大型高壓電動(dòng)機(jī)熱變電阻軟起動(dòng)裝置
【摘要】介紹了高壓熱變電阻軟起動(dòng)裝置的工作原理、起動(dòng)特性及應(yīng)用。該產(chǎn)品主要用于大型電動(dòng)機(jī)的降壓軟起動(dòng)，與自耦變壓器相比，它具有起動(dòng)電流小且恒定、母線壓降低、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)；與高壓變頻軟起動(dòng)器相比，它具有性價(jià)比高、無高次諧波等優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品已在13500kW高壓同步電動(dòng)機(jī)的降壓軟起動(dòng)上得到成功應(yīng)用。
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關(guān)鍵詞：大型電動(dòng)機(jī) 高壓熱變電阻器 軟起動(dòng)
一、概述
隨著冶金、化工、石油、石化等產(chǎn)業(yè)規(guī)模和單機(jī)容量的不斷增加，大型高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也越來越多，而電力系統(tǒng)容量并未同比增加，這樣大型高壓電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)問題就作為一個(gè)重要的課題被提出，各種各樣的軟起動(dòng)技術(shù)應(yīng)時(shí)而生。高壓熱變電阻降壓軟起動(dòng)技術(shù)是其中最重要的也最成功的技術(shù)之一，已逐步為市場(chǎng)所接受。本文著重介紹高壓熱變電阻技術(shù)及其在大型高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)上的應(yīng)用，并對(duì)該技術(shù)的技術(shù)現(xiàn)狀展望作了簡(jiǎn)單介紹。
二、熱變電阻原理
說到熱變電阻器，人們很容易想到溫度敏感電阻等，其實(shí)，在我們目前所能掌握和使用的電阻材料中，不管是靠自由電子導(dǎo)電的金屬材料，靠游動(dòng)離子（團(tuán)）導(dǎo)電的氣體或液體材料，還是靠自由子或空穴作為載流子導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料，它們的導(dǎo)電特性均受溫度變化的影響。金屬電阻材料的電阻特性一般呈正溫度系數(shù)特性變化，而半導(dǎo)體材料的電阻溫度特性是負(fù)溫度特性。今天所要談到的熱變電阻，它是一種液體材料，一種電解質(zhì)的水溶液。
眾所周知，電解質(zhì)溶入水后，發(fā)生電離，形成自由可游動(dòng)的陰、陽(yáng)離子，這些陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)的作用下，作為載流子定向移動(dòng)形成電流，在外加電場(chǎng)強(qiáng)度恒定的情況下，電流的強(qiáng)弱取決于載流子（陰、陽(yáng)離子）的多少。所以，在電解液濃度一定的情況下，電阻的大小和電解度有關(guān)。
電解質(zhì)在水中的電離是比較復(fù)雜的，離子存在的形式也多種多樣，有單個(gè)陰、陽(yáng)離子存在，也有多個(gè)陰、陽(yáng)離子與水分子等吸附在一起形成離子團(tuán)。離子團(tuán)的存在是影響電解液導(dǎo)電的一個(gè)重要因素，它使很多單體離子失去獨(dú)立的載流作用。
離子團(tuán)的存在受溫度的影響，當(dāng)溫度逐步升高時(shí)，離子團(tuán)破裂，釋放出單體自由離子和小離子團(tuán)，液體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率逐步降低，呈現(xiàn)明顯的負(fù)溫度特性。當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，離子團(tuán)完全變成自由離子，電解質(zhì)完全電離，此時(shí)液體電阻率降到最低。在一定溫度范圍內(nèi)，電解質(zhì)的溶液的這一變化是可逆的，即當(dāng)溫度逐步降低，自由離子逐步相互吸附成團(tuán)，則液體電阻率逐步升高。
這種電解液體有以下明顯的特點(diǎn)，可以利用：
1、導(dǎo)電體為液體材料，可以流動(dòng)，可以自循環(huán)，可以根據(jù)需要制成各種導(dǎo)電結(jié)構(gòu)形狀，可大可��；
2、水溶液比熱率大，因而可以根據(jù)需要制成各種大容量電阻器；
3、具有明顯的負(fù)溫度電阻特性；
4、物理－化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)，耐久性好，性能穩(wěn)定；
5、成本低廉，不消耗貴重金屬；
6、屬綠色環(huán)保產(chǎn)品，無三廢排放。
因?yàn)橛猩鲜鲲@著特點(diǎn)，使得電解液體有廣泛的應(yīng)用，我公司開發(fā)的用于高壓大型電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)的高壓熱變電阻器就是其重要應(yīng)用之一。
三、高壓熱變電阻軟起動(dòng)裝置
高壓起動(dòng)熱變電阻器是我公司利用上述理論解決大型高壓電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)問題而開發(fā)的新產(chǎn)品－高壓大容量熱變電阻器。它由液箱、熱敏電解液、電極及導(dǎo)流機(jī)構(gòu)組成。
將該電阻器串入電動(dòng)機(jī)的三相定子回路中，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電機(jī)的定子電流流過熱變電阻器從而使電阻體發(fā)熱，溫度逐步升高，電阻逐步降低，在電機(jī)起動(dòng)電流基本恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)端電壓逐步升高，從而使電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐步增大，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑起動(dòng)。
熱變電阻的溫度變化特性，附加導(dǎo)流機(jī)構(gòu)對(duì)電阻變化曲線的修正，使得電阻的變化過程與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的等效端電阻變化過程相互補(bǔ)充，使電機(jī)在起動(dòng)過程中，回路總阻抗接近不變，從而使得電機(jī)的起動(dòng)過程電流小且恒定，COSф高且恒定。
熱變電阻的導(dǎo)流機(jī)構(gòu)的另一個(gè)作用就是當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完畢，該機(jī)構(gòu)快速將高溫導(dǎo)電液體導(dǎo)出，使有效電阻區(qū)域內(nèi)的液體溫度快速降到常溫，以迎接下次起動(dòng)，以保證連續(xù)起動(dòng)時(shí)的性能重復(fù)性。
采用高壓熱變電阻器降壓起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)有以下顯著的起動(dòng)特性：
1、恒電流軟起動(dòng)特性。
在電機(jī)起動(dòng)過程中，電流基本保持不變，數(shù)值在2.5Ie以下，且有顯著的軟起動(dòng)特性；
2、起動(dòng)過程中系統(tǒng)功率因數(shù)高且接近恒定。
一般采用熱變電阻降壓起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功率因數(shù)都在0.8以上，且整個(gè)起動(dòng)過程接近于恒定不變的；
3、母線壓降低。
由于上述1、2特性，使電機(jī)起動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響降到最低，母線壓降在5%左右；
4、起動(dòng)平穩(wěn)無沖擊。
電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大逐步增高，因而使機(jī)械設(shè)備起動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊、無嘯叫聲，且機(jī)械能平穩(wěn)越過諧振轉(zhuǎn)速，使設(shè)備免受傷害。
四、應(yīng)用介紹
在石油、石化工業(yè)領(lǐng)域，有大量的注水泵、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、擠壓機(jī)等機(jī)械設(shè)備使用，這些設(shè)備大多采用大型高壓異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，就目前市場(chǎng)調(diào)查情況來看，絕大多數(shù)高壓電機(jī)采用直接起動(dòng)方式，電機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊很大，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)壽命影響也非常嚴(yán)重；極少數(shù)特大型電動(dòng)機(jī)采用高壓變頻軟起動(dòng)，投資非常大。
高壓熱變電阻器作為大型電動(dòng)機(jī)降壓軟起動(dòng)裝置已在國(guó)內(nèi)十多家石油石化企業(yè)得到試用或應(yīng)用，并取得了理想的應(yīng)用成果，如蘭州石化總公司，新疆獨(dú)山子石化公司，陜西榆林煉油廠，新疆塔中油田，湖北省宜化化工股份公司，九江石化等等，以下就具體實(shí)用案例給予分析。
案例一
新疆獨(dú)山子石化公司乙烯丁的3200kW擠壓機(jī)，該設(shè)備起動(dòng)受負(fù)載停機(jī)狀態(tài)影響，阻力矩分散性較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量少。電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流較大，起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較嚴(yán)重，因此不能直接起動(dòng)。
該電機(jī)原始數(shù)據(jù)為：功率3200KW，電壓6000V，額定電流為360A，堵轉(zhuǎn)電流為6倍額定電流�？紤]到該設(shè)備起動(dòng)阻力矩的分散性，設(shè)計(jì)采用高壓熱變電阻降壓軟起動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)起動(dòng)電流值為4.5倍�，F(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況作了適當(dāng)調(diào)整，電阻初值調(diào)整為1.8Ω，起動(dòng)電流為1407A。約為3.9倍額定電流，起動(dòng)時(shí)6KV母線電壓由6150V降到5884V，母線壓降約合5%，起動(dòng)時(shí)間為4S，熱變電阻器起動(dòng)溫升為2℃/次。起動(dòng)效果滿足設(shè)計(jì)要求，很好地解決了電機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊問題。圖一為電機(jī)起動(dòng)電流曲線和母線電壓曲線。
因?yàn)樵摂D壓機(jī)為新設(shè)備，過去沒有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，所以在設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)留有相當(dāng)大的保守裕量，實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后，根據(jù)情況可作適當(dāng)調(diào)整，起動(dòng)電流預(yù)計(jì)可調(diào)整到3倍左右，這樣對(duì)電網(wǎng)的影響就更小了，也能更好地保護(hù)機(jī)械設(shè)備免受起動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)使用壽命。
案例二
陜西榆林煉油廠，有三臺(tái)3800KW的高壓電機(jī)，分別拖動(dòng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)和一臺(tái)壓縮機(jī)，電機(jī)參數(shù)為10000V，3800KW，額定電流為263A。原設(shè)計(jì)為直接起動(dòng)，經(jīng)計(jì)算分析，認(rèn)為直接起動(dòng)進(jìn)對(duì)電網(wǎng)沖出嚴(yán)重，可能會(huì)對(duì)在用電設(shè)備造成影響。后改設(shè)計(jì)為高壓熱變電阻降壓起動(dòng)方式，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)共用一臺(tái)高壓熱變電阻器，空壓機(jī)單獨(dú)用一臺(tái)高壓熱變電阻器，10月20日三臺(tái)電機(jī)安裝完畢并進(jìn)行調(diào)試和起動(dòng)。風(fēng)機(jī)的起動(dòng)電流為682A，是額定電流的2.6倍，起動(dòng)時(shí)間為30S；壓縮機(jī)起動(dòng)電流為720A，合2.73倍額定電流，起動(dòng)時(shí)間30S。在整個(gè)起動(dòng)過程中，電流保持恒定，起動(dòng)完畢時(shí)，電流降到額定電流的30%左右，這時(shí)切除熱變電阻器，沒有任何沖擊�，F(xiàn)場(chǎng)10KV母線電壓在起動(dòng)時(shí)的壓降在5%以內(nèi)，性能和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
五、社會(huì)效益
高壓熱變電阻器的研制成功，尤其是超大容量產(chǎn)品的成功研制和產(chǎn)業(yè)化的實(shí)施，為我國(guó)大型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)提供了一種既經(jīng)濟(jì)又可靠的起動(dòng)方式選擇方案。
(一)、節(jié)約一次性投資和維護(hù)費(fèi)用
1、高壓熱變電阻器本身造價(jià)低廉，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，總體直接投資在高壓大型電機(jī)的各種起動(dòng)方案中是最經(jīng)濟(jì)的一種方式，尤其比起進(jìn)口的變頻起動(dòng)器來說更顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)，只是同性能進(jìn)口設(shè)備的1/10~1/8。
2、采用高壓熱變電阻器起動(dòng)方式，可以大大降低電機(jī)起動(dòng)時(shí)電力系統(tǒng)的要求，從而可以節(jié)約大量的一次性電力增容方面的固定投資。
3、節(jié)約長(zhǎng)期技術(shù)性投資
a、該方案理論成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、基本免維護(hù)。
b、一般技術(shù)工人經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)之后就可以滿足使用和維護(hù)的需要。
（二）、節(jié)能
1、如前所述，采用該起動(dòng)方案，大大降低電機(jī)起動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的要求，從而可保護(hù)電力變壓器選用運(yùn)行始終在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，從而降低電力變壓器運(yùn)行損耗，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。
2、由于傳統(tǒng)的電機(jī)起動(dòng)方案存在許多技術(shù)問題，比如在起動(dòng)時(shí)，易燒電機(jī)、易造成電網(wǎng)壓降大，影響鄰里運(yùn)行，或都諧波嚴(yán)重等等，從而使電機(jī)起動(dòng)成為一個(gè)難于克服的難題，因而很多企業(yè)在停機(jī)檢修期間，寧愿讓電機(jī)空轉(zhuǎn)，浪費(fèi)大量電能，也不愿面對(duì)電機(jī)起動(dòng)難題。
采用熱變電阻降壓起動(dòng)方案，使電機(jī)起動(dòng)變成一件非常普通的事，電機(jī)可隨時(shí)起隨時(shí)停，從而可以從技術(shù)保障方面節(jié)約大量電能。
如果年使用電機(jī)容量100萬KW以上，平均節(jié)電率為3%，則年節(jié)電量為2.2億KWh，效益非常樂觀。
五、與變頻軟起動(dòng)的比較
高壓變頻軟起動(dòng)方案，代表著大型電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。近年來取得了很大成就，相對(duì)熱變電阻降壓起動(dòng)方案而言，具有明顯的技術(shù)先進(jìn)性，這一點(diǎn)不可置疑。但從實(shí)用性經(jīng)濟(jì)角度來說，高壓變頻軟起動(dòng)方案屬于一種過于奢侈的技術(shù)方案，由于它所面對(duì)的用戶一般具備以上特點(diǎn)：
1、不頻繁起動(dòng)，一般每年起動(dòng)1~2次；
2、對(duì)可靠性要求很高，關(guān)鍵時(shí)必須一次成功（比如高爐風(fēng)機(jī)）；
3、萬一發(fā)生故障，解決問題的技術(shù)難度越小越好，時(shí)間越短越好。
面對(duì)上述要求，高壓變頻并不具備充分的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)勢(shì)，首選，為解決一年一次二次起動(dòng)而花費(fèi)數(shù)百萬元，其經(jīng)濟(jì)性易遭到質(zhì)疑；況且使用維護(hù)費(fèi)用也很高。其次，高壓變頻軟起動(dòng)技術(shù)含量高，技術(shù)難度自然就很大，相對(duì)而言，其駕馭性也就較差，包括使用維護(hù)及故障處理等對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)素質(zhì)要求高，用戶一般不具備駕馭能力。第三，事故處理周期較長(zhǎng)。
高壓熱變電阻降壓起動(dòng)與變頻軟起動(dòng)性能對(duì)比：
序號(hào) 性能指標(biāo) 高壓熱變電阻軟起動(dòng)裝置 變頻軟起動(dòng)器
1 起動(dòng)電流 2.5~3 Ie ≤Ie
2 起動(dòng)時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)COSф≈0.8 0.9
3 母線壓降 <7%
4 起動(dòng)時(shí)間 <35S 60~120S
5 控制方式 自然起動(dòng) 開環(huán)/閉環(huán)自動(dòng)控制
6 諧波 不產(chǎn)生任何高次諧波 有高次諧波產(chǎn)生
7 應(yīng)用領(lǐng)域 輕載及輕重載
8 海拔高度 ≤1000m ≤1000m
9 環(huán)境溫度 0~40℃ 0~40℃
10 允許連續(xù)起動(dòng) 3次或累計(jì)不超過120s 可連續(xù)
11 單位投資 50~70元/kW 500元/kW
12 使用維護(hù) 簡(jiǎn)單可靠免維護(hù) 維護(hù)工作量大
六、高壓熱變電阻技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展展望
高壓熱變電阻器用于電機(jī)起動(dòng)，始于1997年7月；
1999年成功地在2000KW電機(jī)上使用成功；
2000年成功開發(fā)出用于4500KW電機(jī)起動(dòng)的產(chǎn)品；
2001年成功開發(fā)出用于5600KW電機(jī)起動(dòng)的產(chǎn)品；
2002年用于13500KW電機(jī)起動(dòng)的高壓熱變電阻器在山西海鑫鋼鐵公司5號(hào)高爐一次性試車成功。這一成功為高壓熱變電阻器向超大容量方向發(fā)展墊定了基礎(chǔ)，提供了理論和實(shí)踐依據(jù)，適用于20000KW、30000KW甚至更大電機(jī)起動(dòng)的熱變電阻器的產(chǎn)生和應(yīng)用指日可待。
科學(xué)的過程就是不斷征服難題，勇攀高峰的過程，希望廣大國(guó)人多給予支持，媒體多給予關(guān)注，各級(jí)政府多給予重視，使該技術(shù)進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化、造福國(guó)人，為民族工業(yè)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)！
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---襄樊大力公司技術(shù)服務(wù)科 李俊
新疆獨(dú)山子石化乙烯廠 王秦川 謝新
3、《陜西榆林煉油廠3800KW風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)起動(dòng)調(diào)試報(bào)告》
--- 襄樊大力工業(yè)控制有限責(zé)任公司技術(shù)服務(wù)科 尉志新
陜西省榆林煉油廠 楊志剛 楊又平
熱門產(chǎn)品：高效電機(jī) 高壓電機(jī) 低壓電機(jī) 變頻電機(jī) 防爆電機(jī) 同步電機(jī) 直流電機(jī) 電機(jī)配件 電機(jī)維修 水泵配件 電機(jī)節(jié)能改造
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