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淺談三相異步電動機(jī)軟啟動控制與保護(hù)

更新時間:2022-01-10 點(diǎn)擊次數(shù): 884次
劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011
摘  要:軟啟動的調(diào)壓模塊一般由三相反并聯(lián)晶閘管組成,可以通過改變晶閘管的觸發(fā)角改變定子的電壓,方便控制,性能良好。文章對三相異步電機(jī)的啟動進(jìn)行概述,分析了軟啟動的原理和特性,介紹了軟啟動系統(tǒng)構(gòu)成及作用,同時分析了軟啟動技術(shù)的*性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞:三相異步電動機(jī);軟啟動控制技術(shù);晶閘管
0引言
      傳統(tǒng)電動機(jī)啟動,對電力系統(tǒng)的各個部件造成重大影響,降低它們的使用壽命,甚至可能形成電網(wǎng)電壓驟降,從而影響電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn),直接影響電網(wǎng)中的其余電氣設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。如此大的電流不但加重了輸入線路、供電網(wǎng)和電機(jī)前方的開關(guān)設(shè)施的負(fù)載,巨大的轉(zhuǎn)矩沖擊導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生劇烈的脈沖。還給用于動力傳遞的輔助設(shè)施,如三角帶、傳動機(jī)構(gòu)和用于動力傳遞的機(jī)械設(shè)備帶來了機(jī)械沖擊,并且無法避免。
      電動機(jī)頻繁使用,再加上它直接啟動帶來的各種危害,一種新的啟動方式——軟啟動應(yīng)運(yùn)而生,如今軟啟動已廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域,與傳統(tǒng)啟動方式相比具有很多優(yōu)勢,而且軟啟動也分為各種啟動的方式,各種方式應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,比如輕載,重載。同時,軟啟動所用材料也各有不同,不同的軟啟動材料也有不同的特點(diǎn),也有各種不同的利弊。因?yàn)殡姍C(jī)的問題,造成工廠出現(xiàn)事故,直接或者間接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)重大的損失。
      由此可以看出,電動機(jī)既是為數(shù)眾多,廣泛應(yīng)用的動力設(shè)備,同時又是國民經(jīng)濟(jì)的薄弱環(huán)節(jié),電動機(jī)的研究保護(hù)設(shè)計以及正確的使用,對于國民經(jīng)濟(jì)有著較重要的意義。
1三相異步電動機(jī)的啟動控制
1.1啟動過程
      異步電動機(jī)在社會的各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,各個行業(yè)如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè),都少不了異步電動機(jī),可見它在日常生活中對人們的重要性。
      電動機(jī)的電壓和電流呈正比,所以要把電壓全加到定子上的話可以減輕啟動電流過大的沖擊,這就是降壓啟動。一般降壓啟動的時候,在這樣的情況下,它們的數(shù)值都不會很高:就是啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩在電壓的情況下,一同增加,一同減小。像這樣的情況,更適合需求啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩都不高的場合。
      為了更加便利,可以采用這樣的辦法:在電機(jī)啟動時,為了避免造成諧波過大,首先可以采用星型連接的方式,在啟動完成后把電路連接方式轉(zhuǎn)換成三角形連接。異步電動機(jī)啟動時要注意:啟動需要的設(shè)備不要復(fù)雜,要簡單,操作要方便;電動機(jī)要有特別大的啟動轉(zhuǎn)矩;啟動轉(zhuǎn)矩相同的情況下,啟動電流小的越適合人們應(yīng)用,功率損耗越小的越受到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)矩和啟動電流是電機(jī)啟動時的兩個重要參數(shù),要兼顧這兩個方面來控制電動機(jī)的啟動。
三相異步電動機(jī)的電機(jī)的磁場與靜止轉(zhuǎn)子相對運(yùn)動后,轉(zhuǎn)子的電流和感應(yīng)電動勢在變大,定子也是如此。但是,過大的啟動電流會導(dǎo)致電壓下降,電壓下降過大會直接影響電網(wǎng)電力設(shè)備的運(yùn)行。如果電壓降低,會使啟動轉(zhuǎn)矩?zé)o法達(dá)到需要的轉(zhuǎn)矩,即使啟動時間再長也會失敗。因而,使用大型變壓器的場所,小容量的三相異步電機(jī)方便啟動。
1.2啟動方法
1.2.1直接啟動
      直接啟動方式如果頻繁地啟動電機(jī),就會造成電壓降低,會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低,從而電網(wǎng)中的設(shè)備正常運(yùn)行受到影響,有時可能無法啟動或終止負(fù)載[3]。直接啟動應(yīng)盡量避免電壓下降,否則一定會無法完成啟動并帶來不好的影響,電機(jī)無法正常的啟動會影響整個電力系統(tǒng)的運(yùn)行。
1.2.2傳統(tǒng)減壓啟動
      根據(jù)電壓幅度的大小能不能連續(xù)可調(diào),可以分為分步調(diào)壓和逐級調(diào)壓。分級電壓調(diào)節(jié)是把電壓分成幾個層次,用較低的電壓水平啟動電動機(jī),并在起動的過程中逐漸變大電壓幅值,一直到電動機(jī)啟動。
1.2.3軟啟動
      三相反并聯(lián)晶閘管以星型方式連接,這樣的電流不會四處流動,四處流動會導(dǎo)致電路中的諧波變大,就好像三角形連接,這樣的連接效果就會導(dǎo)致電路中的諧波變大,損耗增加。啟動完成后,三相晶閘管的旁路接觸器會吸和,以免造成不必要的功率損失。這樣軟啟動的方式性能好,啟動方式平緩,方便于控制,方便于管理電流,缺點(diǎn)就是諧波大。
2三相異步電動機(jī)軟啟動原理和控制方式
2.1軟啟動的工作原理
      晶閘管軟啟動原理如圖1所示,目的是改變異步電機(jī)兩端電壓。加在電機(jī)上的定子電壓逐漸升高額定電壓,實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的軟啟動。啟動完成后,三相晶閘管部分被短路,以免浪費(fèi)功率。軟啟動之所以用三相反并聯(lián)晶閘管,是因?yàn)檐泦右玫氖侨嘟涣麟娫矗砸玫饺喾床⒙?lián)晶閘管,同時為了減小諧波,采用星型的連接方法,三端接到三相交流電源,一端接入電動機(jī),保證了良好的啟動效果和高的效率。
      三角形連接法的三次諧波可以流動,因此繞組中的電流增加,并且繞組的附加銅損耗增加。文章采用的軟啟動方式是星形連接,諧波少。工作時,需要不同的兩相正反相同時導(dǎo)通才可以。同時應(yīng)注意繞組之間的相位關(guān)系,無論是正反向晶閘管的,還是不同相的晶閘管的。
2.2三相異步電機(jī)軟啟動的控制方式
2.2.1斜坡電壓啟動
      電壓斜坡屬于開環(huán)控制,自調(diào)節(jié)能力差。啟動時間長,無限流環(huán)節(jié),啟動中期電流較大,對設(shè)施構(gòu)成損壞,對電網(wǎng)電能品質(zhì)影響較大。此外,由于控制參數(shù)比較單一,控制參數(shù)通常由經(jīng)驗(yàn)選擇,動態(tài)效果不好。不管初始電壓以怎樣的線性斜度上升至額定電壓,上升至額定電壓后,都將保持穩(wěn)定,上升的樣子就像個斜坡一樣,又叫斜坡電壓啟動。無論初始電壓以怎樣的斜率上升,終達(dá)到額定電壓就會趨于平穩(wěn),以此來保證電動機(jī)的順利運(yùn)行。但斜坡電壓啟動無反饋系統(tǒng),這樣不好控制,在此啟動過程中,啟動方法效果單一,只有控制電壓才能啟動。
2.2.2限流啟動
      如果電流限制設(shè)置得小,啟動轉(zhuǎn)矩就會很小,從而無法啟動。因?yàn)檫@種方法的啟動轉(zhuǎn)矩不高,輕載情況更適用于限流啟動,電流先以線性上升,到上限電流后平穩(wěn),直到達(dá)到額定電壓,再恢復(fù)至額定電流,啟動成功。啟動成功后,電流值會從維持了一會的電流值下降,而之前的維持上限電流是為了等待電機(jī)成功啟動,而啟動成功后,則不需要電流如此之大,就會逐漸下降到額定電流。這樣的啟動方式,避免了配置的損壞,而上限電流雖然維持了一會但不會對設(shè)備造成太大的影響。
2.2.3轉(zhuǎn)矩斜坡啟動
      轉(zhuǎn)矩斜坡啟動,轉(zhuǎn)矩曲線的設(shè)置應(yīng)始終大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,并且速度不斷增加。后,將設(shè)定轉(zhuǎn)矩曲線與異步電動機(jī)起動時的輸出曲線進(jìn)行比較,并依據(jù)誤差對晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整。大型泵電機(jī)場合適合用轉(zhuǎn)矩斜坡啟動。大型泵電機(jī)多用大型磁鐵,而磁鐵能提供電磁轉(zhuǎn)矩,由于電磁轉(zhuǎn)矩較大,因此,轉(zhuǎn)矩斜坡啟動更適合大型泵電機(jī)啟動。因?yàn)樨?fù)載屬于耗能器件,如果給的動力小于消耗的動力,則無法提供給電動機(jī)應(yīng)有的動力,就會無法啟動。而隨著初始轉(zhuǎn)矩到達(dá)額定轉(zhuǎn)矩,電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,初始轉(zhuǎn)矩就可以下降了,同時負(fù)載轉(zhuǎn)矩慢慢提高。
      三相異步電機(jī)軟啟動工作原理中的交流調(diào)壓模塊是由三相反并聯(lián)晶閘管組成,控制方式有很多種,都是為了轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩來工作的。這樣的控制方式避免了種種不利因素,以良好的啟動效果實(shí)現(xiàn)啟動。
3三相異步電動機(jī)軟啟動系統(tǒng)
      電動機(jī)軟啟動系統(tǒng)模塊如圖2所示。三相交流電源下有同步電壓檢測模塊,電動機(jī)接有電流檢測模塊,SCR驅(qū)動電路、信號隔離電路都作用于反并聯(lián)晶閘管。晶閘管端電壓檢測模塊可以給功率因數(shù)角控制模塊發(fā)出信號,后32位ARM微處理器把信息投入到液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊,并且和RS485以太網(wǎng)進(jìn)行信息互相交流。其詳細(xì)工作過程如下:LPC2378通過檢測起動接觸器的返回信號,了解電動機(jī)需要軟起動。當(dāng)晶閘管觸發(fā)角和啟動時間小于閾值時,旁路啟動器閉合,并斷開啟動接觸器,使得電機(jī)與電網(wǎng)相連。這樣保證了系統(tǒng)能源的充分利用,使啟動后的電力資源直接供應(yīng)給電機(jī),這樣不僅方便了供電,還提升了電網(wǎng)設(shè)備的耐用性,這種方法為多數(shù)電廠設(shè)備所采用。三相晶閘管可以控制觸發(fā)角度,所以啟動時比較平滑,是連續(xù)的,便于啟動調(diào)節(jié)。
      1)功率單元:主要由六個晶閘管組成,每相由兩個晶閘管逆并聯(lián),每相晶閘管的兩端由旁路接觸器并聯(lián),旁路接觸器用于啟動后的旁路軟起動器。并聯(lián)電容是為了濾波。
      2)檢測單元:三相電壓經(jīng)調(diào)節(jié)電路饋入控制器A/D通道,用于電壓監(jiān)測、過壓、欠壓保護(hù)等。第二種是利用檢測到的晶閘管電壓變換后的方波信號同時進(jìn)入A/D通道,并饋入控制器計算電機(jī)的功率因數(shù)角。
      3)晶閘管觸發(fā)單元:晶閘管觸發(fā)單元能改變定子電壓,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動,是因?yàn)榫чl管觸發(fā)單元能與三相交流電源與三相異步電動機(jī)相連。
      4)外圍拓展單元:這些單元包括信號處理、信號隔離、功率放大、運(yùn)行參數(shù)和故障信息檢測顯示,還有鍵盤輸入電路等。外圍拓展的單元基本包含了與外部器件相關(guān)的功能與應(yīng)用。
      文章對系統(tǒng)的硬件部分做了分析與應(yīng)用,同時對硬件部分在系統(tǒng)中的應(yīng)用做了介紹。硬件部分有主要器件、電源模塊、主電路、同步信號采集模塊、電流檢測電路,它們是硬件部分的各個模塊,起到不同的作用。
4安科瑞ARD系列智能電動機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型
4.1產(chǎn)品簡介
      ARD該系列低壓電動機(jī)保護(hù)器,具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能??膳c接觸器、電動機(jī)起動器等電器元件構(gòu)成電動機(jī)控制保護(hù)單元,具有遠(yuǎn)程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。應(yīng)用范圍:可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。
4.2產(chǎn)品選型
      產(chǎn)品功能
說明:“√"表示具備“■"表示可選
 
5結(jié)束語
      文章介紹了三相異步電機(jī)的各個方面,包括了它的啟動過程、啟動方法、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。在三相異步電機(jī)的啟動過程中,應(yīng)盡量避免電壓降,過大的啟動電流,同時啟動轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該列為重要的參數(shù)之一,不斷觀察啟動轉(zhuǎn)矩,以免電動機(jī)啟動失敗。眾多啟動方法中,應(yīng)用參數(shù)用到了電壓、電流、電磁轉(zhuǎn)矩,這些都可以作為電機(jī)啟動過程中啟動的因素。今后電機(jī)的啟動的發(fā)展方向會趨向節(jié)能,保護(hù)電機(jī),效率高,耐用性高的方向,三相晶閘管應(yīng)用更受大多數(shù)電機(jī)的應(yīng)用,在以后的應(yīng)用中應(yīng)該加入一個快速熔斷器,防止在調(diào)壓的過程中晶閘管的損壞。
【參考文獻(xiàn)】
[1]馬勇,陶玉麒,蔡桂民.基于 DSP 的電機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].電工技術(shù),2016(10):1-2.
[2]劉攀,梁里鵬.三相異步電動機(jī)軟啟動控制技術(shù)研究[J].機(jī)電技術(shù)應(yīng)用,2020(04):165-166.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.
作者簡介:
      張雙,女,本科安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)殡妱訖C(jī)保護(hù)器的設(shè)計與應(yīng)用


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