CN1113618A - 用于在起动期间给多相电动机供电的方法和装置 - Google Patents

Abstract

通过变压器(T)给电动机供电，该变压器(T)输 出端接到母线(J)上，该母线上接有电动机(M)和其 它耗电装置，电动机本身消耗可用电动率的20％或 更多的有功功率，在电动机起动阶段的至少一部分 上，该电动机由取自变压器(T)的次级绕组中间抽头(P₁、P₂、P₃)上的降低后的电压供电。本发明可用于为工业上空气压缩机的驱动电动机供电。

Description

本发明涉及一种在起动阶段给多相电动机供电的方法和装置，该装置包括一变压器，该变压器的输出端连接至母线上，该母线连接该电动机和其他耗电装置，所述的电动机本身消耗的有功功率大于或等于可用电功率的20%。

当前在企业中，常使用气体分离设备给工厂提供象压缩空气、氧气、氩气等各种流体。这样的工厂一般具有一台大功率电动机，该电动机由三相电流馈电，用于驱动一台产生8巴压力的压缩空气的空气压缩机，例如，在此之后，从该压缩空气中开始进行上述气体的分离。

由电网馈电的主变压器输出到连接电动机的母线，以及所要讨论的工厂中安装的其他耗电装置。因为其功率一般在20MW数量级上，所以压缩机的驱动电动机消耗了变压器输出的可用功率的大部分，大于该功率的20%，常常达到50%或更多。

可以理解的是，这种电动机的起动存在问题，特别是当电网呈现低短路功率时。在该前提下，电动机的起动会减少母线上的有效电压到这样的电压水平（例如小于正常电压的15%或更小），以致阻碍或扰乱其他耗电装置的运行。

另外，起动电动机所需的时间是所驱动的装置的惯量之和以及其端子上有效电压的函数。在起动期间，人们能在与这些惯量总和成正比的阶段期间发现对电流的强烈需求。这种大电流导致线圈系统中热的释放，然而该线圈系统是绝热的，该释放必然受到尽可能缩短起动时间的限制，该起动时间值典型地在15和40秒之间。

为了做到这一点，目前使用两种方法。根据第一种技术，人们给在起动期间馈给电动机的电压和电流频率之间的关系规定一恒定值，以这样的方式，在任何给定时间中，电动机仅接收起动所必需的功率，所以不出现升温的运行条件。不幸的是，该方法意味着使用笨重和昂贵的电力电子元件。

根据另一种方法，为电动机配有专用的自耦变压器，该变压器安装在主变和电动机之间。在起动期间，以从自耦变压器汲取的降低的电压给电动机供电，来避免对与母线相连的其他耗电装置运行的干扰，但是电动机起动持续时间增加到从发热观点上讲不能允许的值。因为使用额外的自耦变压器，该解决方案具有另外的缺点：它昂贵，增加了额外的电压降（在自耦变压器上），最后，在起动期间的功耗大于最小起动功率。

所以，本发明的目的是提供一种在起动阶段向多相电动机馈电的方法，它提供了一种不昂贵的方法，并且仅耗用电动机起动所必要的能量。

在阅读以下说明之后，将变得显而易见的本发明的上述和其他目的能用这样的方法获得，即一种通过一变压器给多相电动机馈电的方法，该变压器输出端接到一母线上，该电动机和另外的耗电装置连接该母线，所述的电动机本身使用大于或等于可用电功率的20%。该方法值得注意的是，在该电动机起动阶段的至少一部分期间，用降低的电压给该电动机供电，该电压取自变压器次级绕组的中间抽头。

由于这种布置，在起动期间传统上所用的自耦变压器就不必要了。

根据本发明的优秀特征，选择每个中间抽头上的变压器变化，使电压比U_b/U_a和U_m/U_a二者都分别大于预定的值，U_m、U_b、U_a分别是起动阶段母线上的电压、起动期间电动机端子上的电压、和电动机及其它耗电装置的性能所要求的电压。下面可以看到，用这种方法，人们能限制在母线上所观测到的电压降，从而用这种方法不干扰其他耗电装置的运行，所以这些确保了以充足的电压给电动机供电，来克服在很短时间内作用在其输出轴上的惯量，因而避免了所有发热问题。

在某些特定的情况下，如上所述的根据本发明的方法可被更进一步的改进。

即，例如，当电网具有不适于电动机起动的特征时的情况（这是低的短路功率或规定电压上出现小的压降的情况），或当由电动机驱动的机器有极大的功率要求时的情况（这具有大转动惯量和/或高反扭矩的驱动电动机的情况）。

具体的优点是提供至少一个辅助的气动起动设备（如用一台燃气轮机构成），它直接以机械形式，由气体释放所产生的能量提供给电机。

这种气体例如可以是空气、氮气，但也可以是任何其它适于工业设施贮存的气体。

仅仅在起动状态的第一部分期间把该气动辅助起动设备投入运行，所以允许把电动机的速度带入其正常速度的某确定百分比X%内。

可以理解的是，在起动状态的第一阶段，电动机仅经该辅助装置提供动力。

在起动状态的剩余部分期间（直到达到正常速度），根据上述的本发明的方法，该电动机经一台变压器来馈电（在变压器中间抽头上取得降低了的电压）。

根据本发明的一个实施例，在起动状态的剩余部分（第二阶段）期间，由该辅助设备和该变压器提供的组合能源给电动机馈送能量，这意味着在起动状态的整个阶段上始终使用该辅助设备。

对于本领域普通专业技术人员来讲，显而易见的是，本发明的辅助起动装置根据所要求的性能，可由许多基本起动设备组成。

本发明还涉及用来实现本发明方法的供电装置，包括第一供电导体，该导体将电动机连接到变压器次级绕组的端子，该装置包括第二导体，该导体将电动机与变压器这些绕组的中间抽头连接，以及换向装置，用来通过第二导体选择这些中间抽头与电动机的连接，并在电动机的起动阶段期间断开第一导体。

参阅以下说明及相应的附图，可了解本发明的其他特征和优点。

图1是本发明的供电装置的示意图;

图2是图1装置的等效电路图，它用于说明本发明的方法。

现参见附图中的图1，它表示了本发明的供电装置，例如用来自配电网R的三相电流供电。主变压器T的初级线圈连接到电网R，该变压器的次级绕组在母线J上输出电流，母线J连接到各种耗电装置（未示出）上，象在工厂或其它工业设施中的一种耗电设备，以及一台如上所述的电动机M，例如用于驱动空气压缩机的电动机。如前面所述的，本发明尤其适用于电动机M汲取占该设备组总可用功率的大部分，如该功率的20%或更多之时的情况，例如，象这样的情况，电动机驱动在工业设施中采用的构成气体分离设备一部分的空气压缩机，在该工业设施中安装了其他耗电设备。

在稳定状态中，电动机M通过第一导体母线L₁直接由母线J馈电，例如由三相断路器构成的换向装置DJ₁被布置在母线L₁的导体上。以这样的供电直接起动电动机呈现上述的所有缺点，使连接到母线J的其他耗电装置的运行受到干扰。

根据本发明，可避免现有技术中对此必须依赖昂贵装置的缺点，而是采用在主变压器T本身次级绕组的中间抽头（P₁、P₂、P₃）上取得的降低了的电压，在起动阶段的至少一部分期间内给电动机M供电，来避免上述缺点。很清楚，这种供电方法很经济，它仅要求第二导体L₂的母线在起动阶段有选择地把电动机M连接到变压器T的所述中间抽头上。

很清楚，变压器T次级绕组上的中间抽头（P₁、P₂、P₃）的位置必须以这样的方式来选择，即由这些抽头馈电的电动机起动不能导致母线上的电压降到比某个值低的值，这个值是维持其它耗电设备运行的极限值。设定这些耗电设备在给定电压U_a上正常运行。设置起动阶段母线上的电压为U_b，则应满足以下关系式：

U_b/U_a＞K

K是一常量。

如果，假如目前的情况下，设定耗电装置是在15%最大值的供电压降中可运行的话，则可选择K＝0.85。

该不等式设立了第一个关系式，它包括变压器T的变化t_r0，这时它在中间抽头P₁、P₂、P₃上输出。实际上，如果参照图2中所表达的等效电路，其中Z_R、Z_T、Z_M分别是网络、变压器T和电动机在起动状态期间的阻抗，则可写成：

U_b/U_a＝（Z_m/t² _r0）/（Z_r+Z_t+Z_m/t² _r0） （1）

在此，以t_r0值代入第一不等式，以及由设计者必须确定的中间抽头位置代入该不等式。

另外，为了限制电动机的起动持续时间，以及它的发热，在起动状态期间施加的电压U_m必须大于一预定值，在该预定值以下，认为克服制动其输出轴惯量的必要时间太长，由关系式（2）表达该约定：

U_m/U_a＝（U_b×t_r0）/U_a＞K′（2）

K′是常量，例如可选择K′＝0.65。

对于设计者来讲剩下的就是，通过成功的试验确定t_r0的值，同时满足上述的关系式（1）和（2）。例如，设计者可尝试t_r0的值在0.55和0.75之间的范围，最好是在0.6和0.65之间的范围内。

下面描述根据本发明方法的电动机起动过程，其中在起动状态中只用变压器给电动机供电（不采用任何辅助设备）。如图1中所示，由三相断路DJ₂构成的换向装置被设置在母线L₂的导体上。在起动时，在断路器DJ₁打开时，闭合该三相断路器DJ₂。然后电动机的定时或速度计类的转速确定装置接续控制DJ₂的打开和DJ₁的闭合，从而建立起电动机的稳态供电。可以想象由电动机M驱动的轴可承受电压上的有限压降，例如100毫秒内。

如果不是这种情况，在起动状态的后段，在断路器DJ₂打开之前断路器DJ₁闭合，然后在母线的第二导体L₂上接入电感S1，S2，S3，可限制这些导体上的短路电流，因为次级绕组的一部分输出电流流过这些电感。DJ₁的闭合控制DJ₂的打开，促使电动机持续加速直到达到正常速度。

目前显而易见的是，实际上本发明提供了上述的优点。此外还应注意到，本发明不使用自耦变压器，使网络的短路功率不受影响，在短路功率相对小时，这是特别优异的，因为不充足的短路功率不可能使电动机起动。此外，本发明允许以最小的消耗确保电动机起动。

在短路功率小的地方的设施中，通常的起动自耦变压器必须具有近似主变压器的特性，来限制在起动状态期间由其阻抗导致的压降和网络上的短路功率的下降。本发明可节省对这种自耦变压器的高投资。

Claims (13)

1、一种从变压器(T)提供电力给多相电动机的方法，该变压器(T)输出端接到母线(J)上，电动机(M)以及其它耗电装置连接到该母线上，所述的电动机本身汲取可用电功率的至少20%的有功功率，其特征在于，在电动机起动阶段的至少一部分上，采用取自该变压器次级绕组中间抽头(P₁、P₂、P₃)的降低后的电压供电。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，在每个中间抽头上的变压器的变化（tr₀）被这样选择，使电压比U_b/U_a和U_m/U_a每个都大于预定的相关电压值，U_b、U_m和U_a分别是起动期间母线的电压，起动期间电动机端子上的电压，和由确立电动机性能和其他耗电装置性能所决定的应赋予的电压。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于，这样选择所述比例满足：

U_b/U_a＞0.85

U_m/U_a＞0.65

4、根据权利要求1到3中任一个的方法，其特征在于，在起动状态的第二部分期间，通过所述的变压器给电动机馈电，在第二部分之前的起动状态的第一部分期间，电动机至少由一台气动辅助起动设备馈送动力。

5、根据权利要求4的方法，其特征在于，在所述起动状态的第一部分的尾端，电动机的速度在其正常速度的20%和50%之间。

6、根据权利要求4或5的方法，其特征在于，在起动状态的所述第二部分期间，电动机只由所述的变压器馈电。

7、根据权利要求4或5的方法，其特征在于，在起动状态的所述第二部分期间，电动机由变压器和所述的气动辅助起动设备联合提供能量馈送动力。

8、根据权利要求4到7的任一个的方法，其特征在于，所述的气动辅助起动设备是燃气轮机。

9、实现根据权利要求1到8中任一个的方法的供电装置，包括第一供电导体（L₁），它把电动机（M）连接到变压器（T）的次级绕组的端子上，其特征在于，它包括第二电动机导体（L₂），从这些绕组的中间抽头（P₁、P₂、P₃）给电动机供电，以及换向装置（DJ₁、DJ₂），用来有选择地通过第二导体（L₂）把这些中间抽头与电动机（M）相连，并在至少电动机起动状态的一部分期间断开第一导体（L₁）。

10、根据权利要求9的装置，其特征在于，在电动机起动状态的尾端，接在第二导体上的换向装置（DJ₂）在接在第一导体上的换向装置（DJ₁）闭合之后打开。

11、根据权利要求10的装置，其特征在于，它包括与设置在第二导体（L₂）上的换向装置（DJ₂）串连布置的短路电流限制电感（S₁、S₂、S₃）。

12、根据权利要求9到11之一的装置，其特征在于，它包括至少一个辅助气动电动机起动装置。

13、根据权利要求12的装置，其特征在于，所述装置是一台燃气轮机。

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