宣育紅

XUAN Yu-hong

（中冶華天工程技術(shù)有限公司 工程建設(shè)部，馬鞍山 243000）

0 引言

鋼鐵行業(yè)中，有很多大容量的風(fēng)機(jī)類負(fù)載。此類負(fù)載運(yùn)行阻矩大，風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動慣量大。為避免產(chǎn)生較大的電網(wǎng)壓降、較大的電動感應(yīng)力以及操作感應(yīng)過電壓，此類負(fù)載，一般不允許采用直接啟動的方式，當(dāng)前最普遍采用液態(tài)軟起動技術(shù)。

在此類負(fù)載調(diào)試中，如何確定水阻值及電機(jī)啟動時間這兩個參數(shù)，是液態(tài)軟起動調(diào)試過程的關(guān)鍵。在實(shí)際操作中，很多情況下工程技術(shù)人員是通過反復(fù)啟動風(fēng)機(jī)，憑經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行調(diào)整這兩個參數(shù)。這往往因?yàn)閰?shù)設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無法起動。

本文結(jié)合泰國NTS公司50萬噸鐵系統(tǒng)工程燒結(jié)機(jī)尾除塵風(fēng)機(jī)的調(diào)試過程，探討如何恰當(dāng)確定水阻值的大小及電機(jī)啟動時間這兩參數(shù)。

1 燒結(jié)機(jī)尾除塵風(fēng)機(jī)的簡介

泰國NTS公司50萬噸鐵系統(tǒng)工程中一共有四套除塵風(fēng)機(jī)，全部采用上海追日電氣有限公司生產(chǎn)的GZYQ型高壓液態(tài)變阻軟啟動裝置。調(diào)試過程中，對于高爐出鐵場、礦槽除塵、燒結(jié)上料這三個系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，調(diào)試很順利，但在燒結(jié)機(jī)尾除塵調(diào)試中，卻不太順利。這臺風(fēng)機(jī)容量最大，轉(zhuǎn)子飛輪矩也大，起動困難，反復(fù)試車很多次，前后試車拖的時間較長。

風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下：

風(fēng)機(jī)：流量Qv =670000m3/h,全壓PtF=5500Pa，風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速N=730 r/min，飛輪矩GD2=13560kg.m2

電機(jī)：額定功率Pe=1600KW，額定電壓Ue=6600V,額定電流Ie=168A，定子電阻R1=0.34歐姆，額定轉(zhuǎn)速N=744r/min,

空載試驗(yàn)：電壓6600V，功率39720W，電流46.41A

堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)：電壓1399.1V,功率61020W，電流145.25A

2 GZYQ型液態(tài)軟起動裝置的工作原理

2.1 工作原理

電機(jī)的起動過程中，在電機(jī)的定子回路中串接液體電阻，并通過液阻柜中電極板的移動來減小串入定子回路的液體電阻值，隨著轉(zhuǎn)差率的降低逐步提高電機(jī)端電壓，從而降低電機(jī)的起動電流，減少電網(wǎng)的電壓降，減小對電網(wǎng)的沖擊。液體電阻隨著轉(zhuǎn)速的升高而逐步降低，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時，液態(tài)軟起動設(shè)備中的切換柜合閘，將液體電阻切除，同時電機(jī)星點(diǎn)短接，電機(jī)繼續(xù)升速。

主回路原理圖如圖1所示。起動電機(jī)時，先合上起動柜中的斷路器QS，合上電機(jī)工作柜斷路器1QF，電機(jī)開始帶液體電阻降壓起動；隨著轉(zhuǎn)差率的降低，電機(jī)的電流下降，液阻柜中電機(jī)M1帶動電極板移動來減小Rs的阻值，逐步提高主電機(jī)M定子端電壓，增大電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時，星點(diǎn)柜中的斷路器2QF合閘，將電機(jī)星點(diǎn)短接，斷開起壓柜中的斷路器QS，將液阻柜切除，電機(jī)正常運(yùn)行。

圖1 主回路原理圖

2.2 液體電阻液的配制

液阻柜內(nèi)的電阻液于調(diào)試前在現(xiàn)場用潔凈的淡水加入電解質(zhì)粉進(jìn)行配置的。配置過過程中，用法安法測量阻值，通過逐步加入電解粉使阻值達(dá)到預(yù)定值。

根據(jù)GZYQ型高壓液態(tài)變阻軟啟動裝置說明書，配制液體電阻的近似公式為：

式中：K1是電機(jī)直接起動時的電流倍數(shù)

K1′是電機(jī)定子串入R0后起動電流倍數(shù)

Ie為電機(jī)的額定電流

Ue為電機(jī)的額定工作電壓

由上式，可得（K1′/K1）2=1/[1+3×（K1×Ie÷Ue）2×R02]

3 機(jī)尾除塵風(fēng)機(jī)的電機(jī)機(jī)械特性及風(fēng)機(jī)起動時間與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

3.1 液態(tài)變阻軟啟動裝置時電機(jī)的機(jī)械特性

電機(jī)的定子回路中串接液態(tài)電阻起動時，電機(jī)處于降壓起動狀態(tài)中。如果液阻在起動過程大小不變，在不同阻值時的電機(jī)特性曲線如圖2中的一簇虛曲線，A曲線為電動直接起動時的機(jī)械特性曲線。如果起動過程中液阻隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升均勻減小，電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2中的實(shí)曲線B所示。

圖2 電機(jī)起動機(jī)械特性曲線

圖3 液阻變化過程

對于機(jī)尾除塵風(fēng)機(jī)采用的GZYQ型高壓液態(tài)變阻軟啟動裝置，開始起動時極板停留于水箱的底部ta秒，接著極板在tb秒內(nèi)勻速上升至水箱的中部；極板在水箱中部再次停頓tc秒，然后極板在td秒內(nèi)速提升到最高位置，接著星點(diǎn)柜斷路器2QF短接切除液體電阻；液阻變化情況如圖3所示。則相對應(yīng)電機(jī)的起動過程的機(jī)械特性曲線如圖2粗實(shí)線所示，由a、b、c、d四段組成。

根據(jù)GZYQ型高壓液態(tài)變阻軟啟動裝置說明書，極板由底部上升到最高位置時，所需時間為18秒，則tb=td=9秒

3.2 液態(tài)變阻軟啟動裝置轉(zhuǎn)速n與起動時間t的關(guān)系

風(fēng)機(jī)啟動過程是電機(jī)帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子從停止至正常轉(zhuǎn)速的過程，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要克服風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪矩、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的風(fēng)阻力矩。而摩擦轉(zhuǎn)矩及電機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪矩相對來說很小，一般忽略不計(jì)。

當(dāng)風(fēng)機(jī)處于全壓起動或電機(jī)定子串入固定阻值的電阻降壓起動時，風(fēng)機(jī)的起動時間t與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系式：

式中： Md—電動機(jī)的起動力矩（KW）

Mz—風(fēng)機(jī)起動過程中的氣動平均阻力矩（N.m）

對于機(jī)尾除塵風(fēng)機(jī)，起動過程的a段及c段，竄入電機(jī)轉(zhuǎn)子的液阻分別對應(yīng)R0與R0/2，則可直接利用式2的關(guān)系；而對于對于b段及d段，因串入電機(jī)定子回路的電阻是隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升在不斷變小，因此上述關(guān)系式不能直接套用。

把b及d過程按時間均分成9小段，每小段間隔為一秒，我們近似認(rèn)為這個小段中，對應(yīng)的液體電阻為不變，大小取這一間隔內(nèi)液體電阻的平均值。

對于b過程，假定當(dāng)電機(jī)從ti-1=i-1 加速到ti=i一秒鐘內(nèi)，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速由ni-1加速到ni

由式2可得：

而這里△tbi=1，故

其中：Mdbi=K2bi'Md

式中：Mdbi—液體電阻為Rbi時電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩，

K2bi/—起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

K2—電機(jī)直接起動時的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

式3對于d過程也適用，只是液體電阻Rdi=R0[1-(2i-1)/18]/2(i =1,2,……,9)。

4 機(jī)尾除塵風(fēng)機(jī)調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及分析

4.1 風(fēng)機(jī)起動過程的平均風(fēng)阻矩

風(fēng)機(jī)起動過程中漏風(fēng)率按額定風(fēng)量的20%考慮，此時的風(fēng)機(jī)效率η也較低，一般效率按30%的計(jì)算。此時風(fēng)機(jī)所消耗的軸功率：

Px=0.2·Qv·PtF/η=0.2×(670000÷3600) ×5500÷0.3=682407W=682.4KW

則風(fēng)機(jī)起動過程中的平均風(fēng)阻矩：

Mz=(9552·Px)/(3·N)=(9552×682)÷(3×744)=2919 Nm

4.2 電機(jī)直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩及起動電流倍數(shù)

電機(jī)直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩及起動電流倍數(shù)，對于電機(jī)起動來說是兩個重要的參數(shù)。由堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)參數(shù)，可計(jì)算出：

堵轉(zhuǎn)阻抗Zk=1399.1÷145.25=9.63Ω

電阻Rk=61020÷3÷(145.25)2=0.964Ω

感抗 Xk= (Zk2- Rk2)0.5=9.584Ω

轉(zhuǎn)子的折算電阻R2'≈ Rk-R1=0.964-0.34=0.624Ω

定子阻抗及轉(zhuǎn)子的折算阻抗分別為X1σ=X2σ=Xk÷2=4.792Ω

則電機(jī)直接起運(yùn)時的起動轉(zhuǎn)矩近似：

上式中p=4為電機(jī)的極對數(shù)，m1=3是電機(jī)定子相數(shù)量，f1=50為電源的頻率。

電機(jī)直接起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

K2=Mdst/Md=11190/20542≈0.545

而電機(jī)直接起動時電流倍數(shù)

K1=(6600÷1399.1×145.25) ÷168=4.08

4.3 風(fēng)機(jī)的第一次試運(yùn)轉(zhuǎn)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取直接起動電流倍數(shù)K1=7，按2.5倍起動電流配置液阻，根據(jù)前面的式1，液體阻值R0=8.475歐姆。起動時間設(shè)置為30秒。30秒后水電阻切除，高壓開關(guān)1QF過流跳閘，風(fēng)機(jī)起動失??；經(jīng)現(xiàn)場轉(zhuǎn)速表測試，此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速大約只有500轉(zhuǎn)左右。原因分析如下：

當(dāng)R0=8.475，Mz=2919時，根據(jù)前面的分析及式3，對于b及d過程電機(jī)加速情況如下：

則電機(jī)在b過程中增速nb=∑△nbi≈52轉(zhuǎn)，d過程中增帶nd=∑Δndi≈169轉(zhuǎn)。電機(jī)在起動過程中，在a段及d段過程中一共需加速na+nc=744-52-169=522轉(zhuǎn)。

設(shè)置軟啟動裝置時，使ta=tc,則根據(jù)式2可得：

可得ta=tc=522×13560÷38.2÷(3368+7081-2×2919) ≈40秒，則電機(jī)的起動時間t=40+40+18=98秒。

由上面計(jì)算可知，當(dāng)液體電阻8.475歐姆時，風(fēng)機(jī)起動時間應(yīng)當(dāng)在98秒。顯然，本次起動的設(shè)置不正確，為使風(fēng)機(jī)起動，我們從兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：第一，減小液體電阻的值,適當(dāng)增加初始起動電流倍數(shù)；第二，適當(dāng)延長起動時間。

4.4 風(fēng)機(jī)的第二次試運(yùn)轉(zhuǎn)

往水阻液里逐步添加電解粉，降低液體電阻值使電機(jī)的起動電流為額定電流的3倍。由式1可算出液體電阻R0=5.124歐姆。

則Mz=2919時，對于b及d過程電機(jī)加速情況如下：

可得nb=∑Δnbi≈119轉(zhuǎn)、 nd=∑Δndi≈192轉(zhuǎn)。

則有：

可得ta=tc=(744-119-192)×13560÷38.2÷(6054+9232-2×2919)≈16秒，則電機(jī)的起動時間t=16+16+18=50秒。

設(shè)定風(fēng)機(jī)的起動時間為50秒，再次起動電機(jī)，高壓開關(guān)1QF過流跳閘，風(fēng)機(jī)起動再次失敗。

4.5 起動失敗的原因。

機(jī)尾除塵是燒結(jié)帶冷后除塵系統(tǒng)，燒結(jié)礦出來后仍然有很高的溫度。該風(fēng)機(jī)的正常工作時的空氣約100℃，而試車時環(huán)境溫度只有30℃左右，此時空氣密度較大，風(fēng)機(jī)的起動風(fēng)阻矩也較正常工作時大，而調(diào)試中沒有考試到這點(diǎn)。

氣體的密度與溫度成反比

則是試車時風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓

P'=P·(ρ'/ρ)= P·(T/T')=5500×(273+100)/(273+30) =6771Pa

此時風(fēng)機(jī)所消耗的軸功率

Px'=0.2·Q·P'/η=0.2×(670000÷3600)×6771÷0.3=840105W=840KW

風(fēng)機(jī)起動過程中的平均風(fēng)阻矩

Mz'=(9552·Px')/(3·N)=(9552×840)÷(3×744)=3595Nm顯然比2919要大的多，在R0=5.124的情況下，電機(jī)在b及d過程加速情況如下：

可得nb=∑Δnbi≈119轉(zhuǎn)、 nd=∑Δndi≈192轉(zhuǎn)。

故有ta=tc=（744-102-175）×13560÷38.2÷(6054+9232-2×3595)≈20秒，則電機(jī)的起動時間應(yīng)當(dāng)為t=20+20+18=58秒。

4.6 風(fēng)機(jī)的第三次試運(yùn)轉(zhuǎn)

保持液體電阻R0=5.124歐姆，將風(fēng)機(jī)的起動時間設(shè)定為58秒，風(fēng)機(jī)起動成功。起動結(jié)束后，液體電阻柜內(nèi)的液體溫升約8℃，通過電機(jī)繞組處的熱電阻測得電機(jī)繞組溫升約30℃。

5 結(jié)束語

機(jī)尾除塵風(fēng)機(jī)已經(jīng)正常運(yùn)行半年多，期間已經(jīng)正常起停多次。對于GZYQ型高壓液態(tài)變阻軟啟動裝置，主要思路就是把過程微分化處理，把液體電阻不斷變化的過程分解成液體電阻固定不變的過程來進(jìn)行分析，雖然計(jì)算稍復(fù)雜，但現(xiàn)在利用計(jì)算機(jī)技術(shù)是很容易實(shí)際。

如果在實(shí)際運(yùn)用中再相應(yīng)改變初始液液體電阻值R0、極板在中部的停留位置卻電機(jī)在C過程的液體電阻值、改變ta、tb、tc、td四個值的關(guān)系，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可得到更為理想的電機(jī)起動曲線。

[1] 續(xù)魁昌.風(fēng)機(jī)手冊.機(jī)械工業(yè)出版社,1995,5.

[2] 王正茂,等.電機(jī)學(xué).西安交通大學(xué)出版社,2000,9.