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电机是现代工农业生产和交通运输的重要设备,与电机配套的控制设备的性能已经成为用户关注的焦点。电机的控制包括电机的起动、调速和制动。异步电动机由于具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等优点,因而在电力拖动平台上得到了广泛应用。据统计,其耗电量约占全国发电量的40%左右。当电机并入电网时,电机转速从静止加速到额定转速的过程称为电机的起动过程。异步电动机的起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。因此在電机的起动过程中,如何降低起动电流,增大起动转矩,一直是机电行业的专家们探讨的重要课题。
目前最常见的是直接起动方式,就是用闸刀开关或者接触器把电机的定子绕组直接接到电网上。这种方式的优点是操作和起动设备简单,缺点是起动电流很大。一般鼠笼式异步电机直接起动的电流是额定电流的4-7倍,某些国产电机甚至可达8-12倍,起动转矩是额定转矩的1-2倍。
为了解决直接起动带来的一系列问题,人们采用了各种降压起动技术,目前应用较为普遍的有自耦降压起动、串电阻或串电抗起动、Y-△起动和延边三角形起动等方法。这些传统降压起动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾,但它们只是缩短了大电流冲击的时间,并没有从本质上解决问题。而且这些起动设备还存在一些固有的缺点:如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维修工作量大以及浪费能源等问题。随着自动化、机械化要求日益提高,这些矛盾变得更加突出。
为了使电机能够迅速达到额定转速正常工作,要求电机具有足够大的起动转矩且起动电流不能太大。因此,总是希望在起动电流较小的情况下,能获得较大的起动转矩。近几年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和连续调节电流成为可能。电力半导体器件的开关功能实际上无磨损、寿命长、功耗小,加之微机控制技术,现代控制理论与电力电子技术的紧密结合,为电机的起动节能提供了全新的思路从而出现了电机软起动技术。软起动技术具有传统起动方法无法比拟的优势。
1软起动器简介
XPD系列B型交流电动机软起动器是采用电力电子技术,微处理技术及现代控制理论而设计生产的具有当今国际先进水平的新型起动设备。该产品能有效地限制交流异步电动机起动时的起动电流,可广泛应用于风机、水泵、输送类及压缩机等负载,是传统的星/三角转换、自耦降压、磁控降压等降压设备的理想换代产品。
目前在各个采油厂中使用着大量的交流异步电动机(包括380V/660V低压电动机和3KV/6KV中压电动机),有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行的状态,白白地浪费掉大量的电能。究其原因,大致是由以下几种情况造成的:
1)由于大部分电机采用直接起动方式,除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外,8-10倍的起动电流造成巨大的能量损耗。
2)在进行电动机容量选配时,往往片面追求大的安全余量,且层层加码,结果使电动机容量过大,造成“大马拉小车”的现象,导致电动机偏离最佳工作状态,运行效率和功率因数降低。
3)从电动机拖动的生产机械自身的运行经济性考虑,往往要求电力拖动系统具有变压、变速调节能力,若用定速定压拖动,势必造成大量的额外电能损失。
2异步电动机的软起动
由于工业生产机械的不断更新和发展,对电动机的起动性能提出了越来越高的要求,归纳起来有以下几个方面:
1)要求电动机有足够大的,并且能平稳提升的起动转矩和符合要求的机械特性曲线。
2)尽可能小的起动电流。
3)起动设备尽可能简单、经济、可靠,起动操作方便。
4)起动过程中的功率消耗应尽可能的少。根据以上相互矛盾的要求和电网的实际情况,通常采用的起动方式有两种:一种是在额定电压下的“直接起动”,另一种是“降压起动”。
2.1直接起动的危害
1)电网冲击。过大的起动电流(空载起动电流可达额定电流的4-7倍,带载起动时可达8-10倍或更大),会造成电网电压下降,影响其他用电设备的正常运行,还可能使欠压保护动作,造成设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热,从而加速绝缘老化,影响电机寿命。
2)机械冲击。过大的冲击转矩往往造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损,导致击穿烧机;转轴扭曲,联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。
3)对生产机械造成冲击。起动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤,缩短使用寿命;影响传动精度,甚至影响正常的过程控制。
值得指出的是,尽管各种老式降压起动方法各有其优缺点,但它们有一个共同的优点,没有谐波污染。
2.2 新型的电子式软起动器
所谓“软起动”,实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程。目前的软起动器一般有以下几种起动方式:
1)限流软起动。限流起动顾名思义就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值(Im)的软起动方式。主要用在轻载起动的负载的降压起动,其输出电压从零开始迅速增长,直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im,然后在保持输出电流I,这种起动方式的优点是起动电流小,且可按需要调整,(起动电流的限值Im必须根据电动机的起动转矩来设定,Im设置过小,将会使起动失败或烧毁电机)。对电网电压影响小。其缺点是在起动时难以知道起动压降,不能充分利用压降空间,损失起动转矩,起 动时间相对较长。
2)转矩控制起动。主要用在重载起动,它是按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压,它的优点是起动平滑、柔性好,对拖动系统有利,同时减少对电网的冲击,是最优的重载起动方式。它的缺点是起动时间较长。
3)转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样也是用在重载起动的场合。所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩,克服拖动系统的静转矩,然后转矩平滑上升,可缩短起动时间。但是,突跳会给电网发送尖脉冲,干扰其它负荷,使用时应特别注意。
4)电压控制起动是用在轻载起动的场合,在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩,尽可能地 缩短起动时间,是最优的轻载软起动方式。
严格地讲,起动转矩应当小于额定转矩50%的拖动系统,才适合使用软起动器解决起动冲击问题。对于需重载或满载起动的设备,若采用软起动器起动,不但达不到减小起动电流的目的,反而会要求增加软起动器晶闸管的容量,增加成本;若操作不当,还有可能烧毁晶闸管。此时只能采用变频软起动。因为软起动器调压不调频,转差功率始终存在,难免过大的起动电流;而变频器采用调频调压方式,可实现无过流软起动,且可提供1.2-2倍额定转矩的起动转矩,特别适用于重载起动的设备。但是变频器的价格就要比软起动器的价格高得多了。
异步电动机的调压调速属低效调速方式,因为在调速过程中始终存在转差损耗,因此调压调速有很大的限制,不是任何一台普通的笼型电机加上一套晶闸管调压装置,就可以实现调压调速的。 在电力电子技术高度发展的今天,变频调速装置的价格已不再昂贵的情况下,再考虑调压调速,似乎已无多大的现实意义了。
目前最常见的是直接起动方式,就是用闸刀开关或者接触器把电机的定子绕组直接接到电网上。这种方式的优点是操作和起动设备简单,缺点是起动电流很大。一般鼠笼式异步电机直接起动的电流是额定电流的4-7倍,某些国产电机甚至可达8-12倍,起动转矩是额定转矩的1-2倍。
为了解决直接起动带来的一系列问题,人们采用了各种降压起动技术,目前应用较为普遍的有自耦降压起动、串电阻或串电抗起动、Y-△起动和延边三角形起动等方法。这些传统降压起动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾,但它们只是缩短了大电流冲击的时间,并没有从本质上解决问题。而且这些起动设备还存在一些固有的缺点:如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维修工作量大以及浪费能源等问题。随着自动化、机械化要求日益提高,这些矛盾变得更加突出。
为了使电机能够迅速达到额定转速正常工作,要求电机具有足够大的起动转矩且起动电流不能太大。因此,总是希望在起动电流较小的情况下,能获得较大的起动转矩。近几年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和连续调节电流成为可能。电力半导体器件的开关功能实际上无磨损、寿命长、功耗小,加之微机控制技术,现代控制理论与电力电子技术的紧密结合,为电机的起动节能提供了全新的思路从而出现了电机软起动技术。软起动技术具有传统起动方法无法比拟的优势。
1软起动器简介
XPD系列B型交流电动机软起动器是采用电力电子技术,微处理技术及现代控制理论而设计生产的具有当今国际先进水平的新型起动设备。该产品能有效地限制交流异步电动机起动时的起动电流,可广泛应用于风机、水泵、输送类及压缩机等负载,是传统的星/三角转换、自耦降压、磁控降压等降压设备的理想换代产品。
目前在各个采油厂中使用着大量的交流异步电动机(包括380V/660V低压电动机和3KV/6KV中压电动机),有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行的状态,白白地浪费掉大量的电能。究其原因,大致是由以下几种情况造成的:
1)由于大部分电机采用直接起动方式,除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外,8-10倍的起动电流造成巨大的能量损耗。
2)在进行电动机容量选配时,往往片面追求大的安全余量,且层层加码,结果使电动机容量过大,造成“大马拉小车”的现象,导致电动机偏离最佳工作状态,运行效率和功率因数降低。
3)从电动机拖动的生产机械自身的运行经济性考虑,往往要求电力拖动系统具有变压、变速调节能力,若用定速定压拖动,势必造成大量的额外电能损失。
2异步电动机的软起动
由于工业生产机械的不断更新和发展,对电动机的起动性能提出了越来越高的要求,归纳起来有以下几个方面:
1)要求电动机有足够大的,并且能平稳提升的起动转矩和符合要求的机械特性曲线。
2)尽可能小的起动电流。
3)起动设备尽可能简单、经济、可靠,起动操作方便。
4)起动过程中的功率消耗应尽可能的少。根据以上相互矛盾的要求和电网的实际情况,通常采用的起动方式有两种:一种是在额定电压下的“直接起动”,另一种是“降压起动”。
2.1直接起动的危害
1)电网冲击。过大的起动电流(空载起动电流可达额定电流的4-7倍,带载起动时可达8-10倍或更大),会造成电网电压下降,影响其他用电设备的正常运行,还可能使欠压保护动作,造成设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热,从而加速绝缘老化,影响电机寿命。
2)机械冲击。过大的冲击转矩往往造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损,导致击穿烧机;转轴扭曲,联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。
3)对生产机械造成冲击。起动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤,缩短使用寿命;影响传动精度,甚至影响正常的过程控制。
值得指出的是,尽管各种老式降压起动方法各有其优缺点,但它们有一个共同的优点,没有谐波污染。
2.2 新型的电子式软起动器
所谓“软起动”,实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程。目前的软起动器一般有以下几种起动方式:
1)限流软起动。限流起动顾名思义就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值(Im)的软起动方式。主要用在轻载起动的负载的降压起动,其输出电压从零开始迅速增长,直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im,然后在保持输出电流I,这种起动方式的优点是起动电流小,且可按需要调整,(起动电流的限值Im必须根据电动机的起动转矩来设定,Im设置过小,将会使起动失败或烧毁电机)。对电网电压影响小。其缺点是在起动时难以知道起动压降,不能充分利用压降空间,损失起动转矩,起 动时间相对较长。
2)转矩控制起动。主要用在重载起动,它是按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压,它的优点是起动平滑、柔性好,对拖动系统有利,同时减少对电网的冲击,是最优的重载起动方式。它的缺点是起动时间较长。
3)转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样也是用在重载起动的场合。所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩,克服拖动系统的静转矩,然后转矩平滑上升,可缩短起动时间。但是,突跳会给电网发送尖脉冲,干扰其它负荷,使用时应特别注意。
4)电压控制起动是用在轻载起动的场合,在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩,尽可能地 缩短起动时间,是最优的轻载软起动方式。
严格地讲,起动转矩应当小于额定转矩50%的拖动系统,才适合使用软起动器解决起动冲击问题。对于需重载或满载起动的设备,若采用软起动器起动,不但达不到减小起动电流的目的,反而会要求增加软起动器晶闸管的容量,增加成本;若操作不当,还有可能烧毁晶闸管。此时只能采用变频软起动。因为软起动器调压不调频,转差功率始终存在,难免过大的起动电流;而变频器采用调频调压方式,可实现无过流软起动,且可提供1.2-2倍额定转矩的起动转矩,特别适用于重载起动的设备。但是变频器的价格就要比软起动器的价格高得多了。
异步电动机的调压调速属低效调速方式,因为在调速过程中始终存在转差损耗,因此调压调速有很大的限制,不是任何一台普通的笼型电机加上一套晶闸管调压装置,就可以实现调压调速的。 在电力电子技术高度发展的今天,变频调速装置的价格已不再昂贵的情况下,再考虑调压调速,似乎已无多大的现实意义了。