大型电动机变频软启动容量计算方法

佘小龙，左继平，黄旭东，程世国，宁国云（.陕西龙门钢铁有限责任公司，陕西韩城75400；.大禹电气科技股份有限公司，湖北孝感43000）



大型电动机变频软启动容量计算方法

佘小龙1，左继平1，黄旭东2，程世国2，宁国云2
（1.陕西龙门钢铁有限责任公司，陕西韩城715400；
2.大禹电气科技股份有限公司，湖北孝感432000）

摘要：介绍了一种大型电动机高压变频软启动装置容量的计算方法，详细分析了计算原理，按照该计算方法在高炉风机大型电动机变频软启动装置项目中进行了容量计算，并按计算容量设计选型了GBRQ系列高压变频软启动装置，满足项目的使用要求，实际启动电流约为电动机额定电流的20%。

关键词：大型电动机；变频软启动；启动容量计算

我国钢铁企业大量采用大功率电动机拖动大型风机、压缩机、水泵等负载设备，大功率电动机的启动问题是长期困扰钢铁行业的关键技术问题［1］，变频软启动相对于传统降压启动具有显著的性能优势［2］，由于大容量高压变频器成本高，而大型电动机启动时负载轻，通常只有额定负载的30%左右，因此，选择合适的变频启动容量尤为重要，能最大限度地降低设备投资，优化设备的利用价值，本文提出了一种大型电动机变频软启动容量的计算方法，并以陕钢集团龙门钢铁有限责任公司27 000 kW高炉风机项目为例，进行了变频软启动容量计算分析。

1　变频软启动容量的计算方法

1.1启动容量的计算原理

工业企业的大型负载设备通常都是在空载或者轻载条件下启动［3］，启动负载转矩是选择变频软启动容量的主要依据，大型负载设备都能提供启动转矩曲线，其最大值就是启动过程的最大负载阻力矩，由于负载设备的启动转矩曲线并不包括负载设备本身的转子飞轮矩（转动惯量），因此，在计算变频软启动容量时，还要考虑负载设备本身的飞轮矩（转动惯量）和电动机的飞轮矩（转动惯量），以及传动系统中其他设备的飞轮矩（转动惯量），依据下式可计算出在一定加速时间内所需要的启动转矩：

式中：TM为折算到电机端的启动输出转矩；TL为启动过程的负载转矩；GD2为电机及其负载的转子转动惯量；dn为启动加速范围；dt为启动加速时间。

依据下式可计算出对应的轴功率：

式中：P为电机输出轴功率；T为电机启动输出转矩；n为电机启动转速。

根据电动机以及其他传动设备的效率可计算出电动机所需要的电功率，再根据电动机的功率因数，依据下式可计算出变频软启动所需要的启动容量：

式中：SE为变频软启动容量；PM为电机轴功率；η为电机效率；λ为电机功率因数。

1.2启动容量计算中的注意事项

大多数工业负载设备在设计中能给出相对准确的启动转矩曲线或启动转矩值，尤其是功率在5 000 kW以上的大型设备，但也有部分工业负载设备不能准确计算出启动转矩，通常情况下要根据已经投运的同类设备的运行数据进行估算。制氧压缩机，管道气体压缩机等部分设备在不同情况下会有多种启动转矩曲线，要取最大启动转矩。例如制氧压缩机，当压缩机中没有气体，完全空载情况下启动转矩很小，约为额定转矩的10%，但压缩机在运行过程中异常停机，再次启动时，压缩机内部气体不能排空，因此要带载启动，负载启动转矩较大，能到达额定转矩的60%。

大型负载设备都配套了顶升油泵以及盘车电机，设备本身不容许在关闭顶升油泵的情况下启动，因此，电机及负载设备的静阻转矩都非常小，可以忽略不计。但有些中小型的负载设备没有配套顶升油泵和盘车电机，电动机及负载设备的静阻转矩较大，因此，要对比计算出来的启动转矩TM和静阻转矩TJ，当静阻转矩大于启动转矩时，要按照静阻转矩来计算启动容量。

在计算传动系统飞轮矩的时候要包含传动系统中的所有设备，比如变速箱等，在计算传动效率的时候，也要包含传动系统中的所有设备。

2　变频软启动容量的计算案例

2.1计算条件

陕西龙门钢铁有限责任公司高炉鼓风机同步电动机高压变频器软启装置采用“一拖二”方式，负载是陕鼓动力股份有限公司生产的2台AV71-16轴流压缩机组，电动机分别是上海电气和西门子生产的2台27 000 kW交流同步电动机型号分别为：1DZ2049-8AE02-Z，TWS2700-4。西门子电动机主要参数为：额定功率27 000 kW，额定电压10 kV，额定电流1 762 A，功率因数0.9，效率0.982，额定转速1 500 r/min，转动惯量9 250 kg·m2；上海电气电机参数为：额定功率27 000 kW，额定电压10 kV，额定电流1 764 A，功率因数0.9，效率0.982，额定转速1 500 r/min，转动惯量10 240 kg·m2。

负载轴流风机的启动阻力矩曲线（折算到电机端，不含电机，冬季第1级静叶角度14°）如图1所示。其中，额定转速1 500 r/min，启动力矩41 000 N·m，静力矩2 800 N·m（顶升油泵），折算到电机端的转子GD2为：36 000 kg·m2（不含电机）。从图1可知阻力矩和飞轮矩都折算到了电机端，也就是已经包括了变速箱等传动设备的阻力矩和飞轮矩。

图1　启动阻力矩曲线图Fig.1 Starting torque curve

2.2容量计算

设启动时间为3 min，dt为180 s，启动加速到额定转速，dn为1 500 r/min，取2台电机的最大转动惯量10 240 kg·m2，依据式（1）计算可得：

依据式（2）计算启动最大轴功率可得：

取功率因数0.9，效率0.982，依据式（3）计算启动容量可得：

最小启动容量为9 075 kV·A，按照高压变频器选型规范［4］，取变频启动裕量15%，启动容量为10 436 kV·A，选变频器容量为10 500 kV·A，型号GBRQ-MV10500-10/10B-N。变频器主要参数为额定容量10 500 kV·A，额定电流577 A，功率因数0.95，效率0.97。

2.3变频软启动试验结果

陕西龙门钢铁有限责任公司高炉鼓风机选用了大禹电气和艾默生共同生产的高压变频软启动装置，采用一拖二的方式，分别启动27 000 kW上海电气生产的1#电机和西门子生产的2#电机，设定启动加速时间均为180 s，为了防止轴流风机喘振，设定了3个调频点［5］，1#电机启动过程中跳频点最大电流约为475 A，启动到额定转速运行电流约为367 A，2#电机启动过程中跳频点最大电流约为399 A，启动到额定转速运行电流约为240 A，2#电机启动过程变频器输出电流电压波形如图2所示。

图2　2#电机启动电流、电压Fig.2 Starting current & voltage of 2#motor

从图2可知变频软启动过程输出电压平稳上升，输出电流稳定，启动完成以后旁路切换平稳，没有冲击电流。

3　结论

试验结果表明采用该计算方法能准确计算变频软启动容量，既能满足大型电动机变频启动的要求，又能最大限度地减少变频器容量，节约设备投资，试验数据还表明采用变频软启动装置启动大型电动机，启动电流约为额定电流的20%，启动到额定转速切换到旁路运行无电流冲击。

参考文献

［1］宁国云，袁佑新，黄声，等.大型电动机软启动装置性能分析与比较［J］.电气传动，2011，41（8）：52-57.

［2］金光哲.大功率同步电动机自控变频式软启动技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［3］李崇坚.交流同步电机调速系统［M］.北京：科学出版社，2006.

［4］仲明振，赵相宾.高压变频器应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［5］马少栋，李春曦，王欢，等.动叶可调轴流风机失速与喘振现象及其预防措施［J］.电力科学与工程，2010，26（7）：33-37.

修改稿日期：2015-12-15

Large Motor Variable Frequency Soft Capacity Calculation Method

SHE Xiaolong1，ZUO Jiping1，HUANG Xudong2，CHENG Shiguo2，NING Guoyun2
（1. Shaanxi Longmen Iron & Steel Co.，Ltd.，Hancheng 715400，Shaanxi，China；
2. Dayu Electrical Technology Co.，Ltd.，Xiaogan 432000，Hubei，China）

Abstract：Introduced a calculation method of variable frequency soft starting device for large high voltage motor，analyzed calculation principle in detail，according to the calculation method，calculated the capacity of variabled frequency soft start device for the blast furnace blower motor，and designed a GBRQ series high voltage variable frequency soft start device for the project，the device meet the requirements of the project，the actual starting current is about 20%of the rated current of the motor.

Key words：large motor；variable frequency soft starting；calculate capacity of starting

中图分类号：TM573

文献标识码：A

作者简介：佘小龙（1974-），男，本科，Email：sxl6690@163.com

收稿日期：2015-09-22