交流异步电机软起动及优化节能控制技术研究

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1前言

目前在工矿企业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倍的起动电流也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况点,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。

电动机的非经济运行情况,早已引起国家有关部门的重视,并分别于1990年和1995年制定和修定了一个强制性的国家标准:(GB124971995)三相异步电动机经济运行。希望依此来规范三相异步电动机的经济运行,国标的发布对低压电动机的经济运行起了很大的促进作用,但对中压电动机则收效甚微。其原因是:

(1)中压电动机一般容量较大,一旦发生故障,其影响也大,因此对节电措施的可靠性的要求就更高;

(2)中压电动机节电措施受电力电子功率器件耐压水平的限制,节电产品的开发在技术上难度更大一些。到目前为上,国内尚无定型的中压电动机软起动和节电运行的产品面市。

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)起动过程中的功率损耗应尽可能的少。

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方式,另一种是降压起动方式。

2.1直接起动的危害

直接起动是最简单的起动方式,起动时通过闸刀或接触器将电动机直接接到电网上。直接起动的优点是起动设备简单,起动速度快,但是直接起动的危害很大:

(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。

所有这些都给设备的安全可靠运行带来威胁,同时也造成过大的起动能量损耗,尤其当频繁起停时更是如此。因此对电动机直接起动有以下限制条件:(1)生产机械是否允许拖动电动机直接起动,这

是先决条件;

(2)电动机的容量应不大于供电变压器容量的

10%~15%;

(3)起动过程中的电压降△U应不大于额定电压

的15%。对于中、大功率的电动机一般都不允许直接起动,而要求采用一定的起动设备,方可完成正常的起动工作。

2.2老式降压起动方式的适用场合及性能比较

降压起动的目的是减小起动电流,但它同时也使起动转矩下降了。对于重载起动,带有大的峰值负载的生产机械,就不能用这种方式起动。传统的降压起动有以下几种方法:(1)星形/三角形转换器:这种方法适用于正常运行时定子绕组采用△接法的电动机。定子有六个接头引出,接到转换开关上,起动时采用星形接法,起动完毕后再切换成△接法。起动电压为220V,运行电压为380V。这种起动设备的优点是起动设备简单,起动过程中消耗能量少。缺点是有二次电流冲击,设备故障率高,需要经常维护,所以不宜使用在频繁起动的设备上。在转换过程中,由于瞬变电势和电动机剩磁产生的电势往往与电源电压有相位差,严重时会产生电压相加,引起过大的冲击电流和电磁转矩,因此大大地限制了它的使用。由于起动电压为运行电压的1/,故其起动转矩为额定转矩的1/3,只能用在空载或轻载(负载率小于1/3)起动的设备。在电动机轻载或空载运行时,也可利用该起动设备作降压运行,以提高电动机的功率因数和效率。

(2)自耦变压器降压起动:三相自耦变压器(也称补偿器)高压边接电网,低压边接电动机,一般有几个分接头,可选择不同的电压比,相对于不同起动转矩的负载。在电动机起动后再将其切除。其优点是起动电压可以选择,如0.65、0.8或0.9UN,以适应不同负载的要求。缺点是体积大,重量重,且要消耗较多有色金属,故障率高,维修费用高。

(3)磁控软起动器:磁控软起动器是利用控磁限幅调压的原理,在电动机起动过程中电压可由一个较低的值平滑地上升到全压,使电动机轴上的转矩匀速增加,起动特性变软,并可实现软停车。但其起控电压在200V左右,用户不可调整,会有较大的电流冲击,且体积较大。

(4)串联电抗器或水电阻:对于高压电机,可在定子线路中串联电抗器或水电阻实现降压起动,待起动完成后再将其切除。但电抗器成本高,水电阻损耗又大。

(5)串接频敏变阻器或水电阻:对于绕线式异步电动机,可在转子绕组串接频敏变阻器或水电阻实现起动,待起动完成后再将其切除。但频敏变阻器成本高,而水电阻损耗又大。其他还有延边三角形起动,定子串电阻起动等方法。

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:就是没有谐波污染。

2.3新型的电子式软起动器

随着电力电子技术和微机控制技术的发展,国内外相继开发出一系列电子式起动控制设备,用于异步电动机的起动控制,以取代传统的降压起动设备。新型的电子式软起动器的主电路一般都采用晶闸管调压电路,调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成,串接于电动机的三相供电线路上。当起动器的微机控制系统接到起动指令后,便进行有关的计算,输出晶闸管的触发信号,通过控制晶闸管的导通角α,使起动器按所设计的模式调节输出电压,以控制电动机的起动过程。当起动过程完成后,一般起动器将旁路接触器吸合,短路掉所有的晶闸管主电路,使电动机直接投入电网运行,以避免不必要的电能损耗,软起动器的控制框图如图1所示。

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