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高壓電動機的起動方式和起動技術

來源:蘭州電機 蘭州二電集團二蘭電機股份有限公司 | 發布時間:2019/11/4 | 瀏覽次數:
一、什么樣的電機可以直接起動? 大家知道,我們常用的大部分電動機的容量都比較小,它們也都是直接起動的。 從某種角度來說,如果忽略直接起動對電機和負載的影響,只要電網容量足夠大,任何電機都可以直接起動。而實際上我們的變壓器容量是有限的,電網容量也是有限的。所以一般是小容量的電動機可以直接啟動,而大容量的電動機一般不能直接啟動,需要借助于一些專用的設備才能正常起動。電動機容量的大小不是絕對的,是相當于電源容量比較而言的。 二、為什么電機需要軟起動 因為大容量電動機直接起動對電力系統的影響不能忽略,很多時候已經到了不能承受的限度。 由于我們的電網容量不是無限大的,有一定的阻抗。當電動機直接起動時,起動電流為額定電流的5-8倍,此電流作用在電網的阻抗上會產生電壓降,從而使電網的供電電壓降低,電網電壓降低到一定程度就會影響電網上其它設備的正常運行。 加大電網容量是解決解決此間題的一個辦法。我們知道,增加電網容量可不是一件簡單容易的事情。不僅需要增加變壓器容量,也要增加線路容量,致使投資費用大大提高,這一點往往使決策層望而卻步。而且在電動機完成起動后,電機實際的運行電流降下來了,多出來的電網的容量得不到充分的利用。同時由于增大了主變壓器容量,其空載損耗也大大增加,降低了變壓器運行的效率,經濟性非常差。 所以,在改造項目中如果個別電動機需要擴容,而原設計的電網容量無法滿足電動機的直接起動需要時,就要需要改變其直接起動的起動方式,采用軟起動。 軟啟動就是通過増加附加的起動裝置,使電動機起動時減小對其本身和電網的沖擊,電動機從零升速至額定轉速的起動過程更加平穩,這個過程叫電機軟起動,這種附加裝置叫電機軟起動器。軟起動是相對直接起動而言的。 我們來看一看電動機直接起動時起動電流和起動轉矩對設備造成的危害情況:普通異步電動機直接起動電流達到額定電流的5-8倍,起動轉矩能達到額定轉矩的1.25倍以上。它在電網條件和工藝條件允許的情況下,可以直接啟動(電機啟動時的電壓降允許值為10%Un),但過大的啟動電流給電機也造成了傷害。 電機直接啟動的大起動電流導致線圈發熱量是電機正常運行時的36-49倍。過高的溫升、過大的熱積累、過大的溫度梯度和電磁力,產生了極大的破壞力,縮短了定子線圈和轉子的使用壽命。 所以,從保護電機的角度也應當使用軟起動器。 三、電機起動裝置分類 按照電動機的額定電壓等級,與其配套的起動裝置可分為低壓軟起動裝置和高壓軟起動裝置,也就是常用的400V軟啟動器和6KV與10KV的軟起動器。 按照電動機的工作頻率是否恒定,起動裝置又可分為定頻降壓起動和變頻起動。 降壓起動,是指通過串入有限流作用的器件實現的一種電動機起動方式,降壓起動歸根結底是為了限流,由于其設備成本低廉,是電動機起動方式中最受歡迎的一種方式,也是非常重要的方式。降壓起動又可分為有級降壓起動和無級降壓起動兩類,前者的調節是分檔的,后者的調節是連續的。降壓啟動雖然限制了起動電流,但同時犧牲了起動轉矩,使起動轉矩降低了。 傳統的降壓起動方式一般都是分檔有級的,如星角起動,串電阻起動,串電抗器起動等。隨著大功率電力電子元器件的大力發展和進步,很多傳統方式慢慢被淘汰了。 變頻起動,是所有軟起動器中唯一可以在額定電流內,保持恒定轉矩輸出起動的起動器,是性能最好的一種起動裝置。而其它的降壓起動裝置,都是通過犧牲起動轉矩來限值起動電流的大小的。由于變頻啟動采用大容量電力電子元件,所以價格比較貴。價格貴在前幾年限制了其推廣應用。近年來,由于科技突飛猛進,電力電子器件價格也大幅度降低,這種變頻啟動裝置已經應用于越來越多的場合。 目前國內應用較多的軟起動裝置基本都可以連續調節,主要有以下四種: ① 以開關變壓器為限流器件的開關變壓器軟起動; ② 以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動; ③ 以電解液限流的液阻軟起動(水電阻)和熱變電阻軟起動; ④ 以晶閘管(SCR)為限流器件的晶閘管軟起動。 以上幾種軟起動器可以起動異步電機,也可起動同步電機,當起動同步電機時,先按異步方式起動,當電動機的轉速達到亞同步轉速時加勵磁,把電機拉入同步運行。 四、電機降壓起動的特點 電動機的起動電流一定大于其額定電流。電動機降壓起動的電流是一般是電機額定電流的2~4倍,由于起動轉矩與電流平方成正比,電流太小啟動轉矩就會太小,無法克服負載轉矩。這個大電流在引起電網壓降方面雖然比直接起動好,但對電網還是有沖擊的。如果只考慮大幅度降低起動電流,降壓起動僅適合于空載或輕載的電動機起動。對于重負載的電動機的起動,該方式沒有任何優越性。 五、高壓電動機軟起動系統的組成 高壓電動機軟起動單線圖 六、電機軟起動方式 電動機的軟起動,是指運用串接于電源與被控電動機之間的軟啟動器(軟起動器),控制其內部晶閘管的導通角,使電機的輸入電壓從零以預設的函數曲線逐漸上升,直至起動結束后賦予電機全電壓的過程,在軟啟動(軟起動)過程中,電機的起動轉矩逐漸增加,轉速也逐漸增加,直到起動完成。軟起動一般有下面幾種起動方式。 a、斜坡恒流軟啟動(軟起動): 這種起動方式是在電動機起動的初始階段起動電流逐漸增加,當電流達到預先所設定的值后保持恒定(t1至t2階段),直至起動完畢。起動的過程中,電流上升變化的速率是可以根據電動機的負載情況和起動特性調整設定(上升時間)。電流上升速率大,則起動轉矩大,起動時間短。這種方式能夠從源頭上限制直接起動帶來的對電網和負載的沖擊,是高壓電動機降壓軟起動常常采用的一種方式。 b、斜坡升壓軟啟動(軟起動): 這種起動方式最簡單,是以斜坡電壓值為基準的電壓閉環軟起動,不具備電流閉環控制,僅調整晶閘管導通角,使之與時間成一定函數關系增加。其缺點是,由于不限流,在電機起動過程中,有時要產生較大的沖擊電流使晶閘管損壞,對電網影響較大,目前已經很少應用。這種電動機起動方式能夠使沖擊更加平緩,能夠控制起動時間,但是起動電流的恒定性較差。 c、階躍起動 階躍起動指開機后即以最短時間,使起動電流迅速達到設定值。通過調節起動電流的設定值,能夠達到快速起動的效果。 使用這種起動方式時,軟起動器提供一個附加的起動脈沖轉矩,以克服負載的靜摩撩阻力,脈沖時間用戶可以進行設定,0到2秒。 d、全壓起動 在全壓起動方式下,軟起動器相當于固態接觸器。電機受到全額的沖擊電流和達到堵轉轉矩。 e、脈沖沖擊起動: 在起動開始階段,讓晶閘管在極短時間內,以較大電流導通一段時間后回落,再按原設定值線性上升,進入恒流起動。 這種起動方法,適用于重載并需克服較大靜摩擦的起動場合,在一般負載中很少應用。 七、軟停止 電機停機時,傳統的控制方式都是通過開關瞬間分閘或者接觸器釋放完成的。但有許多應用場合,不允許電機瞬間斷電停機。例如:高層建筑的水泵系統,電動機瞬間停機,會產生巨大的“水錘”效應,使管道、水泵和閥門遭到損壞。為減少和防止“水錘”效應,需要電機逐漸停機,即軟停車,采用軟起動器就能滿足這一要求。在軟停止過程中繼續向電機輸送動力,減緩電機轉速和流體流速的急劇下降。軟起動裝置實現軟停止的機理是逐步減小加在定子回路中的電壓,使電機的轉速逐步下降。在泵站中,應用軟停車技術避免了泵站的“拍門”損壞,減少維修費用和維修工作量。 軟起動器中的軟停車功能是這樣完成的:晶閘管在得到停機指令后,從全導通逐漸地減小導通角,經過一定時間過渡到全關閉的過程,最后完成停車。停車的時間根據實際需要可在0-120s調整。 八、各種降壓軟起動的工作原理之比較 1、自耦減壓起動 利用自耦變壓器的多抽頭進行降壓,既能適應不同負載起動的需要,又能得到更大的起動轉矩,是一種經常被用來起動較大容量電動機的減壓起動方式。 它的最大優點是起動轉矩較大,當其繞組抽頭在80%處時,起動轉矩可達直接起動時的64%。并且可以通過抽頭調節起動轉矩。至今仍被廣泛應用。 2、Y-Δ 起動 對于正常運行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動機來說,如果在起動時將定子繞組接成星形,待起動完畢后再接成三角形,可以降低起動電流,減輕它對電網的沖擊。 采用星三角起動時,起動電流只是原來按三角形接法直接起動時的1/3。如果直接起動時的起動電流以6—7Ie 計,則在星三角起動時,起動電流才2—2.3 倍。這就是說采用星三角起動時,起動轉矩也降為原來按三角形接法直接起動時的1/3。 適用于無載或者輕載起動的場合。并且同任何別的減壓起動器相比較,由于其結構最簡單,價格也最便宜。星三角起動方式還有一個優點,即當負載較輕時,可以讓電動機在星形接法下運行。此時,額定轉矩與負載可以匹配,這樣能使電動機的效率有所提高,并因之節約了電力消耗。 3、水電阻與熱變電阻軟啟動 水電阻式軟起動:水電阻軟起動是在電機的定子或轉子回路中串入液體電阻的起動方式。當電機起動過程中,裝置通過改變極板的距離,相應的改變極板間液體電阻,從而調節了電機的電壓。其優點有: a、價格便宜。由于沒有采用現代功率電子器件,而采用機械調節極板距離的方式,技術含量低,所以售價相對較低。 b、可以用于繞線電機。由于水電阻可串入繞線電機的轉子回路,可以重載起動。 但水電阻的缺點也是顯而易見的: a、體積大。由于無法利用功率電子器件的開關控制特性,只能把電機起動時的電壓降在水電阻的溶液中。如果起動一千千瓦的電動機,則起動過程中水電阻消耗的平均功率可達幾百千瓦,如此大的功率最終轉化為熱量,需要很大體積的溶液箱承受此功率,占用了很大的空間。 b、安全性差。由于水電阻靠液體來為電機定子三相降壓,絕緣困難處理不好可能引起火災、高壓接地等事故。 C、水電阻還有壽命低、環境適應性差的缺點。由于存在需要機械調節的移動極板,降低了裝置的可靠性。同時環境溫度對其起動性能有很大影響,比如溫度低于溶液的冰點致使溶液結冰,使裝置無法使用等。 d、無法頻繁起動、不適合一拖多。初次起動后,如果要再次起動,就需等溶液溫度降低,需要等待很長時間,否則溶液有可能因溫度過高而大量汽化。同理如果系統設計成一拖多工作方式,如果水電阻功率按單臺設計,電機就不可能依次起動,必須等待。如果水電阻功率按多臺累加設計,則大大的増加了系統的成本和體積,價格上已無太大優勢了。 e、維護成本較高,水電阻式存在水的蒸發問題、污染問題等,如果換水時間掌握不好可能會出現更大的問題。 熱變電阻與水電阻都屬于液體電阻,不同點是取消了移動極板,靠溶液的溫度電阻特性限制電機的電流。液體電阻的一切缺點它都有,只是他沒有移動極板,提高了機械方面的可靠性,但溶液電阻的變化是有限的,而且受溫度的影響很大,起動的成功率大大降低了,而且此特點使他完全不受控,只能聽天由命。 2. 開關變壓器方式的軟啟動 把變壓器的原邊串入電機定子回路,通過控制可控硅短接變壓器副邊,來改變原邊電流,從而控制電機的起動過程。此種方式軟起動是通過變壓器的降壓原理,避免了可控硅的直接串聯中的均壓問題,從而回避了技術難點。 但此種方式也有一定的缺點:即雖然通過變壓器把可控硅上的電壓降低了n倍,但根據變壓器原理,可控硅上承載的電流就要增加n倍,在容量稍大的電機上,就需要并聯可控硅,可見此種方式并沒有減小可控硅容量(承載電壓*電流),而且多了一只開關變壓器。 3、磁控軟起動 此種方式是通過磁放大原理,在飽和電抗器的控制線圈中加入較小的控制電流,使電抗器的飽和程度有所改變,從而改變串入電抗器的電機的起動電流。此種方式運用了磁放大原理,從而達到以較小的功率控制較大功率的目的。此種方式的優點:電感的體積和成本比變壓器有所降低。 缺點: a、響應慢,由于串入定子回路中的電感具有電流的滯后性,在控制系統發出控制指令到電感達到指令的設置要求大約需要1秒鐘以上。 b、功率因數低,由于電機起動時功率因數本來就不高,定子中串入電感更加降低了功率因數,起動電流的利用律不高。 c、噪聲大,起動時噪聲明顯。 4. 可控硅串入方式軟啟動 這是國外中高壓領域廣泛應用的起動方式,是國際上的主流起動方式。它是應用了可控硅串聯技術,通過光纖傳輸控制信號,控制可控硅串的同時導通和關斷,從而控制電機的起動過程。 可控硅方式軟起動有諸多優點: a、體積小,重量輕。 b、控制迅速,響應快。 c、可頻繁起動。 d、可靠性高,起動成功率有保證。 鑒于以上優點,可控硅方式軟起動是除變頻起動外,其它幾種軟起動中性能最優的起動方式。 九、軟起動裝置的特性 對于使用者來說,軟起動的性能是非常重要的,那么常見的軟啟動裝置一般都有哪些特性呢? A、起動特性 起動特性理所當然成為了軟啟動器最重要的一個特性。在電動機起動的過程中,對起動電流進行限制。限制了起動電流,減小了系統的電壓降,但失去了充分利用允許的電壓降低可以增加起動力矩的有利條件。 B、保護特性 軟起動器對電動機的保護特性非常廣泛,主要有以下幾種: 1、過流保護; 2、過熱保護; 3、欠載保護; 4、過壓保護; 5、欠壓保護; 6、相序保護; 具有反相識別功能,當進線相序錯誤時,控制器自動報警跳閘,跳閘時間可自動設置。 7、缺相保護;電機發生缺相故障時自動跳閘。 8、三相不平衡保護; 9、起動次數保護; 10、堵轉保護;電機在起動時發生堵轉時,系統報警并自動跳閘。 11、晶閘管故障保護 當晶間管或觸發脈沖出現故障時,系統報警并自動跳閘。 12、晶閘管過溫保護 C、機械特性 1、啟動過程中引入電流負反饋,啟動電流上升至設定值后,電機平穩啟動。 2、起動電流以一定的斜率上升至設定值,極大地限制了對電網的沖擊。 3、受電網電壓波動的影響很小。由于軟啟動以電流為設定值,電網電壓有一定波動時,通過改變晶閘管的導通角,調節電機的端電壓,可維持啟動電流恒值,保證電機正常啟動。 4、針對不同負載對電機的要求,可以無級調整啟動電流設定值,改變電機啟動時間,實現最佳啟動時間控制。 十、軟起動器的測試和維護 1、軟起動器的測試 為保證軟起動器在現場安裝以后能一次成功起動,產品在做出廠檢驗時是一定要做起動性能試驗。一方面要做高壓電動機的空載實驗,也要做高壓電動機的帶載試驗,這些試驗一般根據工廠的實驗能力,可以選做,也可以全做。推薦做高壓全載試驗,可以在設備達到用戶現場之前模擬出起動時間,電流等各項起動參數,供客戶在運行中參考。 2、系統維護 軟啟動器的日常維護一定要由專業技術人員進行操作。要定期檢查配電線端子是否松動,柜內元器件有否過熱、變色、焦臭味等現象。 由于可控硅方式軟起動的閥組只是在起動過程中工作的,電機起動完成后由旁路接觸器完成旁路切換,閥組的散熱量小,基本不需要通風,沒有風扇等轉動部件和防塵過濾網的清理工作,所以操作人員只管按起動和停止按紐就可以了,系統是免維護的。 定期清掃軟起動器的灰塵,保證其能夠正常散熱,并防止晶閘管會因為溫度過于高而損壞,同時這樣也可以防止因為灰塵的堆積而引起的漏電以及短路的事故。清掃灰塵可用干燥的毛刷進行,也可用于皮老虎吹或者吸塵器吸。若有條件,可用0.6MPa左右的壓縮空氣吹除。
 
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