交流
異步電動機(jī)作為電氣傳動主要的原動力,在啟動控制中,我們常用的有全壓直接啟動和降壓啟動兩種方式。作為傳統(tǒng)的啟動方式如頻敏電阻啟動、自藕
變壓器啟動等,有著起動難、沖擊電流大等各種弊端。近年來,隨著
變頻器及軟啟動技術(shù)的發(fā)展,從根本上解決了電機(jī)啟動控制中存在的一些難題,特別是軟啟動技術(shù)在解決大、中容量的電機(jī)啟動問題中有著卓越的功能,可以說是替代傳統(tǒng)啟動方式,特別是降壓啟動的一項(xiàng)新技術(shù)。
2 傳統(tǒng)的電機(jī)啟動方式及其弊端
1.啟動高達(dá)5~7倍的啟動電流,造成電動機(jī)繞組因過熱引起高溫,從而加速絕緣老化;
2.供電網(wǎng)絡(luò)
電壓降過大,當(dāng)電壓≤0.85Un時(shí),影響其他設(shè)備的正常使用,尤其是欠壓保護(hù)動作;
3.啟動時(shí)能量損失過大,浪費(fèi)電能,尤其是當(dāng)頻繁啟動時(shí);
4.對被帶動的設(shè)備造成極大的沖擊力,縮短設(shè)備使用壽命,影響精確度;
5造成機(jī)械傳動部件的非正常磨損,加速設(shè)備老化,縮短壽命;
6.接觸器等控制設(shè)備故障率較高。
因此,對電動機(jī)啟動是否能直接啟動有著一定的限制條件:
a.機(jī)械設(shè)備是否允許電機(jī)直接啟動,這是先決條件;
b.直接啟動時(shí),不允許電機(jī)的容量大于10%—15%主變壓器的容量;
c.啟動過程中電壓降△U不大于15%Un。
以往的解決中、大功率電動機(jī)的啟動問題往往采用一些傳統(tǒng)的啟動方式及設(shè)備,如:頻敏變阻器啟動(只適用于繞線式電機(jī))、自藕變壓器降壓啟動、Y/△轉(zhuǎn)換方式啟動、延邊三角形啟動方式等。他們的啟動方式性能如下:
注:Un:額定電壓lq、Mq:電動機(jī)全壓啟動時(shí)電流及啟動轉(zhuǎn)矩
K:降壓系數(shù)=Uq/Un,Uq啟動電壓。
這些傳統(tǒng)的降壓啟動方式普遍存在著起動設(shè)備復(fù)雜,部分啟動方式存在啟動電流大或啟動轉(zhuǎn)矩偏小的弊端,而且在電機(jī)的運(yùn)行保護(hù)方面,存在著功能不甚完善或不靈敏的情況。而軟啟動技術(shù)作為一種先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù),在這些方面與傳統(tǒng)的控制方式相比,有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn),是控制技術(shù)的發(fā)展方向。
3 軟啟動技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)
軟啟動是電動機(jī)啟動的一種新技術(shù),完全取代Y—△起動、自藕變壓器啟動等傳統(tǒng)
起動器,廣泛
應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域。
軟啟動器是微處理器和大功率
晶閘管相結(jié)合的新技術(shù),用微處理器控制晶閘管導(dǎo)通角,從而改變晶閘管的輸出電壓來達(dá)到降壓啟動的功能。
軟啟動器在電動機(jī)控制的應(yīng)用中有以下優(yōu)點(diǎn):
3.1 提供靈活的啟動方式選擇及優(yōu)異的啟動特性
可提供軟啟動、帶可選突跳啟動的
軟起動、限流起動及雙斜坡啟動和全壓啟動等啟動方式選擇,用戶可根據(jù)自身要求及系統(tǒng)電網(wǎng)要求來選擇相應(yīng)的啟動方式并設(shè)置起動參數(shù),以達(dá)到佳的啟動效果,常用的有以下幾種啟動方式:
(1) 限流啟動:該方式為電動機(jī)提供一個(gè)固定電壓的降壓啟動,當(dāng)必須限制大啟動電流時(shí),可選用該方式。電流限制水平可由用戶在電機(jī)滿載電流的50%~60%之間調(diào)節(jié)。
(2) 軟啟動:適用不同斜率電壓增量起動時(shí),是較為常用的啟動方式,電機(jī)得到預(yù)設(shè)定的初始轉(zhuǎn)矩,該轉(zhuǎn)矩可由用戶在轉(zhuǎn)子
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的0%~90%范圍內(nèi)自行設(shè)定。在斜坡加速期間,輸出給電機(jī)的電壓是無級遞增的,當(dāng)軟啟動器的控制器檢測到電機(jī)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),輸出電壓自動切換為全電壓。
(3) 脈沖突跳啟動:適用需要較高啟動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備,以幫助電機(jī)較快地完成啟動過程,它可附加在限流及軟啟動方式中。脈沖時(shí)間可由用戶自行選擇。
3.2 全功能保護(hù)系統(tǒng)
軟啟動器不僅能提供過載保護(hù),而且可提供各種操作故障狀態(tài)下的保護(hù),諸如輸入/輸出缺相、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、晶閘管短路及失壓、過壓、短路等保護(hù),其中,內(nèi)置的過載保護(hù)功能可省去熱繼
電器,使
配電柜內(nèi)布線更加簡單、迅速。此外,不需增加任何傳感器或儀表,可讀取電機(jī)的運(yùn)行參數(shù),如:電流、電壓、功率.千瓦時(shí)及運(yùn)行時(shí)間等。除了擁有強(qiáng)大的保護(hù)功能之外,軟啟動還具有故障自診斷功能,大大減少了以往故障查找與
檢修的時(shí)間,節(jié)省了人力。
3.3 運(yùn)行可靠,維修方便
軟啟動器大電流運(yùn)行無觸點(diǎn),采用交流
開關(guān)無級調(diào)壓,消除了系統(tǒng)中產(chǎn)生接觸不良的影響,且調(diào)壓范圍寬,過載能力強(qiáng),人性化的菜單界面可極為方便地查閱參數(shù)或修改參數(shù),通過附加的通信網(wǎng)絡(luò)接口達(dá)到自動化集中控制。
3.4 節(jié)能運(yùn)行
隨著電機(jī)負(fù)載率的變化,軟啟動自適應(yīng)控制自動調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使電機(jī)運(yùn)行功率因素相應(yīng)提高,同時(shí)降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率損耗。對經(jīng)常啟動且負(fù)載變化頻繁的電機(jī),節(jié)能效果顯著。電機(jī)在負(fù)載到滿載范圍內(nèi)的高綜合
節(jié)電效果可達(dá)損耗的40%左右。
3.5 延長設(shè)備使用壽命,提高生產(chǎn)率
電動機(jī)的軟啟動能有效降低啟動機(jī)械應(yīng)力,減少對傳動元件的機(jī)械沖擊,在液流系統(tǒng)中能有效消除喘振或液擊問題,提高設(shè)備利用率,提高生產(chǎn)率。
4 軟啟動方式與傳統(tǒng)降壓起動在實(shí)際應(yīng)用中的比較
以我廠的一臺離心式通風(fēng)機(jī)電機(jī)起動為例:該電機(jī)容量160kW,額定電流300A,額定電壓380V,供電線路300m,電纜主截面120mm2雙并,供電主變壓器容量1000kVA,電機(jī)為重載起動,在采用全壓直接啟動時(shí)計(jì)算情況如下:
供電變壓器一次側(cè)短路容量
S=SjXjs=Sj/(X1max+X1)=100/(1.088+0.143)=81.2MVA
電動機(jī)額定起動容量
電機(jī)電纜線路電抗
X1=(X0+5/S)×1/2=(0.07+5/120)×0.3/2
?。?.0168
電機(jī)啟動回路額定輸入容量
Sq=1/[(1/Sqd)+(X1/U2m)]=1.19MVA
母線短路容量
Sd1=sb/[Xb+(sb/S′)]=1/[0.0663+(1/81.2)]=12.7MVA
Qfh=0.6(Sb-0.7Sed)=0.517MVA
電機(jī)啟動時(shí)母線電壓
Uqm=[(Sd1+Qfh)+(Sd1+Qfh+Sq)]×0.38=0.917×0.38=0.34KV
電機(jī)啟動時(shí)的端子電壓
Uqd=Uqm×(Sq/Sqd)×0.38=0.917×(1.19/1.38)×0.38=0.30kV
注:Kq(電機(jī)額定啟動電流倍數(shù));X1—線路阻抗,計(jì)入電阻后取(X0+5/S)/1,S—電纜截面;Um—母線額定電壓(取6.3kV),Sb—供電變壓器額定容量;S′—供電變壓器一次側(cè)短路容量;Sed—電機(jī)額定容量,Sj—基準(zhǔn)容量(取100MVA);GD2—機(jī)組的總飛輪距;ne—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;mqp—電機(jī)平均起動轉(zhuǎn)矩相對值;mj—機(jī)組的靜阻轉(zhuǎn)矩相對值
該電機(jī)起動時(shí),系統(tǒng)母線電壓下降了40V左右,電機(jī)的端子電壓只有原電壓的79%左右,低于電機(jī)直接起動所需85%端子電壓的要求,不符合啟動要求。
若采用自藕變壓器降壓起動,粗略計(jì)算如下:
Sq=1/(1/K2×Sqd+X1/U2m)
?。?/(1/0.82×1.38+0.0168/0.382)
?。?.80MVA
Uqm=[(Sd1+Qfh)/(Sd1+Qfh+Sq)]×0.38
?。?.766×0.38=0.291kV
Uqd=Uqm×(Sq/KSqd)×0.38
=0.766×[4.03/(0.8×1.38)]×0.38
=0.211kV
tq=GD2ne2/365Ped×(u2qdmqp-mj)
=3×7452/365×160×(0.2112×0.54-0.3)
=103s
注:GD2—機(jī)組的總飛輪距;ne—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速;mqp—電機(jī)平均啟動轉(zhuǎn)矩相對值;mj—機(jī)組的靜阻轉(zhuǎn)矩相對值啟動時(shí)間過長,啟動困難且需增加一套降壓啟動設(shè)備。從日常的維護(hù)檢修方面來看,其故障率較高,啟動的電流沖擊對電機(jī)也有不利。
選用軟啟動方式中的軟啟動加脈沖突跳方式進(jìn)行控制,不僅啟動設(shè)備簡單,而且通過下圖可看出:在電機(jī)得到初始的啟動轉(zhuǎn)矩開始,啟動電壓開始無級增加,在選用了突跳啟動功能,可為電機(jī)提供一個(gè)大提升轉(zhuǎn)矩以克服負(fù)載的慣性,較快地完成啟動過程。根據(jù)實(shí)際啟動情況,電機(jī)的實(shí)際啟動時(shí)間為25s。
通過對軟啟動及傳統(tǒng)的自藕變壓器降壓啟動特性比較,也可看出軟起動的優(yōu)越性所在。
5 總結(jié)
傳統(tǒng)的電機(jī)啟動方式雖然現(xiàn)今仍有應(yīng)用,但軟啟動的卓越啟動技術(shù)及保護(hù)功能已逐漸被人們所認(rèn)可,應(yīng)用也越來越廣泛。在交流異步電動機(jī)的啟動控制中,當(dāng)有符合以下七條中的一條或幾條時(shí),使用軟啟動技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、合理地啟動控制電機(jī):
1.正常運(yùn)行時(shí)不要求電機(jī)具有調(diào)速或節(jié)能的速用要求,只加快啟動過程的工作狀態(tài);
2.負(fù)載自身不允許在正常時(shí)產(chǎn)生壓降,降速的可能性;
3.電機(jī)功率較大,為滿足起動條件,要造成主變壓器容量加大的場合,這點(diǎn)可降低配電容量,避免增容投資;
4.對電網(wǎng)電壓波動要求嚴(yán)格,對壓降要求≤10%Un的供電系統(tǒng);
5.設(shè)備精密,不允許高啟動沖擊,從而對產(chǎn)品質(zhì)量要求正常使用產(chǎn)生不良后果的;
6.機(jī)械設(shè)備或負(fù)載工況條件不允許直接啟動或采用老式的降壓啟動;
7.對大、中容量電動機(jī)啟動過程能量損失可觀,需節(jié)能時(shí)。
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