<br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200461014583854221.gif" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200461014583854221.gif" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 中壓交流電動機使用固態軟起動器與液體變阻器起動的比較<BR> To Compare Solid-State Soft Starter with Liquid Rheostat Starter<BR> 上海杰詣通用電器有限公司 厲無咎<BR> Shanghai Jieyi General Electric Inc. Li Wujiu<BR> 內容樀要：本文簡述了交流異步電動機定子調壓和定子串接電阻的機械特性，固態軟起動器和液體變阻器的工作原理；并以6kV 1400kW 交流異步電動機為例，對中壓固態軟起動器和中壓液體變阻器作了技術經濟比較，認為雖然單臺固態軟起動器的價格比液體變阻器要貴些，但綜合考慮基本建設投資、設備性能和壽命、運行功耗和維修費用等因素，顯然應當首選中壓固態軟起動器而不是中壓液體變阻器。<BR> Digest: The paper introduces the mechanical characteristics of asynchronous motor when its voltage is varied or the serial connected resister in its stator circuit is varied. The theory of solid-state soft starter and liquid rheostat are also introduced simply. With the 6kV 1400kW asynchronous motor as an example, the paper compares medium voltage solid-state soft starter with medium voltage liquid rheostat on both technical and economic index. Although the cost of MV solid-state soft starter is higher than one of MV liquid rheostat, considering all kind of factor for example the construction invest, equipment function and life, power loss and maintenance cost, we prefer to use MV solid-state soft starter instead of MV liquid rheostat.<BR> 關鍵詞：軟起動器，固態軟起動器，中壓固態軟起動器，液體變阻器，中壓液體變阻器。<BR> Key words: soft starter, solid-state soft starter, medium voltage solid-state soft starter, liquid rheostat, medium voltage liquid rheostat.</P><P> 1． 概述<BR> 一般交流電動機功率在300KW以上時，為了減少電機繞組的線徑，便于加工和降低損耗，就采用中壓。國內標準中壓為3KV、6KV、10KV，國際上則有2.3KV、3.3KV、4.16KV、6.6KV和13.8KV等電壓等級。對于中壓異步電動機在電網容量和工藝條件允許的情況下可以直接起動，如果電動機的起動容量對電網沖擊較大，造成電網壓降過大（標準規定的允許值為10%），或者工藝條件不允許的情況下要用降壓起動。傳統的中壓異步電動機降壓起動方法有在定子回路串聯電抗器、或串聯液體電阻器、或使用自耦變壓器降壓起動等。隨著晶閘管的問世，從二十世紀七十年代開始推廣應用晶閘管交流調壓技術的低壓固態軟起動器，之后隨著電力電子技術的進步，美國Benshaw公司于1988年推出了世界上第一臺中壓固態軟起動器，迄今已有上千臺中壓軟起動器在世界各地運行。本文擬對中壓固態軟起動器與液體變阻器起動方式作比較，以促進新技術在中國的推廣。</P><P> 2． 交流異步電動機的起動特性<BR> 交流異步電動機的固有機械特性如圖1所示。<BR> 它可以用下式表示：<BR> （1）<BR> 式中m1為定子相數<BR> s為轉差率 <BR> r1、x1為定子繞組電阻和電抗<BR> r1’、x1’為轉子折算到定子電路的電阻和電抗<BR> ， 為電機同步轉速。<BR> 異步電動機的定子電流I1：<BR> （2）<BR> 為異步電動機的勵磁電流，它與電動機定子電壓有關，隨外加電壓的升高而增大。 為轉子電流折算到定子側的電流。在正常工作時 ，所以 。<BR> （3） <BR> 當s=1時，也即電機靜止時，就得到電機在全壓下的起動轉矩Mst <BR> （4）<BR> 此時，電機在全壓下的起動電流為：<BR> （5）<BR> 對于一般異步電動機，它通常為4~7倍電機的額定電流。<BR> 當s=sm時，電機轉矩達到最大值Mm，sm稱為臨界轉差率，它等于：<BR> （6）<BR> （7）<BR> 式中正號對應于電動機狀態，負號對應于發電機狀態（機械特性在第二象限的延伸部分）。</P><P> 3．中壓交流電動機采用固態軟起動器起動<BR> 中壓異步電動機采用固態軟起動器的接線如圖2所示。<BR> 現代的固態軟起動器是用微電腦控制的晶閘管交流調壓器，改變晶閘管的移相控制角，就可以調節其輸出電壓。交流電動機在改變其端電壓時的轉矩特性，由式（1）可見，轉矩與電壓的平方成正比：<BR> ； <BR> 而最大轉矩所對應的轉差率Sm保持不變。因此其機械特性如圖3所示。</P><P> </P><P> </P><P> </P><P> <BR> 固態軟起動器的輸出響應非常快，輸出電壓對移相控制信號的平均響應時間只有3.3ms。它可以有多種調節方法，最常用的做法就是采用電壓斜坡控制，使軟起動器輸出電壓隨時間線性上升，直到全電壓輸出；在采用電流反饋的情況下，可以保證起動電流恒定；在采用適當軟件，例如Benshaw公司的專利產品“Tru Torque”軟件下，也可以做到恒轉矩控制。</P><P> 4．中壓交流電動機采用液體變阻器起動<BR> 在一個桶里裝滿導電液體，通常是堿金屬鹽溶液，插入二個電極，在電極間就形成電阻，其電阻值大小與電極間的距離成正比，調節電極間的距離就能調節這個電阻值的大小。將這樣的可變電阻串入交流電動機定子或轉子電路（見圖4），就可以用來平滑地起動電機。<BR> 交流電動機定子回路每相串接對稱電阻Rst的轉矩由式（1）可得：<BR> （1）<BR> 起動轉矩<BR> （2）<BR> 起動電流<BR> （3）<BR> 所以 （4）<BR> 即起動轉矩與起動電流的平方成正比，從效果上說與降低端電壓相同。<BR> 臨界轉差率 ； （5）<BR> 最大轉矩 ； （6）<BR> 它們都隨著Rst的串入而減少了。<BR> 定子電路每相串接對稱電阻的機械特性示于圖5中<BR> 需要注意的是起動期間，串聯電阻的功耗很大。</P><P> </P><P> </P><P> </P><P> 采用液體變阻器起動交流電動機是一種古老的方法。當然，隨著技術的進步，電極的位置可以應用伺服控制系統，也可以用微電腦來控制，并作系統的監控保護等。所以國內有制造廠提供這樣的設備，圖4就是其電氣原理圖。起動電機M時先合上真空接觸器KM2和KM3，將液體電阻Rst串入電動機定子回路中，并通過伺服控制系統使液體電阻的電極逐步移進，直到短路，這時將真空接觸器KM1合上，電動機M就直接接至電網，從而完成起動過程。這種設備有許多致命缺點；一是它如同一個電解槽，每起動電機一次，就要劇烈發熱，液體電阻溫度大大升高，其電阻隨溫度上升而減少。所以如果用在需重復起停的場合，即使有足夠的間歇時間，其每次起動電流也都不一樣。例如中石化高橋分公司煉油廠在其1號冷凍機組上采用了液體變阻器，其電機為6KV 3200KW，額定電流為355A，空載起動。他們做了兩次起動試驗，第二次起動是在第一次起動、停車20分鐘，等電機繞組溫度降到25.8℃后進行的，表一為二次起動的數據（文一）。<BR> 表1 高橋化工廠應用液體變阻器二次起動的數據<BR> 項目 起動電流（A） 母線電壓（KV） 起動時間（s） 液阻溫度（℃）<BR> 第一次起動 800 6.2 16 22<BR> 第二次起動（在第一次起動停車20分鐘后） 900 6.0 20 33<BR> 由此可見，液體變阻器是非常不穩定的一種電機起動設備，并且不宜用于需反復起停的場合。<BR> 另外，由于電解液受熱會揮發，需要不斷補充，并且電極會電解掉，需要定期更換。另外電解液揮發所帶出的鹽霧也會腐蝕周圍的電氣設備。因此非但它本身的壽命不長，而且也會影響其它電氣設備的壽命。二是電解液是負溫度特性，隨著電解液溫度的升高，電阻值降低，電流增加，在起動過程中，隨著熱量的積累，溫度上升，電阻變化較大，這就使得它在二次起動之間必須充分冷卻從而限制了它的起動頻率（每小時起動次數）。三是其阻值是由伺服電機驅動電極的運動來調整的，因此響應比較慢。四是其體積非常龐大。五是維修工作量大。</P><P> 5．固態軟起動器與液體變阻器起動中壓電動機的比較<BR> 茲以一臺定子為△接法的1400KW鼠籠型電動機（帶風機）為例，分別用固態軟起動器與液體變阻器起動作比較。<BR> 電動機額定功率 Prat=1400KW<BR> 額定電流 Urat=6KV<BR> 額定電壓 Irat=154.4A<BR> 額定轉速 Nrat=1488r.p.m<BR> 額定轉矩 <BR> 總飛輪轉矩GD2=2056kgfm2<BR> 電動機在全壓下的轉矩和電流特性（標么值）、負載空載轉矩特性示于表2中。<BR> 表2<BR> 轉速 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 0.98<BR> 轉差率 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.05 0.02<BR> 電機在全壓下的轉矩 1.165 1.205 1.248 1.296 1.346 1.397 1.461 1.53 1.752 2.338 1.669 1.27<BR> 電機在全壓下的電流 6.381 6.3 6.207 6.096 5.963 5.796 5.607 5.38 5.093 4.53 2.57 1.7<BR> 負載在閥門全關時的轉矩 0.109 0.0884 0.079 0.0809 0.0811 0.0988 0.1194 0.146 0.18 0.23 0.26 0.305<BR> 10%加速力矩所需電壓 0.423 0.395 0.378 0.374 0.367 0.377 0.387 0.401 0.40 0.376 0.464 0.565<BR> 10%加速力矩所需電流 2.702 2.488 2.35 2.277 2.187 2.186 2.173 2.157 2.036 1.702 1.194 0.96<BR> 該風機在10%電機額定力矩加速下，整個起動時間約為89秒。液體變阻器的功耗為44.03度電。<BR> 在上述電機和負載下，固態軟起動器與液體變阻器的比較示于表3中。<BR> 表3 1400KW異步電動機采用固態軟起動器與液體變阻器的比較</P><P> 美國原裝進口中壓固態軟起動器(帶旁路真空接觸器) 國產液體變阻器(帶旁路開關)<BR> 外形尺寸 mm 1102×882×2254 (1700+1200)×1200×2800<BR> 體積 m3 2.191 9.744<BR> 價格(人民幣) 52萬(包括隔離開關和旁路真空接觸器) 24萬(包括國產旁路開關柜)<BR> 在起動時軟起動器的功耗(KWh) 0.25 44<BR> 壽命 長，估計20年以上 短，估計5年左右<BR> 控制靈活性 好 差<BR> 起動電流重復性 每次起動都相同，穩定性和重復精度高 每次起動都不同，穩定性和重復精度很差<BR> 控制響應時間 快 慢<BR> 基建投資費用 占地面積小投資少 占地面積大投資多<BR> 維修費用 低 高</P><P> 有些場合會有多臺設備（例如二臺以上風機或水泵）需要起動，這時，如用固態軟起動器就可以采用一臺軟起動器依次起動多臺電機的方式，對每臺電機只需增加二臺真空接觸器（它們可以裝在一個KyN型金屬鎧裝式開關柜內，價格約10萬元）。但如果用液體變阻器，由于其起動發熱十分嚴重，就不宜采用一臺液體變阻器依次起動多臺電機的方式。所以在這種情況下，采用固態軟起動器的初始投資也比采用液體變阻器便宜。</P><P> 同時有三臺6KV 1400KW電機需依次起動，采用固態軟起動器與液體變阻器的部分指標比較（未列指標比較同表3）見表4<BR> 表4<BR> 指標 固態軟起動器（一拖二） 液體變阻器方案<BR> 外形尺寸(mm) 1102×882×2254+2×(1000×1660×2800) 2×(2900×1200×2800)<BR> 體積（m3） 11.487 19.488<BR> 設備價格(萬元) 72 48</P><P> 同時有三臺6KV 1400KW電機需依次起動，采用固態軟起動器與液體變阻器的部分指標比較（未列指標比較同表3）見表5。<BR> 表5<BR> 指標 固態軟起動器（一拖三） 液體變阻器方案<BR> 外形尺寸(mm) 1102×882×2254+3×(1000×1660×2800) 2×(2900×1200×2800)<BR> 體積（m3） 16.135 29.232<BR> 設備價格(萬元) 82 72</P><P> 不同質量的開關柜本身價格就有很大差異，例如一臺普通國產真空斷路柜不超過10萬元，而合資企業（無論是Siemens或ABB公司）生產的則將近30萬元。考慮到這個因素，上表中的價格差是很自然的，它只是表徵不同質量的價格差。對于6KV交流電動機來說，雖然單臺固態軟起動器比液體變阻器價格貴，如綜合考慮基建投資費用，日常運行費用，設備壽命和性能等因素，固態軟起動器比液體變阻器無論是技術或經濟二方面均要優越得多，顯然應當推廣應用固態軟起動器，特別是在起動多臺設備情況下，毫無疑問應該選用固態軟起動器而不是液體變阻器。</P><P> 參考文獻：<BR> （1） 中國電工技術學會電力電子學會“電力電子設備設計和應用手冊”第10.2節。<BR> 2002.6 機械工業出版社。<BR> （2） 楊國鴻、謝慶輝“應用液態軟起動技術改善離心冷凍同步電動機的起動性能” <BR> 中國石化出版社：《中國石油化工科技信息指南2003年》</P><P>
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