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軟起動(dòng)技術(shù)在排灌站水泵控制中的應(yīng)用
摘 要:介紹了三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式及其不足,重點(diǎn)敘述了軟起動(dòng)技術(shù)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用。關(guān)鍵詞:鼠籠型異步電動(dòng)機(jī);起動(dòng)技術(shù);軟起動(dòng)技術(shù);水泵
1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的現(xiàn)狀
三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維修方便、慣性小、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn),在農(nóng)田排灌中作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要?jiǎng)恿υO(shè)備而被廣泛采用。但由于其起動(dòng)電流大,對電網(wǎng)的影響和對工作機(jī)械(如水泵、拍門等)的沖擊力都很大,因而在起動(dòng)過程中必須采取一些技術(shù)措施對起動(dòng)電流和沖擊力(起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩)加以合理而有效的控制,實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的起動(dòng),從而改善系統(tǒng)設(shè)備工況,有效延長系統(tǒng)壽命,減少故障率的發(fā)生。
異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題,一直為業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注。異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式從原理上講只有兩種:直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)。直接起動(dòng),就是將處于靜止?fàn)顟B(tài)的電動(dòng)機(jī)直接加上額定電壓,使電動(dòng)機(jī)在額定電壓作用下直接完成起動(dòng)過程。直接起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,起動(dòng)時(shí)間短,起動(dòng)控制方式簡單,設(shè)備投資少,因此在中小型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)上得到廣泛的采用。但直接起動(dòng)方式也受到許多限制,主要表現(xiàn)在下列三個(gè)方面:
(1)起動(dòng)電流可大到電動(dòng)機(jī)額定電流的4~7倍,部分國產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流實(shí)際測量甚至高達(dá)8~12倍。如果直接起動(dòng)較大的電動(dòng)機(jī),過大的起動(dòng)電流將造成電網(wǎng)電壓顯著下降,影響同一電網(wǎng)其它電氣設(shè)備和電子設(shè)備的正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)將使部分設(shè)備因電壓過低而退出運(yùn)行,甚至使電力線路繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)動(dòng)作而跳閘,使線路供電中斷。
(2)直接起動(dòng)會(huì)使被拖動(dòng)的工作機(jī)械受到機(jī)械性沖擊,對于水泵性負(fù)載來說,過高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對葉片、軸承、拍門等造成軟性損傷(機(jī)械變形、疲勞性老化)及硬性損傷(裂紋、斷裂等)是較為常見的,甚至?xí)蛩鲗艿赖臎_擊力(及反作用力)過大而產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘效應(yīng)損壞設(shè)備。
。3)直接起動(dòng)要求供電變壓器容量較大,而對農(nóng)田排灌泵站供電的變壓器容量往往達(dá)不到直接起動(dòng)對電網(wǎng)容量的要求。
在不允許直接起動(dòng)的情況下,就要采用降壓起動(dòng)的起動(dòng)方式,即降低電動(dòng)機(jī)端電壓進(jìn)行起動(dòng)。降壓起動(dòng)一般有星/三角起動(dòng),定子電路中串接電阻、電抗器起動(dòng),自耦變壓器降壓起動(dòng)及本文推薦的軟起動(dòng)等方法。
星形/三角形起動(dòng)器是降壓起動(dòng)器中結(jié)構(gòu)最簡單、成本最低的一種,然而它的性能受到限制,主要表現(xiàn)在:
。1)無法控制電流和轉(zhuǎn)矩下降程度,這些值是固定的,為額定值的1/3。
。2)當(dāng)起動(dòng)器從星形接法切換到三角形接法時(shí),通常會(huì)出現(xiàn)較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動(dòng)。這將引起機(jī)械和電氣應(yīng)力,導(dǎo)致經(jīng)常性故障的發(fā)生。
自耦變壓器式起動(dòng)器比星形/三角形起動(dòng)器提供了更多的控制手段,可以通過變壓器抽頭改變I段起動(dòng)電壓(典型為65%和80%兩擋起動(dòng)分接頭)。然而它的電壓是分級升高的,所以其性能受如下限制:
。1)電壓的階躍性變化(分級轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生)引起較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動(dòng),同星形/三角形起動(dòng)器性能限制“2”一樣會(huì)導(dǎo)致機(jī)械、電氣經(jīng)常性故障的發(fā)生。
。2)有限的輸出電壓種類(起動(dòng)電壓分接頭數(shù)量有限),限制了理想起動(dòng)電流的選擇。因?yàn)樽择钭儔浩魇狡饎?dòng)器控制是使用較額定電壓低的電壓級別進(jìn)行降壓起動(dòng),它控制的電機(jī)參數(shù)為電壓而非電流,所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)及負(fù)載變化(如排灌站水位落差變化)時(shí),起動(dòng)電流曲線將顯著偏離設(shè)計(jì)理想曲線,從而惡化起動(dòng)性能,設(shè)備在較差的工況下將大大縮短使用壽命,增加維護(hù)成本。
電阻式起動(dòng)器也能提供比星形/三角形起動(dòng)器更好的起動(dòng)控制。然而它同樣有一些性能、使用上的限制,包括:
。1)起動(dòng)特性很難優(yōu)化。原因是制造起動(dòng)器時(shí)電阻值是確定的,在使用中很難改變,雖然可以通過轉(zhuǎn)換分接頭來進(jìn)行分級起動(dòng),但當(dāng)級數(shù)較多時(shí),勢必增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,而制造成本、故障率也將隨之大幅度提高,所以一般電阻式起動(dòng)器均在2~5級間。這樣,加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數(shù)在分級起動(dòng)時(shí)仍有很大的波動(dòng)。
(2)頻繁起動(dòng)場合下的起動(dòng)特性不好。原因是在起動(dòng)過程中電阻值會(huì)隨著電阻的溫度變化,在停止到再起動(dòng)過程中需經(jīng)長時(shí)間冷卻過程。
。3)負(fù)載較大或起動(dòng)時(shí)間較長的場合下的運(yùn)行特性變壞,原因是電阻值隨著電阻器溫度的變化而變化。
。4)在負(fù)載大小經(jīng)常變化的應(yīng)用場合(如排灌站水位落差變化較大),電阻式起動(dòng)器不能提供理想的起動(dòng)效果。
綜上所述,傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備均有諸多性能限制和使用限制,越來越難以適應(yīng)不斷發(fā)展的電動(dòng)機(jī)復(fù)雜使用場合的起動(dòng)需要。
2 軟起動(dòng)技術(shù)的工作原理
軟起動(dòng)技術(shù)是在晶閘管斬波技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,利用晶閘管斬波技術(shù)進(jìn)行工頻電壓調(diào)節(jié)
在50Hz正弦波每個(gè)半周內(nèi)固定時(shí)間(過零延時(shí)t1)給晶閘管VT1門極以一個(gè)觸發(fā)脈沖,則根據(jù)晶閘管特性,在觸發(fā)脈沖結(jié)束后,晶閘管將在半周內(nèi)剩余時(shí)間維持導(dǎo)通(見圖1(b)中陰影部分),直至電壓再次過零,這樣只要調(diào)節(jié)VT1觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間,則輸出電壓u0將會(huì)在0~100%輸入電壓(ui)內(nèi)得到調(diào)節(jié)。如果將晶閘管斬波調(diào)壓技術(shù)應(yīng)用于三相電源,再加入現(xiàn)代電子技術(shù)如單片機(jī)控制技術(shù)等即可制成軟起動(dòng)器,從而在大型三相鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)上得以應(yīng)用。
軟起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)的電壓、電流特性曲線見圖2。從電壓特性曲線u=f(t)可以看出,從起動(dòng)開始軟起動(dòng)器給交流異步電動(dòng)機(jī)一個(gè)初始電壓Ust(Ust一般在10%~60%Ue間自由調(diào)整)并在用戶設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間Tst(Tst一般在1~60s范圍內(nèi)自由設(shè)定)內(nèi)將負(fù)載電壓均勻上升到電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue。由于軟起動(dòng)器自身特有的限流功能,起動(dòng)電流在起動(dòng)期間始終不超過起動(dòng)限制電流ILIM(ILIM一般在2~5Ie內(nèi)自由設(shè)定)。
為了比較起動(dòng)外特性,在此給出了應(yīng)用中最常見的傳統(tǒng)起動(dòng)方式———自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)的電壓、電流特性曲線(見圖3)。從圖3可以看出,兩級起動(dòng)的兩個(gè)階段均產(chǎn)生很大的起動(dòng)沖擊電流,對電網(wǎng)形成沖擊,而兩個(gè)較大的級落電壓0→Ust與Ust→Ue又會(huì)發(fā)生非常大的轉(zhuǎn)矩突變,產(chǎn)生機(jī)械沖擊。而電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)時(shí)無論在電流曲線還是電壓曲線上看,均已將電沖擊及機(jī)械性沖擊減小到最低的程度。
3 軟起動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用
用軟起動(dòng)器組成軟起動(dòng)控制系統(tǒng)可以采取兩種型式:(1)在線式控制軟起動(dòng)系統(tǒng)和旁路切換式軟起動(dòng)系統(tǒng)(見圖4、圖5)。圖中K0、K1~Kn為空氣斷路器;RQ、RQ1~RQn為軟起動(dòng)器;KM11~KMn1、KM12~KMn2為交流接觸器;M1~Mn為電動(dòng)機(jī)。
在線式控制軟起動(dòng)系統(tǒng)采取“一帶一”方式,即每一臺負(fù)載電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)由相應(yīng)的軟起動(dòng)器來完成,選用長期工作制的軟起動(dòng)器,可以對電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)—運(yùn)行—停止的全過程控制,并且主接線及控制系統(tǒng)均很簡捷。
旁路切換式軟起動(dòng)系統(tǒng)是多臺電動(dòng)機(jī)共用同一臺軟起動(dòng)器。當(dāng)一臺電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后,旁路接觸器吸合將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為電網(wǎng)供電脫開軟起動(dòng)器直接運(yùn)行,這樣軟起動(dòng)器在完成一臺電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)后可以再控制另一臺
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