对于柴油发电机组来说，发动机是提供实际的有功功率，电动机启动时相当于对发动机一次突加负载，按GB2820及ISO8528规定，柴油发电机组一次加载其转速下降不应超过7%,恢复时间5秒，交流发电机提供电动机启动所需的视在功率，且在突加负载时需保证压降在20%以内,同时,根据电动机直接启动时的功率因数一般在0.6左右。根据鼎新机组的实际情况，初选发电机为麦格特MWL 48OE(最大功率1540kVA,选配PMG永磁励磁模块)，根据功率因数发动机可选康明斯KTA38G9(有功功率额定可达900kWe)机组，机组选用校核计算如下：
柴油发电机组启动1台电动机的校核计算:
通常柴油发电机组配套的交流发电机突加负荷可依据下式:
式中,U为额定线电压(0.4kV),
Po为已带负荷功率, 为效率, 为功率因数,
空载启动电动机时,取E’=U0=1,功率因数,已带负荷为零,
前式左边加减,经简化,得
,
发动机额定功率即为发电机的额定突加负荷容量(即查发电机曲线,根据压降最大20%时查出的突加负荷容量值),kVA,
即为发电机组已带的计算负荷,为启动负荷的电流倍数,通常取6,
如按发电机组输出的kVA最大1540kVA(压降不大于20%时最大突加负荷容量不大于2200kVA),电动机最大功率185kW,线损5%,初始负荷为0,计算
a）当柴油发电机组直接起动0.4KV/185KW的电动给水泵，
此时,2200>[6*185*1000/(0.8*400*1.732)+0] *1.05,发电机可承受185kW电动机的直接启动要求,
发动机选择：发动机配套发电机后满足启动阶段的功率因数即可,即1540kVA=924kWe, 则发动机功率kWm=kWe/发电机效率,按此,发动机选用KTA38G9(最大功率可达1089kWm)即可,电动机启动负载起动时相当于一次加载185/900=21%，频率下降可保证小于7%，恢复时间在4秒内,电动机可正常起动。
电动机启动方式简析
三相鼠笼式异步电动机,以其结构简单、运行可靠、维修方便、惯性小、价格低廉而且坚固
耐用、机械特性较硬等优点,在工、农业生产中得到广泛应用,普及率是其他种类电动机无法比拟的,是现阶段机械加工的重要动力源。但由于这类电机启动电流大,对电网的影响和生产机械的冲击力都很大,因而合理的启动方式,对三相鼠笼式异步电动机尤为重要,下面就三种启动方法逐一分析。
一、直接启动
直接启动,就是将处于静止状态的电动机直接加上额定电压,使电动机在额定电压作用下直接完成启动过程。直接启动转矩大、时间短、控制方式简单,设备投资少,因此在中小型电动机的控制上得到广泛的应用。但直接启动方法也受到客观条件限制,主要表现在三个方面:
1.启动电流大
启动电流一般是额定电流的4～7倍,部分电机启动电流实测甚至高达8～12倍额定电流。过大的启动电流将造成电网电压明显下降,影响同一电网其他电气设备的正常运行,严重时将使部分设备因电压过低而退出运行,甚至使电力线路欠压保护动作,造成设备的有害跳闸。同时过大的启动电流会使电机绕组发热,从而加速绝缘老化,影响电机使用寿命。
2.启动转矩大
过大的启动转矩往往造成电机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损,导致击穿烧机;另外启动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤,传动转轴扭曲,联轴节、传动齿轮损伤,影响传动精度,甚至影响正常工作。
3.要求供电变压器/柴油发电机组容量较大
为满足电机启动要求,必须扩大输、配线路容量,增加设备投资。
因此是否能直接启动应满足以下条件:一是生产机械是否允许拖动电机直接启动,这是先决条件;二是电动机的容量应不大于供电变压器容量的10%～15%;三是启动过程中的电压降ΔU应不大于额定电压的20%。
二、降压启动
降压启动就是在电动机启动时人为地降低电机端电压进行启动。传统的方法有星形/三角形启动、定子绕组串电阻(电抗器)启动、自耦变压器降压启动及延边三角形降压启动。
星形/三角形启动器是降压启动中结构最简单、成本最低的一种,然而它的使用受到限制,只适用于正常运行时定绕组采用三角形接法的电动机,启动时采用星形接法,启动完毕后再切换成三角形。启动过程有两次电流冲击,设备故障率高,需要经常维护,不宜用于频繁启动设备上,而且由于启动电压为运行电压的1/,故启动转矩为额定转矩的1/3,只能用在空载或轻载启动设备。在电动机轻载或空载运行时,也可利用该启动设备作降压运行,以提高电动机的功率因数和效率。
自耦变压器降压启动是利用三相自耦变压器改变供电电压的启动方法,可以通过变压器抽头改变启动电压(一般有65%和80%两挡抽头),选择不同的电压比,相对应不同启动转矩的负载,在电动机启动后再将其切除。其优点是启动电压可以选择,以适应不同负载的要求;缺点是体积大、质量大,电压阶跃性变化有冲击,不能连续启动,且要消耗较多有金属,故障率高,维修费用高。
电阻(电抗)器启动,是在电动机启动时,把电阻(电抗)器串联于电源与电动机定子绕组之间,随电动机转速提高,逐级减小电阻(电抗),从而达到理想的启动效果,这种启动方法比星形/三角形启动性能好,比自耦变压器降压启动设备价格低。然而它同样有一些性能、使用上的限制,包括:
1.启动特性很难优化
原因是生产启动器时电阻(电抗)值是确定的,使用中很难改变,虽然可以通过转换分接头来进行分级启动,但分级多时,势必增加控制系统的复杂性,而制造成本、故障率也将随之提高,所以一般控制器均在2～5级间;这样加在电动机定子绕组上的电压、电流等主要参数在分级启动时仍有很大的波动。
2.频繁、重载启动特性不好
原因是在启动过程中电阻值会随着电阻的温度变化而变化,从停止到再启动过程需要长时间冷却。
3.负载大小经常变化的生产机械,启动器不能提供理想的启动效果
延边三角形降压启动,启动过程虽然电压可选择,启动设备也简单,可以连续多次启动,但只适用于特种型号电动机,电机价格较同容量普通型号电动机价格高。
值得指出的是:尽管各种降压启动方法各有其优缺点,但它们有一个共同的优点,就是没有谐波污染。
三、软启动
所谓“软启动”,就是按照预先设定的模式控制启动过程中电压,由一个较低的值平滑地上升到全压,使电机轴上的转矩匀速增加,从而达到启动特性变软。现阶段常用软启动有磁控软启动器和电子式软启动器。
磁控软启动器是利用控磁限幅调压原理,平滑改变启动过程电机定子绕组电压,实现电机无冲击平稳启动,这种方法同时可实现软停车。其特点是结构简单,便于维护,价格低,但其起控电压在200V左右,用户不可调整,也会有电流冲击,体积较大。
随着电力电子技术的发展,利用晶闸管斩波技术生产的新型电子式软启动器越来越得到广泛应用。电子式软启动器的主回路一般都采用晶闸管调压电路,调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成,串联于电动机的三相供电线路上;当启动器接收到启动指令后,输出晶闸管的触发信号,通过控制晶闸管的导通角,使启动器按所设计的模式调节输出电压,以控制电动机的启动过程。当启动完成后,一般启动器将旁路接触器吸合,短路掉所有晶闸管,使电机直接投入电网运行,以避免不必要的电能损耗。
目前电子软启动器有以下几种启动方式:
1.限流软启动
顾名思义就是在电动机的启动过程中限制其启动电流不超过一个设定值。主要用于轻载启动,其输出电压从零开始迅速增大,直到其输出电流达到预定值,然后保持电机电流小于等于预定值的条件下逐渐升高电压,直到额定电压,使电动机转速平滑升高到额定转速。这种启动方式的优点是启动电流小,且可按需调整,其缺点是在启动时难以知道启动压降,不能充分利用压降空间,损失启动转矩,启动时间相对较长。
2.电压斜坡启动
输出电压由小到大斜坡线性上升,将传统的降压启动变有级为无级,主要用在重载启动。它的缺点是启动转矩小,且转矩特性上升快,对电机不利。改进的方法是采用双斜坡启动,输出电压先迅速上升到某值,该电压对应电机启动所需最小转矩所对应的电压值,然后按设定的速度逐渐升压到额定电压,初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种方式的特点是启动电流相对大,启动时间短,更适用于重载启动的电机。
3.电压控制启动
这种启动方法是控制晶闸管导通角的大小,使输出电压平滑上升,在保证启动压降的前提下使电动机获得最大启动转矩,启动时间短,是最优的轻载软启动方式。
总之电子式软启动器结构简单,较传统的降压启动器具有无触点、无噪声、质量轻、体积小、启动电流及启动时间可控制,启动过程平滑等优点,并且维护工作量小,节能效果显著。
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