采用液態變阻軟起動裝置的風機調試

宣育紅

XUAN Yu-hong

（中冶華天工程技術有限公司 工程建設部，馬鞍山 243000）

0 引言

鋼鐵行業中，有很多大容量的風機類負載。此類負載運行阻矩大，風機葉輪的轉動慣量大。為避免產生較大的電網壓降、較大的電動感應力以及操作感應過電壓，此類負載，一般不允許采用直接啟動的方式，當前最普遍采用液態軟起動技術。

在此類負載調試中，如何確定水阻值及電機啟動時間這兩個參數，是液態軟起動調試過程的關鍵。在實際操作中，很多情況下工程技術人員是通過反復啟動風機，憑經驗來進行調整這兩個參數。這往往因為參數設置不當，導致風機無法起動。

本文結合泰國NTS公司50萬噸鐵系統工程燒結機尾除塵風機的調試過程，探討如何恰當確定水阻值的大小及電機啟動時間這兩參數。

1 燒結機尾除塵風機的簡介

泰國NTS公司50萬噸鐵系統工程中一共有四套除塵風機，全部采用上海追日電氣有限公司生產的GZYQ型高壓液態變阻軟啟動裝置。調試過程中，對于高爐出鐵場、礦槽除塵、燒結上料這三個系統的風機，調試很順利，但在燒結機尾除塵調試中，卻不太順利。這臺風機容量最大，轉子飛輪矩也大，起動困難，反復試車很多次，前后試車拖的時間較長。

風機的相關參數如下：

風機：流量Qv =670000m3/h,全壓PtF=5500Pa，風機的額定轉速N=730 r/min，飛輪矩GD2=13560kg.m2

電機：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，額定轉速N=744r/min,

空載試驗：電壓6600V，功率39720W，電流46.41A

堵轉試驗：電壓1399.1V,功率61020W，電流145.25A

2 GZYQ型液態軟起動裝置的工作原理

2.1 工作原理

電機的起動過程中，在電機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，隨著轉差率的降低逐步提高電機端電壓，從而降低電機的起動電流，減少電網的電壓降，減小對電網的沖擊。液體電阻隨著轉速的升高而逐步降低，當電機的轉速接近電機額定轉速時，液態軟起動設備中的切換柜合閘，將液體電阻切除，同時電機星點短接，電機繼續升速。

主回路原理圖如圖1所示。起動電機時，先合上起動柜中的斷路器QS，合上電機工作柜斷路器1QF，電機開始帶液體電阻降壓起動；隨著轉差率的降低，電機的電流下降，液阻柜中電機M1帶動電極板移動來減小Rs的阻值，逐步提高主電機M定子端電壓，增大電機的轉矩。當電機的轉速接近電機額定轉速時，星點柜中的斷路器2QF合閘，將電機星點短接，斷開起壓柜中的斷路器QS，將液阻柜切除，電機正常運行。

圖1 主回路原理圖

2.2 液體電阻液的配制

液阻柜內的電阻液于調試前在現場用潔凈的淡水加入電解質粉進行配置的。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到預定值。

根據GZYQ型高壓液態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是電機直接起動時的電流倍數

K1′是電機定子串入R0后起動電流倍數

Ie為電機的額定電流

Ue為電機的額定工作電壓

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

3 機尾除塵風機的電機機械特性及風機起動時間與轉速的關系式

3.1 液態變阻軟啟動裝置時電機的機械特性

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

圖2 電機起動機械特性曲線

圖3 液阻變化過程

對于機尾除塵風機采用的GZYQ型高壓液態變阻軟啟動裝置，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秒內速提升到最高位置，接著星點柜斷路器2QF短接切除液體電阻；液阻變化情況如圖3所示。則相對應電機的起動過程的機械特性曲線如圖2粗實線所示，由a、b、c、d四段組成。

根據GZYQ型高壓液態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 液態變阻軟啟動裝置轉速n與起動時間t的關系

風機啟動過程是電機帶動風機轉子從停止至正常轉速的過程，電機的轉矩主要克服風機轉子飛輪矩、風機轉子的風阻力矩。而摩擦轉矩及電機轉子飛輪矩相對來說很小，一般忽略不計。

當風機處于全壓起動或電機定子串入固定阻值的電阻降壓起動時，風機的起動時間t與轉速n有如下關系式：

式中： Md—電動機的起動力矩（KW）

Mz—風機起動過程中的氣動平均阻力矩（N.m）

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

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

對于b過程，假定當電機從ti-1=i-1 加速到ti=i一秒鐘內，此時電機轉速由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時電機起動轉矩，

K2bi/—起動轉矩倍數

K2—電機直接起動時的轉矩倍數

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 機尾除塵風機調試過程中出現的問題及分析

4.1 風機起動過程的平均風阻矩

風機起動過程中漏風率按額定風量的20%考慮，此時的風機效率η也較低，一般效率按30%的計算。此時風機所消耗的軸功率：

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

則風機起動過程中的平均風阻矩：

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

4.2 電機直接起動時的起動轉矩及起動電流倍數

電機直接起動時的起動轉矩及起動電流倍數，對于電機起動來說是兩個重要的參數。由堵轉試驗參數，可計算出：

堵轉阻抗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

轉子的折算電阻R2'≈ Rk-R1=0.964-0.34=0.624Ω

定子阻抗及轉子的折算阻抗分別為X1σ=X2σ=Xk÷2=4.792Ω

則電機直接起運時的起動轉矩近似：

上式中p=4為電機的極對數，m1=3是電機定子相數量，f1=50為電源的頻率。

電機直接起動轉矩倍數

K2=Mdst/Md=11190/20542≈0.545

而電機直接起動時電流倍數

K1=(6600÷1399.1×145.25) ÷168=4.08

4.3 風機的第一次試運轉

根據經驗，取直接起動電流倍數K1=7，按2.5倍起動電流配置液阻，根據前面的式1，液體阻值R0=8.475歐姆。起動時間設置為30秒。30秒后水電阻切除，高壓開關1QF過流跳閘，風機起動失敗；經現場轉速表測試，此時電機的轉速大約只有500轉左右。原因分析如下：

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

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

設置軟啟動裝置時，使ta=tc,則根據式2可得：

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

由上面計算可知，當液體電阻8.475歐姆時，風機起動時間應當在98秒。顯然，本次起動的設置不正確，為使風機起動，我們從兩個方面進行改進：第一，減小液體電阻的值,適當增加初始起動電流倍數；第二，適當延長起動時間。

4.4 風機的第二次試運轉

往水阻液里逐步添加電解粉，降低液體電阻值使電機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過程電機加速情況如下：

可得nb=∑Δnbi≈119轉、 nd=∑Δndi≈192轉。

則有：

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

設定風機的起動時間為50秒，再次起動電機，高壓開關1QF過流跳閘，風機起動再次失敗。

4.5 起動失敗的原因。

機尾除塵是燒結帶冷后除塵系統，燒結礦出來后仍然有很高的溫度。該風機的正常工作時的空氣約100℃，而試車時環境溫度只有30℃左右，此時空氣密度較大，風機的起動風阻矩也較正常工作時大，而調試中沒有考試到這點。

氣體的密度與溫度成反比

則是試車時風機的風壓

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

此時風機所消耗的軸功率

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

風機起動過程中的平均風阻矩

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，電機在b及d過程加速情況如下：

可得nb=∑Δnbi≈119轉、 nd=∑Δndi≈192轉。

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

4.6 風機的第三次試運轉

保持液體電阻R0=5.124歐姆，將風機的起動時間設定為58秒，風機起動成功。起動結束后，液體電阻柜內的液體溫升約8℃，通過電機繞組處的熱電阻測得電機繞組溫升約30℃。

5 結束語

機尾除塵風機已經正常運行半年多，期間已經正常起停多次。對于GZYQ型高壓液態變阻軟啟動裝置，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行分析，雖然計算稍復雜，但現在利用計算機技術是很容易實際。

如果在實際運用中再相應改變初始液液體電阻值R0、極板在中部的停留位置卻電機在C過程的液體電阻值、改變ta、tb、tc、td四個值的關系，利用計算機模擬技術，可得到更為理想的電機起動曲線。

[1] 續魁昌.風機手冊.機械工業出版社,1995,5.

[2] 王正茂,等.電機學.西安交通大學出版社,2000,9.