软启动技术及应用（共7篇）
软启动技术及应用 篇1
摘要：本文主要对电动机的传统启动方式及软启动方式进行对比, 得出电动机软启动技术的优点, 并对软启动技术的选择与应用进行分析与阐释。
关键词：电动机,软启动,选择,应用
近年来, 随着我国用电量的增长, 电网稳定性的要求越来越高。因此, 在异步电动机的控制, 尤其是启动方面也提出了相应要求。传统电动机启动控制已经无法适应生产的发展需要, 因此电动机软启动技术开始大力发展并应用。
一、传统启动方式与软启动方式
1.1传统启动方式概述
由于交流异步电动机具有体积小、结构简单、运行可靠、经济性强、方便维修、运行率高、工作特性好等优点, 因此在电力拖动平台中应用广泛。在电动机的运转过程中, 大多场合都推荐直接启动方式, 这是由于直接启动方式的启动转矩最大, 只需要电网容量许可。但是在这种直接启动方式下, 启动电流会达到电动机额定电流的约4-7倍, 较大的启动电流会带来线路降压, 造成电网的波动性过大, 对电网中并联的其他设备产生影响。另外, 在直接启动时电动机轴会瞬间产生过大转矩, 造成破坏键槽、扭曲电机轴、损坏设备等问题, 同时对机械传动系统产生较大冲击。在电动机直接启动时, 定子绕组中产生较大的电流, 也会造成电动机绕组绝缘过热而促进老化, 在电动机能耗制动时, 在转子电阻上产生大量消耗, 对电机绝缘十分不利。再加上直接启动属于全压启动, 启动的电流大、电压降也很大, 因此受到我国供电设备与电网实际条件的限制, 直接启动方式仅适用于容量小的系统中。
1.2软启动方式的优势
与传统的启动方式相比, 电子式软启动具有诸多优点, 主要体现在以下几点:
1.2.1延长设备使用寿命
电动机的无阶跃式平滑启动或制动可延长机械设备的使用寿命, 避免传动元件产生的冲击。例如软启动器在水泵控制系统中的应用, 可减少水阻现象。这样可减少检修设备的时间, 延长使用寿命。
1.2.2提高加速与减速特性
选择电压斜坡或者电流限幅启动方式, 可实现负荷特性曲线的优化配置。对于静摩擦阻力比较大的负荷量来说, 可采用脉冲突跳式启动。电动机的制动方式方面, 可以选择直接切断电源或者软制动斜坡形式, 同时向电动机定子中注入直流的节能型制动形式也具有可行性。通过多种制动方式联合, 可实现最佳减速的特性。
1.2.3保证运行可靠性
由于软启动控制系统中的数字化信号处理是在高性能单片机基础上完成的, 因此提高了启动的可靠性。并避免传统启动形势下过多调整模拟线路的情况, 进而获得更好的准确度并提高处理效率。
1.2.4实现功能全面保护
软启动技术既具备过载保护功能, 还可对操作故障状态提供保护, 例如对电动机堵转、输入/输出缺相、晶闸管短路等故障的保护。
1.2.5极大降低噪音污染
由于控制单元和供电进线联系紧密, 因此在线路电网的干扰噪音时刻存在, 但是由于软启动控制单元中, 对控制信号采取光电隔离处理, 并设置了不同级别的抗噪, 因此可有效降低各种噪音干扰, 对控制系统的影响降到最低。
二、电动机软启动器的选择
通过前文对传统启动方式与软启动方式的对比, 不难看出在工程设计与改造过程中, 若想提高工艺自动化水平, 降低企业成本、提高效益, 必须选择先进的电动机启动设备——电子软启动器。在选择电子软启动器时应根据其性能, 针对实际情况。目前软启动器主要有以下五种启动方式:
2.1限流启动
限流启动也就是对限制电动机的启动电流, 主要利用轻载启动的负载来降低启动降压, 但是这种方法在启动时很难事先知道启动降压, 无法充分利用降压空间, 造成启动力矩的损失, 对电动机应用十分不利。
2.2转矩控制启动
这种方式主要应用于重载启动中, 将电动机的启动转矩由小向大呈线性趋势上升, 这种方法的优点为柔性好、启动平稳, 可更好保护拖动系统, 并延长拖动系统的使用寿命, 同时降低电机启动瞬间对电网产生的冲击。转矩控制启动是最佳重载启动选择方式, 但是其缺点为启动时间过长。
2.3斜坡电压启动
这种方法是电压由小至大呈斜坡线性上升趋势, 将传统的降压启动形式由有级转化成无极, 多应用于重载启动中。这种方式的缺点为初始转矩小, 由于转矩的特性抛物线以线性上升趋势, 对拖动系统不利, 过长的启动时间也对电机带来损耗。
2.4转矩加突跳起动
它与转矩控制启动方式相似, 也应用于重载启动中, 但是这种方式在启动瞬间采取突跳转矩方式克服了电机静转矩, 再保证转矩的平滑上升, 有效减少了启动时间。但是在突跳时会向电网发送尖脉冲, 对其他负荷有所干扰。
2.5电压控制启动
电压控制启动应用于轻载起动中, 在确保降低启动压的同时, 发挥电动机的最大启动转矩, 并缩短启动时间, 是轻载软启动的最佳选择形式。
三、电动机软启动技术的具体应用
(1) 构成断路器、旁路接触器、控制电机以及软启动器组成的电动机控制中心, 这是当前我国软启动技术应用最多的电动起软启动方式。在启动与停车时, 晶闸管工作, 开始软启动。当启动结束后, 接触器的触点闭合, 晶闸管实现短接, 此时电机通入全电压, 开始正常运转。这种应用方式的优点在于:设备运行期间电动机和电网直接相连, 旁路接触器可当作备用手段, 在紧急情况下或者晶闸管发生故障时, 可使电动机直接启动, 提高运行可靠性。
(2) 软启动器和PC结合的复合功能。将一台PC程控器和两台或两台以上的软启动器结合, 完成多套备用方案。与PC的结合应用, 可实现软启动、软停车、有用有备, 并和中央控制室共同构成遥控监视系统。例如在我国很多排水系统中, 由于平时的排水量需求不大, 只需要少量的排水泵工作即可;其他时间则应根据水位要求, 逐步投入水泵使用台数, 直到所有水泵投入使用。
(3) 煤矿电气控制中的应用。一般电子式软启动器没有短路保护功能, 通过过载保护实现对短路保护功能。由于可控硅具备有限大的浪涌电流, 且过流反应能力处于微秒级。在实际应用过程中, 故障点的电流尚未形成短路电流时, 可关闭主功率单元。软启动器与电动机的接线应提高注意, 大多产品是3根出线, 但也有一些产品采用6根出线形式。可将软启动器安装在具备功率因素补偿器系统中, 但是电容器必须处于软启动器电源的进线一侧, 防止电容器放电造成的启动器晶闸管损坏, 还应在电源与电容之间连接电感线圈。一般煤矿使用的软启动器是不允许长期在额定负载情况下运行, 应以旁路接触器的形式, 启动完毕后实现短接。在煤矿实际应用过程中, 工艺条件允许的情况下, 可选择多台电动机使用一台软启动器的形式, 有效节约投资成本, 软启动器则以其中最大电动机的容量进行选择。H
参考文献
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软启动技术及应用 篇2
在交流异步电动机的启动控制中, 常用的启动方式有全压直接启动和降压启动两种。这两种传统的启动方式, 应用很广泛, 但在某些特殊要求的场合, 这些传统的启动方式会暴露出一些缺陷, 如启动时高达5～7倍的额定电流易造成电动机绕组高温过热, 加速绝缘老化;启动时供电网络电压降过大, 影响其它设备的正常运行;频繁启动时能量损失过大, 浪费电能;启动时对被带动的设备造成极大的冲击力, 缩短设备使用寿命。因此, 为了避免这些问题的出现, 对电动机直接启动提出了限制条件:机械设备是否允许电动机直接启动;直接启动时, 不允许电动机的容量大于10%～15%主变压器的容量;启动过程中电压降△U不大于15%的额定电压。同时, 试图采用一些可行办法, 即采用频敏变阻器启动 (只适用于绕线式电动机) 、自耦变压器降压启动、Y/△转换方式启动、延边三角形启动方式等。但这些启动方式普遍也存在着启动设备复杂, 部分启动方式存在启动电流大或启动转矩偏小的弊端, 而且在电动机的运行保护方面, 存在功能不完善或不灵敏的情况。对此, 经技术人员的实地考察, 分析, 提出一种先进的电动机控制技术——智能软启动技术。
1 全新的启动方式
1.1 软启动
软启动是采用软件控制方式来平滑启动电动机, 一方面控制方式以软控强, 另一方面控制结果将电动机启动特性由“硬”平滑为“软”, 故被称之为“软启动”。它又分为两种:一种是采用变频恒矩限流;另一种是采用晶闸管调压启动, 又称智能软启动。
1.2 两类软启动的对比
技术性能。采用变频调速启动, 启动时具有良好的静、动态性能, 就是在低速情况下也能随意调节电动机转矩, 能以恒转矩启动电动机, 启动电流可以限制在150 %额定电流。
采用智能软启动, 启动时由于转矩是按电压比的平方减少, 因此启动转矩很小。软启动器有电流反馈, 也可采用恒流启动, 即在启动过程中保护启动电流不变, 直到电动机接近同步转速。从技术性能方面考虑, 变频调速启动适用于较大启动转矩的负载, 一般是大于50%的场合, 例如翻车机、重牛驱动电机、带负载的物料输送机、碎煤机、螺旋式或振动式给料机、多级油泵等。智能软启动适用于较小转矩的负载, 一般是小于50%的场合, 例如叶轮给煤机、离心式风机、离心泵、空载启动的输煤皮带机、各种空载启动的设备。经济性。采用变频器调速启动比智能软启动的投资费用高两倍甚至三倍。
综合以上技术性能和经济性, 对电厂用电而言, 当前受欢迎、能实际推广的启动方式当数后者。
1.3 智能软启动
智能软启动主要由串接于电源与被控电动机之间三对反并联晶闸管调压电路构成, 以单片机为控制核心, 整个启动过程是数字化程序软件控制下自动进行。利用三对晶闸管的电子开关特性, 通过启动器中的单片机, 控制其触发脉冲的迟早来改变触发角的大小。而触发导通角的大小, 又改变晶闸管的导通时间, 从而最终改变加到定子绕组的三相电压的大小。异步电动机定子调压的结果, 一方面其转矩近似与定子电压的平方成正比, 另一方面电动机的电流又和定子电压成正比。从而电动机的启动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现, 而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的, 所以不同的初始相角可实现不同的端电压, 以满足不同的负载启动特性。电动机启动过程中, 晶闸管的导通角逐渐增大, 晶闸管的输出电压也逐渐增加, 电动机从零开始加速, 直到晶闸管全导通, 从而实现电动机的无级平滑启动。电动机的启动转矩和启动电流的最大值可根据负载情况设定。
2 智能软启动的技术特性与功能
2.1 基本特性
采用单片机全数字自控监控, 启动时启动电流以恒定的斜率平稳上升, 对电网无冲击电流, 不会造成大的电压降落, 保证了电网电压的稳定。启动转矩、电流、电压、时间可按负载不同而设定, 可取得最佳的电流冲击和最佳的转矩控制特性。极大地减少了电动机转矩对负载的冲击, 也满足了不同工作对象对启动转矩的不同要求, 保护了驱动机构。
电动机启动不受电网电压波动的影响。由于在晶闸管的移相电路中, 引入了电流反馈, 因而使电动机在启动过程中保持恒流、平稳启动。同时, 由于以启动电流为定值整定, 当电网电压上下波动时, 通过控制电路自动增大或减小晶闸管导通角来维持原设定值, 可保护启动电流恒定。有的还采用双电源隔离, 保证控制部分不受各种强电干扰。
根据工作对象的不同, 可选择多种启停方式。而采用不同的启动方式, 其启动力矩也不同。一般软启动的初始转矩可根据用户要求在锁定转矩的0～90范围内选择, 从初始力矩水平开始, 电动机的电压在斜坡加速时间内无级增加, 加速的斜坡时间由用户设定。可以自由停车和软停车, 软停车时间可调节。软停车特性大大延长电气触点寿命。
结构简单, 质量轻, 无噪音, 占地小。作为无触点控制, 其使用寿命比传统的接触器大大延长, 若使用得当, 可长达几十年, 全免维修。而且安装、操作、使用简便。平滑、渐进的启动过程亦降低设备的振动和噪声, 延长转动机寿命, 并改善了工人的劳动环境。
可选择过流、过载、电源缺相多种保护, 保证了设备和电机的安全。提供设备的监控保护的快速故障诊断信息, 如限流、过载、缺相、转子堵转等。保护整定值可由用户指定, 保护性能可靠。有的还具相序自动识别、相序保护功能。
带标准的RS232C接口, 具有通信功能。通过标准接口传输数据, 可集成网络化, 实现分散控制, 集中管理。全数字设定和外控功能大大方便用户。人机界面友好:工作时显示工作电压, 工作电流, 最大电流;故障时显示故障, 性能价格比高。方便的外控接口具有数字延时启动控制;软停控制输入;启动延时继电器输出;故障继电器输出等多种功能。
2.2 启动特性
限流型:限制启动电流, 降低启动压降, 任意调整, 键盘设定。
电压控制型:设定允许电压降百分值, 自动测量压降并限制压降。通过测量压降自适应控制启动电流。调试数据电脑自动记忆, 运行时由智能程序自动监控运行。
转矩控制型:对电机运行特性的控制, 尤其是在启动和停止期间。对电机和启动器的过载保护。对传动机械的保护, 清除浪涌转矩并降低冲击电流。在给定区间内控制加速转矩和按应用要求调节电机转矩。
转矩控制加突跳型:如果转矩控制启动时间长, 通过转矩突跳克服静转矩, 加快启动周期。
2.3 停车特性
自由停机:自由掉电停机, 外故障停机, 自复位可编位。
软停机:0～200 s (t=0 s为自由停机) 自设定。电机停车传统方式为自由停机, 即通过瞬间停电来实现。但如皮带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机, 软停车功能正好能满足此要求。晶闸管在收到软停机信号后, 导通角渐减, 经一定时间才过渡到全关, 即电动机端电压渐减至零。停车时间可按实际需要设定。
制动停机:0～60 s自设定, 强制停机。
2.4 控制及通信功能
控制输入:无源开关量 (无源触点) 。启动;瞬停;软停;手、自动切换;共用端五种。
控制输出:旁路:延时;故障输出三种。
电流输出:4～20 mA。
计算机通信:RS232或RS485。
显示器:正常时, 显示电动机运行电流或电压;故障时, 显示故障内容。
键盘:设定参数;接点功能;锁停。
2.5 系统保护功能
电子速断保护:内置, 启动、运行、软停时输出短路, 报警并动作;
单相接地保护:故障时报警并停车;
过电压保护:故障时报警并停车;
过负荷保护:故障时先报警, 后停车;
断相保护:电动机上、下口断相对报警并停车;
倒相保护:电动机上口倒相时报警并不启动。
2.6 维护及管理功能
故障自诊断, 短路、过电压、单相接地、电机过载、堵转, 加智能程序可判断拖动系统工况;故障显示与继电器接点输出;
模块化组合设计, 根据故障显示内容, 5 min 排除故障;
可带 4～20 mA模拟量电流输出口, 输出电机的启动电流和运行电流值;
可带计算机通信接口 (RS232C) , 可联上位微机管理或遥信。
3 智能软启动在发电厂的应用
选用原则:在发电厂燃料卸储输实际应用中, 一般根据下述原则来选用,
功率较大, 直接启动对电网产生不允许的冲击的电动机;
防止启动时产生力矩冲击, 而使转动机械断裂、损坏的场合;
较频繁启动的电动机 (软启动装置一般允许启动10次/h, 而使电动机不致过热) ;
需重载启动, 且正常负载所需运行负载力矩又比大一号电动机额定转矩小得多的电动机;
需防止水锤效应, 防止管道破裂的泵类负载;
拖动负载需特殊功能的电机。如突跳、平滑加速、减速、快速停止、低速制动和准确定位等。
摘要：针对大功率异步电动机通常降低启动电流冲击的措施, 阐述了智能软启动技术性能及功能, 并讨论了应用中的有关问题。
关键词：异步电动机,晶闸管调压,智能软启动,启动控制,控制技术
参考文献
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[3]黄立培, 张学.变频器应用技术及电动机调速[M].北京:人民邮电出版社, 1998.
软启动技术及应用 篇3
通风机堪称煤矿的“肺脏”,在两级的轴流风机中,对旋风机具有结构紧凑,效率高,反风性能好等优点,在煤矿通风机中得到了大量的应用。这种风机是一拖二系统,抽风时需要先启动送风机,等送风机达到额定转速后,启动引风机,反风时过程相反[1]。实验中的对旋风机由2台异步电机(容量为710kW,额定电压10kV,额定电流52A,额定转速720r/min)拖动。该套对旋风机直启的启动时间为7s,启动电流最大为380A,持续时间1s,然后电流降到300A,持续6s后达到额定转速。直启过程中电网有明显的压降,需配置软启动。常用的高压异步电机软启动常用方法有以下几种。
1)液阻启动法[2]。
液阻软启动的缺点为液阻箱容积大,软启动的重复性差。液阻软启动需要维护,不适合置放在易结水或颠簸的现场。
2)磁控软启动。
磁控软启动在启动开始时限流作用较强,在软启动过程中限流作用逐渐减弱,磁控式软启动器还存在着体积大、耗电量大、故障率较高和维修费用较高的问题,不适于频繁启动。随着金属原材料的价格越来越高,其成本也会随之增大。
3)变频器启动。
启动电流小,启动转矩大,但高压变频器成本居高不下,高次谐波严重。
4)晶闸管调压软启动。
可以通过限流启动控制启动过程中的电流倍数,对环境要求不高,可以频繁启动。高压系统中可以利用多只晶闸管串联获得高的耐压,而晶闸管的电流容量可以达到数千安培,耐流能力强。所以晶闸管软启动用于高压异步电机的技术难点在于晶闸管的串联触发一致性和触发的隔离强度上。本文初步解决了这个问题。同时对恒流启动和消除异步电机启动过程中的电流振荡也做出了努力。
2 晶闸管阀组结构及其触发系统
本系统每相晶闸管阀组采用12对反并联晶闸管串联提高耐压,每对晶闸管并联10kΩ均压电阻,RC吸收回路。每相阀组配置一套输出交直流可变的电流源系统。触发信号从DSP输出经过光纤传输到电流源的控制端口。DSP输出低电平时电流源工作在直流输出模式,磁环副边无感应电流,不触发晶闸管。DSP输出高电平时电流源工作在交流模式,母线上输出的交变电流经过磁环变压器感应到副边触发晶闸管,实时性和一致性以及触发系统和高压侧的隔离强度都能得到保证。实测磁环副边的驱动电流峰值能达到1A,平均值为300mA,达到强触发所需的电流大小。
图1是晶闸管阀组结构框图,电流源母线穿过磁环变压器,副边经过简单半波整流后接到晶闸管的门极,触发脉冲的一致性能得到保证。
由于三相交流晶闸管调压的触发脉冲顺序如图2所示为AB,CA,BC,AB,CA,BC,AB,即每相晶闸管的触发脉冲的最短间隔为60个电角度。
由触发顺序可知,如果A,B,C三相阀组各用一套电流源触发,那么只要可控电流源母线上的电流交/直流模式的转换频率达到300Hz,那么在晶闸管的触发角度到来的时刻控制电流源的电流输出模式就可以控制晶闸管开通。图3是电流源工作在300Hz转换频率的实验波形。
图3中,X轴:5ms/格;Y轴:CH1,2A/格,CH2,5V/格,CH3,1V/格。CH1为电流源母线上的电流。CH2为触发指令,高电平为触发,触发时间持续1.67ms,在这个时间内输出脉冲串,控制触发高电平相对于电压过零点的位置就可以控制晶闸管的触发角。CH3为磁环副边的电流波形,直流模式时磁环副边没有输出电流,交流模式时副边输出的电流波形经过简单的整流就可以满足晶闸管的触发要求。晶闸管的触发波形要求前沿陡直而且需要大的电流尖峰,由波形中看出均可满足。各路脉冲上升时间小于500ns,上升沿一致性的差别小于100ns。由于直流电流已经建立,在向交流模式切换的时候触发电流脉冲不需要建立时间,高电平控制信号到来的同时电流源的输出电流就变为交流,感应到磁环副边触发晶闸管。图4是比较3路触发信号的电流波形一致性,所取信号来自于晶闸管门极前的10Ω限流电阻上的电压。
传统的高压异步电机软启动触发方式使用各路隔离电源给每对反并联SCR的脉冲变压器供电。改进后晶闸管的触发方式具有以下优点:
1)磁环副边的触发电路变得简单很多,一只磁环可以带多个副边,能有效减小阀组体积;
2)以前的触发同时性要靠三极管的同时开通性能,现在磁环副边直接整流后接到晶闸管门极,能保证强触发一致性,可靠性高;
3)能保证高的隔离强度,隔离强度在10kV以上的脉冲变压器工艺上难以达到,而10kV以上隔离强度的副边导线容易得到;
4)脉冲变压器存在饱和的问题,不能发出长脉冲串。电流源则没有限制,可以输出长脉冲串用以触发晶闸管。
3 基于模糊控制的恒流软启动
高压大功率电机转子等效电阻小,转子惯性大,通常的斜坡电压控制如果不对电流加以限制,电流很容易上升到电机的4~5倍额定电流以上,电机发热严重,不利于电机运行。
基于PID控制的恒流算法需要数个积分周期,响应较慢,难以满足以20ms为周期的电流调整。基于模糊控制的恒流启动,可以控制电机启动电流在额定电流3倍以内[3]。
以电机额定电流的3倍为限流值h,限流值的97%~103%为恒流区域,电流在这个范围内时触发角保持不变,电流小于限流值97%时,触发角减小,电流大于限流值的103%时,触发角增大。触发角减小增大的幅度由模糊控制表中查询得知。
模糊控制表如表1所示,Δα为触发角的增量,ΔI为定子电流的增量,ΔIc为定子电流增量的变化率。触发角的增量由表1中查得。
定子电流的增量分为5个区域,定子电流增量的变化率分为9个区域。为限制电流变化幅度,触发角的增量区间为[-2,2]。
利用电网电压和流过阀组电流经过信号调理电路整理出相电压相电流的过零点,测得续流角φ,为保持加在电机定子端的电压相对稳定,如果续流角有剧烈的变化,相应调整触发角[4,5],按照以下公式计算触发角增量:
Δα=Δφ-sin(2φ+2Δφ)/2+sin(2α+2Δα)/2
式中,续流角增量Δφ和当前的触发角α、当前的续流角φ都已知,在程序中可用迭代逐次逼近解出此超越方程,不难得到触发角的增量。由于续流角的剧烈变化都发生在额定转速附近,此时电机电流比额定电流小或者接近额定电流,因此启动电流在电机额定电流2倍以上时,不用考虑用续流角增量补偿电机定子端电压。实验中采取的是在启动末期电流小于1.5倍额定电流时进行补偿。为了使各相电流均不发生振荡,每相的续流角和续流角增量都需要单独测量并计算,补偿触发角使用对应相的测量值。
4 10kV对旋风机软启动试验结果
图5是加入模糊恒流算法和触发角补偿算法后的电机启动电流波形。图5中,正向送风时,先启动2号送风机(710kW,52A),由于风机叶片的惯性很大,启动时间较长,3倍限流启动时间达到了30s。所测得的电流均来自变比为250∶5的电流互感器副边的电流。
图6是对旋风机引风机启动电流波形。当送
风机达到额定转速并网运行后,等待约1min,由于对旋风机系统中2台风机距离较近,气流能带动1号引风机达到一定的转速,因此1号引风机启动时间大为缩短,3倍限流启动时间为10s。
由于该次启动时开了8个风门,相当于轻载启动,电机运行时的电流小于额定电流值,实测约为30A。如果启动时负载加重,启动时间会进一步加长,实测重载启动时送风机启动时间约为40s,引风机为15s。整个启动过程波形平滑,基本消除了电流振荡,启动过程中电网电压无明显波动,启动效果良好。
5 结论
1)晶闸管调压式的高压异步电机软启动的关键技术之一是多路隔离触发晶闸管,采用交直流可变的电流源作为触发脉冲源,能保证实时性和高的隔离强度。触发系统简单易行,减小了晶闸管阀组及其触发系统的体积。DSP发出的触发信号和电流源之间的连接采用光纤,在现场环境中可以屏蔽绝大部分干扰。
2)采用恒流模糊控制及定子电压补偿算法,对晶闸管的触发角进行控制,基本消除了轻载启动过程中的电流振荡和转矩振荡。
3)在电流限定倍数固定的情况下,电机的软启动时间越短越好。对旋风机系统中的2台风机启动过程存在关联,负载情况和一拖二启动2台单独运行的异步电机存在差异,调整触发策略让后启动的电机获得较大的初始启动电流,让风机快速拖动到额定转速,减小启动时间。
参考文献
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电机软启动技术分析与探讨 篇4
关键词：电机,软启动,节能
1 前言
在工业迅速发展的今天, 交流电机的使用范围和规模原来越大。据权威机构调查显示, 电机的电能消耗占工业总用电量的68%~83%, 而在我国, 这个比例达到60%~70%, 可谓是数量惊人。在电机工作时, 需要消耗大量的电能, 尤其是启动时, 一般需要较大的电流才能启动, 此时的电流可以是额定电流的5~8倍之多。这不仅给电机本身带来额外的耗损, 也给电网带来巨大的负担, 并且由于电流过大, 影响电机的使用寿命, 严重时甚至会影响电网中的其他用电设备。但是使用一般的电机启动方式, 会将主要的技术改进集中在降低启动的电流上, 这样一来启动转矩也降低, 不能给电机提供有效的转矩, 是一种非常不可取的方法。同样, 一般的停止制动的方法主要使用自然停止或助力制动, 其中自然停止的方式会给管道类的电机制动器造成非常大的冲击, 而对抱闸制动类的电机产生剧烈的机械故障, 严重危害电机的安全。这就使得对电机进行软启动研究逐步进入人们的视野, 目的是使电机能够比较平滑地启动和停止。
使用电机软启动, 对那些不需要调速的三相交流异步电机有着非常重要的意义, 因为这可以使电机的启动、停止等得到有效的保护。在很多启动设备中, 这种方式正在得到革命性的推广[1]。
在电机启动的方法中, 一般的大中型电机采用的是串电阻启动或Y/△启动、定串子电抗启动和自耦变压器启动、延边三角形启动, 这几种方式其本质是降压启动, 目的是限制启动电流, 在一定程度上可以避免过大的启动电流冲击电网。但是, 这些方法存在一个明显的缺点, 即电机的特性和负载情况决定了电机电流幅值和启动时间, 这些都是不能调节的。
2 电机软启动原理
目前研究的电机软启动, 主要是用来控制三相交流异步电机的启动, 使用它可以对电机的软启动、节能和软停止起到保护作用。用来替代传统的Y/△启动和自耦变压器启动, 应用于工业电机控制的各个方面[2]。
三相反并联晶闸管 (SCR) 是软启动器的调压器, 是其接入电源和电机定子之间的部分, 主电路如图1所示。图1所示的电路很像三相全控桥整流电路, 其工作原理是在电机启动时, 利用逐渐增加晶闸管的电压, 使得电机平稳提速, 当达到一定的速度时, 晶闸管会全导通, 此时的电机电压会达到额定电压, 正好适应其机械特性, 启动的整个阶段比较平滑。在软启动的点集中, 晶闸管在完成启动任务后, 会被旁路接触器所代替, 旁路接触器会为电机提供额定的电压, 供其正常工作。正是由于晶闸管的“休息”, 降低其热损耗, 可以大大提高电机的使用寿命。同样, 在电机软停止的时候, 其工作原理与启动时正好相反。
3 异步电动机的软启动技术
软启动最主要的原理就是使用软启动器, 协调电源与被控电机之间的工作, 控制晶闸管的工作时序, 在一定程度上使得电机的电压从启动电压到额定电压过渡, 逐渐使电机达到全电压模式[3]。
3.1 晶闸管交流调压软启动
晶闸管交流调压软启动的主要方法是将晶闸管的连接方式改为在三项绕组上, 以并联的方式给晶闸管供电。软启动的过程中需要控制晶闸管的导通角, 使得电机逐步获得额定电压的过程。之所以称之为软启动, 是因为通过这种方式给电机供电, 可以随意改变电流的大小, 可以根据电机的状态进行保护性的调节, 并且在整个过程中节省了大量的功耗。
晶闸管软启动器灵活性较强, 用户可以根据不同的工作情况选择具有相应启动特性的电机。下面介绍4种常用的晶闸管软启动方式[4]:
(1) 斜坡升压软启动。在该启动方式中, 不像其他方式中的电流闭环控制功能, 主要是通过调整晶闸管导通角来调节电流大小, 并且晶闸管的导通角是通过事先设定的函数关系逐步递增的。但是, 这种方式也有很大的缺点, 就是没有限流的功能, 使得电机有可能会因为电流过大对晶闸管产生毁灭性的冲击, 同样也会影响到电网的使用。
(2) 斜坡恒流软启动。以这种方式进行电机启动时, 电流是逐步增加的, 当达到额定电流的时候, 会在这个程度上保持一段时间, 当启动结束时再进行调整。同时, 电流在不断增加的过程中, 上升的速率是根据电机的负载情况不断变化的, 也就是根据电机的转矩的不同而进行调节。
(3) 阶跃启动。在电动机刚启动的瞬间即将电动机的启动电流直接增大至所设定的电流值并保持该值直至启动完毕的方法, 称为阶跃起动。通过调节启动电流的设定值, 可以达到快速启动的效果。这种启动方式在启动瞬间的启动转矩较大, 适用于较大负载的启动, 如一些带负载启动的设备。
(4) 脉冲冲击启动。在启动开始阶段, 让晶闸管在极短时间内, 以较大电流导通一段时间后回落, 再按原设定值线性上升, 进入恒流启动。该方式是所介绍的启动方式中启动转矩最大的一种, 该启动方式在启动初始阶段有一个较大的启动冲击电流, 该电流值大于设定的恒流启动值, 从而产生较大的冲击矩去克服较大的静摩擦转矩, 使设备能够启动, 然后即进入恒流启动阶段直至启动完毕。在脉冲恒流软启动方式中的脉冲启动阶段电流的幅值 (可为全压启动的电流幅值) 和维持时间是可以设定的。脉冲恒流软启动方式的启动冲击转矩大, 适用于重载启动, 如皮带输送机、破碎机的带载启动等。
3.2 三相交流调压软启动器的调节原理
利用交流电机的电压特性曲线的特点来控制交流电机的启动, 是电子软启动器的主要控制思路。其采用3对反向并联的晶闸管串联于电动机的三相供电电路上, 利用晶闸管的电子开关特性, 通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开通时间, 从而改变电动机定子输入端的电压, 以达到控制电动机的启动过程的目的。当电动机的启动完成以后, 即当其端电压升高至额定电压时, 三相旁路接触器吸合, 使电动机直接并网运行。在开始启动时, 晶闸管的导通角从“0”开始逐渐增大, 电动机的端电压也从“0”开始上升, 直至达到满足起动转矩的要求, 确保了启动的成功。
4 两相变频软启动电路的结构和技术原理
传统三相调压软启动电压调节可连续变化, 但是启动转矩低, 而分级变频软启动可以提高交流电机启动转矩。结合两者电压调节和增加启动转矩的优点, 作者本人曾提出了两相变频软启动控制的原理, 在分级变频区间内对晶闸管采取连续调节, 以实现交流电机的简易变频, 达到软启动的目的。
交流电机三相对称定子绕阻通过对称的三相交流电源, 可以产生圆形旋转磁通, 这是以大地为零电势点。如果以三相电源中的C相为参考电势点, 将不影响实际电机的正常运转。
所以, 对交流电机通入互差60°的交流电源可产生同样的旋转磁场。现在, 对A、B两相进行变频控制即可实现对电机电枢电压的两相变频控制, 从而实现两相变频软启动。
5 结语
电机控制方法与技术随着科技水平的提高而越来越先进, 与传统的降压启动方式相比, 很多设备会在电机软启动的保护下延长使用寿命, 这已成为近年来研究的热点和重点。随着电机软启动的国产化和原材料价格的降低, 普及电机软启动是十分可行的, 大力推广电机软启动, 对于节能减排和控制成本有明显的作用。成本相对较低, 只需增加较少的投资, 就可完成电机传统方式启动的改造。大幅度地提高设备性能, 为安全生产、经济运行提供保障。
参考文献
[1]王淑红, 朱玉红.三相异步电动机的控制系统.机床电气, 2009
[2]任礼维, 林瑞光.电机与拖动基础.浙江大学出版社, 2009
[3]方大千.变频器、软启动器及PLC实用技术问答.北京:人民邮电出版社, 2007
煤矿机械设备的软启动技术 篇5
1 煤矿机械设备软启动技术的现状和发展趋势
煤矿企业的软起动器属于集电机类软起动, 它集软停车、轻质节能及多项保护措施于一身, 是最新式的电机控制设备, 在国外被称之为Soft Starter。软启动器主要构成为串接在电源及被控制电机间的三相式反并联闸管调节压力交流器。通过改变晶闸管中的触发角, 完全可以调节控制晶闸管调压电路流出电压。在全部起动时限内, 软起动器电压流出可以视作是平滑升压过程, 而且同时具备限流能力, 直至晶闸管实现全面导通, 使电机能在额定电压状态下运行。使用个性差异工作方法, 使被控电机的输入电压按不同的要求而变化, 就可实现不同功能的启动方式。由于电动机启动时电压和电流都可以从零连续调节, 对电网无电压浪涌冲击, 电压波动小, 而电动机的转矩亦连续变化, 对电动机及机械设备的机械冲击也几乎为零。
伴随电子器件及生产技术的进展, 煤矿软启动发展到了一个全新时代, 产品的产化率提高, 产品的质量得到很大提高, 逐步进入全面应用的阶段。在煤矿企业中使用软启动装置, 可以很好的节约电能, 延长电动机和附属电器设备的应用时限寿命, 也可以极大地减少变压器同空气开关设施选型上的需求, 为前期投资节约创造合理化空间。同国外软启动设备加以比较, 可以发现, 我国的软启动装置还有以下几个特点:传动效率高, 发热量小;工件可靠, 使用寿命比较长, 维修成本低, 但是应用性还不是很广。
2 煤矿机械设备软启动技术
2.1 液力耦合软启动工艺
液力耦合器会因为流入及流出转速之间的不同比值, 而让液力耦合器难以实现同步运行。出现这类情况最有可能造成的后果是能量大量损耗, 如果经常运用此种办法则不可避免地会产生巨大资源浪费。因此, 在较小空间内最好使其转速比值保持一致。液力耦合器虽然表现出了一定程度的缺陷, 但这种机器的使用寿命比较长, 能较好的满足煤炭生产的实用性需求, 因此在煤炭生产机械设备里有着较广泛的应用范围。
2.2 液压系统的软启动技术
液压传动技术主要有用于运输机的允许有滑差的油膜线性离合器软启动以及用于绞车的低速大扭矩马达软启动等。液压系统工艺所起的作用是用变更压强的办法提升作用力。完整状态下的液压体系可以由五大部分构成, 它们分别是:动力元件、控制元件、执行元件、辅助元件及液压油。液压系统的维护比较复杂, 故液压传动系统的软启动技术被其他的更易于操作的软启动技术所代替。这样可以实现现场维护, 大大缩短了维护的时间。
3 实施软启动技术时对软启动装置的选取
在一系列的工程改造与工程设计的过程当中, 要逐步提升工艺的自动化作业水平, 从而有效降低对成本的投入, 增加煤矿企业的经济利润。对软启动装置的选取可以使用目前国际上技术领先的启动设备, 即“电子软启动装置”。在使用这一装置的过程中要考虑下列几方面的问题:首先, 要选择产品质量好、性能佳的生产商。我国制造电子软启动装置的厂商有很多, 销售的产品可谓是五花八门, 很多装置都只能在地面进行使用, 比如低电压的软启动装置。当前, 市场上流通的主要都是具有很强影响力的进口产品, 比如罗克韦尔的“A—B”与“ABB”软起动装置、施耐德的“TE”软起动装置以及西门子系列产品等。其次, 要根据荷载能力水平的不同, 选择对应类型的软启动装置。假如荷载利用的是离心泵, 就需要发挥泵的控制作用, 减少装置开启或停止的过程中, 由于液流冲击力所导致的“水锤现象”产生。这要求选择具有泵调控效果的软启动装置。假如荷载利用的是通风机, 就可以根据软启动技术的功能, 减轻不必要的机械磨损与腐蚀。这要求选择具有制动转矩功能的软启动装置, 像带有自动制动功能的智能软启动装置。假如荷载利用的是搅拌机, 就可以有效启动双斜坡预设装置, 保证其低速平稳运工作, 可选用带预制慢速功能的软启动装置。假如荷载利用的是输送设备, 就可以选用带预制低速功能的软启动装置。此外, 煤矿企业如果具备计算机联网的条件, 可以选择带有通信插口的软启动装置, 使得软启动装置实现远程操控和监管, 同时还要认识到这种荷载方式究竟是重载荷载还是标准荷载。以上选择的方式要注意产品的性能可以满足煤矿作业防爆工作的具体要求。再次, 要选则规格适合的软起动装置。比如可以依据电动机的电流、功率以及荷载性质, 选择有针对性的软启动装置。一般来讲, 软启动装置的容量应大于电动机运转时的电流, 也要适当地注意散热等方面的因素。值得一提的是, 软启动装置的冷却方式分为天然风冷却与人工风冷却两大方式。人工风冷却是指利用机械, 比如冷却风机进行装置的内外冷却工作, 有的风机是采用发电的形式不间断运转, 而有的则依靠温度控制器进行运转。同时, 在机柜内安设软启动装置时, 要留有充足的散热空间, 保证热量可以及时散发, 以免对装置造成不利的影响。
4 结论
总而言之, 通过对软启动技术的发展和应用的分析综合可以看出:各种软启动技术有其各自的特点, 很多软启动技术比行管理与控制;在该系统中, 涉及到综合信息管理级的服务器及, 可采集并处理数据, 加强上游工艺与下游工艺之间的沟通, 据此合理安排生产计划, 实现智能工厂生产。
总之, 钢铁企业作为现代工业化产业链的重要环节, 必须意识到科学技术在发展中的重要性, 优化连铸机电气自动化控制系统, 对优化产业结构、推动经济发展具有重要意义。
(上接第146页)
较落后, 遭到被淘汰的命运。相比较来说, 煤矿机械设备中的软启动技术, 最近一段时间发展速度特别快。所以应当根据机械及电子技术本身所具有的优势, 让煤矿软启动技术装置朝着电子方向前行。相信经过多方面的努力, 我国煤矿机械设备的软启动技术的发展一定会更加科学与完善。
参考文献
[1]时召.电磁滑差控制技术在采煤机中的应用研究[J].煤矿机械, 2003 (12) .
[2]张旭阳.胡素丽.软启动液压系统的设计与分析[J].煤矿机械, 2003 (8) .
[3]张龙, 陆宁.简析煤矿机械设备软启动技术[J].科技创新与应用, 2012 (1) .
[4]陈卫峰.大型矿用带式输送机软启动方式的合理选用方
摘要：当前我国煤炭企业行业迅猛发展, 基本上实现了电气化的生产。对于机电设备采用软启动技术, 从而实现对机电设备的保护。本文主要是探讨煤矿机械设备的软启动技术, 针对当前煤炭机械技术的现状进行分析, 从而更好保护机械设备, 提高煤炭企业的效益。
关键词：煤炭机械设备,软启动技术,分析
参考文献
[1]时召.电磁滑差控制技术在采煤机中的应用研究[J].煤矿机械, 2003 (12) .
[2]张旭阳.胡素丽.软启动液压系统的设计与分析[J].煤矿机械, 2003 (8) .
[3]张龙, 陆宁.简析煤矿机械设备软启动技术[J].科技创新与应用, 2012 (1) .
软启动技术及应用 篇6
关键词：异步电机,软启动,控制方法
1、引言
异步电机用处越来越广泛,它消耗的电能约占整个供电量的60%-70%。但是,异步电机直接启动时的电流脉冲是运行时电流的4-7倍,启动转矩脉冲是运行时的3倍或者更高。直接启动电机会使配电系统极易波动[1]。因此,需要采取一种软启动方式来控制启动时的电流和转矩,从而避免电流和转矩脉冲的影响。由于晶闸管具有结构简单、控制容易、成本低廉等优点,广泛应用与软启动当中[2]。
异步电机是一个时变的、非线性和强耦合的系统。由于异步电机在启动时参数会变化以及其他一些不可预见的因素,如果用传统的方法来控制它,效果将不尽如人意。本文将研究一种基于软启动的异步电机的控制技术。
2、控制系统设计
本文中的软启动控制系统如图1所示。它包括定子侧电流、电压采样环节,数据采集环节,功率因数角采样环节,可控硅驱动电路以及核心控制芯片。
电流、电压采样环节主要的目的是对比相电压和设定电压,从而防止移相导致的晶闸管导通。这里采用锁相环作为同步信号的采样电路。
控制芯片用来分析和处理定子侧电流、电压采样环节,数据采集环节、功率因数角采样环节和可控硅驱动的信号。
数据处理环节为控制算法提供电流和电压信号。它能提供异步电机启动的相关信号。控制算法根据这些信号来控制电机启动的速度。
功率因数角采样环节用来采样功率因数角。功率因数角能告知控制系统何时应该导通或关断。
3、晶闸管导通规律
当异步电机直接启动时会产生很大的浪涌电流,而这种电流对电网质量和电机寿命来说都是有害的。软启动的作用正是减小这种有害电流。本文中采用三对反向并联的可控硅晶闸管,每对晶闸管串联在各相中。导通角α用来控制晶闸管的导通或关断。为了缓慢增加电机的电压,需要降低晶闸管的导通频率。同时,当电压达到一定比例,电流在延续周期截止。在软启动过程中,在三相电路中至少有一个正向晶闸管和反向晶闸管同时导通。正向晶闸管导通信号的相位移为2π/3,反向晶闸管导通信号的相位移也为2π/3。但是,在同一相电路中,反向并联的两个晶闸管的导通信号相位移为π。事实上,要控制晶闸管的导通与关断只需控制导通信号即可。如上所述,异步电机启动时的电流与电压将被采样,并且实时控制。触发角α,合闸角φ,导通角θ存在以下关系
触发角α比合闸角φ要大,否则不能实现软启动。
可控硅单相相电压调压电路和负载电压波形如图2所示。
4、控制算法设计
本文中希望使用模糊控制,但是模糊控制只能控制异步电机启动时较顺滑,但是不能持续相对较长的时间。异步电机启动时,只有当电压达到一个常值,电磁转矩大到一定程度,电机才会启动。这一过程也是极度非线性的。基于以上因素,本文设计了一种复合斜率和电流限制的模糊控制器。设置初始电压值为连续值,按照不同的斜率变化,随着电压的升高斜率变小。并应用模糊算法来控制晶闸管的导通角。同时限制电流的最大值,从而避免过流的情况出现。通过上述办法使电机的启动过程迅速、稳定而且安全。
整个控制系统中最重要的部分就是模糊控制器。模糊控制器将输入信号转换成模糊信号,然后进行模糊推理和模糊决策,最后将模糊信号变成数字信号。同时,将模糊控制器的瞬时电流值转换成脉冲信号输出,从而控制导通角,然后改变电压值来实现软启动。
4.1 电压值的设定
异步电机定子电流方程[3]
上式中,U1为定子电压,S为转差率,R1为定子电阻,X1为定子电抗,R’2为转子电阻,X’2为转子电抗。
结合式(2),我们设置不同的电压增长斜率,从而根据电压斜率来调节转子转速。随着电压和电磁转矩的升高,逐渐降低斜率来达到控制电机平滑启动的目的。设定的电压斜率如图3所示。
4.2 模糊规则的建立
模糊控制器的输入为E和EC,输出为U。其中,E为电机启动时实际电压与设定电压之间的差值;EC为电压变化率,它表明了电压误差变化的快慢;U为输出,是晶闸管导通角的值。
E和EC的论域取值范围为[-15,15],U的论域取值范围为[-3,3]。相应的模糊子集为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}[4]。E、EC、U的隶属度函数采用三角隶属度函数。图4为模糊规则曲面。
5、结果与分析
基于异步电机的数学模型,应用本文的方法对其进行仿真。电机参数为:额定功率75Kw,电压380V,额定电流400A,定子电阻0.0355Ω,转子电阻0.0151Ω。
仿真结果如下图所示,图5为定子电流,图6所示为电机转速。
6、结语
异步电机的软启动能改善电机供电稳定性,减少瞬时压降,提高带载能力。本文将一种复合斜率和电流限制的模糊控制方法应用到异步电机的软启动。该方法能够有效的控制启动电流、电压,能使启动过程更加平顺。整个启动过程电流很少有浪涌电流,转速也能很平顺的到达设定值。
参考文献
[1]Wei Gu,Chu jianxin,Shi Hong.Starting performance researchof a high-power middle-boltage induction motor soft starterbased on the on-off transformer[J].IEEE Transaction on Indus-trial Electronics,2006,53(3):2063-2069.
[2]王向阳.异步电机的软启动技术探讨[J].内江科技,2010(02).
[3]李全,吴今培.恒磁通下交流异步电动机数学模型的建立及其仿真研究[J].五邑大学学报(自然科学版),2000,(01)
软启动技术及应用 篇7
关键词：水泵,PLC,软启动,控制
随着开采技术的不断提升, 我国很多新建煤矿井深都在700m以上, 就需要高扬程水泵, 配备大功率电动机, 这样一来电动机的启动电流大, 对电网的冲击就很大, 对矿井水泵电动机的控制、启动提出了更高的要求。使用软启动设备可以实现水泵的软启动、软停机及多种保护功能, 降低水泵启动电流, 减少水泵启动时对电网的冲击, 延长电动机和水泵等相关设备的使用寿命。本文主要对新义煤矿水泵软启动控制系统的结构以及各部分功能进行了简单介绍。
1 控制系统主要结构及功能
该系统主要有高压启动开关、电动阀、本安操作台、真空泵、S7-300PLc、软启动柜、执行单元等组成, 通过PLC监测电动机的各种工况参数, 并在本安操作台上实时显示。
⑴主电路结构:新义矿中央泵房有PJ200×8型多级离心水泵8台, 流量420m3/h, 扬程742.3m, 配电机功率1400KW, 电机, 采用QBG-180/6000R型的高压软启动柜进行启动, 共有四台软启动柜。通过PLC控制技术, 正常启动方式为一台软启动器拖动两台电机, 也可实现一拖四;同时通过软启动实现电机的软停机。软启动的选择, 可以在本安操作台上转换选择软启动柜的。特殊情况下可以直接启动。
⑵通过PLC实时监测电网电压、电机电流、电机前后轴承和定子温度、电动阀门等参数。并在本安操作台上实时显示.
⑶系统具有超温保护、电机故障监视、电动闸阀故障监视等保护功能, 当系统的某个参数超过设定值时, 就会在本安操作台报警, 并实现自动停机。
2 系统操作模式
图中所示为本系统的主要控制流程, 系统主要具有自动控制、就地控制两种控制功能, 用户可以根据现场不同情况进行选择。
⑴自动功能:操作人员可在上位机上选择自动模式, 选择软起, 确定开、停水泵时间;系统根据设定的参数, 依照系统程序自动启动水泵, 开启电动阀门, 并对电机电流、阀门开度、电机温度等参数实时监测, 超出范围立即报警, 并依据参数自动停机。
⑵手动功能:操作人员可直接在操作台上手动操作, 选择软起、启停动水泵、开启关闭阀门等工序。
3 结束语