电动机的选择

　　摘要

电动机是把电能转换成机械能的一种设备，是常用的动力机械，在农业生产中广泛应用于机械加工、机械排灌、机械植保、机械脱粒、机械烘烤等方面。正确使用电动机对于促进安全生产、延长电动机及配套机械使用寿命、提高生产效益等，具有十分重要的意义。火电厂的重要高压辅机逐渐大量采用高压变频器调速后,传统的电机保护模式开始无法满足保护要求。本文具体分析了应用高压变频器后对高压电动机保护的影响原因,并结合白马循环流化床电厂进行了案例分析，在原因分析基础上提出具体的解决方案。根据保护方案检验研究结果表明，此种方案可以为高压电动机保护提供可靠支持,有利于电厂的节能降耗，且为电厂电机的可靠运行提供了可靠保障。

　　关键词:火电厂；变频器；继电保护

　　引言

目前，在国内发电环境竞争日益激烈的情况下，发电企业需要降低厂用电率，提高机组经济型。随着科学的发展，技术的进步，高压变频技术日趋成熟，发电企业为了节能降耗,减少发电成本,高压电动机的变频调速开始大量的应用。应用此种变频器之后，传统的电机保护装置无法满足差动及后备保护相关的要求,在高压变频器的实际运行过程中，多次发生因保护配置问题，引起故障扩大的事故。因此，在目前越来越多的高压电动机变频调速技术在各电厂运用,研究高压电动机变频后的继电保护配置和策略很有必要。

　　一、电动机的选择

电动机拖动的配套机械负载有大有小，工作场所也各不相同，转动速度、电源要求也不尽相同，为此必须正确选择相应配套的电动机。

　　（一）根据负载选择适合动力的电动机

如果农业机械上有标明机械功率要求，就直接选择该功率的电动机；如果没有标明，则应考虑电动机传动过程中的动力损失和实际工作中的过载因素，电动机功率应比农业机械负载稍大一点，一般不超过负载的10%为宜。

　　（二）根据工作环境选择相应防护方式的电动机

如果工作环境干燥、尘土较少，可以选择普通防护型电动机；如果工作环境尘土多、湿气大，可以选择封闭式电动机；如果电动机需淹没在水中工作，如潜水泵，则必须选择密封式电动机。

　　（三）根据转速要求选择相应的电动机。

农业机械工作时对电动机有一定的转速要求，一般要求电动机转速在1500转/分钟，该转速适中，以该转速运行的电动机性能较强、功率与效率都较高，操作起来比较轻松、工作比较宽松。

　　（四）选择适宜电源的电动机。

农用电动机使用场合大多在农村，由于农村电力条件限制，在选择电动机时，要考虑电力供应条件，选择相应额定电压的直流或交流电动机，防止直、交流电动机混装烧坏电动机。如果工作环境离交流电源比较远，应考虑使用直流电源。由于交流电源使用简便，如无特殊要求尽可能使用交流电源。

　　二、电动机的安装

电动机选择好后要搬运到工作场地，应做到安全搬运、正确安装，确保使用安全。

　　（一）安全搬运电动机

搬运和安装电动机要注意人员和电动机安全，搬运电动机的工具要求平稳牢靠，以免伤人或损坏电动机，搬运电动机时要拴在吊环或底座上，不要拴在轴或者端盖上，以免损坏轴或轴承。

　　（二）选择适宜的地点安装电动机

要选择便于操作手操作、检查和维修，且有利于防潮、防雨、防水泡和日晒的地点安装电动机。

　　（三）确定接线方式

直流电动机接线方式比较简单，正极对正极、负极对负极即可；交流电动机铭牌上有标明额定电压和接线方式，主要有220伏△/Y接法和380伏△接法两种，要注意区别对待，以免无法起动或烧毁电动机。交流电动机的接线盒有6个接线柱，并标有数字符号，要正确使用星形接法，或三角形接法，若需改变电动机的旋转方向，只要把三相电源引线中的任意两相调换一下位置即可。有些电动机因各种原因，可能线头标记不清楚，可用电池和小灯泡串联起来，把一端接到电动机的任意一个线头，另一端分别与其它线头接触，如果灯泡亮，则与电池和灯泡相连的两个线头是一相的。

　　（四）设置安全装置

电动机安装、固定好后，为确保使用安全，就必须设置接地装置，接地材料可用厚度3.5毫米以上的钢管，直径6毫米以上的钢筋，厚度4毫米以上、截面48平方毫米的扁钢条或者截面不小于4平方毫米的钢导线，以及截面不小于6平方毫米的铝导线，接地材料垂直埋入地下2.5米以上，且保证接地线与接地板、电动机的接触良好。

　　三、变频器节能的基本原理

火电厂有很多大型耗能设备，如给水泵，锅炉引风机、一次风机、二次风机等高压辅机，负荷较大。为了满足运行要求，这些风机和水泵对应的系统通常需要不断的进行流量调节。电机工频模式下，输出功率和机组负荷变化无法同步实现，需要调节系统管路中的入口挡板的开度，这样很容易产生能量损失问题。历史计划数据统计，在区域电网中，火电机组年负荷率情况为：低负荷（50%~60%）和中高负荷（80~90%）占有了较多的时间。70%以下负荷占全年的40%，80%以下负荷占全年的45%，90%以下负荷占全年的87%，90%负荷以上占全年的13%，机组全年低负荷运行时间较长，工频运行的辅机低负荷时节流损失较大，耗能较严重，经济性较差。

电机变频运行时，可以将入口调节挡板或入口调节阀开度全开,通过改变电动机的运行频率，调节电动机速度来调节电动机输出功率,从而调节流体流量,减小电机运行消耗的损失，实现电动机效率的最优化。另外，变频改造后同时消除启动电机时，对电机、电缆、开关等的冲击电流，使设备健康水平大大提高，减少维护费用和违约电量造成的经济损失。其间接经济效益可达到每年节约数十万元左右。

此外，改造后可以实现一定软启动目的，设备运行的电流小且平稳，实现了“软启动”。这样电机可以很好的控制在低负荷运行模式下，电机频率，转矩亦远小于改造前。用工频启动造成的影响也明显的减少。这样有利于延长电机的使用寿命，消除了相关磨损问题，有利于提升供电的可靠性。

变频器的节能原理：

T1=K1*n2P=K*T1*n=K2*n3

其中T1：风机水泵类的负载；

P：负载功率；K1、K1:常数；

n：电动机功率

由上式可知，对于风机、水泵负载类的转矩负载，电机的输出功率与转速的立方存在正相关关系。火电厂一般选择异步电机，其转速可表示如下

n=60*(1-s)*f/p

式中:

n表示其转速;

s表示对应的转差率;

p表示定子极对数。

分析上式可以看出，异步电机的转速调节可通过调节三个因子来实现，而转差率和定子极对数是固定的，无法调节，而电源频率可以方便的调节。变频器,即是将固定不变的50Hz的工频交流电变换为电压和频率均可调节的交流电的装置，调节方式有两种，一种是交交变频器：没有直流环节，通过可控整流方式直接变频流方式直接变频；另一种是交直交变频器：有直流环节，通过可控开关交直交变频器：有直流环节，通过可控开关逆变来实现变频逆变来实现变频，现在常用的是第二种变频方式。变频器输出的交流电源频率根据流体流量调节的需要来实现一定调节的目的，调节电动机转速,使其负荷满足一定要求，并据此来达到流量高效调节的目的,这样也有利于节约能耗，且提升系统效率，有积极的意义。 目前，高压变频器可采用“单元串联多电平结构”，可选用输入功率因数高的高压变频器，选用的变频器能达到输出阶梯正弦PWM波形，可以不进行滤波操作，而直接连接电机。选择的变频器对电缆、电机绝缘不会造成损害，且谐波也较少，相应叶片的机械振动也明显的降低，选用的高压变频器可以较好的满足电网工况要求，且瞬时失电短时间内可满载运行不跳闸。

因此，高压变频器可广泛应用于发电企业。国内通常使用的变频器为高-高电压源型变频系统，且可以方便的进行变频输出。变频器可以具体划分为两部分，分别为主电路和控制电路，前者可以实现一定的调压调频目的。主电路中的设备主要有手动/自动旁路柜、功率单元等。控制电路的功能主要为向主电路提供保护控制信号，其中主要的组成部分为工控机及PLC系统。在故障维修过程中要用到自动/手动旁路柜，其可以实现一定的切换功能，将手动切换到工频模式，这样可以降低机组负荷影响。

移相整流变压器主要用于进行电源转换，其中的各副边绕组一般选择三角接法，且不同绕组保持了一定相位差，这样可确保各变压器副边各绕组的谐波电流抵消，不会对高压侧产生影响，有利于改善电流波形。而变压器全部副边低压绕组保持一定的独立性，且可以单独为相关功率单元供电，而对应的各单元主回路保持独立性。

　　四、应用变频器后电动机保护的问题

电机加装变频器的方法有多种，目前常用的为工变频互切方式,与此相关的控制设计方案如下。

　　（一）设计方案

一拖一手动模式是手动旁路的典型方案。此方案中要用到QS1、QS2和QS3等机构高压隔离开关和电动机M。QS1是变频器进线隔离开关，QS2是变频器的出线隔离开关，QS3是变频器的旁路隔离开关，QF是电源开关，为防止工频、变频运行方式产生冲突，因此，必须要求后两个高压隔离开关具有一定的机械互锁逻辑功能，不能同时闭合。变频操作过程中，高压变频开关3断开，前两者闭合，工频模式下，前两者断开，而第三个闭合。

　　（二）功能

在检修变频器过程中，应该设置一定的断电点，确保检修人员的人身安全，也可以手动进行投切操作。在变频器设置过程中，一般将其串联到电路中，且正常模式下采用变频回路，前两个高压开关闭合，第三个断开，而工频模式下，则采用工频启动方式。而相应的变频器采用一定的占空比变频功率单元串联模式进行高压输出。变频器不会导致明显的谐波污染，且输入功率因数高，不会产生谐波相关的附加发热问题，且可以有效的消除噪音，在运行过程中不必加输出滤波器，且不必更换电机，可方便的进行变频控制。

　　（三）保护配置

当电动机处于工频运行工况时,常规高压电动机保护能够满足电动机运行时的保护配置使用要求;当电动机处于工频模式下，变频器安装在电动机和保护装置，这样变频器的输入输出电流在频率、相位方面都不存在相关性。这样若选择了常规高压电动机的保护配置,则保护功能可能会无法实现。因此在此情况下不可以将变频器纳入差动保护中，而是对电动机进行单独的保护。

差动保护范围区间一般设置为:差动保护始端电流互感器不可安装在电源开关侧,互感器设置在电机的中性点侧。工频运行模式下，变频器输出频率最高可达到一百赫兹。而对应的调频运行范围大约在15~50Hz频率范围内。而目应用频率较高的微机保护装置主要选择了固定频率50Hz来采样，在此情况下需要考虑到如何使微机保护装置可以很好的进行大范围频率下的变频保护。此外还需要同时考虑到变频器电源输出侧互感器的安装问题，电机的运行速度测量也是需要考虑的。

　　（四）电动机的维护保养

经常进行电动机的维护和保养，是确保电动机延长使用寿命的重要环节。

1.定期检查电动机

检查电动机内外线路、导线的绝缘情况。如发现绝缘不好的要及时做好绝缘防护，如果导线有松动就应该紧线并加固。电动机如果长期不使用，应将其拆除入库保管，或者做好遮盖、确保通风，防止长久日晒雨淋损坏电动机。

2.定期除尘、润滑

每年对电动机外壳进行3~4次清理灰尘，检查接线盒接线、压线情况，接地线是否完好，拆下端盖注入清洁润滑油。

3.定期年度维修保养

拆开电动机运转部件，擦洗干净，用清洁汽油或煤油清洗轴承，及时更换磨损的零部件。

　　总结

目前关于高压大功率的变频器相关的研究已经有很多，输出精度较高，已在国内电厂、钢铁厂的高压电机上普遍使用，在积极采用高压变频设备的条件下，还应该考虑到相应变频器的应用对用电提出的要求，确保满足保护匹配要求。在符合安全保护条件下，充分的发挥变频装置的性能。本文对火电厂采用大容量变频器调速后对电动机保护带的影响情况进行了分析，且讨论了相应变频器的电机保护方案，同时进行了保护校验。结果表明这种保护模式可以为电机进行快速、可靠的保护，有利于发电厂设备的稳定运行，有较高的应用价值。

　　致谢

在论文即将完成之际，我的心情有点激动但更多的是不舍，回想满怀憧憬踏入校门时，那阵阵扑面而来的青春朝气和端庄严谨的学习氛围，让我的内心有种极大的满足，感谢我们学院，感谢所有教导我的老师，感谢所有和我一起努力的同学，感谢所有在这两年半时光里拥有的一切。在这里我想郑重感谢导师，从选题，到开题，再到论文定稿，一遍遍的指导，一次次的教导，始终给予我细心的指导和不懈的支持。导师教给我的不仅仅是知识，更多的是像朋友一样教给我治学的态度和做人的道理，感谢她对我的关心、鼓励还有教导。

最后还要特别感谢我最亲爱的父亲母亲，你们不求回报的关爱和奉献是我最温暖宁静的港湾，你们默默无私的鼓励和支持是我积极备战，坚定向前的动力源泉，你们一如既往的帮助和包容是我完成学业，实现梦想的前提，感谢你们出现在我的生命里，你们是最令我值得骄傲的拥有！

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