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高压软启动装置的选型探讨
点击次数:7 发布时间:2020-04-17

【摘要】叙述各种高压软启动装置的情况,比较了它们的优劣,从而为高压软启动装置的选型做参考。图9幅。

【关键词】水阻软启动 干式移磁无级调压软启动 开关变压器软启动 晶闸管软启动 磁阀式软启动 变频软启动 

1、前言

在我们高压电机自动化的控制系统中,主要的控制对象是各种类型的大型水泵和压缩机等设备,其中遇到的问题是水泵的高压大型电动机启动和压缩机等重载启动,都有巨大的冲击电流,往往可达电动机额定电流的6~8倍,对电网产生了很大的冲击,影响了其他电器设备的运行。电动机全压启动时的大电流在定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力,会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂,引起电机故障,大电流还会产生大量的焦耳热,损伤绕组绝缘,减少电机寿命。

为了降低启动时的冲击电流,减少它的危害,需要采用高压软启动装置。

目前,有各种类型的高压软启动装置,采用了不同的工作原理,但总的目的都是控制加在电动机上的启动电压,减少启动电流。高压软启动装置采用不同的控制手段实现起动过程中对电压、电流的调节,以适应不同的应用场合。产品广泛应用于额定电压3kV—10kV 的电力、建材、化工、冶金钢铁、造纸等行业。能很好地与水泵、风机、压缩机、粉碎机、搅拌机、球磨机、矿山升降机、皮带运输机等各种机电设备配套使用,作为三相电压3kV-10kV中高压电机起动、控制、保护、软停之用 

 

2、高压软启动装置目前的情况

目前主要有水阻软启动、干式移磁式软启动、开关变压器软启动、晶闸管式软启动、磁阀式软起动、变频器软启动等几种高压软启动方式。

 

⑴ 高压水阻软起动装置

图1 液体电阻软启动原理图它旳工作原理是在电动机定子回路串入一特制水电阻,为了增加水的电导率,加入了一些无机盐,该电阻在电机起动初始时刻自动投入,限制启动电流过大,并且调节导电极板,使阻值在预定起动时间内均匀无级减小,并在阻值几近为0时刻切除,从而使电动机电流及转速无级匀滑变化,实现电机转速均匀上升、平稳起动。其基本工作原理可参看图1。

这种设备的启动电流可以控制在1.5~3.5Ie(Ie为电动机额定运行电流),起动时间调节范围:20—60S现场可调。

这种设备的优点是设备结构简单,价格较低,且不会对电网产生高次谐波污染。

但是,液态软起动装置体积庞大,需要有液态电阻柜、星点柜、高压断路器柜等。安全性能差。启动性能受液体电阻受环境温度影响较大,需要经常调整无机盐的比例,尤其是北方低温时需要另外加温液体,南方则会由于形成液态电阻的局部电液温度过高,产生气泡甚至电弧光的现象,极不利于起动设备,有时需要加强制冷却。由于每次启动都会使液体加温,故不宜多次连续启动。另外,每次启动时液体电阻上消耗的功率很大,约为电动机额定功率的1.61.8倍,如此大的功率使极板附近的水汽化,汽化电阻不好控制且受环境温度的影响,这便是控制精度不高的原因,有时甚至有启动失败的情况。属于淘汰技术。

 

2)干式移磁无级调压式软启动

图2 干式移磁式软启动装置干式移磁无级调压软启动其实质是一种可变电感式软启动,在电动机启动时,串接一个可变的电感,这样降低了加在电动机上的电压,减少了启动时的冲击电流,然后逐渐将铁芯移出线圈,慢慢减少电感。这种装置可以控制启动电流在1.0Ie~4Ie范围内。实现软停止时,先断开真空接触器,串入一个小电感(铁芯在线圈之外),然后慢慢增大电感(铁芯逐步插入线圈中),这样让电动机慢慢停止下来。其基本结构可参看图2。

干式移磁式软启动装置有下面的特点

⑴ 结构简单,全部器件安装在一个柜体内的一体化设计,占地面积小,没有复杂的电力电子器件,可靠性高。基本上是免维护的,方便于安装、调试和运行;

⑵ 干式移磁式损耗很小,发热量不大,可反复多次频繁起动,重复性高

⑶ 不产生谐波,对电网谐波影响小,不用另加滤波装置;

⑷ 可起动电机的容量200kW~90000kW或更大;

⑸ 抽屉式设计,检修方便,各方面承受能力强,不受外部环境,温度,湿度和地理位置的影响,环境温度可以-50度至60度。

⑹ 可以实现软停止;

⑺ 无操作过电压,对电机伤害小;

⑻ 起动时间短,根据电动机容量的大小,只要5S60S;

⑼ 维护修理简单,一般技术工人都能掌握;费用低,与变频相比每台可节约几十万到几百万的费用。

但干式移磁式软启动装置也有不足之处 :柜体比较重,有一定噪声(但可做消音处理)。

 

图5 晶闸管式软启动装置 

3)高压晶闸管软起动装置

晶闸管软启动装置用控制晶闸管的导通角来调节启动电压,启动时,导通角小,启动电压低,然后逐步加大导通角,逐步提高启动电压,这样避免了启动的冲击电流。该装置采用多个可控硅串并连而成,可满足不同的电流及电压要求,启动完成后,用QF真空接触器将晶闸管装置短接。

晶闸管调压启动的结构原理图可参看图5,其调压启动的波形图可参看图6。

图6 晶闸管软启动调压波形图晶闸管软启动的特点:(1) 是固态而非液态所以安全性能高;(2) 具有调节快速性好,采用闭环控制,控制方式菜单化;(3) 菜单丰富,启动重复性好,保护周全,与高压液态水阻软起动相比较,是更新换代产品。

晶闸管软启动的缺点:(1) 每个桥臂上有34个晶闸管串联,同步触发是关键技术,解决不好就会造成控制失败;(2) 晶闸管耐压的均匀性要求很高;(3) 谐波比较大,需要有谐波治理的装置配合,才能满足谐波数值不超过国家4%的要求;(4) 电子元件众多,可靠性低,故障点多,难维护,要求维护水平高,对操作人员的要求比较高。 

晶闸管可以实现软停止,但是,由于是采用降压启动的办法,所以无法实现重载启动的功能。

 

 

4)磁阀式软起动

图7 磁阀式软启动装置磁阀式软起动的工作原理和串电感调压的工作原理是完全一致的。在特制的铁芯上,绕组抽头接入晶闸管,控制晶闸管产生直流磁化电流,从而改变铁芯的导磁率,也就改变了铁芯的电感,这样降压来启动电动机。 

磁控软启动的特点是

⑴ 采用磁阀结构,电抗值调整稳定;

⑵ 自耦励磁独特设计,无需外加直流励磁电源;

⑶ 电抗器本体采用敞开式干式结构,H级绝缘,散热好,起动工作次数不限;

⑷ 控制系统采用PLC和触摸屏人机对话系统,可靠性高;

⑸ 环保无漏磁,结构紧凑,安装方便。

磁控软起动的缺点:(1) 铁芯是变截面的,制造比较困难,调整范围小(0.5-1倍可调);(2) 磁控软启动不能提供重载启动的功能;(3) 磁控软起动的电抗器饱和会引起非线性,产生高次谐波;(4) 磁控软起动装置需要相对功率较大的辅助电源,噪声较大,并无法做消音处理。

 

图8 变频器软启动装置6)变频器软启动

变频器可以同时改变供电电压和频率,从而改变电机的同步转速,实现软启动。在启动过程中,通过电压调节和变频,逐步提高同步转速,实现良好的静态、动态启动性能。

变频软启动的启动电流小,可限制在1.5倍的电动机额定电流以下,同时启动转矩大,可达到电机额定转矩的1.5倍,在此范围内可以任意调节,实现恒转矩启动。变频软启动的很重要的优势在于,电压和频率都能连续地从零开始调节,同时做到无过流。

变频软起动在理论上是非常理想的,它不产生过电流,起动转矩大,起动性能好。但是在当前的技术水平下,变频器制造技术尚不是很完善,自身损耗大、可靠性低、谐波含量大,尤其是谐波问题,应该引起我们足够的重视。变频装置在连接点处产生的总谐波畸变率大约在8%20%,这远远高于国家标准的4%要求,所以应该选择有谐波治理功能的变频器,或者另加谐波治理装置。

变频软启动的缺点:(1) 器件损耗大,故障率较高,需要经常维修;(2) 高次谐波输出大;另外可靠性问题、维护修理问题、价格问题等等都是需要考虑的。3)也有噪音(无法做消音处理)

另外,高压大型变频装置国内目前尚不能制造,完全依赖进口,技术复杂、资料不全给维护修理造成了非常大的困难,一旦出现故障只有请外国专家前来修理,费用高、时间长、后续的维修费用是相当高的。

 

3、各种软启动的性能比较

各种软启动方式的性能比较,如表1所示。

1 各种软启动装置方式的性能比较

 

水阻式

干式移磁式

晶闸管式

磁阀式

变频器式

连续启动

不能

可以

可以

可以

可以

启动损耗

较小

高次谐波

较大

较小

大,可消除

软停止

不能

较易

较易

重复性

较差

稳定

稳定

稳定

稳定

使用寿命

维护量

很小

较大

较大

较大

维护难易

一般

很难

一般

很难

一拖多

不行

可以

可以

可以

可以

重载启动

不行

可以较重载

不行

不行

可以重载

价格

 

4、高压软起动选型的探讨

在软启动中,大部分负载都是轻载启动的,上面提到的各种软启动装置都没有问题,能够达到减少启动电流,降低对电网的冲击,平稳启动电动机的目的。可以根据工程的具体情况,按表1的各种性能、参数合理选择。在选择软启动设备的过程中,应该考虑二个问题,一个是软停止问题,另外一个是重载启动问题。

有一些设备要求有软停功能,软停功能提供一个递减的输出电压,慢慢停机的功能。在停机过程中减小输出转矩,这和电力刹车是完全不同的两个概念。在货物传送过程中,突然停车,会引起货物的碰撞或倒塌,如果使用软停功能则可以使停车过程变缓,从而避免此类生产故障发生。对于吊车、吊桥、运货车采用软停后可以防止运行过程中的不稳定以及突然停止所产生的不稳定及故障。

还有一个值得考虑的问题是重载启动问题。有许多负载是重载启动的,如:球磨机、矿山皮带运输机、大型闸门起吊等等。上述的各种软启动装置,除了变频器外,都是采用降压原理来减少冲击电流的。根据电动机拖动原理可知,电动机的转矩是和加在电动机上的电压平方成正比的,而和电源的频率成反比。因此,凡是采用降压原理做软启动的,都不能满足重载启动的要求。

当前重载启动性能最好的软启动装置只有变频器软启动装置。变频器的工作原理可知,变频器软启动装置之所以能够适用于重载起动,是由于它在减小起动电压的同时也降低了起动频率电压和频率的同步连续变化可以使气隙磁通基本保持恒定,从而保证了起动转矩。但是,变频器最大的作用是用来调速的,如果不需要调速,只是做软启动,由于其昂贵的价格,就得不偿失了。

目前,也有在研制用改进型晶闸管软启动装置,这种装置也是可以调频调压的,可以满足重载启动的要求,但价格比变频器要便宜多了。

水阻式软启动的装置价格相对比较便宜,对中小型不经常启动的电机使用该装置还是可以的,但不能用于重载启动,也没有软停止的功能,要加强维护以免发生事故,对于大型电机和经常启停的电机,使用该装置是有很大风险的,应该慎用。

干式移磁无级调压式软启动装置是一种相当不错的设备,大中小各种容量的电动机都适用,结构简单,全部器件只安装在一个柜体里面,使用、维护方便,还有软停止的功能,只要不是特重载启动的场合,均可采用。

磁阀式软启动装置和开关变压器式的情况雷同,虽然都采用了晶闸管控制,但是晶闸管都是在低压下工作,是成熟的技术,但是用在重载启动仍是不宜的,也产生谐波。

晶闸管式软启动装置有很好的软启动性能,只是晶闸管在高压下工作,并且每相还需要3~4只晶闸管串联,需要有良好的均压技术和同步触发技术,维护水平要求高,启动时产生谐波较多,需要增加治理谐波的设备,也不能用在重载启动的场合。

变频器式软启动装置具有最优良的性能,可以满足一切需要软启动的场合,无论是重载启动,或者是软停止功能,均有最佳的表现。但是电子线路复杂,维护难度高,价格高,也需要谐波治理。最理想的情况是需要调速的场合,再兼做软启动装置,这样就物尽其用了。

 

6、结束语

本文介绍了高压电机软启动技术提出的背景,集中介绍了五种高压电机软启动技术方式,分析了它们的工作原理,并比较了各自的优缺点。

国外发达国家主要采用晶闸管软启动和变频软启动,电压等级在12KV以上,容量也在5MW以上,国内的市场上液态电阻软启动装置逐步被其他高压软启动装置替代设计院如果没有业主的特别要求,一般情况下不会设计高压水阻软起动装置,目前高压干式调压软起动柜因为稳定性强,免维护性能突出,一体化设计整体解决方案,已经广泛被业主和设计院认可。

 

 

参考文献

[1] 陈伯时. 电力拖动制动控制系统(第2 版)[M]. 北京:机械工业出版社,2008.

[2] 赵征燕,郭宇. 大电机软启动技术现状及展望[J]. 电气技术,2008121114.

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[5] 宴有矿. 高压电机软起动的现状与发展[J] . 机电信息,20102418.

[6] 徐益民. 高压电机软起动方法的分析[J] . 变频器世界,2004126569.

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