【論文關(guān)鍵詞】異步電動(dòng)機(jī);軟起動(dòng);調(diào)壓調(diào)速
【論文摘要】本文對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)問(wèn)題做了分析和研究,提出了異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行的綜合控制方案。
1 前言
目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動(dòng)機(jī)(包括380V/660V低壓電動(dòng)機(jī)和3KV/6KV中壓電動(dòng)機(jī)),有相當(dāng)多的異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài),白白地浪費(fèi)掉大量的電能。究其原因,大致是由以下幾種情況造成的:
�、儆捎诖蟛糠蛛姍C(jī)采用直接起動(dòng)方式,除了造成對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和事故之外,8~10倍的起動(dòng)電流造成巨大的能量損耗。
②在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量選配時(shí),往往片面追求大的安全余量,且層層加碼,結(jié)果使電動(dòng)機(jī)容量過(guò)大,造成“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn),運(yùn)行效率和功率因數(shù)降低。
③從電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械自身的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮,往往要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)能力,若用定速定壓拖動(dòng),勢(shì)必造成大量的額外電能損失。
2異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)
由于工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展,對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能提出了越來(lái)越高的要求,歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面;
�、� 求電動(dòng)機(jī)有足夠大的,并且能平穩(wěn)提升的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線(xiàn);
�、诒M可能小的起動(dòng)電流;
�、燮饎�(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠,起動(dòng)操作方便;
�、芷饎�(dòng)過(guò)程中的功率消耗應(yīng)盡可能的少。
根據(jù)以上相互矛盾的要求和電網(wǎng)的實(shí)際情況,通常采用的起動(dòng)方式有兩種:一種是在額定電壓下的直接起動(dòng)方式,另一種是降壓起動(dòng)方式。
2.1直接起動(dòng)的危害
�、匐娋W(wǎng)沖擊:過(guò)大的起動(dòng)電流(空載起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的4~7倍,帶載起動(dòng)時(shí)可達(dá)8~10倍或更大),會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降,影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行,還可能使欠壓保護(hù)動(dòng)作,造成設(shè)備的有害跳閘。同時(shí)過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱,從而加速絕緣老化,影響電機(jī)壽命。
�、跈C(jī)械沖擊:過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損,導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī);轉(zhuǎn)軸扭曲,聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等。
�、蹖�(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成沖擊:起動(dòng)過(guò)程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門(mén)的損傷,縮短使用壽命;影響傳動(dòng)精度,甚至影響正常的過(guò)程控制。
2.2老式降壓起動(dòng)方式的適用場(chǎng)合及性能比較:
降壓起動(dòng)的目的是減小起動(dòng)電流,但它同時(shí)也使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降了。對(duì)于重載起動(dòng),帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械,就不能用這種方式起動(dòng)。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法:
(1)星形/三角形轉(zhuǎn)換器:這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用△接法的電動(dòng)機(jī)。定子有六個(gè)接頭引出,接到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上,起動(dòng)時(shí)采用星形接法,起動(dòng)完畢后再切換成△接法。起動(dòng)電壓為220V,運(yùn)行電壓為380V。這種起動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單,起動(dòng)過(guò)程中消耗能量少。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊,設(shè)備故障率高,需要經(jīng)常維護(hù),所以不宜使用在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上。
(2)自耦變壓器降壓起動(dòng):三相自耦變壓器(也稱(chēng)補(bǔ)償器)高壓邊接電網(wǎng),低壓邊接電動(dòng)機(jī),一般有幾個(gè)分接頭,可選擇不同的電壓比,相對(duì)于不同起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電壓可以選擇,如0.65.0.8或0.9UN,以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。缺點(diǎn)是體積大,重量重,且要消耗較多有色金屬,故障率高,維修費(fèi)用高。
(3) 對(duì)于繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī),可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實(shí)現(xiàn)起動(dòng),待起動(dòng)完成后再將其切除。但頻敏變阻器成本高,而水電阻損耗又大。
值得指出的是:盡管各種老式降壓起動(dòng)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn):就是沒(méi)有諧波污染。
2.3新型的電子式軟起動(dòng)器
所謂“軟起動(dòng)”,實(shí)際上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過(guò)程。目前的軟起動(dòng)器一般有以下幾種起動(dòng)方式:
(1) 限流軟起動(dòng):限流起動(dòng)顧名思義就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值(Im)的軟起動(dòng)方式。主要用在輕載起動(dòng)的負(fù)載的降壓起動(dòng),其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng),直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im,然后在保持輸出電流I 這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小,且可按需要調(diào)整,(起動(dòng)電流的限值Im必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)設(shè)定,Im設(shè)置過(guò)小,將會(huì)使起動(dòng)失敗或燒毀電機(jī)。)對(duì)電網(wǎng)電壓影響小。其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降,不能充分利用壓降空間,損失起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,起 動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。
(2)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng):主要用在重載起動(dòng),它是按電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩線(xiàn)性上升的規(guī)律控制輸出電壓,它的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑、柔性好,對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利,同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊,是最優(yōu)的重載起動(dòng)方式。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。
(3)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣也是用在重載起動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩,克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩,然后轉(zhuǎn)矩平滑上升,可縮短起動(dòng)時(shí)間。但是,突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖,干擾其它負(fù)荷,使用時(shí)應(yīng)特別注意。
(4)電壓控制起動(dòng)是用在輕載起動(dòng)的場(chǎng)合,在保證起動(dòng)壓降的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,盡可能地 縮短起動(dòng)時(shí)間,是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式。
2.4軟起動(dòng)器的適用場(chǎng)合
(1)生產(chǎn)設(shè)備精密,不允許起動(dòng)沖擊,否則會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品不良后果的場(chǎng)合;
(2)電動(dòng)機(jī)功率較大,若直接起動(dòng),要求主變壓器容量加大的場(chǎng)合;
(3)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格,對(duì)壓降要求≤10% UN的供電系統(tǒng);
(4)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高,可進(jìn)行空載或輕載起動(dòng)的設(shè)備。
嚴(yán)格地講,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)小于額定轉(zhuǎn)矩50%的拖動(dòng)系統(tǒng),才適合使用軟起動(dòng)器解決起動(dòng)沖擊問(wèn)題。對(duì)于需重載或滿(mǎn)載起動(dòng)的設(shè)備,若采用軟起動(dòng)器起動(dòng),不但達(dá)不到減小起動(dòng)電流的目的,反而會(huì)要求增加軟起動(dòng)器晶閘管的容量,增加成本;若操作不當(dāng),還有可能燒毀晶閘管。此時(shí)只能采用變頻軟起動(dòng)。因?yàn)檐浧饎?dòng)器調(diào)壓不調(diào)頻,轉(zhuǎn)差功率始終存在,難免過(guò)大的起動(dòng)電流;而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式,可實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)流軟起動(dòng),且可提供1.2~2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,特別適用于重載起動(dòng)的設(shè)備。但是變頻器的價(jià)格就要比軟起動(dòng)器的價(jià)格高得多了。
3 異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速
異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速屬低效調(diào)速方式,因?yàn)樵谡{(diào)速過(guò)程中始終存在轉(zhuǎn)差損耗,因此調(diào)壓調(diào)速有很大的限制,不是任何一臺(tái)普通的籠型電機(jī)加上一套晶閘管調(diào)壓裝置,就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的。
首先必須改變電動(dòng)機(jī)的外特性,新的外特性必須使電動(dòng)機(jī)有一個(gè)寬廣的穩(wěn)定的調(diào)速范圍。一般要采用高轉(zhuǎn)差率電機(jī),交流力矩電機(jī)或在繞線(xiàn)式電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中串接電阻的方法,并且要加上轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,才能進(jìn)行穩(wěn)定的調(diào)速。
其次是要將調(diào)速過(guò)程中由于轉(zhuǎn)差功率引起的轉(zhuǎn)子的溫升很好地導(dǎo)出機(jī)外,才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。這里可采取旋轉(zhuǎn)熱管結(jié)構(gòu),也可采取特殊風(fēng)道冷卻結(jié)構(gòu),都是行之有效的方法。
在電力電子技術(shù)高度發(fā)展的今天,變頻調(diào)速裝置的價(jià)格已不再昂貴的情況下,再考慮調(diào)壓調(diào)速,似乎已無(wú)多大的現(xiàn)實(shí)意義了。
4結(jié)論
(1)電子式軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,較之傳統(tǒng)的△/Y起動(dòng)器,自耦變壓器起動(dòng)器具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪音、重量輕、體積小,起動(dòng)電流及起動(dòng)時(shí)間可控制,起動(dòng)過(guò)程平滑等優(yōu)點(diǎn),并且維護(hù)工作量小。當(dāng)電動(dòng)機(jī)空載或輕載時(shí),節(jié)能效果顯著,特別適用于短時(shí)滿(mǎn)載,長(zhǎng)時(shí)間空載的負(fù)載。
(2)對(duì)于高轉(zhuǎn)差電機(jī),實(shí)心轉(zhuǎn)子電機(jī),力矩電機(jī)等,尤其是在帶風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載時(shí),有較好的調(diào)速性能,但不適用于普通的籠型電機(jī)調(diào)速。
(3)采用智能控制器,具有完善的電機(jī)保護(hù)功能,保護(hù)整定值設(shè)置方便,保護(hù)性能可靠。
(4)其最大缺點(diǎn)是由于采用晶a閘管移相控制,故對(duì)電網(wǎng)及電機(jī)均存在諧波干擾。
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