应用液态软起动技术改善空压机组异步电动机的起动性能
——宋 轶
摘 要：本文介绍了GZYQ型高压电动机液态软起动装置的系统构成、工作原理及其性能特点，并对该技术在离心式空压机组上的应用做了小结。
关键词：高压异步电动机 软起动 液态变阻
1 前言
大功率离心式空压机组一般为直接启动方式，启动时对其他用电设备会产生相当大的影响。我公司机组是由无锡阿特拉斯提供的ZH10000-6离心式空气压缩机，驱动电机是西门子的1LA45002FD80-Z型高压异步电动机，功率为1120kW，转速为2987转/分，额定电压10KV，通过高速齿轮变速箱将转速从2987转/分提高到11750转/分和17202转/分，时间仅用8秒到12秒左右。在这样短的时间内把转速提高到高速轴的额定值，常会对齿轮箱产生较大的冲击而损坏齿轮。一旦出现重大损坏，其直接的维护更新费用就接近20万，损失巨大；同时直接启动时会造成电网电压压降高达15-18%，使其他用电负载无法正常运行。
因离心空压机组对电机起动转矩的要求不是很高，如果能降低起动转矩，适当延长电动机起动时间，可大大减轻电机起动对齿轮的冲击，改善高速齿轮箱的运行状态，从而达到降低离心机组故障率的目的，对该设备的正常运行意义巨大。为此，我们曾考虑选用变频器，但1120kW高压变频器调速设备费用非常高，如果仅仅是为了改善电机起动性能，其性价比明显不合理。
经过广泛的咨询调研和现场考查，我们了解到目前国内已出现利用液态电阻原理配以新技术、新材料组成的电液变阻起动器。该技术产品已应用在10MW高压交流电动机的起动控制上，可使电机最大起动时间控制延长至60秒甚至更长（而且可以现场调整）。而且，整套装置的设备购置费用根据电机功率配置只需6~8万元左右，这为提高大型电动机的起动性能提供了一种较为经济可行的启动方案，并且该装置在工作时不会产生谐波。
2 液态软起动装置的系统构成及工作原理、性能特点
2．1 系统构成及工作原理
电液起动器的系统构成和工作原理相对比较简单，以GZYQ型液态软起动装置为例，其构成原理图一所示，在定子回路中串入电液变阻起动器的三相电阻，其中QS隔离开关，QF1为主机运行断路器，QF2为电机起动断路器，RS为电液变阻起动器。电液变阻器由三个相互绝缘的环氧树脂电液箱构成，内部分别有浓度可调的电液，和一组相对应电极液，一动一定，动极板通过传动机构及伺服控制系统控制运行。动极板传动机构装有行星磨擦式机械无给变速器，可以很方便地调节动极板移动速度，这样就能控制液阻无级切除的时间，达到调节电机起动力矩和起动时间的目的。整个起动过程控制在较小起动电流下均匀升速，从而实现电动机的软起动。
2．2 液态电阻对起动力矩的控制 电动机起动时,Rs(液态软起动装置的阻值)随起时间的增加而减小，由此可将施加于被控电机的端电压随时间斜率式增加，（即通常所谓的“软起动”方式）显然，与串接固定电阻或电抗器起动方式相比，液体电阻更能改善被控电机的机械特性。 对于离心空压机组，最重要的是减小起动力矩对机组增速箱的冲击，增加升速时间并使之无极平滑升速。由电动机拖动理论可知，起动转矩和起动电流的关系为：Mq=I2。故只要知道机组最大静阻力矩与电动机直接起动的额定转矩之间的比值，就可以确定该电机的最小起动电流和起动力矩。要保证起动过程的平滑加速，这就需要起动设备有很好的平滑可调性，使整个起动过程中起动转矩与负载转矩相适应，在恒加速情况下可最大限度地减小起动过程对机组的冲击。液态软起动良好的可调性正好能满足这一点。 2．3 液态软起动装置性能特点 对于相同功率的电动机，由于负载、工艺、参数、起动次数及频繁程度、工作环境等条件不同，理论上需要配备不同的起动阻抗，才能获得良好的起动特性。这实际上意味着每台不同的电机应有自己最适宜的起动电阻存在，最好是能使起动以软起动方式成功完成，又将起动电流控制在最小的范围以内，从而降低起动冲击，保护被拖动设备及电网。液态软起动装置根据其系统构成和原理分析，在这方面具有明显的优势。其次，电液变阻起动器的最大长处就是它的阻值可塑性好，靠改变水中的适宜导电介质的浓度来改变本身的电阻率，其可调整范围理论上是非常大的。 当然，电液变阻起动器应用还没有大面积推广，在运行维护方面积累的经验还不够。其液体电阻在高压电场的作用下是否会发生骓以捉摸的变化，如何获得安全而设定的阻值，还是一个有相当深度的技术问题，还需要通过理论－－实践－再理论的过程加以完善。 3.利用液态软起动工技术根据电机拖动理论的计算机仿真 拖动的理论及计算机技术对起动效果进行仿真设计，依据仿真情况，我们得到了控制起动的最佳效果曲线。如图二、三所示。 图二为机组起动时电磁转矩与负载转矩特性曲线图，较好地保证了起动过程与起动电流变化情况，设备通过合理的控制液态电阻的变化调节电机的端电压，使电机转速匀均升高，仿真时间在23S时电机转速达到同步，电流下降，此时完成了同步电动机的异步起动过程。 被仿真系统为：1＃空压机组，驱动电机是西门子的1LA45002FD80-Z型高压异步电动机，电机参数为：Pn=1120kW，Un=10kV，In= 74A，Nn＝2987rpm，Mn=3581Nm，直接起动电流Iq≈7Ie＝520A。 4 液态软起动装置在我公司的应用 我公司空压站站5台离心式空压机组的异步电动机原都是采用直接起动方式。因电网容量较小，每次启动会造成电网压降过大（15%左右），对其他电器设备的影响很大。 为解决这一问题，经过对各种电动机起动方式进行技术经济比较及仿真模拟，并在深入的市场调研的基础上，最后决定采用GZYQ－1500型高压交流电动机液态软起动装置。 2005年9月，我们应用电液变阻器进行了1＃机起动部分的改造。依据前面所述的计算机仿真的相关特征参数进行配置，我们要求厂家调试人员将电机起动电流限制在2.5Ie（即185A左右），以减小起动对机组的冲击。 在空载检验试验合格且模拟动作正确后，9月15日，我们会同空压站技术人员对该机组进行了带负荷试验。这次试验共开了两次机。第一次因为上一级断路器过流保护整定值时间未调好（13s），以至于10KV开关跳闸而保护停机。此后，将上级断路器过流保护整定值时间设定为22s，在二十分钟后（等电机绕组温度降到25.8℃）进行了第二次开机，电机成功启动。下面，是两次起动的数据： 起动电流（A） 母线电压（kV） 起动时间（s） 液阻温度（℃） 第一次 189 10.05 13 22 第二次 195 10.02 22 35 从数据上看，这此启动的结果较令人满意。该机起动电流由原来的520A左右变为现在的200A，起动时间由13s延长到现在的22s，而且升速过程平滑，很接近仿真的效果，故可以认为技术经济指标均达到了预期效果。 由两次起动的数据可以看出，液阻温度在开机时上升明显，使得第二次起动时初始阻值下降，反映在第二次起动电流的增加和母线电压的下降很明显，但起动效果仍在预定的范围内。前面谈到过，对于液体电阻在高压电场的作用下是否会发生难以捉摸的变化还需进一步积累经验，另外，电阻液的阻值也会随着温度的变化而发生改变，因此，电机连续起动最好不要超过两次。目前该产品充分发挥液阻可调性这一优点，对起动电流实现跟踪检测闭环控制，使得连续起动性能的稳定性得到了有效的控制，实现了恒流软起动。 5 结束语 液态软起动装置在空压站离心式空压机1#机组上的成功应用，较经济地解决了该机起动时对齿轮变速箱冲击过大的问题，使该机实现了软起动，同时还降低了电动机的起动电流，减少对电网的电压扰动。我们将加强对它的研究和运行数据的积累、分析，特别是要对液态软起动装置在改善高速齿轮箱的运行状况，减少齿轮箱的损坏的实际效果方面做出客观的评估，为能否在其他大功率机组上继续推广应用提供判断依据。 
选取用起动设备进行系统的改造，能否将起动力矩有效地控制，并使整个起动过程得以匀均加速，最大速度地减轻高速齿轮的机械冲击，从而保护机组是成功的关键。因此我们要求生产商根据所提的电机及负载参数，运用
图三