标称电压。
因此, 在分析电动机降压起动所造成的配电网各负荷点电压暂降的能量指标时, 式 (7) 中的T即电动机的起动时间。文献[8,9]对式 (7) 做了进一步的改进:
考虑到电机起动过程中起动电压变化较小, 式 (7) 可简化成:
VRMS即在电压暂降过程中的平均电压值。
文中研究主要针对线路中发生电压暂降幅度最大点处即末端负荷, 而在电机类负荷起动期间末端负荷的电压暂降持续时间即为电机起动用时, 采用式 (10) 来对线路末端进行电压暂降的能量监测, 可作为对引发电压暂降的瞬时接入负荷进行经济惩罚的指标参考[10]。从而对配网线路的合理运行及负荷工作时间安排提供优化措施。
3 获取最优降压比的系统仿真实验
为探讨电动机降压起动时降压比的大小对配电线路电压暂降的能量指标的影响, 构建仿真系统如图2所示。
图2中的10k V线路由一座110k V变电站供电。主变容量3*50MVA, Vs%=10, 等值阻抗, 设变电站10k V侧供电电压为10k V。线路为LGJ-240架空线, 线路参数为, 供电距离10km, 负荷分布如图示, 大小均为 (750+j341) k VA, 在位置3处通过软起动装置接入鼠笼型感应电机, 电机参数见表1。负荷采取考虑电压、频率静态特性的模型, 如式 (9) 所示。
其中, 和为额定有功、无功负荷, 额定电压, 有功电压系数, 无功电压系数, 有功和无功频率系数。所考虑的线路运行工况符合《广东电网规划设计技术导则》关于中压配电线路输送容量和供电距离的要求。
仿真过程:仿真开始后的第一秒内, 断路器BRK1处于分闸状态, 整条10k V线路只有1-4处的负荷正常运行, 从第二秒开始, 断路器BRK1合闸, 电机通过降压装置VCHG在1处接入10k V线路, 并通过调节降压比k来控制电机启动过程中的降压幅度。降压比k的控制逻辑如图3。
在降压比k随系统仿真时间TIME增大而变小的过程中, 建立计算模块对U4处的电压暂降能量指标进行实时计算, 图4中的TIME计算参考式 (7) , 仿真计算结果如图5所示, 从图5中可以看出, 当电动机处的降压装置降压比时, U4处的电压暂降能量最低。
一般情况下, 电机的降压起动通常只考虑尽量降低起动电压以减小线路上总电流, 从而保证线上负荷的电压水平, 但在参考负荷处的电压暂降能量指标优劣时, 需考虑到降压比过低时会延长线上负荷的电压暂降持续时间。通过以上仿真算例可明显看出, 只有选用适合的降压比时才能让电压暂降的能量最低。
对以上仿真结果进行验证, 图2系统中对降压比k取恒定值, 再对U4处电压暂降能量指标进行计算。结果如表3所示:
由此可见, 文中对最优降压比求解的仿真结果符合实际情况, 该仿真方法具备良好的可靠性。
4 结束语
本文对电机的起动过程进行了分析, 考虑到电机的起动电压和起动时间的非线性关系, 不同程度的降压起动过程可能会使得线上负荷点的电压暂降能量指标有最优状态。从传统计算方法来看, 要求出线上负荷点的电压暂降能量指标最优状态, 需在不同的降压比状态下进行潮流计算, 其过程较为复杂。因此本文通过构建了简化配电网仿真模型, 利用MATLAB的拟合曲线工具生成电机的起动电压和时间的函数关系, 并在PSCAD中进行实时仿真计算, 使得线上负荷点处的电压暂降能量指标具有良好的可观测条件。这种方法结合了MATLAB计算优点和PSCAD优秀暂态仿真能力, 为电网中可变状态的优化值求解提供了一种新的仿真手段。
摘要：大功率电机的起动通常要使用软启动装置, 其主要目的是降低起动电压, 但较低的降压比会延长电动机起动时间, 造成线路电压暂降能量指标增大, 因而可通过仿真计算的方法获取电机起动的最优降压比。本文先采用MATLAB中曲线拟合工具对电机类负荷进行曲线拟合, 再运用电力仿真软件PSCAD/EMTDC对10kV配电线路上电机起动过程进行短时仿真分析, 通过系统逻辑函数控制降压起动过程, 可从仿真图中得出合适的降压起动系数, 从而减小异步电机起动对配电线路供电质量的影响, 也为电网中的变化参数优化值求解提供了一种新的仿真手段。
关键词：电机起动,降压比,曲线拟合,PSCAD仿真,电压暂降能量指标
参考文献
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电机降压起动 篇3
1 电动机起动方式及相关标准要求
根据国家标准《电能质量 供电电压允许偏差》(GB/T 12325-2008)与《通用用电设备配电设计规范》(GB 50055-1993)的规定[2,3]:
(1)需频繁起动的电动机起动时,在配电线路末端的电压降应≤10%;
(2)电动机不频繁起动时,配电母线末端的电压降不宜>15%;
异步电机的电磁转矩公式
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由上述公式可知,异步电机在某一转速下,其电磁转矩与机端电压的平方成正比,与频率成反比。这是电动机起动分析的基础。
(1)电机制造以后,在对应的每个转速点(s)下,电磁转矩与机端电压的平方成正比,与定子电流频率成反比。那么在工频方式下,机端电压越高则电磁转矩越大。而每个转速点对应的电机电抗值是一定的,所以机端电压高,就对应着电机电流大。目前,机械强度不存在问题,所以对于电机和负载而言,是希望电磁转矩越大愈好,也就是希望电机电流大。
(2)对于系统而言,则希望起动支路吸取的电流越小越好,即电机起动电流越小越好。可以这样分析,母线电压肯定是在85%～100%之间,变化不大,可以视为一个定值。那么起动支路与电网交换的能量就是 1.732×母线电压×回路电流,回路电流越小,则与电网交换的能量越小,那么对电网的影响就越小。
这就产生一个矛盾,即如何在保证电机转矩足够大的情况下减小对电网的冲击。
常见的电动机的起动方式按特性可以划分为以下几个类型:全压起动、降压起动及变频器起动。其中工频降压起动方式主要有串电阻降压起动、相控调压方式起动和降补固态软起动。
电机在串电阻降压起动和相控调压方式这两种起动过程中(如图1所示),电机转矩和电机端电压的平方成正比,电机端电压和电机堵转电流成正比,电机转矩与电机堵转电流的平方成正比,所以为了保证电机起动转矩足够拖动负载,电机起动电流可以减少的范围有限。
电机在降补固态软起动过程(如图2所示)中,为了进一步降低母线电流I1,降补固态软起动装置将电动机及无功发生器并联回路经降压器接入电网,通过降低机端电压的方式进一步减小电流。此时降压器的输出电流为电机电流ID与无功发生器电流IC之差,输入电流为输出电流的k倍(降压器一二次电压比为1:k,k<1), 即I1=k(ID-IC)。
2 齐鲁石化14 MV备用风机不同起动方式对比分析
备机14 000 kW电机及负载参数如下:
额定功率: 14 000 kW
额定电压: 10 000 V
额定频率: 50 Hz
相 数: 3
极 数: 4
额定电流: 925 A
起动电流倍数: 4.2
效 率: 97.1
功率因数: 0.9
额定转速: 1 486 r/min
堵转转矩倍数: 0.6
最大转矩倍数: 1.8
电机转动惯量: 1 760 kg·m2
负载的转矩曲线:(已折算到电机端)
静阻力矩: 6 000 N·m
起动阻力矩:23 000 N·m
负载的GD2值:(已折算到电机端):22 000 kgm2
起动方式采用软起动。当机端电压不低于72%,电机允许起动时间65 s。
已知系统参数:
110 kV母线最小短路电流5.6 kA,经40 MVA的变压器到10 kV母线。
同母线下固定负荷为17 697 kW,功率因数0.9 。
电机起动时间的计算方法:
传动加速定理:
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其中:
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则有:
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可以推得:
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分段计算,
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将原始数据中的时间段中的转矩视为定值,则有:
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习惯上给出的是
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则通项为:
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按照以上参数,对三种起动方式分别计算,空载电压按10.5 kV考虑,各性能指标见表1。
上述计算仅为理论计算值,仅供参考,实际应用时各项参数以现场实测为准。
通过以上对比分析可知:
(1)采用串电阻降压起动和相控调压方式这两种起动方式时,电机端电压和起动电流成正比,因而机端电压下降明显,电机起动转矩仅能满足拖动负载需要,因而起动时间较长,这势必影响电机制造厂的各项电机参数(电机允许起动时间,机端电压降允许值)。
(2)如果采用将补固态软起动的方式,可以明显提高机端电压,从而增大起动转矩,缩小起动时间,对于电机制造过程中电机参数的影响较小。
根据电机厂提供的相关参数,可以发现本工程项目中14MW电动机起动方式优先采用补固态软起动的方式。
3 结 论
这里就齐鲁石化2 600 kt/a催化裂化装置中14MV备用风机的工频降压起动方式进行了对比分析,给出了相关参数计算方法。
通过表2“三种工频降压起动方式主要起动性能指标比较”的分析,采用降补固态软启动方式具有如下特点:
(1)起动时回路电流小于1.8倍电机额定电流,最小可达到额定电流。
(2)起动时电网的压降在5%～12%之间,可任意选择。
(3)对电网容量要求较低,可显著减小变压器安装容量,大幅降低一次设备投资。
(4)起动转矩大,可满足不同负载的要求。
(5)可连续起动,重复精度高,起动时切换过程无操作过电压。
(6)无谐波,压降很低,基本不影响电能质量;无附加有功损耗。
(7)全密封,不受环境限制,安全可靠,寿命长,基本免维护。
尤其对于石化行业内部分总变无改扩建能力的企业,在已有电机参数不可调整的前提下,采用降补固态软起动方式,既可以有效的降低电网冲击又可以保证电机有足够的起动转矩,缩短电机起动时间,在实际应用方面有着良好的推广应用前景。
在实际应用过程中,大型电动机起动与电机自身特性、电网结构、负荷阻力距等密切相关,需要根据实际情况进行具体分析,从电机起动特性、经济性及实用性等方面综合选择电机的起动方式。
参考文献
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电机降压起动 篇4
三相异步电动机由于易调速易转向, 从而广泛应用于工农业生产中。由于异步电动机直接启动会导致启动电流过大, 启动转矩过大, 从而损害生产机械。因此启动时, 常采用降压启动的方法。对于三项鼠笼式异步电动机, 其降压起动方法有延边三角形降压启动方法、定子绕组串电阻降压起动方法、Y/Δ降压起动方法及自耦变压器降压起动方法等。本文主要利用MATLAB对三相异步电动机定子绕组串电阻降压起动和直接启动进行了设计和仿真。
1 异步电动机工作原理
三相鼠笼式异步电动机由定子和转子两部分组成。当三相定子绕组接三相对称电源时, 定子绕组就产生三相对称电流, 从而定子部分产生旋转磁场。因为磁场在转动而转子不动, 就可认为转子在切割磁力线, 根据电磁感应定律, 从而转子绕组产生感应电动势和感应电流。转子绕组受到磁场力的作用, 就转动起来, 其转速低于旋转磁场的转速, 不同步。所以称为三相异步电动机。
2 实例计算和MATLAB仿真
一台鼠笼式三相异步电动机, 已知数据为:PN=28KW, IN=25A, nN=1455r/min, cosφN=0.88, KI=6, KT=1.1, λ=2.3。供电变压器要求起动电流Is≤150A, 起动转矩为73.5N.m。若选择定子绕组串电阻降压起动方法判断是否能采用, 并用MATLAB Simulink仿真, 做出转速、转矩、定子电流和转子电流的波形图并进行分析。
根据经验公式:TN=9550PN/nN KT=Is/IN KT=Tst/TNλ=Tmax/TN
可求得:
电动机的额定转矩TN=9550PN/nN=9550×28/1445=183.78N.m
正常起动转矩应不小于Ts1=KTTL=1.1×73.5=80.85N.m
采用串电阻降压起动Is=KIIN=6×25=150A
满足Is≤Is1=150A
所以, 能采用串电阻降压起动
MATLAB仿真图:
(2) 定子绕组串电阻降压起动仿真模型原理图
3 结果分析
3.1 运行结果
3.2 特性分析
通过比较直接起动和定子绕组串电阻降压起动的仿真结果, 可以看出, 起动转矩和起动电流得到了有效的控制, 定子串电阻起动降低了起动电流, 减小了对电机的冲击, 但降压起动时间比直接起动时间长很多。
一旦起动完毕, 串联电阻即被短接, 电动机进入全电压正常运行。
摘要：三相异步电机广泛应用于工农业生产中。因为三相异步电动机的直接起动会导致启动电流是正常额定电流的5倍左右, 启动转矩过大, 容易对负载产生较大的冲击, 考虑到电流、启动转矩近似的与定子的电压成正比, 因此采用降低定子电压的办法来限制起动电流, 降低启动转矩。本文主要研究基于MATLAB的三相异步电动机定子绕组串电阻降压起动设计和仿真。
关键词：三相异步电动机,降压起动,MATLAB
参考文献
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