<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(dòng)機(jī)使用固態(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器起動(dòng)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(wú)咎<BR> Shanghai Jieyi General Electric Inc. Li Wujiu<BR> 內(nèi)容樀要：本文簡(jiǎn)述了交流異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓和定子串接電阻的機(jī)械特性，固態(tài)軟起動(dòng)器和液體變阻器的工作原理；并以6kV 1400kW 交流異步電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)中壓固態(tài)軟起動(dòng)器和中壓液體變阻器作了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，認(rèn)為雖然單臺(tái)固態(tài)軟起動(dòng)器的價(jià)格比液體變阻器要貴些，但綜合考慮基本建設(shè)投資、設(shè)備性能和壽命、運(yùn)行功耗和維修費(fèi)用等因素，顯然應(yīng)當(dāng)首選中壓固態(tài)軟起動(dòng)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(guān)鍵詞：軟起動(dòng)器，固態(tài)軟起動(dòng)器，中壓固態(tài)軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)功率在300KW以上時(shí)，為了減少電機(jī)繞組的線徑，便于加工和降低損耗，就采用中壓。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中壓為3KV、6KV、10KV，國(guó)際上則有2.3KV、3.3KV、4.16KV、6.6KV和13.8KV等電壓等級(jí)。對(duì)于中壓異步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)容量和工藝條件允許的情況下可以直接起動(dòng)，如果電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)容量對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，造成電網(wǎng)壓降過(guò)大（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(dòng)。傳統(tǒng)的中壓異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法有在定子回路串聯(lián)電抗器、或串聯(lián)液體電阻器、或使用自耦變壓器降壓起動(dòng)等。隨著晶閘管的問(wèn)世，從二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始推廣應(yīng)用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)的低壓固態(tài)軟起動(dòng)器，之后隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，美國(guó)Benshaw公司于1988年推出了世界上第一臺(tái)中壓固態(tài)軟起動(dòng)器，迄今已有上千臺(tái)中壓軟起動(dòng)器在世界各地運(yùn)行。本文擬對(duì)中壓固態(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器起動(dòng)方式作比較，以促進(jìn)新技術(shù)在中國(guó)的推廣。</P><P> 2． 交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性<BR> 交流異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)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(shù)<BR> s為轉(zhuǎn)差率 <BR> r1、x1為定子繞組電阻和電抗<BR> r1’、x1’為轉(zhuǎn)子折算到定子電路的電阻和電抗<BR> ， 為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。<BR> 異步電動(dòng)機(jī)的定子電流I1：<BR> （2）<BR> 為異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，它與電動(dòng)機(jī)定子電壓有關(guān)，隨外加電壓的升高而增大。 為轉(zhuǎn)子電流折算到定子側(cè)的電流。在正常工作時(shí) ，所以 。<BR> （3） <BR> 當(dāng)s=1時(shí)，也即電機(jī)靜止時(shí)，就得到電機(jī)在全壓下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mst <BR> （4）<BR> 此時(shí)，電機(jī)在全壓下的起動(dòng)電流為：<BR> （5）<BR> 對(duì)于一般異步電動(dòng)機(jī)，它通常為4~7倍電機(jī)的額定電流。<BR> 當(dāng)s=sm時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值Mm，sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率，它等于：<BR> （6）<BR> （7）<BR> 式中正號(hào)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)狀態(tài)（機(jī)械特性在第二象限的延伸部分）。</P><P> 3．中壓交流電動(dòng)機(jī)采用固態(tài)軟起動(dòng)器起動(dòng)<BR> 中壓異步電動(dòng)機(jī)采用固態(tài)軟起動(dòng)器的接線如圖2所示。<BR> 現(xiàn)代的固態(tài)軟起動(dòng)器是用微電腦控制的晶閘管交流調(diào)壓器，改變晶閘管的移相控制角，就可以調(diào)節(jié)其輸出電壓。交流電動(dòng)機(jī)在改變其端電壓時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，由式（1）可見(jiàn)，轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比：<BR> ； <BR> 而最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率Sm保持不變。因此其機(jī)械特性如圖3所示。</P><P> </P><P> </P><P> </P><P> <BR> 固態(tài)軟起動(dòng)器的輸出響應(yīng)非�？�，輸出電壓對(duì)移相控制信號(hào)的平均響應(yīng)時(shí)間只有3.3ms。它可以有多種調(diào)節(jié)方法，最常用的做法就是采用電壓斜坡控制，使軟起動(dòng)器輸出電壓隨時(shí)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(dòng)電流恒定；在采用適當(dāng)軟件，例如Benshaw公司的專利產(chǎn)品“Tru Torque”軟件下，也可以做到恒轉(zhuǎn)矩控制。</P><P> 4．中壓交流電動(dòng)機(jī)采用液體變阻器起動(dòng)<BR> 在一個(gè)桶里裝滿導(dǎo)電液體，通常是堿金屬鹽溶液，插入二個(gè)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(diào)節(jié)電極間的距離就能調(diào)節(jié)這個(gè)電阻值的大小。將這樣的可變電阻串入交流電動(dòng)機(jī)定子或轉(zhuǎn)子電路（見(jiàn)圖4），就可以用來(lái)平滑地起動(dòng)電機(jī)。<BR> 交流電動(dòng)機(jī)定子回路每相串接對(duì)稱電阻Rst的轉(zhuǎn)矩由式（1）可得：<BR> （1）<BR> 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩<BR> （2）<BR> 起動(dòng)電流<BR> （3）<BR> 所以 （4）<BR> 即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流的平方成正比，從效果上說(shuō)與降低端電壓相同。<BR> 臨界轉(zhuǎn)差率 ； （5）<BR> 最大轉(zhuǎn)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(duì)稱電阻的機(jī)械特性示于圖5中<BR> 需要注意的是起動(dòng)期間，串聯(lián)電阻的功耗很大。</P><P> </P><P> </P><P> </P><P> 采用液體變阻器起動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)是一種古老的方法。當(dāng)然，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電極的位置可以應(yīng)用伺服控制系統(tǒng)，也可以用微電腦來(lái)控制，并作系統(tǒng)的監(jiān)控保護(hù)等。所以國(guó)內(nèi)有制造廠提供這樣的設(shè)備，圖4就是其電氣原理圖。起動(dòng)電機(jī)M時(shí)先合上真空接觸器KM2和KM3，將液體電阻Rst串入電動(dòng)機(jī)定子回路中，并通過(guò)伺服控制系統(tǒng)使液體電阻的電極逐步移進(jìn)，直到短路，這時(shí)將真空接觸器KM1合上，電動(dòng)機(jī)M就直接接至電網(wǎng)，從而完成起動(dòng)過(guò)程。這種設(shè)備有許多致命缺點(diǎn)；一是它如同一個(gè)電解槽，每起動(dòng)電機(jī)一次，就要?jiǎng)×野l(fā)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(fù)起停的場(chǎng)合，即使有足夠的間歇時(shí)間，其每次起動(dòng)電流也都不一樣。例如中石化高橋分公司煉油廠在其1號(hào)冷凍機(jī)組上采用了液體變阻器，其電機(jī)為6KV 3200KW，額定電流為355A，空載起動(dòng)。他們做了兩次起動(dòng)試驗(yàn)，第二次起動(dòng)是在第一次起動(dòng)、停車(chē)20分鐘，等電機(jī)繞組溫度降到25.8℃后進(jìn)行的，表一為二次起動(dòng)的數(shù)據(jù)（文一）。<BR> 表1 高橋化工廠應(yīng)用液體變阻器二次起動(dòng)的數(shù)據(jù)<BR> 項(xiàng)目 起動(dòng)電流（A） 母線電壓（KV） 起動(dòng)時(shí)間（s） 液阻溫度（℃）<BR> 第一次起動(dòng) 800 6.2 16 22<BR> 第二次起動(dòng)（在第一次起動(dòng)停車(chē)20分鐘后） 900 6.0 20 33<BR> 由此可見(jiàn)，液體變阻器是非常不穩(wěn)定的一種電機(jī)起動(dòng)設(shè)備，并且不宜用于需反復(fù)起停的場(chǎng)合。<BR> 另外，由于電解液受熱會(huì)揮發(fā)，需要不斷補(bǔ)充，并且電極會(huì)電解掉，需要定期更換。另外電解液揮發(fā)所帶出的鹽霧也會(huì)腐蝕周?chē)碾姎庠O(shè)備。因此非但它本身的壽命不長(zhǎng)，而且也會(huì)影響其它電氣設(shè)備的壽命。二是電解液是負(fù)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(dòng)過(guò)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(dòng)之間必須充分冷卻從而限制了它的起動(dòng)頻率（每小時(shí)起動(dòng)次數(shù)）。三是其阻值是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整的，因此響應(yīng)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(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器起動(dòng)中壓電動(dòng)機(jī)的比較<BR> 茲以一臺(tái)定子為△接法的1400KW鼠籠型電動(dòng)機(jī)（帶風(fēng)機(jī)）為例，分別用固態(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器起動(dòng)作比較。<BR> 電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速 Nrat=1488r.p.m<BR> 額定轉(zhuǎn)矩 <BR> 總飛輪轉(zhuǎn)矩GD2=2056kgfm2<BR> 電動(dòng)機(jī)在全壓下的轉(zhuǎn)矩和電流特性（標(biāo)么值）、負(fù)載空載轉(zhuǎn)矩特性示于表2中。<BR> 表2<BR> 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)在全壓下的轉(zhuǎn)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(jī)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(fù)載在閥門(mén)全關(guān)時(shí)的轉(zhuǎn)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(fēng)機(jī)在10%電機(jī)額定力矩加速下，整個(gè)起動(dòng)時(shí)間約為89秒。液體變阻器的功耗為44.03度電。<BR> 在上述電機(jī)和負(fù)載下，固態(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器的比較示于表3中。<BR> 表3 1400KW異步電動(dòng)機(jī)采用固態(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器的比較</P><P> 美國(guó)原裝進(jìn)口中壓固態(tài)軟起動(dòng)器(帶旁路真空接觸器) 國(guó)產(chǎn)液體變阻器(帶旁路開(kāi)關(guān))<BR> 外形尺寸 mm 1102×882×2254 (1700+1200)×1200×2800<BR> 體積 m3 2.191 9.744<BR> 價(jià)格(人民幣) 52萬(wàn)(包括隔離開(kāi)關(guān)和旁路真空接觸器) 24萬(wàn)(包括國(guó)產(chǎn)旁路開(kāi)關(guān)柜)<BR> 在起動(dòng)時(shí)軟起動(dòng)器的功耗(KWh) 0.25 44<BR> 壽命 長(zhǎng)，估計(jì)20年以上 短，估計(jì)5年左右<BR> 控制靈活性 好 差<BR> 起動(dòng)電流重復(fù)性 每次起動(dòng)都相同，穩(wěn)定性和重復(fù)精度高 每次起動(dòng)都不同，穩(wěn)定性和重復(fù)精度很差<BR> 控制響應(yīng)時(shí)間 快 慢<BR> 基建投資費(fèi)用 占地面積小投資少 占地面積大投資多<BR> 維修費(fèi)用 低 高</P><P> 有些場(chǎng)合會(huì)有多臺(tái)設(shè)備（例如二臺(tái)以上風(fēng)機(jī)或水泵）需要起動(dòng)，這時(shí)，如用固態(tài)軟起動(dòng)器就可以采用一臺(tái)軟起動(dòng)器依次起動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的方式，對(duì)每臺(tái)電機(jī)只需增加二臺(tái)真空接觸器（它們可以裝在一個(gè)KyN型金屬鎧裝式開(kāi)關(guān)柜內(nèi)，價(jià)格約10萬(wàn)元）。但如果用液體變阻器，由于其起動(dòng)發(fā)熱十分嚴(yán)重，就不宜采用一臺(tái)液體變阻器依次起動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的方式。所以在這種情況下，采用固態(tài)軟起動(dòng)器的初始投資也比采用液體變阻器便宜。</P><P> 同時(shí)有三臺(tái)6KV 1400KW電機(jī)需依次起動(dòng)，采用固態(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器的部分指標(biāo)比較（未列指標(biāo)比較同表3）見(jiàn)表4<BR> 表4<BR> 指標(biāo) 固態(tài)軟起動(dòng)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(shè)備價(jià)格(萬(wàn)元) 72 48</P><P> 同時(shí)有三臺(tái)6KV 1400KW電機(jī)需依次起動(dòng)，采用固態(tài)軟起動(dòng)器與液體變阻器的部分指標(biāo)比較（未列指標(biāo)比較同表3）見(jiàn)表5。<BR> 表5<BR> 指標(biāo) 固態(tài)軟起動(dòng)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(shè)備價(jià)格(萬(wàn)元) 82 72</P><P> 不同質(zhì)量的開(kāi)關(guān)柜本身價(jià)格就有很大差異，例如一臺(tái)普通國(guó)產(chǎn)真空斷路柜不超過(guò)10萬(wàn)元，而合資企業(yè)（無(wú)論是Siemens或ABB公司）生產(chǎn)的則將近30萬(wàn)元�？紤]到這個(gè)因素，上表中的價(jià)格差是很自然的，它只是表徵不同質(zhì)量的價(jià)格差。對(duì)于6KV交流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，雖然單臺(tái)固態(tài)軟起動(dòng)器比液體變阻器價(jià)格貴，如綜合考慮基建投資費(fèi)用，日常運(yùn)行費(fèi)用，設(shè)備壽命和性能等因素，固態(tài)軟起動(dòng)器比液體變阻器無(wú)論是技術(shù)或經(jīng)濟(jì)二方面均要優(yōu)越得多，顯然應(yīng)當(dāng)推廣應(yīng)用固態(tài)軟起動(dòng)器，特別是在起動(dòng)多臺(tái)設(shè)備情況下，毫無(wú)疑問(wèn)應(yīng)該選用固態(tài)軟起動(dòng)器而不是液體變阻器。</P><P> 參考文獻(xiàn)：<BR> （1） 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)“電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)”第10.2節(jié)。<BR> 2002.6 機(jī)械工業(yè)出版社。<BR> （2） 楊國(guó)鴻、謝慶輝“應(yīng)用液態(tài)軟起動(dòng)技術(shù)改善離心冷凍同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能” <BR> 中國(guó)石化出版社：《中國(guó)石油化工科技信息指南2003年》</P><P>
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