西门子6ES7136-6AA00-0CA1

工业生产规模化进程伴随着电力系统和电动机技术日新月异的发展。作为电力系统的一部分，电动机的单机容量与工业生产规模化的程度成正比增加；相比之下，电力系统容量增加的要慢得多。另一方面，电力供求市场化的进程有力地推动着电力供电系统向完善的网络化方向发展，电力系统面临着前所未有的脆弱化趋势。这一矛盾的发展无疑将危及系统的稳定与安全。本文站在电网角度对电动机的发展趋势、动态特征及对电网的影响进行了宏观分析，并提出了有价值的解决方法。

关键词: 大型电动机  电力系统安全  电压稳定 热变电阻  软起动

1  现代电力系统的特征 
    简单的说，电力系统由发电，输变电和用电三部分组成。发电是电力生产单位，如分布在全国各地的火电厂，水电站，核电站，风力发电站，太阳能电站等等；所有的电力消费者都是电力的用户，如行政机关，工矿企业，事业单位，家庭等等；输变电是一个庞大而又复杂的网络，将发电和用电联在一起。
    电力供求市场化有力地促进了电力供应向高度网络化方向的发展进程。这一发展方便了千家万户的同时，也带来了两个方面的问题值得认证思考并慎重对待。首先是电力系统的安全涉及到区域经济安全乃至于国家安全，网络化的深入发展更加重了这一命题的重要性与紧迫性；第二是我国电力管理从保障供给机制转换到利益驱动机制之后，电力系统网络化的发展程度越来越高的同时也变得越来越脆弱。 这实际上是相互矛盾的两个问题，但又的的确确是电力系统网络化发展的必然。如何很好的解决这一矛盾，保障电力系统安全运行是关系到国计民生的战略性问题。
    电力系统是世界上目前已知的复杂的系统。它涉及调度控制、优化运行、经济规划、生产管理、信息技术、经济贸易等学科，针对每一单纯的学科，全世界就有成千上万的学者将之运用到电力系统行业中进行研究，至今还没有一个适应全世界的、较统一、科学的电力系统理论或方法形成。研究表明，复杂网络的不均匀特性，使得网络的脆弱性大大增加，从而在某些关键局部发生故障时，容易引起大范围的连锁反应。电力系统也存在这种不均匀特性，从而随着网络互联规模的扩大，电网的脆弱性也大大增加。电力系统的脆弱性来源包括多方面的原因，其中有些是外部的，有些是内部的，有些是不可抗拒的，有些是人为造成的。目前，我国正处于电网建设的高峰期，新老电网结构交错分布，认真研究电力系统特征的变化，对工程建设、中长期规划都有重要意义。
    当然，电动机作为电力供应系统为重要的负荷也是重要的组成部分，它的特征也在随着工业生产规模化的进程发生重大变化，单机容量天的变大，因而电动机的起动、堵转及其他故障状态对电网造成的冲击越来越不能忽视。回想十几年前两千千瓦的电动机就算大型电动机，而如今万千瓦级的电动机才叫大电机，十年前人们对电动机软起动还是那样的陌生，而如今的软起动已经发展成为一个产业，这一比较一方面说明了宏观系统中的电动机特征发声了巨大的变化， 另一方面也说明了电力系统在天变的脆弱。本文主要以大型电动机负荷为研究对象，研究其在宏观电力系统中的特征变化及形成的电网脆弱性因素，并根据具体情况提出合理的解决方案。

2  宏观系统中的电动机
2.1  电动机的发展趋势
    随着工业产业规模化步伐的加快，工业装备单机生产能力日益提高，而作为工业装备德原动力的单机容量冶日益扩大。在国外，主要以ABB、西门子、西屋及ALSTOM为代表。目前ABB和西门子电动机在国内已有较多的使用，宣称大功率48MW。美国西屋公司在中国电力行业应用较多，宣称功率有100000HP等等。国内的电机制造厂也不甘落后，先后有16500kw的同步电动机（兰电）和上电18000kw的异步机问世并成功使用。沈阳电机厂及南阳防爆电机厂等电机制造企业也相继拥有大型电动机设计、制造能力。工业生产规模化，强有力地带动着电动机制造业向大容量方向高速发展。
    另一方面，大型电动机控制技术地发展对电动机向大容量方向发展起到了推波助澜地作用。比如高压热变电阻降压软起动装置等各种降压软起动技术地产生和应用，高压变频软起动软停车技术地产生与发展,大型电动机的交—交变频传动技术的产生与发展等等, 都有力的促使工矿企业采用大型电动机代替汽轮机等作为重型工业装备的原动机。相对于汽轮机拖动系统而言，电力拖动系统是一套能源供应方便, 控制系统简单成熟,而且环保指数高的传动方案。
    尽管大型电动机向大容量方向发展地同时也伴随着各种性能参数地优化, 比如起动电流倍数从7倍降到4倍左右,作为简单也是被广泛使用的感应式交流电动机, 在起动瞬间的低功率因数问题和低堵转力矩问题却无法得到很好的解决。一般情况下,堵转时的功率因数可能低到0.1以下。可以想象4倍于额定电流的纯感性无功电流突然接入一个容量有限的电网，结果会是什么样的。但是这种特性又是感应电动机的结构决定的，在这方面目前还没有取得重大突破。
2.2  感应电动机的直接起动与堵转
    众所周知，在额定电压下直接起动三相交流感应电动机，由于初起动瞬间，主磁通φ减少到额定值的一半以下，功率因数也低到0.1左右，造成了的结果是电动机起动电流相当大，而起动转矩又相当低。一般情况下，对于大型或超大型电动机而言，起动电流在4～5.5倍额定电流，而起动转矩在0.3～0.8倍额定转矩之间，对于要拖动的机械而言，这个转矩确实相当的小。
非常大的起动电流和起动过程中非常低的功率因数是电动机起动时对电网造成严重影响的根源。非正常情况下电机的堵转与电动机起动瞬间情况完全相同，而且有过之而无不及。大型电动机的起动可能把电网电压拉低很多，以至于影响相邻的电动机的正常运行，使其停转或堵转，进一步加重这种不良影响，严重时，可能会把电网拉跨。因此，大型电动机一般是不允许直接起动的，总是要采取一些措施以减少或全部消除起动对电网的冲击。
2.3  同步电动机的失步 
    同步电动在运行中，若励磁电压降低或供电电压降低，使得同步电动机的过负荷能力即输出转矩大值小于机械负荷力矩时，同步电动机就会失步。由于此时同步电动机励磁电压并未消失，所以实际上是同步电动机的感应电动势Eq与电源电动势Es发生振荡，即两个电动势的夹角在0—360度之间周期性变化 。

    同步电动机失步后，转速下降，在起动绕组和励磁绕组中产生感应交变电流， 并产生异步转矩，进入异步运行状态。又因为励磁电压并没有退出，在异步运行期间，产生交变转矩，转子转速和定子电流发生振荡，严重时可能引起电气共振甚至电网崩溃。
2.4  同步电动机群
    在化工、石油等工业领域，尤其是氮化工企业，非常多见同步电动机群运转。同步电动机群运转有很多优点， 、工厂用电功率因数很高，甚至可以超前；第二、可以根据电网的波动情况很方便的调整局域的电网电压，使企业用电效率达到高。另一方面，同步电动机群运转存在较大的起动和运转风险，尤其是在电网处于用电高峰时期，电网比较脆弱, 同步电动机的高起动电流和很低的功率因数可能造成网电压进一步降低，进而过负荷能力较差的同步电动机进入失步状态，进一步加聚电网的恶化程度，其他电动机相继失步，造成局部电网电压崩溃。 这一现象在中型或大型化工企业尤其是电力供应系统容量配置余量较小的氮化工企业，时有发生。
2.5 大型电动机的起动对电网影响程度的评估
    电动机单机容量越来越大， 而电动机起动时的冲击电流对电网来说也是很大的安全风险。很多文献针对电动机的起动对电网产生的影响问题进行过详细的阐述，《冶金企业电气设备手册》针对这一问题也有明确的论述。
    如图是一典型的用户配用电网络图：该网络由供电变压器，固定负荷和电动机三个基本要素组成。 我们要研究的课题就是如何成功起动该电动机又有效的避免对固定负荷的正常运行造成影响。
    图中的Xs为系统小运行方式时对应的短路阻抗，反映了系统供电能力的大小；固定负荷的阻抗可以通过有关运行参数计算出来；电动机的起动阻抗应该由电动机堵转时的参数计算出来；Zo是上述两个阻抗的并联阻抗模值；Z则是系统的总阻抗。Us是系统供电电压，一般取1.05，则电动机
                                          Uot=Us＊Zo/Z         
    另一种简单有效的评估方法是进行无功功率计算，对于实际的、有限容量的电网而言，电动机起动或同步电动机失步引起的电网电压波动为电动机起动或同步电动机失步时回路总的无功功率波动量占母线小短路容量的百分数，即：
ΔU％=ΔQ/Smin×100％　　 　（1）
　式中　ΔQ——无功功率的波动量，Mvar; Smin——母线小短路容量，MVA。

    我们可以根据具体情况计算出电动机起动时现场母线电压波动情况，还可以计算出电动机过度过程对上一级公共接点处的电压影响情况，通过比较设计合理的配电方案，配置合理的变压器及其参数， 选择合理的电动机起动和保护方式，使电力系统的风险降至低。

3  大型电动机起动方式 
    作为电动机起动问题的研究，在过去多数着眼于电动机的保护。与此不同的是，如今大型电动机从本体设计与制造而言，大多是允许全电压直接起动的， 因此对大型电动机起动的研究着眼点应该放在电机起动对电力系统的影响方面。目前还有些行业因特殊原因必须采用全压直接起动，这种情况一般都会配置非常大的电力供电系统或者是高阻抗的变压器电机机组。
3.1变压器电动机组
    变压器电动机组拖动方式（即一台变压器拖一台电动机）在石油化工领域的大型催化裂化装置的压缩机拖动中常有应用，一般情况，变压器采用高短路阻抗变压器。在电机起动时，输出电压自然降低较多，等效于降压起动。因为变压器下端没有其他负荷，因此在起动过程中，电压降低不会造成邻近负荷反应；又因为是高阻抗变压器再加上电压降低后电机起动电流也有所减少，因此电动机起动冲击电流对上一级电网的影响也会有所降低。如果公共电网足够大，或者公共接点的短路容量较大，就可以忽略它的影响。 但是随着机组容量的逐渐增大和电力系统网络化程度的逐步提高，这一起动方式对电力系统的影响问题已经不能再被忽略了。
另一方面，采用这一起动方式的机组大多是长期不间断运行工况，有时侯一年也不会起动一回，这样一来，高阻抗变压器的长期低效率运行会造成巨大的电力浪费。一般情况下，变压器电动机组容量对比为1.5：1左右，机组配电负荷率在60%左右，而实际工程中，电动机总是降容使用， 一般按照机械负荷功率选择电动机时，总是乘于1.1的负荷系数，同时选择机械时也留有足够的裕量，这样一来变压器电动机组的实际运行负荷率比较低，机组功率因数当然也很低， 长期不间断运行必然造成大量的电力浪费。这是变压器电动机组起动方式的一大缺陷。比如一台20000kW机组，一般选配变压器容量为31500kVA，机组综合效率每降低1%，运行有功损耗将增加200kW，年损将增加173万kWH。这是一笔可观的数字。
实际工作中，电动机起动电流对电网公共接点电压的影响是不可能忽略的，一般情况为了减少或者降低这种风险，要求尽量的减少起动次数，维持电动机的空负荷运行，这样一来也会造成巨大的电力浪费。
3.2 热变电阻降压起动方式
热变电阻软起动器是一种新型的高压大功率电动机软起动装置。其主要技术特性是：电阻器是由具有负温度系数的电阻材料制成。电阻器串于电机定子回路，当电机起动，电阻体通过起动电流时，电阻体温度升高而阻值随之减小，从而使电动机端电压逐步升高，起动转矩逐步增加，以实现电机的平稳起动。起动电阻值，可以根据电动机参数和负载要求的起动转矩，能方便地配制到佳的起动参数。即在较小的起动电流下，获得足够大的起动转矩。
采用高压热变电阻器降压起动的电动机有以下显著的起动特性：
1、恒电流软起动特性：在电机起动过程中，电流基本保持不变，数值在2.5Ie以下，且有显著的软起动特性。
2、起动过程中系统功率因数高且接近恒定：一般采用热变电阻降压起动的电动机系统功率因数都在0.8以上，且整个起动过程接近于恒定不变的。
3、母线电压波动小：由于上述1、2特性，使电机起动对电力系统的影响降到低，母线压降在5%左右。
4、起动平稳无冲击：起动过程接近于恒加速特性，电机的起动转矩逐步增高，因而使机械设备起动平稳，无冲击、无啸叫声，且机械能平稳越过谐振转速，使设备免受伤害。
    经过近十年的发展，该技术已可以满足10kv、40000kw电机的降压起动要求。对于大型超大型电动机的软起动而言，该种起动方式大的优异性能在于其起动电流对电力供电网络的冲击降到了低，从而大大地减少了电机起动对电网地影响。该技术的产品本身结构简单，安全可靠，安装和使用成本也很低。
3.3 高压变频软起动装置
    在石化、冶金、电力等工业领域的大型电动机或抽水蓄能的大型电动发电机常采用变压变频软起动方式。高压变频软起动方式主要还是针对风机、压缩机及泵类设备的电动机起动而研制的，起动过程中这些机械阻力矩较低，或者可以通过调节风门、阀门来改变降低起动阻力矩，从而可以降低对电机起动力矩的要求，一般情况下，要求电机起动力矩为额定的50%左右就足够了。
    高压变频软起动装置实际上是一个直接转矩控制的交直交电流型VVVF变频器。 当输出频率从0Hz（同步起动）或5 Hz（异步起动）逐步升高到50 Hz，电机转速从0转速逐步升高到额定转速，实现电动机的软起动。一般情况，起动电流控制在额定电流的50%以内。

4、结束语 
    电动机单机容量越来越大，电力系统越来越复杂，这是工业化生产发展的必然，也是一对永远存在的矛盾。工程技术人员可以通过制定合理的配电方案，选择合理的电动机起动和保护方式来缓解这一矛盾，尽量减少电动机过度过程对电网的影响程度和范围，确保电力系统安全运行，这里面还有很多工作要做。

    用可编程控制器（PLC）产生各种步进脉冲驱动步进电机去达到各种控制、测试目的己屡见不鲜了。步进电机由于具有转子惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，成了工控的主要执行元件之一，尤其是在**定位场合中得到了广泛的应用。但近年来，人们更关注的却是它的变频特性。由于事物变化的不均匀性，定频技术越来越显示出它的局限性，而变频技术却能很好地适应各种随机变化的系统。 
   PLC对步进电机的控制
    PLC是广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越**。为了配合步进电机的控制，许多PLC都内置了脉冲输出功能，并设置了相应的控制指令，可以很好地对步进电机进行控制，图1是松下FP0-C16T晶体管输出型PLC的输出电路结构。

图1 PLC输出电路图

    FP0-C16T型PLC有两个脉冲输出端Y0和Y1端，随着控制方式的不同，有三种脉冲输出形式。
    ·这两个脉冲输出端可以用来作为两个不带加减速的单相脉冲输出端，主要使用PLS和SPD1指令进行控制，颠率范围为0Hz_10KHz，可以连续输出，也可以脉冲中形式输出，可以同时单独输出。
   ·可以作为两相可变占空比的连续脉冲输出端，主要使用PWM指令控制，占空比设置范围为0%_。频率设置范围0.1Hz_999.9Hz。
   ·可以作为带梯形加减速的两相脉冲输出，主要使用PULS和SPD1指令控制，频率变化范围0Hz_10KHz，加减速率10Hz／10ms_10KHz／10ms，可以连续输出，也可以脉冲串形式输出，这里又分为两种控制方式，一种是脉冲+方向控制(Y0、Y1输出脉冲，Y2、Y3输出方向)，一种是正反向脉冲输出(Y0输出CW脉冲，Y1输出CCW脉冲)。如果使用Y0、Y2分别进行脉冲、方向控制，控制系统如图2所示。如果使用Y0作为脉冲输出，可以通过如图3所示的方法实现两相脉冲输出。

图2  脉冲、方向输出图

图3  双脉冲输出图

    PLC控制步进电机在送经装置上的应用
    采用PLC控制的步进电机的变频特性运用在纺织机的送经装置中很好地解决了经纱内部张力不均匀的问题，使产品的质量产生了质的飞跃。

    经纱张力信号检测
    本装置是通过检测后梁的摆动是否超出范围来检测经纱张力的波动是否满足要求，不满足要求时就控制送经装置予以调整。如图4，当经纱2的张力发生波动时，活动后梁4带动张力感应杆5绕点O摆动。当检测片6进入接近开关7的有效作用区时，接近开关7就发出一高电平信号。以PLC为核心的控制器根据这一信号和主轴位置信号，启动步进电机13，驱动织轴送出经纱。接近开关7’是极限张力检测开关。当经纱张力过大或过小时，检测片6将遮挡接近开关7’，7’输出的高电平信号到控制器后，控制器就会关掉织机，以便进行人工处理。主轴位置的检测是为了控制送经运动的允许时间，以避开打纬，保证纬纱能被打紧。主轴位置的检测同样采用的是接近开关非接触式检测。

图4  送经装置结构图

    织轴驱动系统
    织轴驱动系统由步进电机驱动器、步进电机、蜗轮减速器和织轴四部份组成。它的作用原理是：控制系统送来的信号经驱动放大处理后，驱动步进电机转动，然后经过减速器减速，再传动织轴，放出经纱。

    对于织机送经机构，其负载特点是：当步进电机正转送出经纱时，经纱张力不是负载阻力，而是驱动力。因此步进电机只需输出较小力矩，克服蜗杆蜗轮自锁性，织轴即可回转经。此时步进电机转速可能较高(由纬密定)；当步进电机反转张紧经纱时，经纱张力是负载阻力，步进电机需输出较大的驱动转矩，而此时步进电机转速要求较低，步进电机的输出矩频特性(如图5虚线所示)正好与其相适应。因此、步进电机非常适合于这类伺服机构低转速大转矩、高转速小转矩和高精度的要求，是织机送经机构理想的驱动元件。

 
图5  织机送经装置负载转矩图

    送经装置采用的是2相56系列步进电机DM5676A。它的技术指标如下：步距角：1.8_；相电流：2.0A；保持转矩：1.35Nm；静转矩：0.07Nm；转动惯量：4.6*10-5Kgm2。反应式步进电机具有结构简单，经久耐用，力矩－惯性比高、步进频率高、响应快、步距角小等优点，是目前国内外应用多的一种步进电机。

    由于步进电机调速方便、调速范围宽，所以步进电机送经装置不用变换齿轮也能满足纬密2_120根/cm。电子送经装置则不能做到这一点，在此纬密范围内至少需要三档变换齿轮。步进电机送经装置的技术指标如下：   新型无梭织机       1515PRJ剑杆织机
    织物纬密Pw(根／cm)        2_120    220_800    
10_495
    经纱张力T（N）            3920     3920
    织机转速N(r／min)         200_400     150_250

    结语
    实验效果表明，本文研制的步进电机送经装置性能良好，工作可靠。配上多种功能的人机界面后可以实现织轴收放经纱的可视化操作，改变纬密的键盘输入，防止开车横挡，出现异常情况时自动关车报警等功能。