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軟啟動器變頻器設備技術原理及應用
軟啟動器變頻器設備技術原理及應用

 

   軟啟動器以體積小,轉矩可以調節、啟動平穩、沖擊小并具有軟停機功能等優點得到了越來越多的應用,大有取代傳統的自耦減壓、星-角變換降壓啟動的趨勢。由于軟啟動器是近年來新發展起來的啟動設備,缺少相應的設計及使用經驗等,籠形異步電動機是應用最廣泛的用電設備。由于電動機直接啟動時的沖擊電流很大,特別是大容量電動機直接啟動會對電網及其他負載造成干擾甚至危害電網的安全運行,所以按不同工況,采用許多種減壓啟動方式。早期的方式有串聯電抗或電阻、串聯自耦變壓器、星世紀三角轉換等。從20世紀70 年代起,工程上開始推廣利用晶閘管交流調壓技術制作的軟啟動器。這種軟啟動器是集電動機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電動機控制裝置,國外稱為soft starter。軟啟動器的構成主要是串接于電源與被控電動機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路。軟啟動器的工作原理是,控制電路運用不同的方法,控制三相反并聯晶閘管的導通角,使電動機輸入電壓從零以預設的函數關系逐漸上升,直至啟動結束,賦予電動機全電壓,實現軟啟動。在軟啟動過程中,電動機啟動轉矩逐漸增加,轉速也逐漸增加。在上述基礎上,把功率因數 控制技術結合進去,以及采用微處理器代替模擬控制電路,使早期的軟啟動器已發展成智能化軟啟動器。

2軟啟動器技術簡述
2.1軟啟動器技術應用的必要性
電動機啟動一般采用自耦減壓、星-角變換減壓啟動方式,其中最常用的是星-角變換降壓啟動方式,該方式下電動機的轉矩與加在電動機定子上的電壓的平方成正比,降壓啟動是指電動機在啟動過程中降低加在電動機定子繞組的電壓,假設啟動電壓U =0.5Ue,則電動機啟動時的轉矩為0.25Mm,即啟動時的轉矩只有電動機最大轉矩的1/4。如果在此時將電壓U加大到電動機額定電壓Ue,則電動機的轉矩一下子就從1/4跳到Mm,這樣的啟動過程是跳躍的、不平滑的,所以又叫作硬啟動,一般降壓啟動控制技術可靠性差,不穩定,每次啟停都會造成對電網和機械設備的沖擊,引發一系列的技術問題。例如:在這種控制方式下,水泵電動機在啟動時必須將其出口閥門關嚴,在低負荷時才能啟動,否則會造成開關跳閘,影響電動機的正常啟動。

總體來說,傳統的啟動方式存在以下幾個問題:
(1)對電網的沖擊大,影響了電網供電質量,對變壓器裕量要求較大;
(2)對機械設備沖擊大,降低設備使用壽命;
(3) Y—Δ啟動的切換時間一般根據經驗設定,對生產工藝要求穩啟動的場合不宜采用。
軟啟動是使用調壓裝置在規定的啟動時間內,自動地將啟動電壓連續、平滑地上升,直到達到額定電壓。此時電動機的轉矩就會平滑地增大,一直到轉矩為最大值Mm時為止,啟動過程結束。軟啟動
可以使電動機啟停自如,減少空轉,有節能作用,軟啟動器還具有下列優點:①減少沖擊力,延長設備壽
命;②根據不同負載選用不同的啟動方式以提高加/減速特性;③保護功能全面;④提高可靠性;⑤通過
修改參數,匹配不同的負載對象;⑥智能化,可以與PLC等相互通訊。
2.2軟啟動器技術的分類
電動機的軟啟動技術有磁控軟啟動、SCR軟啟動和液阻軟啟動等幾種不同的方式,其中以SCR軟
啟動應用最為廣泛。其啟動類型有:
(1)不限流軟啟動,啟動時,使啟動電流以一定斜率不斷上升,直至啟動完畢,期間對啟動電流不加任何限制。這種啟動方式因為沒有對啟動電流進行限制,所以對電網沖擊較大,一般不使用,適應重載啟動場合。
(2)斜坡恒流軟啟動。該啟動方式是在電機啟動的初始階段啟動電流逐漸增加,當電流達到預先所設定的值后保持恒定,直至啟動完畢。在啟動過程中,電流上升變化的速率是可以根據電動機負載調整設定。電流上升速率大,則啟動轉矩大,啟動時間短。這種啟動方式應用得最多,尤其適用于風機、泵類負載的啟動。
(3)脈沖沖擊啟動。啟動一開始在極短的時間里,使晶閘管接近于全導通,然后恢復至較小導通角,進行正常的恒流軟啟動。適用于啟動時靜摩擦力矩較大的場合。
(4)階躍啟動。階躍啟動方式是在開機時以最短時間使啟動電流迅速達到設定值,通過調節啟動電流的設定值,可以達到快速啟動的效果。
2.3 SCR軟啟動技術的原理
軟啟動器結合了電力電子技術、自動控制技術和單片機技術,是專為三相異步電動機設計的一種全數字智能化啟動設備。其基本原理是通過對功率器件即可控硅的控制而實現對電動機的啟動和停止控制,采用電壓斜率的工作原理,控制輸出給電動機的電壓從可整定的初始值經過可整定的斜率時間上升到供電全壓。因此降低了對電動機電源的容量要求,并減少對供電電網的影響和機械傳動的沖擊。軟啟動器采用三相反向并聯的晶閘管作為調壓器,將其接入電源和電動機定子之間。這種電路類似三相全控橋式整流電路,通過內部的單片機調整改變觸發脈沖的觸發時間來改變觸發角的大小,進而調節加到定子繞組上的端電壓。

異步電機啟動性能主要有兩個指標:啟動電流倍數和啟動轉矩倍數,軟啟動器在啟動時通過改變加在電機上的電源電壓,以減小啟動電流、啟動轉矩。電動機傳統啟動方式有自耦減壓、Y/△減壓等方式,其共同特點是控制線路簡單,啟動轉矩不可調并有二次沖擊電流,對負載有沖擊轉矩。軟啟動可標準電機硬啟動電流的50%,是高效電動機硬啟動電流的20%。軟啟動的限流特性可有效限制浪涌電流,避免不必要的沖擊力矩以及對配電網
絡的電流沖擊,有效地減少線路刀閘和接觸器的誤觸發動作;對頻繁啟停的電動機,可有效控制電動機的溫升,延長電動機的壽命。目前應用較為廣泛、工程中常見軟啟動器是晶閘管(SCR)軟啟動。SCR軟啟動原理:在三相電源與電機間串入三相聯晶閘管,利用SCR移相控制原理,改變其觸發角,啟動時電機端電壓隨SCR的導通角從零
逐漸上升,就可調節輸出電壓,電機轉速逐漸增大,直至達到滿足啟動轉矩的要求而結束啟動過程;軟起動器的輸出是一個平穩的升壓過程(且可具有限流功能),直到SCR全導通,電機在額定電壓下工作;此時旁路接觸器接通(避免電機在運行中對電網形成諧波污染,延長SCR壽命),電機進入穩定運行狀態;停車時先切斷旁路接觸器,然后由軟啟動器內SCR導通角由大逐漸減小,使三相供電電壓逐漸減小,電機轉速由大逐漸減小到零,停車過程完成。
SCR軟啟動器在設計上采用了電流電壓矢量傳感動態監控技術,不改變電機原有的運行特性;采用鎖相環技術和單片機,根據壓控振蕩器鎖定三相同步信號的邏輯關系設計出的一種可控硅觸發系統,控制輸出脈沖的移相,通過對電流的檢測,控制輸出電壓按一定線性加至全壓,限制起動電流,實現電機的軟起動。
3軟啟動器的性能特點
軟啟動采用軟件控制方式來平滑啟動電動機,控制方式是以軟(件)控強(電)。其控制結果將電動機啟動特性由“硬”平滑為“軟”平滑,故被稱為“軟啟動”。軟啟動又分為兩種:一種是采用變頻恒轉矩限流啟動;另一種是采用晶閘管調壓啟動,又稱智能軟啟動。
3.1兩類軟啟動的對比
①技術性能。采用變頻調速啟動,啟動時具有良好的靜、動態性能,即使是在低速情況下也能隨意調節電動機轉矩,能以恒轉矩啟動電動機,啟動電流可以限制在 的額定電流以下。采用智能軟啟動,啟動時由于轉矩是按電壓比的二次方減小,因此啟動轉矩很小。軟啟動器有電流反饋,也可采用恒流啟動,即在啟動過程中保持啟動電流不變,直到電動機接近同步轉速。從技術性能方面考慮,變頻調速啟動適用于較大啟動轉矩的負載,一般是大于 的場合,如往復式空壓機、離心分離機、帶負載的輸送機、破碎機、螺旋式或如旋轉式空壓機、離心式風機、離心泵、空載啟動的輸送機及各種空載啟動的設備。
②經濟性。采用變頻器調速啟動比智能軟啟動的投資費用高兩倍甚至三倍。
綜合以上技術性能和經濟性,對于工礦企業能實際推廣的啟動方式當數后者。
3.2智能軟啟動器
智能軟啟動主要由串接于電源與被控電動機之間的三對反并聯晶閘管組成的調壓電路構成,以微處理器為控制核心,整個啟動過程在數字化程序軟件控制下自動進行。智能軟啟動器利用三對晶閘管的電子開關特性,通過啟動器中的微處理器,控制其觸發脈沖的遲早來改變觸發延遲角的大小,而晶閘管觸發延遲角的大小,又可改變晶閘管的導通時間,從而最終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。異步電動機定子調壓的特點是,電動機轉矩近似與定子電壓的二次方成正比,電動機的電流和定子電壓成正比,因此,電動機的啟動轉矩和初始電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現。而電動機定子電壓又是通過晶閘管的導通角來控制的,所以不同的初始相角可實現不同的端電壓,以滿足不同的負載啟動特性。在電動機啟動過程中,晶閘管
的導通角逐漸增大,晶閘管的輸出電壓也逐漸增加,電動機從零開始加速,直到晶閘管全導通,啟動完成,從而實現電動機的無級平滑啟動。電動機的啟動轉矩和啟動電流的最大值可根據負載情況設定。
3.3.1智能軟啟動器的基本特性
①采用微處理器全數字自控監控。啟動時啟動電流以恒定的斜率平穩上升,對電網無沖擊電流,不會造成大的電壓降落,保證了電網電壓的穩定。啟動轉矩、電流、電壓、時間可按負載不同而設定,可取得最佳的電流沖擊和最佳的轉矩控制特性,極大地減少了電動機轉矩對負載的沖擊,也滿足了不同工作對象對啟動轉矩的不同要求,保護了被驅動機構。
②電動機啟動不受電網電壓波動的影響。由于在晶閘管的移相電路中,引入了電流反饋,因而使電動機在啟動過程中保持恒流、平穩啟動。同時,由于以啟動電流為定值整定,當電網電壓上下波動時,通過控制電路自動增大或減小晶閘管導通角來維持原始設定值,可保護啟動電流恒定。有的軟啟動器還采用雙電源隔離,保證控制部分不受各種強電干擾。
③根據工作對象的不同,電動機可選擇多種啟停方式,而采用不同的啟動方式,其啟動轉矩也不同。一般電動機軟啟動的初始轉矩 范圍內選擇,從初始轉矩,可根據用戶要求在啟動轉矩的平開始,電動機的定子電壓在斜坡加速時間內無級增加,加速的斜坡時間由用戶設定。電動機可以自由停車和軟停車,軟停車時間可調節。軟停車特性大大延長電氣觸點壽命。

 

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