中國石化北京燕山分公司 楊 楠

大功率電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方案的優(yōu)化

中國石化北京燕山分公司 楊 楠

【摘要】大功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的安穩(wěn)運(yùn)行，文章以某石化公司12萬噸/年聚丙烯擠壓造粒裝置7100kW擠壓機(jī)主電機(jī)軟啟動(dòng)為例，從根據(jù)電網(wǎng)壓降能力最大限度增加電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及根據(jù)電機(jī)起動(dòng)時(shí)的特殊工況合理選取開機(jī)時(shí)刻兩方面闡述優(yōu)化大功率電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)方案的過程和效果。

【關(guān)鍵詞】電機(jī)；軟起動(dòng)；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；壓降

1 引言

某石化公司12萬噸/年聚丙烯擠壓造粒國產(chǎn)化改造項(xiàng)目在單機(jī)試車過程中，擠壓機(jī)主電機(jī)空載狀態(tài)下21.8秒完成起動(dòng)，而在帶料試車時(shí)卻出現(xiàn)多次由于“起動(dòng)時(shí)間過長”而導(dǎo)致的軟起動(dòng)跳閘，延緩了項(xiàng)目進(jìn)程。在經(jīng)過電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的精確計(jì)算和起動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)分析后，通過軟起動(dòng)方案的優(yōu)化，大大提高了大功率電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)成功率，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化擠壓造粒裝置的順利開車。

2 軟起動(dòng)方式簡介

國產(chǎn)化12萬噸/年造粒裝置擠壓造粒機(jī)組主電機(jī)采用佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)的YKS900-4型大功率三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定參數(shù)和定、轉(zhuǎn)子在工頻下的阻抗數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 主電機(jī)額定參數(shù)和阻抗數(shù)據(jù)

可以計(jì)算出，主電機(jī)直接起動(dòng)電流高達(dá)2386A，在大電流的拉動(dòng)下，母線電壓在瞬間產(chǎn)生大幅度跌落，必然對同一段上其他負(fù)荷的安穩(wěn)運(yùn)行帶來很大的影響。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，為了節(jié)約成本，該電機(jī)的供電方式?jīng)]有采用 “電動(dòng)機(jī)—變壓器組”的獨(dú)立供電方式，而是將電源直接取自上級變電站10kV出線開關(guān)，并采用“軟起動(dòng)”方式。

HRVS系列高壓軟起動(dòng)器的工作原理為：限制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流為常數(shù)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，使輸出電壓緩慢增加，直至電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩滿足負(fù)載設(shè)備要求而達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，晶閘管全部導(dǎo)通，電機(jī)切換至旁路供電，軟起動(dòng)器退出運(yùn)行。若當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)電機(jī)還未完成起動(dòng)過程，軟起動(dòng)器停止工作而不切換旁路，電動(dòng)機(jī)失電，起動(dòng)失敗。

3 工藝流程簡介

圖1 擠壓機(jī)流程簡圖

在裝置開車準(zhǔn)備過程中，粉料下料裝置排出少量聚丙烯粉料，擠壓機(jī)組盤車電機(jī)（380V，110kW）帶雙螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，擠壓粉料，使其在筒體內(nèi)充分熔融，當(dāng)盤車電機(jī)負(fù)荷率達(dá)到標(biāo)定范圍時(shí)，主電機(jī)滿足起動(dòng)條件而執(zhí)行軟啟動(dòng)過程，起動(dòng)完成后盤車電機(jī)停轉(zhuǎn)，熔體齒輪泵和切粒機(jī)相繼投入運(yùn)行，粉料開始按產(chǎn)量要求的負(fù)荷率排下，裝置開車。

4 改進(jìn)前的狀況

4.1 啟動(dòng)數(shù)據(jù)

擠壓造粒機(jī)組在試車過程中主電機(jī)共起動(dòng)9次，表2列出的是從軟起動(dòng)器中讀出的起動(dòng)數(shù)據(jù)。

主電機(jī)帶負(fù)載起動(dòng)9次，只有3次正常完成，成功率只有33.3%，軟啟動(dòng)器控制器產(chǎn)生 “起動(dòng)時(shí)間過長”報(bào)警，軟起動(dòng)器保護(hù)動(dòng)作，給整個(gè)裝置的按期投產(chǎn)造成了極大的困難，項(xiàng)目被迫暫停。

表2 改進(jìn)前的起動(dòng)數(shù)據(jù)

4.2 起動(dòng)故障分析

電機(jī)原有的起動(dòng)參數(shù)設(shè)置如表3所示：

表3 原有軟起動(dòng)參數(shù)

根據(jù)表3中的起動(dòng)參數(shù)和軟起動(dòng)器在3.5倍電流起動(dòng)時(shí)的輸出特性曲線，繪制出軟起動(dòng)器輸出電壓倍數(shù)、最大輸出轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的變化趨勢：

圖2 原電壓/電流倍數(shù)下的啟動(dòng)曲線

由表1中所列的電機(jī)額定參數(shù)計(jì)算出額定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩為：

根據(jù)圖2中的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)關(guān)系計(jì)算出電機(jī)在原有起動(dòng)方案下的最大輸出轉(zhuǎn)矩為：

T =1.5TN=1.5×46419=69628 （N·m）

在起動(dòng)故障發(fā)生后，根據(jù)首次投料后負(fù)載設(shè)備的運(yùn)行工況計(jì)算出雙螺桿擠壓造粒機(jī)組的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：TL=68800 （N·m），該數(shù)值在不同的盤車狀態(tài)下隨著兩根螺桿之間聚丙烯熔體的潤滑程度和下料量的變化有著很大的波動(dòng)。

電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的必要條件為：T≥1.1TL，根據(jù)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)關(guān)系分析，兩者在裝置開車瞬間處于臨界狀態(tài)（T=1.01 TL）。開車經(jīng)驗(yàn)表明：即使在開車過程中螺桿能夠轉(zhuǎn)動(dòng)起來，電機(jī)在臨界起動(dòng)條件下也難以在30秒的時(shí)間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。這正是電機(jī)發(fā)生多次“起動(dòng)時(shí)間過長”故障的原因所在。

4.3 對電網(wǎng)的影響

由表2中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，主電機(jī)在啟動(dòng)過程中使10kV母線最高產(chǎn)生了2.7kV的壓降，如第2節(jié)所述，擠壓機(jī)組主電機(jī)的電源直接取自上級變電站10kV出線開關(guān)，必然對所在母線上的其他負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生影響。

為了保證相同母線所供裝置供電可靠性，在該電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之間，上級要將同段母線上的其他重點(diǎn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移，在轉(zhuǎn)移過程中需要生產(chǎn)人員開起部分備用電機(jī)，主、備機(jī)切換過程中不允許停轉(zhuǎn)的設(shè)備還要求站內(nèi)人員進(jìn)行合、分母聯(lián)的倒閘操作，過程相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣，不僅在時(shí)間上無法保證一聚裝置的按時(shí)開車，在系統(tǒng)壓降方面又給上級電網(wǎng)和其他生產(chǎn)裝置帶來很多不利因素。

5 優(yōu)化方案

5.1 更改軟起動(dòng)設(shè)置

在新方案下經(jīng)過改進(jìn)后的起動(dòng)參數(shù)：

表4 改進(jìn)后的起動(dòng)參數(shù)

對比表4和表3可以看出，在新的起動(dòng)方案下，軟起動(dòng)曲線和初始電壓維持原來水平，由于該電機(jī)在裝置開車時(shí)需要帶負(fù)荷起動(dòng)，從增加電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的角度考慮，將主電機(jī)的起動(dòng)電流倍數(shù)增加到

3.7倍，起動(dòng)時(shí)間增加到40秒；考慮到大功率密封式電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)子散熱慢的固有因素，將每小時(shí)允許的啟動(dòng)次數(shù)由3次降為2次，起動(dòng)的禁止時(shí)間增加到30分鐘。

5.2 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

圖3 起動(dòng)過程中的定、轉(zhuǎn)子電路

由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子靜止，電動(dòng)機(jī)無機(jī)械功率輸出，在進(jìn)行繞組歸算的過程不考慮轉(zhuǎn)差率的影響，籠型轉(zhuǎn)子的實(shí)際阻抗就是圖4中的等效阻抗r2、x2。

根據(jù)有勵(lì)磁電路的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)阻抗模型，由表4計(jì)算可得軟起動(dòng)器最大輸出電流為3.7IN=1766A，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)間內(nèi)，晶閘管工作在調(diào)壓的瞬態(tài)過程，在缺少具體瞬態(tài)趨勢的條件下，無法精確計(jì)算在某一時(shí)刻的輸出電壓U1，而在此期間定子電流I1全部用來勵(lì)磁，因此，可根據(jù)定子電流在旋轉(zhuǎn)磁場中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩來計(jì)算電機(jī)在定子繞組靜止條件下的最大輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)電機(jī)廠提供的暫態(tài)數(shù)據(jù)，在3.7倍額定電流的勵(lì)磁作用下，勵(lì)磁電阻rm=2.89Ω；；勵(lì)磁電抗Xm=61Ω，引入表1中的定子和轉(zhuǎn)子靜態(tài)阻抗數(shù)據(jù)，畫出電機(jī)的等效起動(dòng)電路：

圖4 等效起動(dòng)電路

在已知電機(jī)相數(shù)m1=3；極對數(shù)p=2，工頻旋轉(zhuǎn)磁場角頻率w1=100π，以及電機(jī)阻抗參數(shù)的前提下，由電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算式：

代入電機(jī)定子繞組端電壓U1=1766Zm，Zm表示的就是圖4所示電路的總阻抗值，求出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T’=83554N·m。

比較負(fù)載額定轉(zhuǎn)矩TL=68800可以得出：T’/TL=1.214＞1.1，滿足起動(dòng)要求。

圖5 改進(jìn)后電壓/電流倍數(shù)下的啟動(dòng)曲線

在新的起動(dòng)方案下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的數(shù)量關(guān)系為T’=1.8Tn，較之改進(jìn)前提高了30%，軟起動(dòng)器輸出電壓、轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的變化趨勢如圖5。

5.3 開機(jī)時(shí)刻的選取

在工藝流程設(shè)計(jì)中，以盤車電機(jī)的負(fù)荷率作為主電機(jī)的開機(jī)依據(jù)：在充分考慮了主電機(jī)的負(fù)載性質(zhì)后，將主電機(jī)的開機(jī)時(shí)刻由負(fù)荷率的“+50%”變更為“-50%”，具體闡述如下：

當(dāng)盤車電機(jī)的負(fù)荷率上升（為正數(shù)）時(shí)，可以理解為聚丙烯粉料下料量的增加或持續(xù)階段，而當(dāng)其下降（為負(fù)數(shù)）時(shí)，粉料的下料量處于減少或停止階段。

重?cái)D壓機(jī)組工藝流程圖如圖6所示。

圖6 擠壓機(jī)流程簡圖

雙螺桿在熔體齒輪泵和切粒裝置端沒有固體支點(diǎn)，在主電機(jī)接近空載運(yùn)行時(shí)，兩根螺桿由于前端重力而增加了相對于電機(jī)軸伸端的張力，并且由于兩根螺桿相互之間摩擦力的存在，因此雙螺桿的支撐和相互之間的潤滑需要由粉料熔體來提供。

在下料量增加時(shí)，由于持續(xù)加入到筒體的粉料沒有經(jīng)過完全擠壓而得到充分的熔融，螺桿得不到充分潤滑；而粉料在兩根螺桿上半部的堆積量大于在機(jī)筒下半部對螺桿的支撐量而使電機(jī)負(fù)荷物質(zhì)的總重力增加；當(dāng)下料量減少或停止時(shí)，螺桿的潤滑和支撐都得到了較為明顯的改善，這有助于減少主電機(jī)在起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)擠壓機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)盤車電機(jī)負(fù)荷率為“-50%”時(shí)，由螺桿和熔體構(gòu)成的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為45200 （N·m）。

比較新方案下的主電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（83554 N·M）和負(fù)載轉(zhuǎn)矩（45200 N·M）可以看出，在方案優(yōu)化后，主電機(jī)的起動(dòng)條件較之原方案有了很大改善。

6 改進(jìn)效果

在改進(jìn)啟動(dòng)方案后的1個(gè)星期時(shí)間內(nèi)，主電機(jī)進(jìn)行了多次帶料試車，下面列出了在盤車電機(jī)帶不同生產(chǎn)負(fù)荷的工況下，主電機(jī)的起動(dòng)數(shù)據(jù)：

從表5可以看出，在排除4月16日12：10起動(dòng)成功后由于生產(chǎn)上的需要產(chǎn)生了一次工藝聯(lián)鎖停車外，其余8次均實(shí)現(xiàn)了正常起動(dòng)，試車成功率從33.3%提高到100%

表5 新方案下主電機(jī)起動(dòng)數(shù)據(jù)

在電網(wǎng)壓降方面，改進(jìn)后的最大壓降發(fā)生在第1次和第9次啟動(dòng)，為2.54kV，與原方案中的系統(tǒng)壓降數(shù)據(jù)基本持平，起動(dòng)電流的增加未造成更大壓降。

軟起動(dòng)方案的優(yōu)化，在保證電網(wǎng)安全的基礎(chǔ)上，大大提高了試車成功率，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化造粒裝置的順利投產(chǎn)。

7 結(jié)束語

軟啟動(dòng)方案的優(yōu)化使擠壓機(jī)組滿足了生產(chǎn)裝置的開車需要，然而，對于電動(dòng)機(jī)而言，0.6倍的固有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o法從自身性能上得到提高，借鑒在裝置試車過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，在今后將做好通過改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)來增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)備工作。

針對帶載起動(dòng)的大功率電動(dòng)機(jī)，在廠家進(jìn)行軟啟動(dòng)計(jì)算及配置的基礎(chǔ)上，需要從負(fù)載設(shè)備性能、負(fù)荷物質(zhì)特點(diǎn)等多方面進(jìn)行綜合考慮，進(jìn)行符合實(shí)際起動(dòng)條件的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，在保證電網(wǎng)安全的前提下使電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩留有足夠的裕量，使其能夠在復(fù)雜的生產(chǎn)工況下完成起動(dòng)，滿足裝置生產(chǎn)需要。

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作者簡介：

楊楠（1983—），男，遼寧錦州人，大學(xué)本科，工程師，主要從事石化企業(yè)工廠供電系統(tǒng)運(yùn)行管理工作。