电软启动器（共9篇）
电软启动器 篇1
1 引言
履带车辆全电式制动控制系统是应用数字控制、交流永磁电机、丝杠和总线等技术研制的新型制动操纵系统,具有传统制动无可比拟的优势。其原理结构框图如图1所示[1]。
该系统应用在实车中,由于执行部件所处环境恶劣,高低温差大,一般的力传感器很难可靠工作,因此制动器压紧力的测量只能用估算的方法。本文仅以履带车辆单侧制动方案,即只进行一个制动器的控制方案,研究制动器压紧力的估算问题。
2 单侧制动方案
2.1 系统构成
单侧制动系统结构框图如图2所示。
在该系统中采用力传感器是用于进行估算验证。搭建的试验平台如图3所示。
该系统中的制动器为干片式制动器,如图4所示。由于其采用了多个动摩擦片与静摩擦片交替布置的结构,干片式制动器具有良好的制动性能,是高速履带车辆高性能机械制动装置[2]。电动缸是全电制动系统中的重要执行部件之一,主要由电动机和丝杠组成,它将输入到电动机的电能转换为丝杠作用到制动器上的机械能,从而带动制动器的工作。系统采用直线式无刷直流电机滚柱丝杠电动缸[3],如图5所示。
2.2 基本工作方式
基本工作方式分为3种:参数设置与调整工作方式、脚制动踏板工作方式及手动驻车按钮工作方式。
1)参数设置与调整工作方式。
通过电脑程序设置制动空行程、工作行程、最大电流等参数,并调整电动缸丝杠的绝对零位。
2)制动踏板工作方式。
踩踏制动踏板,转动小角度,消除空行程,制动器摩擦片间产生很小压力,继续转动踏板,摩擦片间压力随转角增大而增大;反之,踏板转角越小,摩擦片间压力越小。
3)手动驻车按钮工作方式。
按压手动驻车按钮,电动缸丝杠高速连续运行空行程和工作行程后,电动缸中的制动器断电闭锁,保持丝杠的位置不变,制动器摩擦片间产生最大压力;再次按压驻车按钮,电动缸中的制动器通电解脱,丝杠在脚制动踏板的控制下工作。
3 制动器压紧力计算
3.1 制动器最大压紧力的计算
干片式制动器最大摩擦副比压所能产生的到主动轮最大制动转矩为[4]
T=μ·Kn·pmax·A·re·ic·Z
=μ·Kn·Fmax·re·ic·Z
式中:μ为摩擦系数; Kn为摩擦副压紧力降低系数; pmax为作用在摩擦副上的最大比压,Pa; A为摩擦副面积; re为作用半径,m;ic 为由制动器至主动轮传动比;Fmax 为摩擦片法向最大压紧力; Z为摩擦副数。
根据某车型要求的主动轮最大制动转矩和制动器的结构参数,可求出摩擦片法向最大压紧力 Fmax为20kN。将此值设定为制动器的最大压紧力。
3.2 电磁转矩与电流的关系
无刷直流电动机采用开-关矩形波电流控制器时的电磁转矩为[5]
式中: E0为空载反电动势; i(t)为电机绕组中的电流; ω为电动机转子电角速度,与机械角速度Ω的关系为ω=pΩ。
3.3 电磁转矩与压紧力的关系
同步电动机的转矩平衡方程式[6]为
Tem=T2+T0
式中:T2为输出机械转矩;T0为空载转矩。
丝杠产生工作推力(即制动器压紧力F )所需的转矩 T′为
T′=FL/2πηs
式中:L为丝杠的导程;ηs为丝杠的效率。
电机输出的转矩 T2为
T2=T′/iη
式中:η为电机过载系数;i为电动缸系统中电机和丝杠之间减速机构的传动比。
得出:
Tem=T′/iη+T0=kF+T0
式中:k为一常数,k=L/2πiηsη。
3.4 压紧力与电流的关系
由上所述,可得压紧力F与电机电流i(t)的关系如下:
E0值为[5]
式中:f为电源频率;Kdp为绕组因数;N为定子绕组每相串联匝数;KΦ为气隙磁场波形系数;bm0为空载永磁体工作点磁通密度标么值;Br为剩磁密度;Am为永磁体提供每极磁通截面积;σ0为空载漏磁系数。
由于电机所用的永磁材料为钕铁硼,其居里温度较低,温度系数较高,因而其磁性能热稳定性较差,Br会随着温度的升高而降低,造成高温时压紧力F减小。因此,压紧力不仅与电流有关,还与温度有关。
3.5 压紧力与丝杠位移的关系
电动缸丝杠直线伸出,带动干片式制动器的动摩擦片组向静摩擦片组靠拢,空行程消除后,摩擦片组间完全接触,压紧力开始产生,此后随着丝杠位移的增大,压紧力也随之增大,直到电机电流达到最大值,电机堵转,丝杠位移不再增大,此时压紧力也为最大值不再增大。压紧力与丝杠位移的关系由制动器的特性决定,可由试验得出特定条件下的关系曲线。
4 压紧力估算试验
4.1 利用电流估算压紧力
将力传感器串联于丝杠与制动器之间,设定最大电流值,电机堵转后,记录力传感器值,试验多次,求取平均数,即为该电流在设定条件下的压紧力。同样方法得出一组电流所对应的压紧力,拟合出压紧力-电流曲线,并进行试验修正。条件为环境温度17℃,空行程0mm,工作行程2mm。试验数据如表1所示。压紧力-电流拟合曲线如图6所示。
从图6中可以看出,二阶多项式的拟合效果已经比较好,三阶多项式的拟合曲线几乎穿越所有的样本点。采用的二阶多项式如下:
F=0.3578I2-4.9093I+29.92
经力传感器实测验证,该多项式的计算值与实测值的最大误差为0.14kN,满足系统要求。
4.2 利用丝杠位移估算压紧力
将力传感器串联于丝杠与制动器之间,设定环境温度、最大电流值、空行程、工作行程等条件,记录丝杠位移变化时力传感器的值,试验多次,求取平均数,即得出在设定条件下的压紧力-位移数据,拟合出压紧力-位移曲线,并进行试验修正。条件为环境温度26℃,最大电流13.2A,空行程19.21mm,工作行程4.43mm。试验数据见表2。压紧力-位移拟合曲线如图7所示。
由图7可以看出,二阶多项式拟合曲线与三阶多项式拟合曲线几乎完全重合。采用的二阶多项式如下:
F=1.2942s2-51.096s+505.1402
经力传感器实测验证,该多项式的计算值与实测值的最大误差为0.13kN,满足系统要求。
5 结论
本文所述的两种方法均可对制动器的压紧力进行估算,且误差均能满足系统要求。比较而言,利用电动缸丝杠位移来估算压紧力的方法更为准确、实用。主要原因为:1)电动缸的位移传感器测量精度远远高于电流传感器的测量精度;2)电流估算法受温度变化的影响较大,虽然可以把温度系数计入考虑,但却增加了试验的工作量和算法的难度。通过本文研究可实现全电制动系统无力传感器的压紧力闭环控制。
参考文献
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[2]宁克焱,万丽,于定跃.干片式制动器状态监测及预警系统研究[J].微计算机信息,2009,25(7-2):223-225.
[3]EXLAR.EXLAR 2008 Product Catalog[Z].2008.
[4]闫清东,张连第,赵毓芹,等.坦克构造与设计:下册[M].北京:北京理工大学出版社,2007.
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[6]彭鸿才.电机原理及拖动[M].北京:机械工业出版社,2009.
软启动器控制回路改造与革新 篇2
关键词：软启动器 前置变压器 降压运行
一、改造实施背景
软启动器（Soft Starter）是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电动机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。
自2008年进行设备升级后，某国外品牌软启动器被大量应用于水源地水源井控制系统中，用于控制水源井开停。随着使用时间的增加，2010年开始出现部分水源井在运行时发生自动停机，软启动器控制模块显示为“被停止”的故障。而一旦显示为“被停止”设备就无法再启动，只能采取更换新的控制模块的方法使设备重新运行。此后每年出现故障的模块逐渐增多，至2014年已增至每年10余块模块需要更换，且一块控制模块的购买费用近万元，不但增加了运营成本，而且严重影响供水设备的稳定运行。
期间多次与设备供应商进行沟通，与其技术人员到现场进行分析。由于该品牌软启动器为进口设备，为更进一步检测，设备供应商将损坏的控制模块送到该品牌生产地原厂进行检测。检测结果显示：自动停机是控制模块内C6、C7电容器被击穿所致，而C6、C7被击穿的原因为电网波动造成的过流或过压。
二、改造原理
经多方查询相关资料，多次和该设备供应商相关技术人员沟通后，发现该软启动器控制模块生产国电压标准为110V，此产品主要供应该国国内使用。随着市场的扩大，该产品进入到我国，为适应不同市场兼容了220V。从此思路入手查阅了该产品的相关说明，发现该软启动器控制模块虽然支持110～220V的AC输入，但该产品控制模块电源的最高输入电压仅为240V。
水源井群所在地一般为开阔平原地带，雨季一般多雷雨，部分电网与农电共用，电网质量一般，电压不稳定。在这种情况下，电网中极易出现电涌。而电涌能对控制电路的IC等元件造成损坏，击穿半导体器件，破坏元器件金属化表层，破坏印刷电路板印刷线路或接触点。
为此决定将目前控制模块的运行电压从220V调整到110V运行，这样可以有效防止电网对设备的冲击。即使有瞬时电压过高的情况发生，但由于有变压器的隔离和降压作用，实际加之于控制模块的供电升压也不会超过上限240V，由此可以最大限度地保证设备供电在安全合理的范围内运行，见图1。
三、具体改造
由于软启动器控制模块对功率有一定要求，在查询相关说明保留充分裕度的基础上选取220V～110V额定功率为180W的变压器。在充分考虑到实际工况和配电盘内的安装条件后，选取了220V～110V的R型变压器，该型号变压器除具有体积小、结构简单、安全可靠等优点外，还具有可定制功率的特点，正好满足改造对于变压器的要求。
线路改造中除软启动器控制模块的控制电源电压要改为110V，其对应的启动/停止控制结点的电压也要相应更改为110V。
控制端子说明见下表。
改造试点的选取：本次所选取的多口水源井均为数次出现软启动器控制模块损坏，且在用控制模块在2年以上的水源井。
具体改造的原理图如图2、图3所示。
四、改造效果
经过近一年的改造后运行，所有参与改造的软启动器并未再出现控制模块故障，这也表明了加装前置变压器降压运行软启动器控制模块能有效抵御电网波动造成的过流或过压烧毁设备的风险，提高了水源井运行的稳定性，也降低了运营成本。
电软启动器 篇3
作为重要驱动执行机构的电动机来说, 它的控制方式受到广大技术人员的高度重视。三相鼠笼型电动机的启动时电流约为正常运行电流的6倍以上, 为了降低电动机启动时对电网的影响, 不会因为一台电动机的启动造成影响其他设备的运行, 减小电动机的启动电流是非常必要的。
企业内电动机一般使用的是鼠笼型三相异步电动机, 一般情况下, 电动机在15 KW以下, 可以直接启动;15 KW至30 KW之间的, 使用星-三角启动方法;30 KW及以上, 采用自耦降压启动柜启动。近些年, 随着电子技术的不断发展, 变频器、软启动器技术不断成熟, 使用逐渐增多。
软启动器是一种集软启动、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, 国外称为Soft Starter。它的主要工作原理是控制串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管的导通角, 使晶闸管输出电压从设定的最低电压在设定时间内按比例曲线逐渐上升到电机的正常运行电压, 通过控制电动机启动电压, 以达到控制电动机启动电流的目的, 等到晶闸管全部导通后, 输出启动完毕信号, 切换至正常控制回路上;启动过程中软启动器内部的电子控制电路, 通过检测晶闸管的电流, 来判断电动机起动是否正常, 并能够在非正常状态下输出报警。
软启动器比星-三角启动方法回路接线简单, 电动机启动时逐渐提高电压;较自耦降压启动柜体积小, 成本低, 性能优良, 可以直接安装在控制柜中, 近些年特别是在水泵、风机领域已经得到了广泛的应用。
软启动器启动电动机有一个特点, 电动机利用软启动器的启动完成后, 就要切换到旁路接触器 (工频接触器) 上正常运行, 此后直至电动机停止, 软启动器不再起到任何作用。利用软启动器的这个特点, 在第一台电动机利用软启动器正常启动切换到旁路接触器上后, 第二台电动机仍利用这台软启动器正常启动, 依此类推, 只要启动时间允许, 软启动器可以一直启动连续排列的功率相同的电动机。
现在投入成本和运行成本的控制是企业发展的关键, 如果通过一台软启动器来依次启动放置在一起的多台水泵, 将大大降低投入成本。并且由于设备减少, 将大大降低设备的故障率。
下面来介绍使用一台软启动器控制两台电动机的启动和独立停止的方法, 按照同样的方法, 可以启动3台、4台······
电机接线方式见下面电气原理图1:
如图, 三相电源连着三个马达保护开关, 其中一个开关控制着软启动器, 另两个开关分别直接控制着两台电机, 电机电力线路的通断都是由接触器控制, 控制方式见电气原理图2。
如图, 需要1#电动机启动时, 进行如下步骤:
1.把三位旋钮打到1位置。KA11继电器得电, 线圈吸合, 同时KA11的触点全部动作, 接触器KM11吸合。
2.按下启动按钮SB1。这时候KA01动作, 软启动器开始启动, 启动完成后, 软启动器的9、10端子动作, KA03动作, KM12接触器动作, KM11线圈的回路断开, KM11接触器断开, 电动机动力由KM11供电转换为KM12供电。至此软启动器启动1#电机完毕, 1#电机转换为旁路供电运行。
3.三位旋钮打到0位置, 防止有人误按下启动按钮。
如果在启动过程中, 软启动器出现故障, 则软启动器的端子7、8动作, KA02得电吸合, KA11断开, KM11断开, 电机和软启动器动力连接断开, 防止损坏电机。
当需要2#电动机启动时, 步骤如下:
1.把三位旋钮打到2位置, KA21得电动作, 同时KA21的继电器触点全部动作。注意, 这时候无论1#电机的旁路接触器KM12是否吸合, 对KA21的动作都没有影响。
2.按下启动按钮SB1, KA01吸合, 软启动器开始启动, 启动完成后, 和1#电机启动完成一样, , 软启动器的9、10端子动作, KA03动作, KM22接触器动作, KM21线圈的回路断开, KM21接触器断开, 电动机动力由KM21供电转换为KM22供电。至此软启动器启动2#电机完毕, 2#电机转换为旁路供电运行。
3.三位旋钮打到0位置。防止有人误按启动按钮。
同样的道理, 无论2#电动机的接触器是否在运行状态, 对1#电动机的启动不会造成影响。
当需要停止某台电机时均可单独停止, 不影响其他电机的运行。如果停止1#电机, 则需要直接按下SB12, 1#电机就正常停止了, 不影响2#电机的状态。同样道理, 需要停止2#电机, 只要按下SB22。
现在来看软启动的接线方式 (见电气原理图3) 。
一般软启动器的接线, 包括四个部分:第一部分电源:L1、N、地, 这是软启动器的运行基础, 是软启动器动作的电源。第二部分:启动停止回路, 包括一个公共端和一个启动控制端和一个停止控制端。启动控制端是常开点, 停止控制端是常闭点, 就是说启动控制点只要闭合一下, 软启动器就会启动, 启动完毕后软启动器旁路继电器闭合, 同时软启动器停止输出。第三部分:故障输出端, 当软启动器出现故障时, 故障输出端闭合, 切断电路停止软启动器启动。第四部分:旁路输出端, 软启动器启动完毕后, 旁路继电器闭合, 给外部启动完毕信号。
软启动器的另一个功能就是在电动机停止时, 减小逆向感应电流, 使电机逐渐减速停止。需要启动电路开关连接在启动端和公共端子上, 在停止端子和公共端子上增加一个常闭触点来实现, 本次电路中没有使用。
软启动器在输煤系统中的应用 篇4
【摘 要】我公司二期输煤系统细碎机原设计为一台185KW、一台160KW两台异步电动机共同驱动，使用自藕降压器降压启动。在使用过程中发现，起动时要产生较大冲击电流（一般为额定电流Ie的4～7倍），同时由于起动电应力较大，经常烧毁接触器触点及自藕变压器等，使负载设备的使用寿命降低，生产成本相应较高。由于细碎机破碎粒度达不到生产要求，公司经研究决定，更换改造细碎机。改造完成后的细碎机由原来的两台电机驱动改为一台280KW驱动，现有的启动设施远远满足不了启动要求。经多次现场查看、计算，决定在改造细碎机的同时，将原来的自藕降压器降压启动改为软启动器启动。
【关键词】软启动；输煤；应用
1.选用依据
国家标准规定：当电机频繁起动时，所造成的压降不宜低于10%；不频繁起动时，压降不低与20%；不频繁起动，且与照明或其他对电压波动敏感的负荷合用变压器时，电机起动时的电网电压降不能超过15%。解决办法有两个：一是增大配电容量；二是采用限制电机启动电流的起动设备。
如果仅仅为起动电机而增大配电容量，从经济角度上来说，显然不可取。为此，往往需要配备限制电机起动电流的起动设备，过去多采用Y/△降压、自耦变压器降压、磁控降压等方式来实现。这些方法虽然可以起到一定的限流作用，但没有从根本上解决问题。
随着电力电子技术的快速发展，智能型软起动器得到广泛应用。智能型软起动器（Soft Starter）是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装备。它不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动时间等。此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。
为此，我公司决定在细碎机改造中引用智能型软起动器，以达到节能、安全运行的目的。
2.改造过程
首先对现有的降压启动系统进行核实，并与细碎机改造后在不改变启动方式的情况下，进行了元器件的对比（见下表）。
经过比较发现，如果不改变启动方式，需要更换全部的元器件、电缆及柜体，并且更换后的元器件体积较大，有的元器件还没有现货，需特殊加工。这样给以后的维修、维护工作带来了一定的制约。如果采用软启动器启动，只需增加软启动控制柜一面，将现有的隔离刀开关更换即可，电缆及断路器等元件不动，这样可节省电气部分改造一半的投资。
3.软起动MCC控制柜
MCC（Motor Control Center）控制柜，既电动机控制中心。软起动控制柜由以下几部分组成：
（1）输入端断路器。
（2）软起动器。
（3）软起动器旁路接触器；（将软起动器的晶闸管两侧安装上旁路接触器触头，其优点是，软起动结束，旁路接触器闭合，使软起动器退出运行，直至停车时，再次投入，这样即延长了软起动器的寿命，又使电网避免了谐波污染，还可减少软起动器中的晶闸管发热损耗）。
（4）上侧控制电路：后台可实现电压、电流显示和故障、运行、工作状态等信号显示。
我公司将软起动控制柜通过与后台连接，以实现集中控制功能，方便了操作及维护。
4.工作原理与运行特点
三相交流异步电动机的起动转矩直接与所加电压的平方成正比，也就是说，只要降低电机接线端子上的电压就会影响这些值。软起动器的工作原理是通过控制串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管的导通角使电机的端子电压从预先设定的值上升到额定电压。
软起动与传统减压起动方式的不同之处是：
（1）无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。
（2）恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。
（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。
软起动运行特点：
（1）能使电机起动电压以恒定的斜率平稳上升，起动电流小， 对电网无冲击电流，减小负载的机械冲击。
（2）起动电压上升斜率可调，保证了起动电压的平滑性，起动电压可依据不同的负载在30%～70%Ue（Ue为额定电压）范围内连续可调。
（3）可以根据不同的负载设定起动时间。
（4）软起动器还具有可控硅短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护等功能。
5.软起动器的应用场合
软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。
原则上，异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用，适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车（解决水锤效应）对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行场合，应用软起动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能的效果。
6.结束语
此次改造通过应用软启动器，减小了设备投资，提高了设备的安全运行质量，降低了维修、维护费用，达到了节能、安全运行的目的。
低谐波软启动器的研究 篇5
交流异步电机直接启动时的电流过大, 会引起电网电压下降, 而且会产生很多的谐波, 这直接影响电网供电和其他设备运行, 所以需要设计一种低谐波的软启动器。传统意义上的降压启动方式虽然能在一定范围内减小启动时的大电流, 但不能完全消除由电机启动时切换所带来的冲击[1,2]。软启动实质上是根据软启动设备控制晶闸管的导通角的调控, 使电机输入定子绕组上的电压由一初值逐渐上升, 慢慢上升至电机全电压, 这时启动结束, 相较于其他降压启动方式, 可以明显的发现, 电机的启动转矩更小、启动电流变小、启动时间变短等优势, 提高了电机设备的安全性能和电网质量[3,4]。本文提出一种新的软启动的控制思想和方法, 以STM32F103RBT6单片机为控制核心, 采用双向可控硅为主控器件控制电机启动过程中导通的周波数, 控制方式方便简单, 利于操作, 且易于移植, 对整个系统性能影响小。
1 低谐波软启动器的控制原理
低谐波软启动器的控制思想主要是将晶闸管的调压技术应用到异步电动机的起动控制中, 面对异步电动机起动时具有大电流的基础上, 再近一步优化, 通过单片机控制可控硅的导通周波数, 而不是对可控硅的触发角进行增减, 这种方式可有效地消除由于可控硅移相所产生的谐波[5]。低谐波软启动器的总体系统框图如图1所示。
电流谐波总畸变率THD (Total Harmonic Distortion) 定义为:
式中Ih为总谐波电流有效值[6]。
具体来说, 利用单片机控制晶闸管的周波数的软启动方式比硬启动方式减小了电机的启动电流, 比控制晶闸管的导通角的软启动方式降低了启动时的电流谐波。控制晶闸管的周波数启动时, 致使前面的几个交流电的半个周期能导通, 随后慢慢的导通, 这样既能实现降低启动电流的效果, 又能有效地减少电流谐波对电网的污染。
2 低谐波软启动器的硬件设计
针对电动机导通整数个周期波或半周期波时产生的电流谐波的分析, 本文设计了低谐波软启动器的硬件电路, 主要包括检测交流供电电压过零时的电压过零检测电路和STM微控制器及其外围电路组成的驱动可控硅导通的控制电路。
2.1 过零检测电路
在整个设计中必须设计过零脉冲产生电路, 这一部分电路最重要的作用是在每个周期内产生一个同步脉冲信号, 保证交流电压的控制脉冲和可控硅导通电压的相位完全一致, 便于微控制器对交流异步电动机软启动器监控。一般设计该种检测电路的思路是采用同步变压器, 虽然这种方式也能实现与电源的同步, 但是电源相电压要先过零比较后再合成, 过程会比较繁琐, 灵活性差。同时同步变压器的价格相对较高、体积偏大, 成本很高, 不利于市场的推广和使用。综上因素, 本电路采用光耦合器取代同步电压器, 它具有电气隔离好、体积小、抗干扰能力强等优点。检测电路如图2 所示。
图2 中光耦TLP181 起到隔离强弱电的作用, 驱动电机的交流电压先经过双端稳压后, 再经过整流, 输入到光耦合器中, R7、R8、R9均是限流电阻, R5作为上拉电阻, R6电阻将电流的变化转换成电压的变化, 当输入电压低于一定值时CE端不导通, simple端输出低电平, 反之相反, 从而确定出电压过零的时刻。输入的交流电先稳压, 再经过桥式整流电路, 得到直流电压, 该电压与晶体管的导通电压相比较, 便可使晶体管的集电极上得到过零的脉冲电压波形。采用光耦TLP181 作为电路的开关元件, 主要原因是电压过零时产生脉冲信号准确和隔离高低压效果好, 能严格确保交流电与脉冲信号的同步的时序关系。
2.2 驱动电路
另一部分的组成部分是由两相异步电机的驱动控制电路, 其控制的核心是单片机。由于采用了先进的ARM微控制器STM32F103RBT6 和驱动可控硅芯片MOC3038, 32 位微控制器STM32F103RBT6 以它低能耗、高稳定性而备受青睐, 片内附有可反复擦写的FLASH 128 B和20 B的静态随机存储器 (SRAM) 。STM32F103RBT6 有64 个引脚, 12 位的A/D, 4 个16 位定时器和3 路USART通信口等多种资源, 时钟频率最高可达72 MHz。
该部分电路主要用于驱动输出, 使得异步电机的输出的启动电流缓慢减小, 并且输入的电网电压无谐波的目的。电路由双向可控硅BTA100, 电阻R1、R2、R3、R4, 晶体管Q2, 电容C1, 驱动芯片MOC3038 等组成。其中这些电阻起到限流的作用, 晶体管用于产生高低电平, 从而使芯片MOC3038 工作, 其包含一个砷化镓红外光二极管和一个单片硅探测器, 能实现电压零交叉光隔离双向可控硅的功能。这个芯片一般作为分立式功率双向可控硅应用在接口上用于连接逻辑系统与工作在240 V交流线路的设备上。电容C1起耦合和滤波的作用。具体电路如图3 所示。
交流异步电机在启动时需要随着电极转速的升高而不断改变双向晶闸管的触发角, 其中包含相位检测电路, 根据启动时电流的相位差, 调整触发相角。而晶闸管的触发角需要驱动双向晶闸管的MOC3038 所发出的脉冲来控制。通过STM32单片机触发控制MOC3038, 即可控制MOC3038 发出所需要的脉冲, 单片机的Phase_control端控制双向可控硅的导通状态来减少启动中谐波对电路或电网的污染。可控硅导通的周期数由单片机控制, 单片机取过零脉冲产生电路的上升沿触发。控制双向晶闸管的导通时间由单片机中的程序设置。
3 低谐波软起动器的软件框架
主程序主要完成的是系统初始化与自我故障检测、软启动故障的检测、导通周波数的控制、晶闸管触发角的控制等任务。程序一上电就初始化后, 经过一些自检和无故障检测后, 选择电子软起动的方式, 同时结合降压控制方式, 采用控制导通周波数的的方式, 周波数的设置可以视实际情况而定。最后, 通过对晶闸管的相位调节, 迅速降低异步电极的启动电流电压, 同时克服电子式软起动器中的谐波污染, 避免了可控硅移相触发产生严重的低次谐波。流程如图4 所示。
4 仿真结果与讨论
在没有单片机控制电机的硬启动中测试输入端的电压Ui和电流Ii, 所得的波形如图5 所示, 虽然启动过程中电流谐波几乎为0, 但是启动电流已超过工作电流10 倍多, 增大了启动电流, 对电机及外围电路产生严重冲击。
针对实际的功率为7.5 k W, 功率因数为0.88, 启动初始功率因数约为0.35 的异步电机测试时, 控制电机启动的是周期波数, 测得软启动电流小于硬启动电流的1 3, 启动时间为20 s, 整个启动过程, 启动电流总谐波约为5%。
5 结语
综合软启动技术和异步电机的特性, 设计一种基于STM32F103RBT6 单片机的异步电机软启动装置, 从硬件电路和软件程序两个方面来分析, 最终通过控制可控硅导通的周波数, 实现对异步电机的软启动。该方法能够减小异步电机的启动电流, 并同时能够避免低次谐波对电网的污染。
摘要：设计一种软启动器, 以可控硅做主控元件, 单片机控制软启动策略, 实现对异步电动机的软启动。STM32系列微控制器通过控制可控硅导通的周期波数, 进而改变异步电动机启动电压的平均值, 从而减少启动电流对电网的冲击。同时进行相位检测, 确定启动电流的过零触发, 克服了一般软启动器产生严重谐波污染的问题。
软启动器的组成与应用 篇6
在工业应用方面, 许多企业每年都要为他们所使用的电动机 (用于驱动风扇、压碎机、搅拌器、水泵、传送带等等) 的这种突然、急剧启动使每天都有数不尽的交流电动机在不必要的处于重荷之下。
交流电动机的这种突然而剧烈的启动主要会造成以下几个方面的损失:
1.1 直接在线启动或星-三角启动产生的电压和电流瞬变容易导致电气故障。
电压和电流的瞬变现象可能导致当地的电网过荷, 从而引起不良的电压变化, 并最终影响到同电网中的其它电气设备。
1.2 导致从电动机到启动设备及到强应力等这一整个驱动链的机械故障。
1.3 运行故障:例如使管路系统产生压力振动, 对传送带上的产品造成损坏, 以及使电梯乘坐不舒适等等情况。
2 什么是软启动器
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, 国外称为Soft Starter。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闸管及其电子控制电路。
运用不同的方法, 控制三相反并联闸管的导通角, 使被控电机的输入电压按不同的要求而变化, 就可实现不同的功能。
3 软启动器的发展历程
软启动器于20世纪70年代末到80年代初投入市场, 它电子和可控硅为基础。采用软启动器, 可以控制电动机的电压, 使其在启动过程中逐渐地升高, 很自然地限制启动电流。这就意味着电动机可以平稳地启动, 机械和电应力也降至最小;该装置还有一种附带的功能, 即可用来“软“停机。
软起动器中的软停车功能是, 晶闸管在得到停机指令后, 从全导通逐渐地减小导通角, 经过一定时间过渡到全关闭的过程。停车的时间根据实际需要可在0~120s调整。
由于该启动器采用电子式电路, 可以相对比较容易地通过安全和事故指示灯增强其基本功能, 改善电动机的保护, 简化故障查找, 如失相、过电流和超高温保护, 以及正常运行、电动机满电压和某些故障指示。象斜坡电压和初始电压等所有设定值都可以很容易地在启动器面板上设定。
4 软起动M C C控制柜的组成及其扩展功能
MCC (Motor Control Center) 控制柜, 即电动机控制中心。软起动MCC控制柜由以下几部分组成:a.输入端的断路器;b.软起动器 (包括电子控制电路与三相晶闸管) ;c.软起动器的旁路接触器;d.二次侧控制电路 (完成手动起动、遥控起动、软起动及直接起动等功能的选择与运行) , 有电压、电流显示和故障、运行、工作状态等指示灯显示。
将软起动MCC控制柜进一步加以组合, 可以实现多种复合功能。例如:将两台控制柜加上控制逻辑, 可以组成“一用一备方案”, 用于大楼的消防系统与喷淋泵、生活泵等系统。如果配上PC (可编程序控制器) , 则可以实现消防泵定时 (如半个月) 自动检测, 定时自动关闭;加上相应的控制逻辑, 则可以对消防泵及各个系统运转是否正常实施平时检测时, 定时低速低水压 (不出水) 运行;在灭火时, 则实施全速满载运行。将若干台电机加上控制逻辑组合, 可以组成生活泵系统或其它专用系统, 按需要量逐次打开各台电机, 也可逐次减少电机, 实现最佳效率运行。还可以根据用户要求, 实现多台电机每次自动转换运行, 使各台电机都处于同等的运行寿命期。
5 有的软起动器为什么装有旁路接触器
大多数软起动器在晶闸管两侧有旁路接触器触头, 其优点是:a.控制柜具有了两种起动方式 (直接起动、软起动) 。b.软起动结束, 旁路接触器闭合, 使软起动器退出运行, 直至停车时, 再次投入, 这样即延长了软起动器的寿命, 又使电网避免了谐波污染, 还可减少软起动器中的晶闸管发热损耗。
6 软起动器具有丰富的保护功能
6.1 过载保护功能:
软起动器引进了电流控制环, 因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式, 实现了过载保护功能, 使电机过载时, 关断晶闸管并发出报警信号。
6.2 缺相保护功能:工作时, 软起动器随时检测三相线电流的变化, 一旦发生断流, 即可作出缺相保护反应。
6.3 过热保护功能:
通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度, 一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管, 并发出报警信号。
6.4 其它功能:通过电子电路的组合, 还可在系统中实现其它种种联锁保护。
7 电动机的软起动有哪几种方式
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, 即为软起动, 在软起动过程中, 电机起动转矩逐渐增加, 转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式:
7.1 斜坡升压软起动。
这种起动方式最简单, 不具备电流闭环控制, 仅调整晶闸管导通角, 使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是, 由于不限流, 在电机起动过程中, 有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏, 对电网影响较大, 实际很少应用。
7.2 斜坡恒流软起动。
这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加, 当电流达到预先所设定的值后保持恒定 (t1至t2阶段) , 直至起动完毕。起动过程中, 电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大, 则起动转矩大, 起动时间短。
该起动方式是应用最多的起动方式, 尤其适用于风机、泵类负载的起动。
7.3 阶跃起动。开机, 即以最短时间, 使起动电流迅速达到设定值, 即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值, 可以达到快速起动效果。
7.4 脉冲冲击起动。
在起动开始阶段, 让晶闸管在级短时间内, 以较大电流导通一段时间后回落, 再按原设定值线性上升, 连入恒流起动。该起动方法, 在一般负载中较少应用, 适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。
8 软起动器是如何实现轻载节能
笼型异步电机是感性负载, 在运行中, 定子线圈绕组中的电流滞后于电压。如电机工作电压不变, 处于轻载时, 功率因数低, 处于重载时, 功率因数高。软起动器能实现在轻载时, 通过降低电机端电压, 提高功率因数, 减少电机的铜耗、铁耗, 达到轻载节能的目的;负载重时, 则提高电机端电压, 确保电机正常运行。
结束语
软启动器的谐波分析与抑制 篇7
1.1 晶闸管软启动器调压原理
晶闸管软起动器中采用的晶闸管调压电路多为三相全波Y形连接, 如图1所示。将三组反并联晶闸管分别接至三相负载, 组成一个三相交流调压电路, 控制三相反并联晶闸管导通角的大小, 使被控电机的输入电压按不同的要求而变化。
1.2 晶闸管软启动器谐波分析
由于晶闸管调压控制实质是改变一个周期内电压波形导通角的大小, 所以其输出的已不再是正弦波, 因而势必会产生谐波电流, 其大小与晶闸管的导通角和负载的大小、功率因数角及主电路的结构等有关。
软启动器选用旁路运行方式时, 对电网的谐波污染只是在启、制动过程中, 这个过程通常只有短短的数十秒钟。而软启动器在节能运行时则不同, 尤其对于多台大容量软启动器同时工作的情况, 谐波污染将持续性地干扰电网, 并且十分严重。
2 谐波的影响与危害
2.1 谐波会增加用电设备和供电线路的附加损耗, 使回路功率因数有所下降。
2.2 谐波会引起电网局部的谐振, 并导致过电压, 而使绝缘受损, 甚至引起严重事故。
2.3 谐波会使电网中的电容器产生谐振, 导致烧毁。
2.4 谐波会引起继电保护和自动装置的误动, 并使仪表和计量出现较大误差。
2.5 谐波将在异步电机气隙中感应出相应的谐波磁场, 产生一系列谐波转矩, 使电机附加损耗增大、温升增加, 功率因数、效率下降, 当谐波电流的频率接近某零部件的固有频率时还会引起电机产生振动和噪声, 尤其是谐波转矩的存在使得电机的电磁转矩发生脉动, 从而减少电机的出力, 对电机的起动过程、低速运行影响更大。
3 抑制谐波的措施
为解决谐波源的污染问题, 基本思路一是装设谐波补偿装置来补偿谐波;二是对谐波源本身进行改造, 或者通过改变谐波源的工作方式, 使其少生产甚至不生产谐波。
3.1 装设无源滤波器
LC调谐滤波器是传统的谐波补偿装置。既可补偿谐波, 又可补偿无功功率, 且结构简单, 投资少, 运行可靠性较高, 运行费用较低, 一直被广泛使用。缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响, 易和系统发生并联谐振, 导致谐波放大, 使LC滤波器过载甚至烧毁。此外, 它只能补偿固定频率的谐波。
目前常用的LC滤波器有单调谐滤波器, 双调谐滤波器及高通滤波器, 实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置, 相应的拓扑结构如图2所示。
a单调谐滤波器 b双调谐滤波器 c高通滤波器
3.1.1 单调谐滤波器
电路结构如图2a所示。
对于n次谐波, 滤波器的阻抗为:式中ω1为基波角频率。
所消除的谐波次数为:
当频率等于谐振频率 (谐振点) 时, L与C的阻抗相匹配, 滤波器呈纯阻性。此时的n次谐波电流将主要通过低阻R来分流, 因而电网中的该次谐波电压大为降低。而频率低于或高于谐振频率时, 滤波器呈高阻性, 分流很少。
因此, 只要将滤波器的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数, 则可达到滤除该次谐波的目的。
3.1.2 双调谐滤波器
电路结构如图2b所示。它是由串联谐振和并联谐振回路串接而成, 可同时吸收两个频率的谐波, 其作用相当于两个并联的单调谐滤波器。但与两个单调谐滤波器相比, 基波损耗较小。
双调谐滤波器结构复杂, 调谐困难, 但采用它替代两单调谐或高通滤波器, 具有技术和经济上的优越性。近年来, 双调谐滤波器在高压直流输电工程中得到了广泛的应用。
3.1.3 高通滤波器
其中二阶高通滤波器的滤波性能最好, 电路结构如图2c所示。高通滤波器的截止频率为:
其对应的截止谐波次数为:
二阶高通滤波器的阻抗为:
由此可见, 在无限大至f0的频率范围内, 高通滤波器呈现低阻抗, 从而有效滤除截止频率以上的高次谐波。实际往往采用若干组单调谐滤波器与一组 (或多组) 高通滤波器配合使用, 为避免高通滤波器过多地分流单调谐滤波器的谐波, 高通滤波器的截止谐波次数应比单调谐滤波器滤除的最高滤波次数至少大l, 同时, 为减少有功损耗, 截止谐波次数也不应选得过低。
3.1.4 三调谐滤波器
电路结构如图3所示。它是调谐在三个频率的滤波器, 可滤除三个甚至更多频次的谐波电流, 具有减少滤波支路数目, 节省投资, 小负荷下无功平衡方便的突出优点;但三调谐滤波器结构复杂, 各参数间的相互影响较大, 现场调谐困难, 目前应用较少。
3.2 装设有源滤波器 (APF)
有源滤波器 (APF) 是近年来发展迅速的用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿, 克服了传统的LC滤波器的缺点。
APF系统主要由两大部分组成, 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路 (电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路) 。指令电流运算电路主要是实时检测补偿对象的电压和电流 (高次谐波检测) , 并计算得出与高次谐波同幅值反相的补偿电流ic*, 使负载产生的谐波得到实时补偿而消除谐波。电流跟踪控制电路主要是根据主电路产生的补偿电流ic应跟踪ic*的原则, 计算出主电路各开关器件的触发脉冲, 此脉冲经驱动电路后作用于主电路, 产生补偿电流。
很显然, APF能够同时对各次谐波以及变化的无功功率进行动态补偿, 且动态响应速度快;受电网阻抗影响不大;补偿性能不受电网频率变化的影响。但由于APF的成本相对较高, 在一定程度上限制了它的推广使用。
3.3 合理应用软启动器节能运行
软启动器的节能效果与负载特性、负载率及系统稳定性等有关, 也即软启动器的节能运行是有条件的, 因此必须合理地应用软启动器的节能功能, 否则不但不节能, 反而增加谐波的污染。
4 结束语
软启动器的广泛应用, 较好地解决了传统降压启动中电动机启、制动过程中存在的一些问题, 但软启动器工作过程中产生的谐波, 尤其是节能运行方式下的谐波干扰也给设备乃至电网安全、经济运行带来了很大的潜在危险。必须按国家标准《电能质量公用电网谐波》严加控制, 必要时应安装滤波装置, 最大限度地消除其危害。
参考文献
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[2]王兆安, 杨君, 刘进军, 王跃.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 2006.
智能型磁控软启动器的设计 篇8
异步电动机软启动控制器在电机启动过程中, 通过控制电机的电流, 使电机缓慢、平滑的加速, 避免了大电流对电机和电网的冲击, 提高了电网的工作效率, 减少了启动时对电机的冲击损伤, 从而达到了启动和保护设备的作用。国内在异步电动机软启动上, 目前以液变电阻、水阻软启动占据主导地位。水阻和液变电阻式的软启动装置受环境温度的影响比较大, 因此启动电流控制不准确。另外, 在启动时会产生很大的能量损耗, 使水温迅速升高, 所以对连续启动的次数是有限制的。磁控式软启动是针对水阻和热变电阻式启动器不可克服的缺点而出现的最新换代产品, 具有十分广阔的应用前景。本文基于LPC2294微控制器, 设计了一种新型电机磁控软启动方案, 即在异步电动机定子回路串入磁饱和可控电抗器来实现电机的软启动。
1异步电动机软启动原理
磁控式软启动是从电抗器软启动衍生出来的, 用可控制的饱和电抗器串在异步电动机定子侧实现降压。饱和电抗器由封闭的铁芯、直流绕组 (控制绕组) 和交流绕组 (工作绕组) 组成, 串联在电动机定子回路的是它的工作绕组, 由直流绕组控制铁芯的饱和度, 从而控制交流绕组的等效电抗值。
在异步电动机启动过程中, 通过反馈自动控制饱和电抗器直流绕组电流, 改变铁芯的饱和程度, 调节交流绕组的电抗, 实现异步电动机的恒流软启动。图1为串入饱和电抗器的异步电动机T型等效电路。其中, Un为电网电压额定值, U1为电机端电压, UL、XL分别为饱和电抗器电压、电抗, Rn、Xn分别为电网等效电阻、电抗, R1、X1分别为电机定子绕组的电阻和漏电抗, R2、X2分别为电机转子绕组的电阻和漏电抗, Rm、Xm分别为激磁电阻、电抗。Un=UL+U1, 通过调节UL的大小, 可以改变U1, 这就是磁控式软启动器的工作原理。
2磁控式软启动控制系统设计
2.1 主电路设计
磁控式异步电动机软启动控制系统图如图2所示。其中, QS为三相电源开关;QF1、QF2为高压真空断路器;SR为饱和电抗器;SCR为晶闸管整流电路, 是提供饱和电抗器直流绕组直流励磁电流的回路, 改变可控硅不同的触发角度, 可提供饱和电抗器不同的直流励磁值;HR为霍尔传感器, 其大电流侧串接在饱和电抗器的直流绕组中, 用来监测直流电流值大小。通过霍尔传感器的可靠隔离将大电流信号转化为小的电压信号送给单片机。霍尔传感器能在电隔离条件下测量直流、交流脉冲以及各种不规则波形的电流, 同时蓄流二极管起到保护可控硅的作用。
2.2 控制系统设计
磁控软启动智能控制系统的硬件总体结构如图3所示。它主要由微处理器系统、信号检测、功率变换单元、现场总线、人机交换模块等组成。智能控制器在软启动中的作用是根据电机启动中的电流、电压信号进行智能控制, 通过功率变换单元控制可变电抗器的电抗, 从而控制异步电动机的启动。所以, 智能控制器主要包括如下几个基本功能:启动电量信号的检测、智能控制算法运算、功率变换单元控制、开关器件控制。此外, 为完善系统功能, 系统还具有友好的人机交互界面、现场总线通信、存储数据等功能。
2.3 系统软件设计
软启动控制流程主要有软启动初始化、启动状态检查、软启动、软启动结束几个阶段。根据以上步骤, 利用结构化设计思想, 将系统软件分成主程序、初始化程序、软启动过程控制程序、数据通讯程序、人机交互程序、数据存储等若干功能模块, 控制硬件系统自动采集、检测输入信号, 对输入数据进行判断与处理, 并按要求输出所需的控制信号。主程序流程图如图4所示, 系统上电初始化结束后先进行系统自检, 自检完成后判断电机所处的状态, 根据不同的状态接收不同的命令。如果检测电机处于准备阶段, 则接到启动指令后进行触发角的测量, 发出触发脉冲启动电机;如果检测电机处于高速阶段, 则瞬时给出最大触发角实现电机的软停。在整个循环过程中, 任何一项测试不能通过则闭锁所有中断停机。
2.4 模糊PID控制器设计
当异步电动机启动或负载变化时, 由于实际电流与给定电流的误差太大, 单纯采用PID控制进行调频调功时, 容易造成积分累积, 最终引起系统较大的超调, 甚至可能引起系统的振荡, 使得系统的稳定性变差。智能控制器采用模糊控制器与PID控制器相结合的方案, 其控制器系统结构图如图5所示。系统主要由PID控制器、模糊控制器以及误差e和误差变化ec的离散化环节 (k4) 、模糊化环节k1和k2、控制量输出比例环节k3、在线参数自调整环节组成。PID控制器是在误差很小时起作用, 用来消除静态误差, 当误差较大时, 该环节作用较小。参数自调整的作用, 是根据误差e和误差变化率ec, 在线调节k1、k2和k3, 使系统的动特性与稳态性能更好地相互兼顾。
3结论
实验证明, 磁控式饱和电抗器降压启动通过控制直流励磁绕组的电流大小来改变铁芯饱和度, 从而它的等效电抗值是可控的。通过调节饱和电抗器 (SR) 的直流励磁电流, 可以连续改变其电抗以维持启动电流恒定。当软启动完成后, 由于电抗器电抗值相当小, 旁路饱和电抗器不会产生二次电流冲击, 所以磁控软启动克服了定子串联电抗器启动的缺点。
合理选择启动时间和饱和电抗器的直流励磁电流, 对改善异步电动机的启动性能有着重要的作用, 使异步电动机启动达到限流调节、平滑、快速、可靠性高等要求。
摘要：基于LPC 2294微控制器, 设计了一种新型电机磁控软启动方案, 即在电动机定子回路串入磁饱和可控电抗器来实现异步电动机的软启动。设计了系统的硬件电路及软件程序, 并提出了模糊P ID控制算法及其控制器的设计。
关键词：磁控,LPC2294,模糊PID,启动器
参考文献
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关于软启动器控制系统的实现 篇9
1 软起动器的功能特点
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, 国外称为Soft Starter。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闸管及其电子控制电路。运用不同的方法, 控制三相反并联闸管的导通角, 使被控电机的输入电压按不同的要求而变化, 就可实现不同的功能。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, 即为软起动, 在软起动过程中, 电机起动转矩逐渐增加, 转速也逐渐增加。
2 软起动与传统减压起动的比较
笼型电机传统的减压起动方式有星三角起动、自耦减压起动、电抗器起动等。软起动与传统减压起动方式的不同之处如下:
3 启、停控制模式
长沙奥托QB3软起动器有完美的起动模式, 收到外部起、停命令后, 按照预先设定的起、停方式实现对电机的控制。可选的起、停控制模式有以下几种:
3.1 限流软起动控制模式
电动机起动时, 其输出电压从零迅速增加, 直至输出电流达到设定的电流限幅值Im, 然后保证输出电流在不大于该值的情况下, 电压逐渐升高, 电动机逐渐加速, 当电动机达到额定转速时, 旁路接触器吸合, 输出电流迅速下降至电机额定电流Ie以下, 完成起动过程。如图1所示:
3.2 电压斜坡起动控制模式
当电动机起动时, 在电动机电流不超出额定值400%的范围内, 软起动器的输出电压迅速上升到整定值U1, 然后按设定的速率逐渐增加, 电动机随电压的上升不断平稳加速, 直至达到额定电压后, 电机达到额定转速, 旁路接触器吸合, 起动过程完成。起动时间T是根据标准负载在标准实验条件下所得的控制参数, QB3系列软起动器以此参数为基准, 通过控制输出电压使电机平稳加速以完成起动过程, 并非机械的控制时间T而不论电机加速是否平稳, 鉴于此, 在负载较轻时, 起动时间往往小于设定的起动时间, 只要能顺利起动则属正常。一般而言, 电压斜坡起动模式适用于对起动电流要求不严对起动平稳性要求较高的场所。输出特性曲线如图2所示:
3.3 突跳+限流或突跳+电压起动模式
图3给出了突跳起动模式的输出变化波形, 在某些重载场合下, 由于机械静摩擦力的影响而不能起动电机时, 可选用此种起动模式。在起动时, 先对电动机施加一个较高的固定的电压并持续有限的一段时间, 以克服电动机负载的静摩擦力使电机转动, 然后按限制电流或电压斜坡的方式起动。在选用此模式前, 应先用非突跳模式起动电机, 若电机因静摩擦力太大不能转动, 再选用此模式, 否则应避免用此模式起动, 以减少不必要的大电流冲击。
3.4 电流斜坡起动模式
图4为电流斜坡起动模式的输出电流波形, 其中I1为限流值, T1为设置的时间值。电流斜坡起动模式具有较强的加速能力, 适用与两极电动机, 也可在一定范围内缩短起动时间。
3.5 软停车模式
在这种停车模式下, 电动机的供电有旁路接触器切换到软起动器的晶闸管输出, 软起动器的输出电压由全压逐渐减小, 使电动机转速平稳降低, 以避免机械震荡, 直到电动机停止运行。有许多应用场合, 不允许电机瞬间关机。例如:高层建筑、大楼的水泵系统, 如果瞬间停机, 会产生巨大的“水锤”效应, 使管道, 甚至水泵遭到损坏。为减少和防止“水锤”效应, 需要电机逐渐停机, 即软停车, 采用软起动器能满足这一要求。在泵站中, 应用软停车技术可避免泵站的“拍门”损坏, 减少维修费用和维修工作量。软起动器中的软停车功能是, 晶闸管在得到停机指令后, 从全导通逐渐地减小导通角, 经过一定时间过渡到全关闭的过程。停车的时间根据实际需要可在10~120s调整。
3.6 自由停车
在这种停车模式下, 软起动器接到停止命令后立即断开旁路接触器并禁止软起动器晶闸管的电压输出, 电动机依负载惯性逐渐停车。
4 实施
软启动器选用长沙奥托公司的QB3系列软启动器。配合各种控制方案实现用户的控制需求。电机适用范围为:7.5~550k W, 控制方式:1拖1、1拖2、1拖3。
4.1 软启动器的可提供的功能
(1) 电动机的降压启动
(2) 电动机的软停车
(3) 软起动器的保护功能
1) 过载保护功能:软起动器引进了电流控制环, 因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式, 实现了过载保护功能, 使电机过载时, 关断晶闸管并发出报警信号。
2) 缺相保护功能:工作时, 软起动器随时检测三相线电流的变化, 一旦发生断流, 即可作出缺相保护反应。
3) 过热保护功能:通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度, 一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管, 并发出报警信号。
4) 其它功能:通过电子电路的组合, 还可在系统中实现其它种种联锁保护。
(4) 软起动控制柜的组成
软起动MCC控制柜由以下几部分组成:1) 输入端的断路器;2) 软起动器 (包括电子控制电路与三相晶闸管) ;3) 软起动器的旁路接触器;4) 二次侧控制电路 (完成手动起动、遥控起动、软起动及直接起动等功能的选择与运行) , 有电压、电流显示和故障、运行、工作状态等指示灯显示。
(5) 软起动扩展功能
软起动MCC控制柜的扩展功能将软起动MCC控制柜进一步加以组合, 可以实现多种复合功能。例如:
1) 将两台控制柜加上控制逻辑, 可以组成“一用一备方案”, 用于大楼的消防系统与喷淋泵、生活泵等系统。
2) 配上PLC (可编程序控制器) , 则可以实现消防泵定时 (如半个月) 自动检测, 定时自动关闭;
3) 加上相应的控制逻辑, 则可以对消防泵及各个系统运转是否正常实施平时检测时, 定时低速低水压 (不出水) 运行;在灭火时, 则实施全速满载运行。
4) 将若干台电机加上控制逻辑组合, 可以组成生活泵系统或其它专用系统, 按需要量逐次打开各台电机, 也可逐次减少电机, 实现最佳效率运行。
5) 可以根据客户要求, 实现多台电机每次自动转换运行, 使各台电机都处于同等的运行寿命期。软起动器适用于的场合原则上, 笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。
(6) 应用范围
目前的应用范围是交流380V (也可660V) , 电机功率从几千瓦到800k W。软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载, 需要软起动与软停车的场合。同样对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行, 只有短时或瞬间处于重载场合, 应用软起动器 (不带旁路接触器) 则具有轻载节能的效果。
4.2 方案
供水系统原则上建议使用1台软启动器控制2台水泵、风机。 (如果大于2台需要加旁路接触器) , 以下为1台软启动器带2台水泵控制系统。
4.2.1 系统实现目标
(1) 节能降耗, 提高设备可靠性; (2) 提高设备可维护性, 降低设备维护费用; (3) 提高设备自动化水平; (4) 启动时对电网干扰小, 投入比较经济。
4.2.2 控制过程
随时可以通过软启动器启动第一台水泵或第二台水泵 (但不能同时启动两台水泵, 在控制中有电气连锁) , 当1台软启动器启动的水泵的供水量不能满足现场的用水要求时, 通过软启动器启动第2台水泵。系统的控制主回路如下图所示:
4.2.3 配置说明
需要根据现场实际情况设计的系统控制的水泵、风机数量, 决定是否需要增加旁路接触器。如需要增加旁路接触器则要考虑现场工艺是否能逐一启动。
5 结语
软启动器很好地解决了电动机起动时对电网和机械设备的冲击, 同时具备软停车、故障过流保护、过载保护、缺相保护、节能、通讯等功能, 广泛应用于冶金、石化、市政、制造等行业。电子式软起动器是采用电力电子技术、自动化控制技术和微处理器技术而研制生产的新型控制设备。与传统起动设备相比, 性能更可靠, 使起动更平滑, 对电网冲击更小, 此外还具有限流调节、软停车、节能、智能通讯等功能。
参考文献
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