海上油气田开发工程仪电讯系统设计指南第五章电机拖动新1.docx

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海上油气田开发工程仪电讯系统设计指南第五章电机拖动新1

第四篇海上油气田开发工程仪电讯设计

第五章电机拖动应用技术

第一节概述

第二节电动机的起动

第三节晶闸管软起动器

第四节变频器

第五章电机拖动应用技术

第一节概述

海上油气田开发工程设施上工艺设备（如：

原油外输泵、化学处理设施、天然气压缩机、开/闭式排放泵、油气水处理装置和热介质锅炉等）、公用设备（如：

燃油输送泵、滑油泵、海水提升泵、冷却水泵、淡水泵、空气压缩机、空调、通风、冷藏和污水处理等）、甲板机械（如：

锚机、起重机、起艇机、绞车和舵机等）和机舱机械（如：

压载泵、扫舱泵和舱底泵）的动力绝大多数为电动机，它们是海上油气田开发工程电力网的主要负荷。

这种以电动机为动力拖动生产机械的拖动方式叫做“电机拖动”，或称为“电力拖动”。

电机拖动系统一般是由电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源等基本环节组成，如图4-5-1-1所示。

其中电动机是一个机电能量转换设施，它把电源输入的电能转换为生产机械所需要的机械能。

图4-5-1-1电机拖动系统结构图

电力拖动系统涵盖的内容很多，它包括：

电力拖动动力学基础、电力拖动动态分析基础、电动机容量的选择、交流和直流电力拖动基本原理、电动机的自动控制系统等。

海上油气田开发工程设施上机械电力拖动的控制大多数都比较简单，其中一部分有单一功能的自动控制要求，如：

淡/海水泵的压力控制、天然气压缩机和主发电机辅助设施的顺序（或逻辑）控制、热介质循环泵和锅炉的温度控制、消防水泵的压力和自动信号的控制等。

少数有较复杂的自动控制，如：

起重机、冷藏机、空调机等，这些电动机自动控制系统的设计通常是由制造商根据用户的要求自行完成。

海上油气田开发工程设计中最常碰到的问题是电动机起动方式的选型。

这一章将从电机拖动设计实用角度出发介绍几种常见的电动机起动方式和适用范围，以及电动机变频调速器的应用和分类方面的有关知识。

第二节电动机的起动

电动机分为交流电动机和直流电动机。

海上油气田开发工程设施上使用最多、最普遍的是三相交流异步电动机。

三相交流异步电动机的起动方式有两种：

全电压起动和降压起动。

全电压起动也称为直接起动。

图4-5-2-1是典型的全电压起动的原理图。

这种起动方式结构简单、价格便宜。

它的特点是：

起动转矩高（额定转矩的0.5~1.5倍）、起动电流大（额定电流的4~8倍）、起动时间最短，可以直接控制电动机的起停运行，因此全电压直接起动方式的电动机在工程应用的实践中得到广泛地使用。

图4-5-2-1典型的全压起动原理图

注：

L1~L2—三相交流电源，TC—控制回路电源变压器，FU—熔断器，HL—状态指示灯，SB—起/停按钮，KM—接触器，KR—热继电器，PA—电流互感器及电流表。

电动机采用直接起动方式时，在起动初期所产生的起动电流大约为额定电流的5~8.5倍，在线路上产生较大的电压降，尤其是大容量电动机起动时对电网造成的电压波动，影响并联在电网上正在运行设备的正常工作。

大的起动电流还会产生大量的热量，损伤绕组绝缘，减少电动机的使用寿命。

一般情况下，海上油气田电站的瞬时电压降允许值为15%，各种发电机按此值都规定了允许直接起动的电动机容量。

在给出此值的情况下，一般允许直接起动的电动机的容量为发电机额定容量的1/4~1/3。

除此之外，根据大电机起动电压降计算的结果，如果电动机在起动时的电压大于额定电压的15%的话，应选用降低电动机电压的方式起动。

电动机常见的降压起动方式有以下几种：

●星—三角形起动；

●自耦变压器降压起动；

●软起动。

软起动方式又分为晶闸管调压软起动器和变频调速软起动器。

变频调速软起动在工程中也有所应用，但由于变频起动在不需要变速的场合是一项价格昂贵的起动方式，使其使用受到一定的限制。

下面将分别介绍这几种降压起动方式的特点和适用的场合。

一.星—三角形降压起动

图4-5-2-2是星—三角形起动的原理图。

当电动机的容量相对于电站容量的比例较接近，直接起动将会产生超过允许瞬时电压降时，可以采用星—三角形降压起动器。

星—三角形降压起动器适合于电动机定子绕组具有6个出线头的结构，在正常运行为三角形接线的电动机。

星—三角形起动需要有三个接触器的转换使用才能起动电动机。

起动时定子绕组为星形接线，以降低电动机的起动电流，待转速上升后，再转换到正常三角形接线。

星形起动时，起动电压Ust是额定电压U/，起动电流为直接起动方式的电动机起动电流的1/3，同时起动转矩也减少至（U/）2Mst。

这种起动方式起动时间长、低起动转矩有可能不能满足负载起动转矩的要求，而且在进行星—三角形转换过程中产生电流和转矩的尖脉冲，对电网造成不利影响。

星—三角形起动器设备相对比较简单，价格低于其他形式的降压起动器，因此它是大功率电动机降压起动的的首选。

图4-5-2-2星—三角形降压起动原理图

（a）开式；（b）闭式

二.自耦变压器降压起动

电动机的星—三角形起动器只有一种降压关系，如果这种降压关系满足不了降压要求时（一般受起动转矩的影响），可采用自耦变压器降压起动。

图4-5-2-3是自耦变压器降压起动的原理图。

自耦变压器降压起动器由自耦变压器、交流接触器、时间继电器等元件组成。

由于自耦变压器的抽头可以在一定范围内进行选择，所以降压关系可以在一定的范围内选择，这样可以获得大于或小于星—三角形降压起动器的起动电流和起动转矩。

电动机的起动电流和起动转矩都与自耦变压器抽头电压的平方成反比。

自耦变压器降压起动器由于增加了自耦变压器，所以其重量、尺寸都比较大，它适用于超比例容量电动机的起动；另外它的起动电流小，起动转矩较大，但不能频繁起动。

图4-5-2-3自耦变压器降压起动原理图

上面介绍的星—三角形和自耦变压器降压起动的方式都是通过降低电动机起动电压来降低电动机的起动电流，起动方式采用分步跳跃上升的恒压起动，起动过程中仍然存在二次冲击电流和冲击转矩、不能软停车等缺点。

三.软起动

传统的降压起动器的起动方式采用的是分步跳跃上升的恒压起动，在起动过程中存在二次冲击电流和转矩，而且接触器故障多，不能软停车。

电动机软起动为一项现代发展最快的新技术，它具有：

可以调节起动电流和停止电流、调节起动转矩，软停车等功能，在保护传动系统不受磨损，维护电网质量方面有突出表现，是一种理想的起动方式。

软起动器与传统的降压起动器相比，具有以下的特点：

1.起动电流可控制在额定电流的1.5~4倍之内，使电动机平滑起动。

降低电站容量，避免增大电站容量和占地面积大所造成的浪费。

而自耦式和星—三角形转换降压起动器的起动电流分别为：

K2Ist（K=0.65/0.8）和0.33Ist。

2.转矩随转速增加而加大，可以获得很大的最大转矩，加速圆滑，加速时间在5~55秒之间进行调节，起动冲击很小。

与自耦式的K倍（K=0.55~0.8）和星三角形转换的0.33倍相比，大大减少了起动时的机械应力，从而延长了电动机的使用寿命。

3.电动机初始起动电压可以在额定电压的0~100%之间任意调节。

4.软起动器的所有起动参数都可以根据用户的需要自行设定，全数字开放式的操作显示键盘，实现了“人机对话”，使操作设置变得更加灵活、简单。

图4-5-2-4是软起动器的原理图。

图4-5-2-4软起动器原理图

对于电动机的起动方法和设备，除了考虑起动设备的成本以外，还考虑起动机械负载对起动过程的要求及对电动机的起动转矩的要求，综合以上几种常见的降压起动方式的性能和特点进行了汇总，编制成表4-5-2-1，供设计人员设计参考使用。

表4-5-2-1常见降压起动方式对照表

起动方式

星—三角形降压起动

自耦变压器降压起动

软起动

起动特性

特性较硬：

不能调整

硬特性：

不能调整

软特性：

可以调整

起动电流

0.33Ist不能调整

K2Ist不能调整

0.4~1.8Ie之间进行调整

起动电流特性曲线

起动电压

0.58Ue不能调整

KUe不能调整

0~380V任意可调

起动冲击电流

2次，约为电动机额定电流Ie的7倍

1次，约为电动机额定电流Ie的6倍

无

电动机转矩特性

0.33Mst，一次冲击转矩后，力矩匀速平滑上升

K2Mst，力矩跳跃上升，有两次冲击转矩

没有冲击转矩，力矩匀速平滑上升

负载适应能力

一般

较差

强

能否频繁起动

一般不能

一般不能

可以

整机重量/体积

较重/较大

重/大

轻/小

出投资

设备价格最低

设备价格较高

设备价格最高

注：

Ie，Ue—电动机的额定电流及电压；

Ist，Ust—电动机全压起动电流及专矩；

K—自耦变压器变比（K=0.6/0.8）。

第三节晶闸管软起动器

一.概述

1.基本结构

图4-5-3-1是典型的软起动器结构图。

这个系统主要由：

晶闸管模块、电流检测、触发脉冲电路、保护执行机构和微电脑等几部分组成。

图4-5-3-1典型的软起动器结构图

2.分类

晶闸管软起动又分为：

普通晶闸管起动器和旁路晶闸管起动器。

电动机正常运行时，电动机的工作电流通过晶闸管，使晶闸管长期处于发热状态，从而缩短了晶闸管的使用寿命。

旁路形软起动器可避免这种情况的发生。

图4-5-3-2是典型的旁路型软起动器的原理图。

当电动机的软起动完成之后，旁路接触器投入正常运行。

为防止和避免电源转换过程中，由于拉弧而造成接触器触点的损坏，通常选用电子灭弧器作为控制负载通断的交流接触器的灭弧装置。

配有电子灭弧器的旁路接触器在闭合和断开操作时，触点无电弧产生。

图4-5-3-2典型的旁路软起动器原理图

为了节省海上油气田开发工程设施的投资费用和减少配电间的空间，可以使用一台软起动器分步起动两台或多台电动机。

由一台软起动器分步起动两台或多台电动机（功率相近），每台电动机均有各自的起、停按钮进行控制，在运行过程中每台电动机由各自配备的保护元件进行保护。

每台电动机的起、停采用的是分时先后顺序起、停的方式。

通常情况下，一台软起动器最多可顺序起、停四台电动机。

图4-5-3-3是一台软起动器分步起动两台或多台电动机的原理图。

图4-5-3-3一台软起动器分步起动两台或多台电动机的原理图

二.工作原理和功能

1.工作原理

晶闸管调压软启动采用大功率可控硅做主回路开关元件，通过改变可控硅的导通角来实现电动机电压的平稳升降和无触点导通。

图4-5-3-4是晶闸管软起动器的原理图。

每相由两个反向并联连接的晶闸管组成。

这种相位控制可以实现电动机的端子电压从一个设定起动值逐步升至电动机的额定电压。

图4-5-3-4晶闸管软起动原理图

图4-5-3-5（a）当电流处于正弦波的正半周，控制端加电压VC，左边的晶闸管导通，电流过零时晶闸管关断。

图4-5-3-5（b）电流处于正弦波的负半周时，控制端加电压VC，右边的晶闸管导通，电流过零时晶闸管关断。

图4-5-3-5（c）是通过控制晶闸管的导通角来控制软起动器输出电压大小的波形图。

（a）（b）

（c）

图4-5-3-5晶闸管软起动的电压波形图

2.特点和功能

（1）初始电压

电动机软起动的过程一般由初始电压上升时间的设置来决定。

从图4-5-3-6可以看出：

初始电压决定了初始转矩（转矩的减少与电动机定子侧电压的平方成正比；初始电压的可调节范围为额定电压的10~50%，初始电压的设置依据应该是起动信号发出后，以电动机能够立即转动为准。

图4-5-3-6晶闸管软起动的初始电压特性曲线

（2）加速时间

晶闸管软起动器的加速时间是从初始到额定电压的时间，也就是电压延斜坡上升的时间。

加速时间是可以调整的，它的可调度一般为1~90秒左右。

从原则上讲，设定值越短越好。

在实际应用中，加速时间的选定应以电动机能转动为基准。

图4-5-3-7是晶闸管软起动加速时间的特性曲线