变频软启动系统

2024-06-07

变频软启动系统（精选7篇）

变频软启动系统篇1

摘要：由于对爆炸性气体环境中使用的电气设备往往提出具有防止引燃爆炸的特殊性能要求, 无刷励磁电动机获得了越来越广泛的应用。研究了同步机无刷励磁变频软启动系统设计方法。在阐明同步机无刷励磁变频软启动系统工作原理的基础上, 详细介绍无刷励磁电动机控制系统的实际应用, 工程实验结果证明了该设计方法的有效性。

关键词：无刷励磁,同步电动机,软启动

1 引言

在石油、化工、冶金、煤矿等工矿企业, 同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩对电网电压波动不敏感等良好的运行性能, 是驱动大型风机、水泵、压缩机的首选机型。无刷励磁同步电机取消了滑环系统, 电机正常工作时, 不会产生电弧、火花, 避免了产生爆炸安全事故。所以无刷励磁电动机获得了越来越广泛的应用。

大型同步电动机的启动是个相当复杂的问题。如果用减压启动, 不但需要很大的变压器、电机结构又相对复杂, 且启动对电网有较大的冲击。采用电流源型交-直-交变频器构成的同步电动机自控变频启动方式, 由于它基于磁场定向控制原理, 并采用速度闭环调节, 可以有效保证电机的启动力矩, 且启动电流一般不超过电机的额定电流, 实现了对电网和传动设备均无冲击启动。这种启动方式是基于自控同步原理实现的, 利用负载换相同步电动机的原理, 对大型同步电动机进行变频启动, 是比较理想的方法。

武钢烧结厂两台抽风机由无刷励磁同步电动机拖动, 抽风机电动机容量为7 800 kW, 电压10 kV, 转速1 000 r/min, 它的软启动采用了SIMOVERT S系列自控变频启动装置, 通过一套变频启动功率柜实现对两台电动机的分时启动。基于设计尽量简单、应用尽量可靠的思想, 对适于这种传动方式的同步电动机和变频装置进行了优化设计, 使用实践表明该软启动装置故障率低、可用性好、硬件配置合理, 基本实现了免维护运行。

2 自控式同步电动机变频调速原理

无刷励磁同步电动机的工作原理图如图1所示。

交流励磁机的定子三相绕组由双向晶闸管组成的交流调压器供电。交流励磁机的转子与同步电动机的转子同轴, 当同步电动机旋转时, 交流励磁机的转子绕组就感应出交流三相电动势, 经过固定在同步电动机转子轴的二极管整流器整流成直流电, 供给同步电动机的励磁绕组, 这样就省掉了电刷和集电环。同步电动机转子励磁电流的调节可以通过控制交流励磁机定子磁场来实现, 即控制定子三相交流调压器双向晶闸管的延迟角。励磁功率是通过磁耦合和励磁机定转子间的相对运动实现的, 值得注意的是, 系统要求励磁机定子侧正确接线, 应该保证由励磁机定子电流所形成的定子旋转磁场方向与同步电动机转子的实际方向相反, 以保证励磁功率的正常传递。

自控式同步电动机变频调速系统的组成框图如图2所示。

变频器的主回路由输入、输出变压器、三相全控整流桥 (REC) 、平波直流电抗器 (DCL) 、晶闸管逆变器 (INV) 组成。整流器控制系统为速度、电流负反馈双闭环系统;逆变器控制系统由电磁式和间接式转子位置检测器、换相超前角γ0设定电路及换相剩余角补偿等部分组成。另外, 系统还包括用于并网控制的整步微调和同步并网电路。

控制单元的主要作用是把来自转子位置检测器的信号进行分析, 判明转子的真实位置和转速后, 按一定的原理产生控制信号, 控制变频器输出三相电流 (电压) 的频率、幅值和相位大小, 达到同步转速跟踪转子转速的目的。

三相正弦波电流在同步电动机定子中产生一个合成的旋转磁动势Fsj, 假设转子励磁电流恒定, 转子磁动势为一常数Frj, θ为两磁动势之间的夹角。根据统一的转矩公式Td=CmFsFrsin θ知道, 只要能保证定、转子磁动势同步旋转, 0°<θ<180°, 电动机就能产生电磁转矩Td, 当电磁转矩Td大于负载TL时, 电机开始旋转。同步电动机转子开始转动后, 那么定子磁动势Fsj与转子磁动势Frj间的夹角θ就有减小的趋势, 引起电磁转矩Td下降, 启动加速度减小直至为零, 因此必须在转子转动的同时, 改变同步电动机定子三相电流的频率, 使得定子磁动势跟随转子同步旋转, 保持θ角基本不变, 进而保证Td恒定。启动过程中定子电流随转子转动应为

定子磁动势矢量为

undefined (2)

式中:λ0+θ为定子相电流的初相角;ω为转子角速度。

只有按式 (1) 进行电流控制, 才能保证Fsj与Frj的夹角为θ, 满足启动过程中电磁转矩基本不变的要求, 使同步电机均匀加速启动。

由于电动机三相定子电流和定子合成磁动势有严格的对应关系, 通过控制三相定子电流的频率、幅值和相位, 完全可以按转矩的要求控制好定子磁动势的大小和方位, 同步电动机的定、转子磁动势始终保持同步, 那么能控制的量就是定子电流的幅值和相位了, 只要控制好电流的这两个量, 就能达到自控式同步电动机调速的目的。

3 同步电动机的启动

同步机启动必须进行转子位置检测和初始定位。启动前投入机组励磁, 在转子磁场逐步建立过程中, 定子绕组感应出三相电动势, 对电动势积分就可得气隙磁链Ψ的大小和转子位置角。计算时间的密切配合, 保证励磁与SFC检测程序之间严密同步, 这也是整个启动过程中最为关键的一步。启动期间, 控制保持电机磁通恒定, 实现恒转矩调速。由于是恒磁通控制, 通过对定子电压测量, 即可计算出转子位置角。

同步电动机刚启动和低速运行时, 反电动势很小, 甚至没有反电动势, 这时逆变器晶闸管的换相必须采用电流断续换相法。所谓电流断续换相法, 就是每当晶闸管需要换相时, 先设法使逆变器的输入电流下降到零, 让逆变器所有晶闸管均暂时关断, 然后再给换相后应该导通的晶闸管加上触发脉冲使其导通, 从而实现电流换相。

无刷励磁同步电动机在0～5 Hz以下采用电流断续换相法实现启动的方法如下。

1) 让供电的晶闸管整流桥也进入逆变状态 (本桥逆变) , 逆变器作为输入端向电网馈送能量, 使电动机绕组的电流迅速衰减。

2) 逆变器输入电流下降至零, 逆变器所有晶闸管均关断。

3) 检测到逆变器电流为零时, 然后按触发顺序要求给逆变器应导通的晶闸管加上触发脉冲, 从而实现电流换相。

当同步电动机采用电流断续换相时, 逆变器晶闸管触发信号对换相已不起作用, 为了增大启动转矩, 减小转矩脉动, 一般取γ0=0°。图3是电流断续换相SCR1, SCR2, …, SCR6的导通顺序。

4 无刷励磁同步机的负载换相

对无刷励磁同步机采用负载换相式变频器 (load-commutated inverter, LCI) 软启动系统。所谓换相, 就是把正在导通相的电流切换到欲导通相的过程。这主要通过触发和关断相应的晶闸管来完成。我们知道, 在负载换相同步电动机旋转时, 必须周期性地完成换相过程, 由于晶闸管为半控开关器件, 一旦触发导通后, 门极就失去了控制作用, 要想关断它必须给晶闸管施加反向电压, 使其电流减小到维持电流以下, 再把反向电压保持一段时间后, 晶闸管才能可靠关断。

在同步电动机中, 只要转子有励磁电流并在空间旋转, 就会在电枢绕组中感应出反电动势。设在换相以前V1, V2导通, 如图4所示。电流由电源正极开始经由晶闸管V1—A相绕组—C相绕组—晶闸管V2—电源负极。现在要使电流由A相切换到B相, 则应触发V3, 关断V1。如果按正常位置换相, 应在γ0=0°的位置触发V3, 当V3导通瞬间, V1两端电压为零, 且随着V3的继续导通, V1将不承受反压而继续导通, 电源电流将在三相绕组中流通, 造成换相失败。因此, 换相时刻应比A, B两相电动势波形的交点K适当提前一个换相超前角γ0。例如, 在图5中的S点换相 (γ0=60°) 。当此时触发V3时, 电动势eA>eB, 加在V1上的反电压为UAB, UAB=eA-eB>0, 则在V1, V3和A, B两相绕组之间出现一个短路电流iSL, 当这个短路电流iSL达到原来通过V1的负载电流Id时, V1就因流过的实际电流下降至零而开始关断, 负载电流Id就全部转移到晶闸管V3, 至此A, B两相之间的换相结束, V2, V3正常导通。注意, 这里的eA, eB等是电机感应的电压, 而不是电源电压, 了解这一点, 有助于理解提前换相超前角γ0的意义。

负载换相运行。当转速大于额定值的7%时, 同步电动机可产生足够大的反电动势, 关断逆变器晶体管进行换相, 进入负载换相阶段。在转速由额定值的7%升至25%期间, 变频器的输出电流由额定值的80%升至额定值, 逆变超前角γ0=60°;之后变频器输出额定值给转子加速, 逆变超前角γ0=50°。

同步并网阶段。达到96%额定转速时, 启动机组同期装置进入自动整步微调阶段。同期装置根据频率差Δf, 产生一个附加转速微调信号, 自动调整变频器输出电流, 对转速做微调。同期装置同时发出命令给励磁系统调节励磁电流, 使机端电压与电网电压平衡。并网后整流器的晶体管即运行于120°全逆变状态, 其输出电流迅速降为零, 关闭晶体管, 然后闭锁整流器和逆变器的全部触发脉冲, 变频器装置退出, 完成整个启动过程。图6是整个电气系统图。其中, SWB1为高压10 kV配电柜;MBI为输入断路器;MBC为启动变频器断路器;MBL1, 2为运行断路器;SWB2为高压10 kV启动配电柜;DSC为输出隔离柜;MBM1, 2为电机启动断路器;虚线为系统现场DP总线。无刷励磁同步电动机的启动装置采用了一拖二的配置, 即通过一套变频启动功率柜实现对两台电动机的分时启动。变频启动器的分配任务由协调部分的S7-300 PLC来实现, 协调柜的S7-300 PLC为主站, 1#, 2#励磁柜的S7-300 PLC为从站, 主要完成励磁电流外环的PID控制, 以及启动、同步并网过程中的MBC, MBM, MBL断路器分合闸顺序控制。

5 结论

利用变频器启动无刷励磁大型同步电动机, 启动平稳, 不存在失步问题, 对电网也完全没有冲击, 控制系统可靠性高, 武钢烧结厂无刷励磁同步电动机变频软启动系统自投运以来的运行实践也证明了这一点, 整个启动和并网过程可靠稳定, 启动电流始终保持在正常值以下, 启动次数基本不受限制, 能够很好地满足生产的需要和节能降耗的要求, 因此无刷励磁同步电动机变频软启动技术具有较高的推广价值。

参考文献

[1]李志民, 张遇杰.同步电动机调速系统[M].北京:机械工业出版社, 1996.

[2]李发海, 王岩.电动机与拖动基础[M].第2版.北京:清华大学出版社, 2002.

[3]章名涛.电动机学[M].北京:科学出版社, 1974.

[4]佟纯厚.近代交流调速[M].北京:冶金工业出版社, 1992.

[5]吴安顺.最新实用交流调速系统[M].北京:机械工业出版社, 1998.

变频软启动系统篇2

PTA,学名精对苯二甲酸,是生产涤纶的主要原料。我国曾一度严重依赖进口,原料价格受国际市场价格波动影响很大。西门子作为国际知名的设备制造商,可以成套提供PTA的核心生产设备,其中西门子设备中的电气部分包括同步电动发电机,变频软启动器和励磁控制柜。

2 PTA动力控制系统

该系统中的蒸汽透平机和压缩机构成生产动力系统,而同步发电机和膨胀机构成了生产后的剩余能量回收发电系统。能量回收比是2:1。即30 MW的生产能量回收15 MW的能量,节能效果显著。PTA动力控制系统结构图见图1。

由图1可知,1个GL150变频器可以分别启动2台同步机。其中,励磁柜由1个接口控制器MMIP、2个励磁控制器MMCP1&2、以及2个励磁机驱动器SIMOTRAS组成。同期并网装置是西门子7VE61,也是一对一的。MMIP可以在一拖二系统中选择要启动的同步机;每个同步机在自己的MMCP控制器控制并网后,控制励磁机可根据要求工作。共有3种工作模式:1)恒电流方式;2)恒功率因数方式;3)恒无功方式。一般情况下,系统工作在恒功率因数方式下。

3 GL150系统

西门子的SINAMICSYL150变频器是电流源直流母线变频器,用于对1 MW以上额定功率的大型同步电机进行无级调速。根据功率和电压的不同,其电路配置有6,12或24脉冲电路,将电源侧和电机侧的变频器设计成晶闸管三相桥路。其布局简单,只需要使用较少的半导体。从而可获得较高的效率和可靠性。该变频器能在4象限运行,无需增加其他设备。常规的输出频率范围如下:1)启动变频器(0~50/60 Hz);2)连续负载运行变频器(0~105 Hz)。

由中央控制器CU320-2DP负责整个驱动的开环控制、闭环控制和闸流晶体管监视。通过光纤控制模块PSA对闸流晶体管的工作进行光电监控和控制。GL150可以用作工业领域速度控制驱动器,也可以作为大型设备的软启动器。

该项目采用的GL150,采用12脉冲,高-低-高配置。输入2×5 200 V,输出2×4 900 V。结构拓扑图如图2所示。

其主要的工作是用于透平机和压缩机的启动和并网工作。

4 西门子同步机以及无刷励磁

由西门子生产的H-modyn型,带实心凸极转子的同步电动/发电机(18 800 k W/17 500 k V·A,10 000 V)具有高性能和紧凑的结构。轴承为带有油环的中心法兰轴承。采用外部油冷却的油循环系统为轴承提供润滑和散热。驱动端轴承为导向轴承,以轴向固定转子轴。非驱动端轴承设计为浮动轴承。轴承座与轴瓦绝缘。通过抽出的接地电缆桥接轴瓦绝缘垫。

热交换器单元为带有管道的气-水热交换器。通过冷却管道中流动的冷却水来驱散机器散发的热量。通过轴装式风机循环内部空气。

电机的励磁是交流无刷励磁机和旋转整流子供电。工作原理为励磁发电机转子绕组和整流子与主励磁是同轴旋转。励磁机的定子由三相交流调压控制器供电,并通过旋转的磁场在转子中感应发电,形成主励磁的直流供电。而励磁机的定子供电相序要与主电机相反,否则励磁电流会随着电机转速的提高而降低。同步机励磁机和主励磁原理图如图3所示。

5 GL150软启动器的控制顺序

先由蒸汽透平机驱动电机和压缩机到25%的额定转速,并运行30 min暖机。而后变频器启动,MBC和MBM合闸,励磁投入工作。此后,变频器按照加速曲线驱动电机,从25%额定转速加速到99%额定转速后,转由同步并网装置接管控制,直至变频输出的频率和相位与电网一致。一旦达到同步转速,同期装置合电机主开关MBL,在MBL合闸同时,变频器的直流电流降到零,逆变脉冲封锁,MBM和MBC分断,变频器进入待机状态。整个加速和并网时间2.5 min左右。由于GL150保持运行直至设备在并网完成后退出系统控制,不会对电网造成冲击。但是空载情况下,会产生部分容性无功补偿电网。

6 GL150变频器的逆变器控制特点

1)GL150的逆变器的换向控制不需要附加的换相设备,完全依靠负载自然换相。即逆变器的6个晶闸管顺序工作,依靠同步电动机的感应反电动势来关断。在启动初期,速度较低,反电势很小,变频器会采用电流断续法来关断晶闸管并保证逆变器可靠换相。

2)换相的触发脉冲时刻需要转子的位置信号来产生,通常的做法是在电机轴上安装转子位置检测器来检测,称为直接式转子位置检测。GL150采用电枢反电势检测转子位置,称为间接式位置检测。

7 GL150调试过程和问题分析解决

1)转子位置的测定。GL150采用间接方式测定转子位置。方法是在转子加入励磁电流,通过变化的励磁电流,定子绕组感应出电动势。变频器通过测量电动势的相位,确定转子位置。而且,每次启动时,转子位置都会被测定。

如图4所示,曲线1是励磁磁通,曲线2是转子位置角。励磁电流上升过程中,变频器辨识转子位置。图4中记录了共测量3次,各次辨识过程中,角度会变化,但是首尾角度相同,表明了辨识的准确性和一致性。

2)电流断续控制的检查。变频器的电流环工作,以小电流注入电机,工作频率为2 Hz,此时电机励磁被禁止,电机不转。图5为直流电流波形。

3)进线侧的相角测量。通常的输入降压变压器会给出二次△/Y输出的相角差,但是在实际安装过程中,接线的差异会导致相角变化。GL150提供了自己测定相角的功能。方法是检测进线电压的波形,通过相位辨识确定进线相角。此过程非常重要,它决定了整流部分工作的正确和可靠。

4)输出侧的相角测定。因为输出升压变压器的△/Y输入绕组也有相角差,变频器同样根据相角差控制输出电流。测定方法如图6所示:GL150的系统1运行,励磁使能,电机被加速到20%的额定速度空载运转。而后,系统1脉冲封锁,励磁保持。此时电机自由减速,电枢的感应电势经由升压变压器反馈到GL150变频器,相角在此时被系统测定。

5)启动,同步,并网。GL150首次试车时,频繁出现了整流器过流和逆变器换向失败的故障。整流器和逆变器均有过电流故障。原因是电机电缆较长,超过200 m,这导致了逆变器晶闸管换相时间加长,后来通过调整换相重叠角稳定逆变器的工作。图7为启动运行和并网曲线。

图7中,电机额定转速是1 500 r/min,直流电流1 500 A,励磁电流38 A。由于压缩机的启动负荷较重,在变频启动过程中要求透平机蒸汽阀门保持开放到最大,以提供辅助的动力,使电机平稳启动到同步转速时,并顺利并网。同步控制时,并网装置7VE61会发出增频/减频,增压/减压信号,控制GL150的输出电压和频率,使得同步机的电压波形与网侧一致。此前,7VE61需要事先测定主开关的合闸时间,用于预发合闸命令,保证并网时刻的同步,尽可能降低对电网的冲击。启动过程历经120 s,整步并网过程需要十几s。

并网后,随着设备投入生产后,产生的尾气作为膨胀机的动力。膨胀机驱动同步机发电。发电机励磁系统工作方式是恒功率因数控制方式,随着有功的变化自动调整励磁电流,维持恒定的功率因数。

8 结论

该系统目前已投入生产,启动成功率达100%。励磁系统运行稳定可靠,证明了西门子变频软启系统技术成熟,可靠性高。其安装和调试也较为简单,经过培训的工程师均可顺利完成调试。励磁系统的程序均经过工厂测试,是标准的程序,无需调试。后期的设备维护量很小,故障率极低。

参考文献

[1]西门子.GL150调试手册V2.5[Z].2008.

[2]Bimal K Bose.现代电力电子学与交流传动[M].王聪,赵金,于庆广,等译.北京:机械工业出版社,2005.

变频软启动系统篇3

1 主给水系统的调节方式

锅炉主给水系统的主要功能是为锅炉汽包输送压力、温度和水质合格的水, 并维持锅炉汽包水位处于规定范围内。主给水系统担负着保障锅炉供水质量和维护锅炉安全运行的任务, 是重要的热工系统之一。通常情况下, 主给水系统的电动给水泵分为定速给水泵和变频调速给水泵两种。

1.1 定速给水泵调节系统

定速给水泵调节系统是在保持给水泵特性曲线固定的情况下, 通过改变主给水调节阀门开度来控制主给水管道阻力特性曲线, 从而改变主给水泵的工作点。处于定速运行的给水泵电机运行过程中的能耗损失大, 应淘汰该技术。

1.2 变速给水泵调节系统

变速给水泵调节系统可在主给水调节阀门全开、管道阻力特性曲线固定的条件下, 通过改变电动机供电频率调节电动机转速, 从而调节供水流量。变速调节系统可按照原动机不同分为气动和电动两种。其中, 气动给水泵的原动机为小汽轮机, 小汽轮机控制系统可接收到供水系统输出的供水流量、压力和水位等信号, 并作用于小汽轮机的进气阀门, 根据系统的供水需求调节小汽轮机阀门开度, 进而控制进气量, 最终实现对给水泵转速的调节。

电动给水泵可根据速度调节单元的不同分为液力耦合器调速和变频调速两种。其中, 液力耦合器的能量传输介质为油, 驱动泵轮与涡轮之间通过油进行转速传递, 液力耦合器主要通过改变机构充油量来调节涡轮转速;相比其他技术, 变频调速更加先进, 其原理是改变电动机供电电源的电压值和频率值, 从而调节异步电动机的转速, 变频调速系统在接收到给水系统的调节信号后, 可通过调整电源电压和频率值来满足系统对电动机转速的要求。

2 300 MW汽轮机组给水泵的变频调速方案

液力偶合器调速与变频调速的最大区别在于系统结构, 使用液力偶合器调速必须采用单台液力偶合器调节单台给水泵;当使用变频器调速时, 使用1台变频器便可实现对2台100%额定容量的给水泵或3台50%额定容量的给水泵的变频调速和软启动功能, 且系统结构更加简化。

2.1 一拖三循环软启动变频调速方案

300 MW汽轮机组通常需要配置3台50%额定容量的电动给水泵, 并采用两用一备的设备运行方式。3台电动给水泵的软启动和变频调速均通过1台变频器实现, 即一拖三循环软启动变频调速系统。采用一拖三的方式, 仅使用1台变频器即可控制3台电动给水泵, 提高了变频器的利用效率, 同时, 实现了给水泵电机的软启动和变频调速。采用一拖三的方式运行时, 当锅炉机组滑启或机组负荷降至额定负荷的50%以下时, 只需要投入1台给水泵并采用变频调速的方式运行;当锅炉机组负荷达到额定负荷的50%以上时, 需要投入2台给水泵, 其中一台为工频运行方式, 且所带的固定流量由锅炉机组的汽包压力、汽包水位到给水泵水柱高度和管道阻力共同决定, 另外一台选择变频运行方式, 主要负责调解给水流量, 从而控制锅炉水位。

2.2 工频、变频的同步切换

实现1台变频器控制3台供水泵软启动和变频调速的关键技术是工频、变频的同步切换。只有在同步切换的前提下, 才能确保锅炉机组运行过程中供水的连续性。处于变频调速工作状态的供水泵在向工频运行状态切换的过程中不能出现瞬间失电, 在实现切换的过程中不能先断开变频开关, 再合上工频开关。运行中的1#给水泵和1#给水泵工频电源可并列运行, 在完成工频电源合闸后再进行变频电源分闸。在此过程中, 给水泵实现了从变频运行状态到工频运行状态的不停电切换。此外, 实现同步切换必须使用PLC控制器和同步切换系统。其中, 同步切换系统的主要功能是实现运行中的变频调速系统与工频电源系统的自动准同期操作, 并使两个系统的电压幅值相等、相序相同、频率差不超过0.5 Hz。同步切换软件检测到两个系统的相位差小于额定值后会发出控制指令, 控制对应节点闭合, 从而进行合闸操作, 并检测采集到的运行状态。当判断工频电源合闸成功后切除变频电源, 最终实现两个电源的平稳切换。

2.3 一定一并并列运行原理

通过1台定频运行给水泵与1台变频调速运行给水泵的并列运行保持给水扬程是可行的。300 MW汽轮机组给水泵的调节主要是在保持汽包压力一定, 同时, 保持在主给水调节门全开的条件下对给水泵进行速度调节, 从而控制给水泵的给水量, 实现对锅炉汽包水位的控制。当锅炉处于启动过程和机组负荷降至额定负荷的50%以下时, 只需投入1台给水泵变频运行即可满足供水要求;当锅炉机组负荷达到额定负荷的50%以上时, 单台给水泵无法满足供水要求, 需要再启动1台给水泵——原先变频运行的给水泵需要切换到工频状态, 维持固定给水流量和扬程;新启动的给水泵通过变频器软启动并投入到变频运行状态, 继续调节流量, 从而调节锅炉水位。

相关工作人员需要按照以下原则考虑运行中的2台供水泵: (1) 工频运行的给水泵应在最佳工作点保持固定的给水量, 工频定速运行的给水泵特性曲线和扬程曲线的交点即工频给水泵运行的最佳工作点, 此点对应着工频给水泵的流量值; (2) 变频给水泵需要根据工作点调节流量, 同理, 通过变频调速给水泵的特性曲线和运行扬程曲线的交点可确定变频调速给水泵的工作点, 此点对应着变频给水泵的流量值。2台给水泵流量值之和即锅炉给水总流量。

2.4 一拖三循环软启动变频调速水泵的特点

使用变频器实现电动给水泵的软启动和变频调试具有诸多优点, 主要包括以下6方面: (1) 给水泵电机实现了变频启动, 大大降低了电机的启动电流, 缩短了电机从启动到稳定运行的时间, 减小了电机启动对配电网设备的冲击; (2) 运行中的给水泵电机可实现无极调速, 调速精度可控制在0.01 Hz以内, 调速过程中不会发生丢转现象; (3) 采用变频器后电机的运行效率可以达到98%, 同时, 提高了电动机运行的功率因数, 降低了损耗, 节约了电能; (4) 变频器具有通讯接口, 可通过工业网络接入DCS系统, 实现供水泵电机的启停、闭锁、联锁、开闭环、手自动选择等自控功能; (5) 变频器自身配置的保护功能完善, 能自动检测过电流、过电压、欠电压、单相接地、过载、电机温度高、冷却风机故障停机等故障信号, 从而起到保护电机的作用; (6) 变频器的使用寿命长, 投入运行后发生故障的概率较低, 后期基本不需要进行额外的检修和维护工作。

3 结束语

变频调速作为技术成熟的先进电机调速技术, 在工业生产中得到了非常广泛的应用, 使用变频器实现大电机的软启动和变频调速能提高电机运行的可靠性、稳定性和经济性。目前, 火力发电厂使用的大电机基本都采用了变频调速系统, 特别是选择变频器实现了锅炉主供水泵电机的一拖三运行后, 大大提高了锅炉给水泵的运行效率, 此方案是锅炉供水的最佳选择。

笔者结合实际工作经验, 介绍了汽轮机锅炉变频调速系统的结构和调速方式, 以期推动热电厂锅炉给水系统节能运行的发展, 降低热电厂的生产能耗, 为企业赢得更大的经济效益和社会效益。

摘要：分析了循环软启动变频调速在300 MW汽轮机组给水泵上的具体应用, 重点介绍了一拖三循环软启动变频调速系统结构下实现给水泵电机软启动和变频调速的运行方式。通过对比, 总结了采用变频器进行给水泵电机控制在经济性和稳定性等方面的优势, 以期促进该技术的应用和推广。

关键词：汽轮机,给水泵,锅炉,热电厂

参考文献

[1]吴春富, 江国栋, 黄金炼.基于变频器在热电厂给水泵的软启动变频调速设计[J].机电工程, 2004 (09) .

[2]覃皓.变频技术在高压给水系统中的应用分析[J].电子制作, 2014 (02) .

变频软启动系统篇4

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

变频软启动系统篇5

目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机, 包括低压电动机及6k V中压电动机及10k V高压电动机。通常采用三种起动方式:一是在额定电压下的直接起动;二是 (恒频) 降压起动方式;三是变频变压的起动方式。

1) 直接起动方式是给电机直接加上额定电压, 起动速度快, 但危害很大, 对电网电机及生产机械冲击很大对设备的安全运行带来威胁。

2) 降压起动以晶闸管移相调压软起动最具典型, 高压晶闸管软起动装置直接将晶闸管串入高压电机的定子回路, 通过移相控制加到电机上的电压。用现代DSP控制器进行闭环控制, 可以实现多种控制方式, 具有自诊断和多种保护功能。由于晶闸管是控制器件和DSP控制器的强大功能, 整个装置的响应速度在一个周波内, 可以作为电机的综合保护器。与液阻软起动相比, 它的体积小、结构紧凑, 起动重复性好, 采用闭环控制, 系统响应速度快;安装使用简单, 晶闸管是无触点的电子器件, 使用寿命长, 不同于其他类型的产品需经常维护液体和部件等, 把机械寿命变为电子元件使用寿命, 连续运行数年也无需停机维护, 更无爆炸引起高压接地等危险。

3) 变频变压起动作为高端应用, 变频器主要用于交流电机的调速应用和有重载起动要求的场合。变频器用于交流电机起动时, 具有降压起动方式所无法比拟的技术性能优势, 但目前其价格是同功率晶闸管软起动产品的3~5倍。在起动高压特大容量交流同步电机的应用中, 象超过20MW的高炉风机、抽水蓄能电站的抽水电机等, 目前都无一例外地用上了国外著名公司———ABB或西门子的自控式同步电机变频调速系统, 甚至有的是用一拖二的方案。

4) 就以内蒙古北方重工业集团有限公司 (以下简称甲方) 就其360工程项目, 二十四台电机起动, 每台电机起动电流为额定电流的六倍变压器容量要增大, 直接起动对设备油泵的冲击很大, 每台油泵价格昂贵, 如果因起动造成损坏, 损失太大。而且在系统中不需要调速, 只要起动完成即可, 选择变频价格贵成本高。而软起动价格便宜起动效果好是国内目前最先进的软起动系统。

2 TGQ系列软起动器的来源、设计优点和产品特点

1) TGQ系列软起动器装置的高压晶闸管管阀技术可用于35KV等级设计优点有以下几点:a.源于直流输电高压阀的设计理念;b.高压晶闸管串联应用技术;c.元件过压保护电路的技术;d.光纤触发技术;e.源于奔驰在我国万里铁道上的数千台电力机车和内燃机车控制系;f.统高可靠性的设计理念;g.大功率晶闸管自冷散热器与瞬时自冷却技术;h.满足控制高压交流电机软起动要求的DSP控制系统设计;i.高压环境下的EMC设计;j.高压绝缘结构设计。

2) TGQ系列软起动器产品特点。a.以晶闸管阀作为主电路部件, 具有技术先进、工作可靠、结构模块化、免维护的优点;b.源于直流输电高压阀的设计理念, 具有热备用 (可选) 、元件级BOD过压保护等特征;c.产品适应能力强, 能在国内外孤网或发电机组供电情况下能正常工作;d.基于32位DPS+CPLD控制系统, 具有响应速度快、控制精度高, 抗干扰能力强等优势;e.灵活多样软起/软停方式, 丰富的现场工业通讯接口, 完善的装置和电机保护功能;f.大型液晶中文显示系统, 操作界面人性化;g.拥有业内最大的电磁兼容实验室保证了装置很强的电磁兼容性;h.拥有国内最大的国家级牵引电气设备实验检验站及业内最大的最完备的高压实验室, 保证了装置完美的起动/停车效果;i.拥有业内最大的电压/电流复合试验台 (瑞士ABB提供) , 保证了装置晶闸管阀的高可靠性;j.所有电路板均经过了严格的老化试验。

3 高压晶闸管软起动装置

晶闸管降压软起动是近年来出现的较完善的技术方案, 是集中现代数字信号处理技术、计算机控制技术和电力电子技术于一体的高科技产品, 可以根据不同的应用情况设置初始转矩、起动时间、停机时间、限流和各种保护值等, 平滑的起动特性和免维护等使其具有传统软起动方法无法比拟的优越性:

1) 运用最新电力电子技术和控制技术实现闭环控制, 控制精度高, 响应速度快;

2) 良好的操作和显示人机界面, 按工艺要求现场设定起动曲线;

3) 集成了多种保护功能;

4) 标准的工业接口, 便于系统扩展、远程控制、多机联动;

5) 高压晶闸管的软起动装置系统构成由显示与输入部分、控制部分、触发回报部分, 晶闸管部分, 电机正常运行部分等构成整个系统。

4 北方重工一拖二软起动系统

1) 每套软起装置系统设计由一台TGQ1-1250kw/10KV高压软起动柜和一台KYN28-RQ高压装换运行柜组成, 电动机起动完毕后通过高压转换运行柜内部的旁路接触器将软起动装置短接, 每台电动机运行时的保护则通过高压转换运行柜内部的电机微型机综合保护装置完成。

2) 软启动装置主要由5组晶闸管元件组成的三相高压晶闸管阀、控制系统、光纤触发系统和电流/电压测量部件构成。KYN28-RQ型高压转换运行柜, 其主要由4台真空接触器组成的运行/软起旁路旁路, 过压保护装置等部件构成。

3) 结构设计由于柜体较窄相间距离小于125MM, 因此柜内走线铜排均加绝缘护套。

4) 出厂调试由出厂一般检查、各柜体绝缘强度试验、软起动装置保护功能试验、软起动装置BOD保护试验、10k V高压试验5部分组成。

5 北重项目现场状况

变频软启动系统篇6

在传统的排水泵系统中, 电机一般采用Y/△启动、自耦降压启动等启动方式。这些启动方式存在控制方式单一、不灵活、对系统冲击大、控制元件易损坏、维护工作量大等缺点。特别是Y/△启动, 启动电流冲击比较大, 并且带有二次电流冲击, 可能威胁整个供电系统的安全, 更有甚者, 将造成直接停泵, 从而引起“水锤”现象, 容易给整个排水泵系统造成不可估计的损失[1,2]。

近年来, 随着计算机技术的日趋成熟, 软启动器已普遍应用于排水泵系统领域。软启动器是用来控制电动机的新设备, 可实现软启动、软停机、低速制动、轻载节能等多种保护功能。软启动器具有启动电流小, 启动速度平稳, 启动性能可靠, 对电网冲击小等优点, 软启动器以它完善的功能, 大大提高了它在排水泵控制中的应用范围[3,4,5,6]。

现有的软启动控制系统, 采用断路器+软启动+旁路的方式实现。而当前的电动机控制中, 绝大多数都已经使用了控制与保护开关电器 (CPS) 作为主要的配电和保护电气元件。在现有的电动机软启动控制系统中, CPS无论是作为断路器还是旁路接触器都不合适, 也就无法发挥CPS体积小、高分断、保护功能齐全的技术优势。

为解决这一技术问题, 设计开发了软启动控制模块, 这样由CPS+软启动控制的模块就可以实现对负载的软启和软停功能。和传统的软启动控制系统相比, 不仅减少了所需的元器件, 且使得CPS的高分断和保护功能也得以充分发挥。

1 基于CPS的软启动控制系统的基本工作原理

基于CPS的软启动器控制系统由一台KB0系列CPS和KB0配套软启动控制模块组成。该系统是集电动机的软启动、软停车、过载、过流、短路、堵转、阻塞、过压、欠压、欠功率、缺相、剩余电流等多种保护功能于一体的电机控制系统, 系统还带有通讯功能, 能将电机启停及运行过程中的各种电流、电压数据及故障发送给上位机进行报警或者保护。

在介绍系统的基本工作原理之前, 首先对软启动控制模块的工作原理进行介绍。软启动控制模块电路工作原理模块图如图1所示。

软启动控制模块以MCU单元为主控单元, 当三相主回路通电后, 电源单元从主回路中取电并给各个模块单元供电。MCU单元在主回路得电后迅速从人机界面设定单元读取各个设定值, 并将各个设定值转换为A/D信号存入MCU单元, 当软启动控制模块接收到启动信号时, 两路过零检测单元会在第一时间将主回路的过零信号发送到MCU单元, MCU接收到过零信号后, 按照人机设定的界面对可控硅单元A和可控硅单元B进行控制。在电机软启动完成后, MCU单元对旁路继电器驱动单元A和旁路继电器驱动单元B进行控制, 从而驱动旁路继电器工作。当电机需要软停时, MCU单元先控制旁路继电器驱动单元, 由旁路继电器驱动单元切换至可控硅控制单元, 从而控制可控硅的导通角实现电机的软停。基于CPS的电机控制系统的一次接线如图2所示。

电机启动时, 先合上KB0的主回路开关, KB0投入工作, 主回路电流、电压检测以及KB0的各保护功能开始工作。按下启动按钮, 软启动模块启动, 软启动器中的MCU根据软启动模块人机界面的设置, 进而控制可控硅的初始电压和启动时间, 停止时间等参数, 从而实现电动机的软启动、软停止功能。

与传统的Y/△启动器、自耦降压启动器等启动方式相比, 基于CPS的软启动器系统的初始力矩可视负载调整, 负载的适应性强, 此外内置旁路接触器在软启动完成后及时导通, 使可控硅仅工作在电机的启动和停止阶段, 大大延长了整个系统的使用寿命。

2 系统的启动、停止方式

系统由KB0和软启动模块构成, KB0负责完成对主回路的各种保护和与上位机的数据通讯, 软启动控制模块负责完成电动机的软启动、旁路、软停止。

KB0主回路接通后, 按下启动按钮, 软启动控制模块会根据人机界面上的初始电压电位器设定可控硅的导通角, 产生一个初始电压, 以克服电动机的静摩擦转矩, 减小电动机启动初期产生的电流冲击, 该初始电压值可自行设定。之后, 根据人机界面上的启动时间电位器设定值持续调整可控硅的导通角, 进行电机启动电压控制, 实现电动机软启动。软启动过程完成后, 软启动控制模块内部旁路接触器进行主回路旁路, 减少可控硅的工作时间。按下停止按钮后, 软启动控制模块会将主回路由旁路接触器切换回可控硅控制回路, 然后按照人机界面的停止时间设定值进行可控硅导通角的调整, 从而逐步降低可控硅的输出电压, 实现平滑地软停。无论在软启动器的何种工作状态下, 一旦软启动器控制模块检测到电动机发生故障, KB0都会在第一时间切断主回路, 实现对电动机的保护, 同时对软启动控制模块进行复位, 等待下次启动信号的发出。

3 基于CPS的软启动系统在消防泵系统中的应用

在消防泵系统中, 虽然电动机功率较大, 刚开始启动时排水扬程较高, 但是运用基于KB0软启动的控制系统时, 能调整电动机启动时的初始启动电压, 从而减小电机的启动电流, 避免排水泵电机在启动时对电网形成冲击, 大大地提高了排水泵系统的可靠性和用电的可靠性。当消防排水泵在启动过程中发生阻塞时, KB0软启动控制系统能对排水泵实施阻塞保护, 保护的阀值可以根据现场使用条件进行调整。

在消防排水泵启动完成后, KB0软启动控制系统将所有的保护任务交给CPS去完成, 系统能实时地监控排水泵电动机的运行情况, 在电机发生故障时, 第一时间对电机进行保护, 并且保护种类众多, 系统能完成电动机的过载、缺相、过流、短路、堵转、欠压、过压、欠功率、剩余电流保护, 并且部分保护功能还能根据排水泵现场的使用条件进行保护阀值的设定或者保护类别的屏蔽, 使系统的保护变得全面而灵活化。在消防排水泵系统运行过程中, KB0可以通过MODBUS通讯, 将排水泵的运行电流、电压以及故障类别及时传到上位机, 并能够实现上位机远程操控。

在消防排水泵停泵时, KB0软启动控制系统采用“软停车”的方式, 逐步平滑地调整排水泵的停止电压, 适当地延长停车时间, 避免产生“水锤”效应, 减少机械设备的损害、系统的维护费用和维护工作量, 延长消防排水泵系统的使用寿命。

4 结束语

基于CPS的软启动控制器系统, 以它全面、灵活的保护方式和可靠的控制方式很好地解决了排水泵系统在启动、运行和停止过程中遇到的各种难题, 提供了比较完善的系统解决方案, 降低了排水泵系统的机械损伤和维护费用。

随着社会的不断发展, 基于CPS的软启动器控制系统以其全面的保护性、可靠性、先进性, 克服了传统控制系统的不足, 使排水泵控制系统更加完善, 在今后的排水泵系统应用中, 是必然的发展趋势。

参考文献

[1]汤蕴璆.电机学[M].北京:北京机械工业出版社, 1999:30.

[2]李振安.工厂电气控制技术[M].重庆:重庆大学出版社, 2004:42.

[3]曹翾, 张光全.软启动器在井下高压排水泵中的应用[J].电气时代, 2008, 10:83-84.

[4]刘国全.高压电气软启动在排水泵上的应用[J].科技促进发展, 2012, s1:53-54.

[5]李君华.软启动技术在矿井主排水泵控制中的应用[J].煤炭技术, 2010, 08:44-45.

变频软启动系统篇7

交流传动中,能同时满足绕线式异步电机启动和调速的方法是转子回路串电阻方法,但这种方法效率低,能耗大[1]。若采用高效调速方法如双馈调速,当电机启动时,由于电机启动时的转子冲击电流(为额定电流的4～7倍)会烧坏晶闸管[2],甚至会危及到电机本身,因此电机不能直接带双馈调速装置启动,必须另接软启动器启动,等启动过程结束,电机处于正常运行时,才允许投入双馈调速装置。这样绕线电机启动和调速必须接调速装置和软启动器两套装置,设备庞大,成本高。因此,研究一种成本低、性能稳定的高压绕线电机软启动与调速一体化系统具有重要意义。

本文提出一种高压绕线电机软启动与双馈调速一体化系统。该系统采用可变电抗技术和双馈调速技术,将电机的软启动与调速集于一体,大大地降低了成本。由于采用双馈调速,降低了变流器的容量,效率高,特别适合于高压、大容量的绕线电机带动风机、泵类负载,其应用前景十分广阔。

1 系统构成

高压绕线电机软启动与双馈调速一体化系统结构图如图1所示。由图1可知,系统由可变电抗变换器、电力电子功率变换器、控制器和两组交流接触器组成。可变电抗变换器一次侧通过交流接触器组1与绕线电机的定子侧相连,其二次侧与电力电子功率变换器连接;电力电子功率变换器通过交流接触器组2与电机的转子相连;控制器与电力电子功率变换器相连。

当系统处于软启动状态时,K1断开、K2闭合、K3断开、K4闭合、K5断开、K6闭合,此时可变电抗变换器原边三相绕组分别和定子三相绕组串接,可变电抗变换器副边三相绕组则分别与反并联的晶闸管T1～T6,T7～T12和T13～T18并联连接。当电机软启动时,控制器只触发电力电子功率变换器中的晶闸管T1,T2,T9,T10,T17,T18。

当绕线电机启动完成,进入双馈调速阶段,此时K1闭合、K2断开、K3闭合、K4断开、K5闭合、K6断开。可变电抗变换器原边三相绕组和绕线电机定子三相绕组并联接入三相交流电源;由T1～T18组成的电力电子功率变换器实际上构成三相零式交-交变频器,它分别与绕线电机的转子三相绕组和可变电抗变换器副边三相绕组连接;可变电抗变换器原、副边三相绕组均为星形接法;此时可变电抗变换器成为励磁变压器,控制器触发功率变换器中的全部晶闸管T1～T18。

控制器主要由检测板、控制板和驱动板3部分组成。检测板得到的检测信号输出给控制板,控制板通过信号处理后,产生控制信号输出给驱动板,驱动和触发功率变换器中的晶闸管。其中,检测板由同步电压信号检测电路、转子转速及位置检测电路、转子电流检测电路和定子电流检测电路组成,它们分别用来检测同步信号、转子转速及位置转子电流和定子电流;控制板由单片机80C196KC和可编程芯片PSD813F1及外围电路组成;驱动板由触发脉冲形成电路与脉冲变压器电路组成,触发脉冲形成电路产生的脉冲信号输送给脉冲变压器,经脉冲变压器电路隔离并驱动晶闸管。

2 高压绕线电机软启动与双馈调速原理

当系统软启动时,控制器根据比较电流互感器检测到的绕线电机定子侧电流的大小和预设的启动电流大小的结果,调节功率变换器中反并联晶闸管的控制角,改变可变电抗变换器的等效阻抗,间接控制加在绕线电机定子上的电压,使电机平滑启动[3]。单相等效软启动系统结构如图2所示。

文献[4,5,6,7]讲述了采用可变电抗技术实现电机软启动的原理。下面主要讲述双馈调速的原理。

当系统双馈调速时,控制器根据系统的负载状态选择电机运行转速,通过控制改变加载到电机转子侧的三相交流电压来间接控制电机定子侧的转矩电流和励磁电流,从而控制电机达到给定转速。等效双馈调速的系统结构图如图3所示[8]。

假定绕线电机定子绕组接到固定频率f1的电网上,转子回路通过三相零式交-交变频器和变压器接到电网。若按照一定规律改变交-交变频器晶闸管的控制角,交-交变频器就可输出电压幅值、频率和相位均可调的交流电[9],此时转子回路相当于加了一个幅值、频率和相位可调的电源。

设转子回路外加电源电压为 $\dot{U}_{2 s}$ ,其频率与转子绕组感应电势 $\dot{E}_{2 s}$ 的频率(即转差频率)相同。此时,三相绕线电动机毎相的等效电路如图4所示[10]。

图4中 $r_{1} ‚ r_{2} ‚ X_{1 σ} ‚ X_{2 σ} ‚ \dot{Ι}_{2 s}$ 分别为电机定子、转子电阻,定子、转子漏阻抗和转子电流,s为转子转差率,s1为 $\dot{U}_{2 s} = 0$ 时的转差率。由图4可得:

$\dot{Ι}_{2 s} = \frac{\dot{E}_{2 s} + \dot{U}_{2 s}}{r_{2} + j s X_{2 σ}} = \frac{s \dot{E}_{2} + \dot{U}_{2 s}}{r_{2} + j s X_{2 σ}} (1)$

假定 $\dot{U}_{2 s}$ 加入前后负载转矩保持不变,即转子电流的有功分量不变。设s为转子转差率,s1为 $\dot{U}_{2 s} = 0$ 时的转差率。则由式(1)得:

$\frac{s \dot{E}_{2} + \dot{U}_{2 s}}{r_{2} + j s X_{2 σ}} = \frac{s_{1} \dot{E}_{2}}{r_{2}} (2)$

1)当 $\dot{U}_{2 s}$ 与 $s \dot{E}_{2}$ 相位相同时,s很小,sX2σ很小,可忽略,则由式(2)得:

$s \dot{E}_{2} + U_{2 s} = s_{1} E_{2}$

s=s1-U2s/E2 (3)

由式(3)可知,加入外加电压后,转子转差率减小,转子转速提高。进一步增大外加电压到合适的值,转子的转速可以达到同步转速。若外加电压再增大,则转子转速可以在同步速以上运行。

2)当 $\dot{U}_{2 s}$ 与 $s \dot{E}_{2}$ 相位相反时,同理有

s=s1+U2s/E2 (4)

由式(4)可知,加入外加电压后,转子转差率增大,转子转速降低,则电机转子转速在同步速以下运行。

3)当 $\dot{U}_{2 s}$ 与 $s \dot{E}_{2}$ 成任意角时, $\dot{U}_{2 s}$ 在 $s \dot{E}_{2}$ 方向的分量可以实现电机调速。改变 $\dot{U}_{2 s}$ 在 $s \dot{E}_{2}$ 方向的分量就可改变电机的转速,使转速在同步速上下可调。即改变绕线电机转子绕组的外加电压的幅值、频率和相位时,就可以改变转差率,从而实现转子调速。由以上分析可知,通过改变三相零式交-交变频器的晶闸管的触发角,即可改变转子绕组等效电源的幅值、频率和相位,从而调节绕线电机的转速,使转子在同步速以下、超同步速和同步速运行。

3 系统仿真及分析

运用Matlab/Simulink下的电力系统模型集PSB对上述一体化系统进行仿真。

3.1 软启动仿真

系统软启动仿真模型如图5所示(测量模块没有示出)。其中,可变电抗变换器参数为:PN=10 kW,K=4∶1,f=50 Hz;绕线电机参数为:PN=11 kW,UL-L=380 V,f=50 Hz。仿真算法采用ode23tb。电机软启动定子电流仿真波形和全压启动定子电流仿真波形如图6所示。

由图6可知,软启动的电流小,其最大值只是额定值的2倍左右,而全压启动最大启动电流达到额定值的6倍左右。软启动时间比全压启动的时间长。

3.2 双馈调速仿真

系统双馈调速仿真模型如图7[11]所示。其中,可变电抗变换器参数为:PN=10 kW,K=4∶1,f=50 Hz;绕线电机参数为:PN=11 kW,UL-L=380 V,f=50 Hz,L1=L2=L3=1e-02 H。仿真算法采用ode23tb。转子转速波形如图8所示。

由图8可知,绕线电机的转速可上调到820r/min(高于同步转速的12%),可下调到650 r/min(低于同步转速的12%)。

4 系统实验及结论

实验采用4级绕线电机,型号是YZR180L-8,功率11 kW,额定转速700 r/min。一体化系统启动时,全压启动和软启动的定子电流波形如图9所示。

由图9可以看出,软启动时,电流是由零逐步增大,8 s左右增至最大,17 s后减为正常运行值。而全压启动时,电流是突然增大至最大,然后保持该值,1 s后减为正常值。软启动比全压启动启动时间长,软启动启动时间为17 s左右,而全压启动启动时间为1 s左右;软启动启动电流小,最大启动电流值只有正常运行时的2倍左右,而全压启动为正常运行时的6倍左右。

启动结束后,进入双馈调速状态时,双馈调速转子电流波形如图10所示。

由图10可见,低同步时(见图10a),投励(低电平)后,一体化系统转子电流周期T=1/6 s,即频率f=6 Hz,从而转子转速n=660 r/min;投励结束(高电平)后,电机转子电流周期T=1.24 s,转子转速n=738.5 r/min;超同步(见图10b)时,投励(低电平)后,一体化系统转子电流周期T=0.2 s,即频率f=5 Hz,从而转子转速n=825 r/min。由此可见一体化系统可调速范围达同步转速10%左右。

本文提出了一种高压绕线电机软启动与双馈调速一体化系统。它巧妙地将软启动与双馈调速结合统一在一个装置中,既实现了高压绕线电机的软启动,又实现了电机的调速。当电机启动时,可以平稳的软启动,启动结束后,可以调节电机以同步转速上下10%范围内的转速运行。该装置成本低,节能降耗效果显著,可以为企业带来良好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]李永东.高性能大容量交流电机调速技术的现状及展望[J].电工技术学报,2005,20(2):1-10.

[2]Akagi H,Sato H.Control and Performance of a Doubly-fed Induction Machine Intended for a Flywheel Energy Stor-age System[J].IEEE Trans.on Power Electronics,2002,17(1):109-116.

[3]袁佑新,王亚兰,彭万权,等.基于可变电抗的高压软启动器研究[J].电力自动化设备,2007,27(11):38-41.

[4]袁佑新,赵彦威,丁一,等.基于模糊控制的交流电机软启动器研究[J].电气传动,2006,36(5):13-15.

[5]Yuan Youxin,Xiao Yiping.Research on One Kind of Varia-ble Reactor[C]∥In:Wang Chunzhi,Ye Zhiwei.2009In-ternational Workshop on Intelligent Systems and Applica-tions.Curran Associates,Inc:IEEE Express ConferencePublishing,2009:1847-1850.

[6]袁佑新,肖义平.可变电抗器的阻抗变换机理研究[J].武汉理工大学学报,2008,30(3):133-135.

[7]丁永忠,袁佑新,肖义平,等.基于功率变换的可变电抗器研究[J].武汉理工大学学报,2008,30(3):136-138.

[8]陈坚.交流电机数学模型及调速系统[M].北京:国防工业出版社,1989.

[9]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

[10]刘锦波,张承惠.电机与拖动[M].北京:清华大学出版社,2006.

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