软起动技术在水利泵站中的应用研究分析

摘要：软起动技术是近十年来出现的一种新技术,软起动方式与传统的电机起动方式不同,它有多种方式可供选择。本文研究了软启动技术与应用。

关键词：软起动;工业控制;应用

中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：

引言

随着目前工业技术的不断发展,传统的降压起动设备已无法满足各行各业的需要,软起动技术的应用势必成为今后异步电动机起动方式的主流,在市场上得到全面的推广。

1、异步电动机的起动

电动机是现代工农业生产和交通运输的重要设备,其中异步电动机因其结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉,是应用最为广泛的电气设备。异步电动机的起动是电机控制的一个重要内容,其起动性能的好坏直接影响到生产机械的正常运行。异步电动机的起动方式有两种:直接起动和降压起动。直接起动就是电动机直接加额定电压起动。这种方法不需要专门设备,操作简单,但直接起动时起动电流可达到额定电流的4～7倍,有的甚至高达8～12倍,过大的起动电流将使电动机绕组发热,加速绝缘材料的老化。此外,还会引起电网电压波动,影响同一电网其它电气设备的正常运行。

在不允许直接起动的情况下,常采用降压起动方式。降压起动就是电动机在起动时降低电源电压,起动结束后加额定电压运行。常用的降压起动方式一般有Y/Δ起动,定子串电阻或电抗器起动,自耦变压器降压起动等方法。这些起动方式都属于有级降压起动,存在明显缺点,即起动过程中存在有二次冲击电流,起动转矩不可调,起动参数也无法调整,负载适应性差。综上所述,传统降压起动方式的诸多性能限制和使用限制,越来越难以适应不断发展的电动机的起动要求。因而,改善电动机的起动性能已经成为电气行业的一个重要课题。

2、异步电动机的软起动技术

近三十年来,随着电力电子技术的发展及计算机控制技术、现代控制理论与电力电子技术的紧密结合,为电动机提供了新的起动方式,出现了电动机软起动技术。

电动机软起动是利用双向晶闸管交流调压技术来实现的。通过控制晶闸管的导通角,调节电动机的端电压和起动电流,使其按照工作要求设定进行变化,从而实现电动机的无触点降压软起动、软停车和空载节能及保护功能。在软起动过程中,可以根据电动机负载的特性调节各种参数,如起动电压和起动电流等,同时对电机进行多种保护。电机起动转矩增加,转速也随之增加。

与传统降压起动方式相比,软起动技术优点在于:(1)无冲击电流。通过逐渐增大晶闸管导通角,使电动机起动电流以恒定的斜率平稳上升至设定值,对电网无冲击电流。(2)恒流起动。电动机在起动过程通过引入电流闭环反馈保持恒流,确保电动机平稳起动,且不受电网电压的影响。(3)起动电流上升速率可调,从而减轻电动机起动时转矩对负载的冲击

3、软起动技术的主要功能

3.1软起动功能

软起动的起动方式一般有下面几种。

3.1.1限流起动。它是在电机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值的软起动方式。其输出电压从零开始迅速增长,直到输出电流达到预先设定。主要用于轻载起动,优点是起动电流小,可以调整起动电流的设定值,但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,对电动机不利。适用于风机、泵类负载。

3.1.2斜坡电压起动。它是在电机起动时,输出电压迅速升至某一个值,然后在设定的时间内电压再逐渐升高至额定值,转速随着电压的升高而逐步上升,直至起动结束。这种起动方式特点是起动电流相对较大,但起动时间相对较短,主要用在重载起动的电动机。

3.1.3转矩控制起动。它是按照电动机的起动转矩由小到大线性上升的规律控制输出电压。通过控制起动转矩,改善电动机的起动特性,清除浪涌转矩并且降低冲击电流。优点是起动平滑、柔性好、对拖动系统有更好的保护,它的目的是保护拖动系统,延长拖动系统的使用寿命,同时降低电机起动时对电网的冲击,是最优的重载起动方式。缺点是起动时间较长。

3.1.4转矩加突跳控制起动。它是在起动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩,然后转矩平滑上升,缩短起动时间。与转矩控制起动相仿也是用在重载起动,但是,突跳会给电网发送尖脉冲,干扰其它负荷,应用时要特别注意。

3.1.5电压控制起动、它是在保证起动压降一定下使电动机获得最大起动转矩,尽可能的缩短了起动时间,是最优的轻载软起动方式。

3.2软停车功能

传统的电机停机控制方式都是通过瞬间停电完成的。但在有些场合,并不允许电动机突然停机,如果拖动系统突然失去转矩,靠系统的磨擦转矩克服系统的惯性滑行停车,会给拖动系统带来诸多问题。如水泵系统,如果突然停车,泵及管道内水倒流产生巨大的水压形成反压,就会出现水垂现象,发生管道破裂,水泵叶片变形等故障现象。再如工业上的皮带机、升降机也不希望突然停车。采用软停车方式,在发出停机信号时,晶闸管导通角从全导通逐渐地减小导通角,电动机端电压逐渐减小,实现软停机目的。

4、软起动技术的应用

由于软起动技术具有许多优点,如能够完成电机的软启动和软停车功能,保证电机连续而平滑的启动,消除机械冲击和大电流冲击,有效延长电机的寿命和保护用电线路和负载,近年来已得到越来越广泛的应用。软起动适用短期重复工作的机械,即长期空载,短期重载,频繁起停的生产机械,尤其特别适用于各种泵类负载或风机类负载。对于长期高速、短时低速且轻载运行的电动机,采用软起动有较好的节能效果。

软起动控制系统可以采取两种型式:在线式软起动和旁路式软起动。在线式软起动系统采取“一带一”方式,即每一台负载电动机的起动由相应的软起动器来完成,选用的软起动器为长期工作制,可以对电动机实现起动—运行—停止的全过程控制,如图1所示。它的优点是电路简单,控制灵活,对于电动机能够起到强大的保护作用。它的缺点是由于晶闸管在线运行,造成功耗大,且控制柜体积大,占地面积多,谐波大,在使用上受到限制。

旁路式软起动系统是多台电动机共用同一台软起动器。当一台电动机起动完成后,旁路接触器吸合将电动机转为电网供电脱开软起动器直接运行,这样软起动器在完成一台电动机的起动后可以再控制另一台电动机的起动,如图2所示。旁路式软起动系统在控制电动机台数较多时可以大大降低系统成本,而且软起动器均工作在短时工作制,可以大大降低软起动器的故障率,旁路型软起动器也是存在缺点,如:(1)电路复杂化,增加了主接线及整个系统的复杂性系统可靠性降低;(2)强大的智能控制器不能充分利用,有的不能对电动机保护;(3)增加了成套装置的体积和成本;(4)增加了维护与检修的难度。

为了克服旁路式软起动方式的缺点,目前市场上又出现了一种比较先进的内置旁路式软起动器,即旁路接触器在软起动器内部与晶闸管并联,在电机软启动和软停车过程中由晶闸管工作,当电动机正常运行时晶闸管关闭,如图3所示。它的优点是克服了在线式和旁路式的缺点,具有电路简单、造价低、体积小,无功耗,控制功能强大的特点。

5、软起动器的选型

目前国内外市场上开发、生产起动器的厂家很多,而有影响力的主要还是国外产品,不论是国内国外产品其生产的软起动器原理基本相同。在具体选用时,不仅要考虑产品的品牌功能和技术参数等,还应考虑实际使用情况,一般选择软起动器时主要考虑以下问题:

5.1根据负载性质的不同选择起动器。不同的负载性质其起动要求也不同,如泵类负载,要求起动和停车时要消除系统水锤现象;风机类负载则要求减小机械冲击。不同的负载要选择相应的起动方式。

5.2根据电动机的额定功率、电流选择起动器。一般软起动器容量稍大于电动机工作电流。

5.3根据使用需要选择具有不同保护功能的起动器。如过电流保护、过压保护、过载保护、缺相保护、三相不平衡保护等。

结束语

软启动技术可完全克服传统起动方式开机时的冲击电流、冲击转矩、机组振动等,停机时的拍门撞击和水锤作用,以及带来的出水池挡墙渗漏、机组中心偏离等弊端,节省了大量的维修、管理费用,其经济、社会效益明显。我们相信软起动装置必将全面取代传统启动方式,在水利泵站中得到广泛应用。

参考文献

[1]杜京义.电机软启动的探讨[Z]//第十一届全国煤矿自动化学术年会论文专辑,2001.

[2]李国厚,高淑萍.软启动技术及其应用[J].煤矿机械,2006