应急发电机用于势能负载的研究.doc

应急发电机用于势能负载的研究

摘 要：重点讨论了应急发电机在势能负载下发电机和电动机之间机电能量转换控制技术原理，并结合具体应用案例进行了分析，针对存在的问题给出了相应的控制策略。
关键词：应急发电机 绕线异步电机 逆功率 无功功率 谐波

Application Study of the Emergency Generator for the Potential Energy Load

Abstract：The control principal of the machine-electricity energy switchover between the generator and motor of the emengency generator for a potential load. A application case is analyzed, The existing problems and resolving schemes are presented。
Keywords：emergency generator asynchronous motor with a slipring reactive power reverse power harmonic

1 引言
应急发电机在工业中的应用十分普遍。在正常情况下，工业设备主要依靠市电电网供电；当市电由于故障等原因突然中断时。应急发电机立即自动起动，给关键段的运行设备供电，通过应急发电机的运行来保证关键设备的安全。对于风机、水泵类非势能负载，应急发电机容量按实际负载的容量要求设计就可正常工作。然而，对提升机类势能负载，由于存在能量回馈，而回馈的能量如果不能被发电机供电的其它负载消耗。则会导致发电机逆功率而停机。达不到应急的目的。更有甚者，由于发电机为单机工作，在选择发电机的保护上，常常会忽略逆功率保护，此情况将导致发电机超速甚至损坏发电机。因此，对势能负载，应急发电机的设计需特别考虑能量回馈对发电机的影响。本文以一个应急发电机供电冶金钢包提升机负载的案例，来分析发电机在势能负载下机电能量转换的过程、存在的问题和解决的对策。
2 发电机在势能负载下机电能力转
换过程
对提升类势能负载，重物在下放过程中存在较大的势能，此能量有两种泄放途径，一种是通过能耗制动的方式（“倒拉车”）消耗在电机转子内，另一种则通过回馈制动的方式反馈回供电端。对提升机类应用领域，为增加起动转矩，减小起动电流，电机通常选择绕线转子异步电机，通过改变转子电阻来改变启动转矩，比较粗的调节电机转速。在电机调速控制上，可采用不同的控制方式，对定位要求和动态响应要求不高的应用，如起闭机，通过减速齿轮和电阻切换即可满足要求。对定位要求不高和动态响应要求较高的应用、如冶金钢包的提放，则可采用调压调速装置、减速齿轮和电阻切换的控制方式，对定位要求和动态响应均要求较高的应用，如升船机，可采用变频调速装置、减速齿轮和鼠笼式异步电机的控制方式。不管采用哪种调速控制，当提升速度超过电机同步速时，均存在能量回馈，对前两种控制方式，回馈能量只能通过电网消耗在其它负载上。对第三种方式，可通过变频器直流环节的泄能电阻消耗掉。对回馈电网的能量，在市电供电的情况下，电网容量足够大，足以被市电上的其他负载吸收，不会考虑回馈的能量对电网的冲击。而对发电机供电，提升机可能是唯一负载，回馈的能量需发电机消耗，使发电机运行于电动状态，因而会导致发电机超速或系统崩溃的情况。应采取相应的措施来保证系统安全、稳定地运行。图1为发电机在不同负载下的相量图，图2为发电机在空载和不同负载下电枢电流与励磁电流关系的V型图。

图1 发电机在不同负载相量图 图2 发电机V形曲线
从图中可知，在负载转矩即有功功率保持一定的情况时。随着励磁电流的减小，发电机将由输出滞后的无功功率变为输出超前的无功功率。即发电机此时吸收滞后的无功功率，需电网为其提供滞后的无功电流。与此相对应，图3给出了异步电机作为发电机运行的相量图。从图中可知，异步电机不论作为发电机运行，还是作为电动机运行,均需电网为其提供滞后的无功电流。因此，当由发电机-异步电机组成系统时，需考虑系统无功功率的流向，当某种原因导致发电机弱磁时，系统将因发电机和电动机均需无功功率而崩溃。对提升机类势能负载，在负载下放过程中，当电机转速低于同步速时，异步电机工作于电动状态，发电机输出滞后无功功率，系统正常工作；当电机转速高于同步速时，异步电机工作于发电状态，此时，异步电机向发电机输出有功功率，即发电机工作在逆功率状态，此时发电机调速器将减小油门来试图保持发电机速度稳定，发电机调压器将减小励磁来试图保持发电机电压稳定。若逆功率的大小在发电机容许范围内，系统将稳定于某一逆功率状态而仍能稳定工作。若逆功率的大小超过发电机容许范围内，则可能存在两种情况。其一是如上分析，当调速器不足以克服逆功率，油门已调到最小位置，发电机转速升高，发电机调压器减小励磁而工作于弱励磁状态，系统因缺少无功而崩溃。其二是由于逆功率变化太快，在发电机调压器减小励磁之前，发电机已超速。超速保护器动作而停机，不论那种情况出现，发电机均不能正常工作。达不到应急的目的。

图3 三相异步发电机相量图 图4 应急发电机用于钢包提升系统结构
3 应急发电机组用于冶金钢包提升
的应用
图4是一个应急发电机用于冶金钢包提升的案例，市电正常供电时，两台320 kW绕线转子异步电机驱动一台差动减速器，经万向轴传动另两台硬齿面减速器，最后使转筒旋转和钢包升降。两台电机分别由两台调压调速装置控制。通过切换转子电阻和调压调速装置的组合控制来实现电机的速度控制。市电异常时，由发电机给提升机构供电，将悬于空中的钢包（260 t）转移到安全的地方。应急供电时，只让一台电机工作，将减速器的传动比增大一倍，电机在输出转矩不变的情况下，提升速度减半。如前分析，实际运行中，发电机在提升机构空载状态下（钢包空体重20 t），由于逆功率较小（5 kW），在发电机（640 kW）逆功率（最大15%额定功率）允许范围内，发电机-电动机构成的系统仍能稳定工作。发电机带载状态下（钢包体重230 t），在绕线异步电机分级切换电阻调速时，在一挡（15%额定速度），二档（30%额定速度），三档（45%额定速度），因电机转速低于同步速，发电机系统仍能稳定工作。在全部切除电阻后（此时晶闸管全导通），电动机转速大于同步速，工作于发电状态。由于逆功率（155 kW）大于发电机逆功能容许范围，发电机超速保护而停机。图5为电网供电时，电动机工作于发电状态的波形图，图5为发电机供电时，电机工作在速度3档时的波形图。由图5可知，电动机在额定负载下，其发电功率约为其电动功率的一半。由图6可知，由于晶闸管调压调速的作用，产生了较大的谐波电流，频谱分析可知，谐波电流以5次、7次为主，其值为额定电流的1/5和1/7。此谐波电流也会对发电机正常运行产生不良影响。在电机启动阶段，虽然调压调速装置采取了限流措施（2倍额定电流），因线路较长，仍产生了较大的线路压降。过大的压降将导致系统欠压保护装置动作。不利用系统正常运行。

图5 电网供电时高于同步速下放波形图

图6 发电机供电时45%额定速度下放波形图
4 应急发电机组用于势能负载应采
取的对策
综合以上分析,应急发电机在势能负载下存在的主要问题是逆功率，其次是谐波和电压跌落。对存在的逆功率，可采取如下几种对策：1）在发电机的保护上增加逆功率保护功能。2）对设计初期未考虑逆功率而已安装、需使用的发电机组，如发电机容量不足以克服逆功率、需降额使用，即严格限制电动机在同步速内工作，因电机在同步速内工作为能耗制动。此时还需考虑长时工作时电机的温升。3）对正在设计的发电机组，可设计一个“假负载”当电机转速高于同步速之前，将“假负载”切入，以消耗电机回馈制动的能量。4）增加发电机容量以克服逆功率。根据实际测试结果，异步电机在回馈发电时的功率约为其电动时额定功率的一半，而发电机容许的逆功率最大为其额定时的15%。考虑电机启动时所需容量，可将发电机功率设计为电机额定功率的4倍。5）采用变频调速器，通过直流环节泄能电阻泄能。采取何方案，需根据电机的工作时间、用户成本来综合考虑。对谐波和 电压跌落的影响，可采取加滤波器和动态无功功率补偿装置，滤波器和动态无功功率补偿容量可综合考虑，一方面，需将谐波滤除到一定的水平；另一方面，滤波的同时也在进行无功补偿，为防止发电机过压，无功补偿不能过补偿，在二者的权衡上，以 滤波为主。对电压跌落，无功功率补偿虽可减少一定的压降，不同于高压系统，低压系统线路阻抗远大于其感抗，线路的有功损耗压降将占总压降较大比例。因而，对线路电压跌落的对策应以增加线路电缆截面为主。对所叙案例，因发电机为短时工作制且已定型，在逆功率地处理上，采用了方案2）。对谐波采取 5，7次滤波器，使总的发电机电压畸变率在2.5%，在滤波的同时，进行适当的无功补偿。表1为谐波补偿前后的对照表。对线路较远的起重机，采用了增加电缆截面积来减小电压的跌落。
表1 滤波效果对照表
谐波次数
滤波器安装前流入发电机的谐波电流 (A)
滤波器安装后流入发电机的谐波电流(A)
2
2
2.38
3
3
5.56
4
2
5.36
5
119
6.28
6
2
1.43
7
45
2.63
8
2
0.51
10
2
0.65
11
25
9.71
12
2
0.81
13
20
8.35
滤波装置投运前的发电机母线总电压畸变率为11.25%；
滤波装置投运后的发电机母线总电压畸变率为2.32%。
5 结束语
虽然应急发电机的应用十分广泛，但发电机供电给独立的提升机类势能负载属于一种特殊情况，在设计、选择发电机时需考虑回馈能量产生的逆功率对发电机的影响。需采取正确的控制方案，以保证发电机系统稳定、可靠的工作。
参考文献
1 邱阿瑞编著. 交流电力拖动及应用.北京：人民邮电出版社，2000
2 赖广显主编. 新型柴油发电机组.北京：人民邮电出版社 1999
3 SIEMENS AG SIMOTRAS HD Operating instructions