大功率电动机的软启动技术的分析与探讨

大功率电动机的软启动技术的分析与探讨内容摘要：

大功率电机来说， Y 一 △启动仍能产生较大的电流；自耦变压器启动具有启动不便、体积大、滑块触点氧化等缺点；而变频调速启动对于规律负载来说就显得“大材小用”了，且造价高昂 【 25】。 晶闸管软 启 动的基本原理 这种软起动是指运用串接于电源与被控电机之间的软起 动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压的起动方法 【 1】。 软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，通过运用不同的方法，控制三相反向并联晶闸管的导通角，使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。 晶闸管软启动器的特点 （ 1） 减少起动过程引起的电网电压降使之不影响同一供电网其它电气设备的正常运行； （ 2） 对电动机提供平滑的起动过程，降低电机起动过程中线路的冲击电流，减少电动机（传动机械）的冲击电流及对电网和配电系统的冲击，延长电动机（传动机械）使用寿命； （ 3） 减少电磁干扰：硬起动产生的冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行； （ 4） 具有多台电动机控制功能，用一台起动器控制多台电动机的起动，起动电流、起动时间可分别设置；多种起动模式：电压斜坡起动、限流起动、脉冲突跳起动，具有软停车功能； （ 5） 具有完善的保护功能：过载保护、断相保护、过压和欠压保护等。 调压原理 9 利用相位控 制实现电机的三相调压。 如图所示 ， 把三对反并联 的晶闸管 ( 或双向可控硅 )与电机的三相输入端连接 ，三相电阻一电感负载是电动机的等效电路 ，此时负载可按 Y 或△连接。 图 此电路中由于没有中线 ， 所以在工作时若要负载电流流通，至少一要有两相构成通路。 为保证启动时两个晶闸管同时导通，及在感性负载与控制角较大 时仍能保证不同相的正反 向两个晶闸管同时导通， 要求采用 6 0℃ 的宽脉冲角或双脉冲触发电路。 为保证输出电压对称并有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号除了与相应的交流电源有一致 的相序外，各触发信号之间还须保持一定 KZ KZ KZ KZ KZ KZ6，的相位关系。 这就要求三相调压电路中各晶闸管触发脉冲的序列应如图 中的，相邻两个晶闸管的触发脉冲信号相位差为 2π∕ 3。 由于电机自感电势的作用，电流要滞后一个角度才能为零关断晶闸管。 因此，要求晶闸管的移相控制角与负载电路的参数阻抗角西的关系为：φ≤α≤ 150℃ ， 而 φ = t g ﹣185。 ω L ／ R ， 它 们 与 晶 闸 管 导 电 角 θ 的 关 系 如 图 10 图 因有 晶闸管的电流滞后特性，直接采用图 的控制模式容易出现电压波形缺口与电流波形振荡。 为解决晶闸管不在零电流时关断，而在一个很小的反电流下才关断的问题，采用与晶闸管并联 RC 回路来吸收负载电路电感中的能量，以使到达电机的电压、电流具有连续性。 内部含有部分谐波分量，由于线电流对称因而只有奇次谐波，而 3 次谐波已经抵消了，只剩部分高次谐波。 这种分量虽然影响功率的输出，并能使电机发热，但对电机的启动影响不大。 电力电子软启动器的原理和性能 (1)电机电力电子软启动装置采用电力电子集成电路，由 PLC 或单片机数字控制的调压 (电流 )节能的电机软启动设备。 它主要是串接在电机电源回路中，实时控制电动机的启动电压或电流，由此起到调整电机的起动力矩，实现电机的软启动 【 11】。 电子软启动可以满足电动机软启动、软停机及运行过程中功率因数 自动调节。 一般的电子软启动器都适用于三相 220 V 一 690 V AC 电压等级，具有比较完善的故障检测功能，能在运 11 行过程中检测任何异常状态 ，并通过不同的指示灯显示各类故障，配套相应的晶闸管主回路及 RC 吸收单元可组成一高性能的电动机软启动控制器，并能适用于任何负载场合的电动机的控制。 与变频调速器想比，它具有造价低，操作简单，容易维修等优点，尤其适用于大功率的电动机启动控制 ， 见 图 图 软启动器原理图 (2)电机电力电子软启动的技术性能主要包括： 一 是根据电机的硬性特性的要求，可分别独立设定电机的软启动、软停机时间； 二 是实现运行过程中的功率因数 自动追踪调节功能，使 cos oc1sinq~oc0； 三 是适用主回路电压：三相 220— 6900 V AC 50／ 60H2 自动选择相序自动检测； 四 是一次系统的电压和电流及功率因数的控制是采用数字脉冲，二 次控制系统为集成数字控制设备，耗电低。 (3)电机电力电子软启动的起动方式：根据电机不同负载的要求电子软启动器一般都具备以下三种起动方式：电压控制启动方式、限流启动 方式、转矩加脉冲突跳启动方式。 (4)电机电子软启动系统的运行方式分为： 节 能运行方式、全压运行方式、接触器旁路运行方式。 12 液态软启动装置 GZ YQ 高压交流电动机液态智能软起动装置在世界上第一次利用液体电阻的负温 度特性，在电动机定子回路串接液态可变电阻，通过可编程控制器，改变液体中两个极板的间距来改变电阻的大小，从而达到控制电动机起动电流的目的 【 4】。 使用该装置无任何谐波污染；可根据电机参数和工况，预测、控制和调整起动电流；起动过程平滑，起动／ 运行切换无冲击；采用 P L C 控制技术，实现计算机远端通讯及集中控制。 目前该电动机液态智能软起动装置已成功应用于济南济钢集团鲍德气体公司 1 5 0 0 0 M ／ h 制氧机 1 0 0 0 0 k W 主电机智能软起动 、柳 州 I 钢铁股份公司炼铁 6 高炉 1 3 5 0 0 k W 风机带载智能软起动。 另外，还在延安延长石油管理局永坪炼油厂催化裂化装置改造工程风机主电机软起动设备、浙江杭州杭钢的 2 万空分空压机组软起动设备和首钢集团首秦金属材料公司宽厚板技改工程 1 0 0 0 0 k W 风机主电机软起动设备的招标中中标。 靠近管壁四周的气流向管中心加速，平均流速增高到达截面 BB 后，气流截面收缩到最小，平均流速达到最大，经过截面 BB 后，气流截面开始扩大膨胀，到达截面 CC 后又恢复正常 ， 气流在节流孔板附近形成涡流 ， 气流不仅有横向脉动还有逆向运动流动状态十分复杂 【 5】。 由于有涡流现象，伴随有能量损失，导致节流孔板有一定的阻力，这就是节流孔 板的节流原理。 13 图 气流通过节流 孔 板的情况 气流通过节流孔板时，其体积流量是不随时间变化的，并遵循由连续性方程和伯努利方程推导出的流量方程式： PCQ dv   241 24 （ ） 式中： vQ 气体体积流量， sm3 C 流出系数，与雷诺 数有关  直径比， Dd ， d 和 D 的定义参 p 气体平均密度， mkg 3 p 气流通过节流孔板前后的压差， pa 节流孔板技术多用在钢铁企业中的大型除尘系统中，其外形与对应管路尺寸一致。 该装置结构简 单，体积小，造价低，平衡精度高，运行效果较好。 高压磁饱和软 启 动 高压磁饱和软起动的工作原理。 磁性材料都有自身的磁饱和特性，磁性材料的饱和过程为一条曲线，在额定电流通过时，磁性材料不会饱和，曲线在上升阶段，达不到拐点；如果通过超过额定电流几倍的电流时，磁性材料会迅速饱和，自身的压降在短时间内也随着变化。 如果合理利用磁性材料的这一特性，计算电流导通与达到饱和的时间，设计不同截面、不同电流、不同匝数的线圈，再与电机的起动特性相结合，就能通过线圈的磁饱和的过程调节电机的起动电压，从而实现电压由低到高的电机的软起动。 14 图 磁化曲线 图 调压原理 高压磁饱和软起动器的特点： （ 1）采用环形铁心经过退火工艺处理，保证磁性材料的稳定性。 （ 2）分三相单体线圈设计，每相一个线圈，互相独立，安全，可靠。 （ 3）大线径高档线穿绕环形铁心，过载能力强，油箱油散热性好，永不 坏。 （ 4）起动起始电压 65%，设定电压 95%，中间为自动调整升压过程。 （ 5）电流型设计，有电流时电压才变化。 （ 6）输入与输出共六个端子，接线不分方向，不考虑相序，没有控制电路。 （ 7）适应电机频繁起动，尤其对 10kV。 200~1250kV 大功率重载电机的起动 比较理想。 （ 8）准软起动特性，性能优于高压电抗器，接近高压软起动器，性价比高。 5 大功率电动机软启动的比较与分析 电力电子软启动器的缺点 分析 （ 1） 因为 用电负荷的单机容量越来越大，要求电力电子装置的容量也越来越大，对电力电子器件的电压容量和电流容量的要求也就越来越大，这是当前电力电子技术的一个难点问题。 目前 只有靠串并。