可控硅型高壓交流異步電機(jī)軟起動(dòng)裝置

■ 哈爾濱九洲電氣股份有限公司 李超

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，交流電動(dòng)機(jī)作為重要的動(dòng)力裝置，其應(yīng)用非常廣泛。然而，在不采用任何起動(dòng)裝置的情況下，直接加額定電壓到定子繞組起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)的起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的5-8倍，并且電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在很短的時(shí)間內(nèi)由零上升到額定轉(zhuǎn)速，此瞬間內(nèi)過(guò)大的扭矩沖擊和過(guò)大的起動(dòng)電流，不僅會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，降低使用壽命，同時(shí)也會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降，影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，通常不允許直接起動(dòng)，而要求采用專門(mén)的起動(dòng)設(shè)備來(lái)完成正常的起動(dòng)工作，尤其當(dāng)頻繁起動(dòng)、起動(dòng)大功率電機(jī)時(shí)更是如此。

為了解決這一難題，市場(chǎng)上先后出現(xiàn)了液阻軟起動(dòng)器、磁飽和軟起動(dòng)器等，它們都能夠在一定程度上降低電機(jī)的起動(dòng)電流。隨著科技的高速發(fā)展，大功率可控硅的應(yīng)用越加廣泛。新型的可控硅型高壓大功率異步電機(jī)軟起動(dòng)裝置，通過(guò)改變可控硅的觸發(fā)角度，可以平滑地改變輸出電壓的大小，使電機(jī)的起動(dòng)電流更加平穩(wěn)，使起動(dòng)電流在最大限度內(nèi)達(dá)到最小值，減小對(duì)電網(wǎng)的污染，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

本文介紹了高壓大功率交流異步電機(jī)的工作原理以及各種起動(dòng)方式。

2 幾種軟起動(dòng)器的特點(diǎn)

1、普通電抗器起動(dòng)

這種方式是在電機(jī)定子回路串電抗器，起動(dòng)電流為額定電流的3．5～5倍，且電流不可控、不可調(diào)；起動(dòng)時(shí)間不可調(diào)，電機(jī)起動(dòng)決定于電機(jī)及負(fù)載本身的特性；對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊及對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊較大。

2、液態(tài)軟起動(dòng)

根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)理論，在電機(jī)定子回路串接一特制可變液體電阻，隨著電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，通過(guò)PLC程序來(lái)控制動(dòng)、定極板間距按預(yù)定的設(shè)置自動(dòng)改變，使阻值無(wú)級(jí)平滑減小，電動(dòng)機(jī)端電壓均勻提高。這種方法可以起到橫流起動(dòng)的效果，但液態(tài)軟起動(dòng)維護(hù)困難，液阻箱容積大，一次軟起動(dòng)后電解液通常會(huì)有10°C～30°C的溫升，使軟起動(dòng)的重復(fù)性差、控制功能低下、安全性差、對(duì)環(huán)境溫度要求高。

3、變頻器軟起動(dòng)

變頻調(diào)速裝置也是一種軟起動(dòng)裝置，它是比較理想的一種，它可以在限流同時(shí)保持高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，幾乎涵蓋各種類型負(fù)載的起動(dòng)，可以滿足不同的負(fù)載及工藝起動(dòng)要求；起動(dòng)電流很小，而且可根據(jù)工況進(jìn)行適宜性調(diào)整。但是，盡管變頻器作為先進(jìn)節(jié)能的高技術(shù)電子技術(shù)產(chǎn)品，有著其它起動(dòng)方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但它也存在著一些不足之處，高次諧波的問(wèn)題；維護(hù)與檢修問(wèn)題；投資價(jià)格過(guò)高造成的一次投資與收益問(wèn)題。變頻器用于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制時(shí)，節(jié)能效果好，受益明顯。但是，如果工作現(xiàn)場(chǎng)不需要變頻調(diào)速，變頻器器只作為同步電機(jī)的起動(dòng)設(shè)備，并沒(méi)有充分發(fā)揮變頻器的調(diào)速性能優(yōu)勢(shì)，似乎造成資源的浪費(fèi)。

4、可控硅軟起動(dòng)器

固態(tài)是采用電力電子技術(shù)、可控硅移相技術(shù)、微處理技術(shù)及現(xiàn)代模糊控制技術(shù)于一體的具有先進(jìn)科技水平、工作運(yùn)行安全可靠的電機(jī)控制裝置，它具有很多傳統(tǒng)電機(jī)起動(dòng)裝置無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，其起動(dòng)方式多樣，電壓斜坡曲線可調(diào)，限流倍數(shù)和時(shí)間可調(diào)，并且保護(hù)全面，使用安全，連續(xù)起動(dòng)次數(shù)多，維護(hù)也更加方便。而且隨著技術(shù)的成熟以及功率器件價(jià)格的降低，固態(tài)軟起動(dòng)器的價(jià)格已比從前有了很大的降低。

3 可控硅型軟起動(dòng)器的工作原理

固態(tài)軟起動(dòng)器采用單向可控硅反并聯(lián)作為功率器件，單向可控硅的導(dǎo)通角度為180°時(shí)，可控硅將完全導(dǎo)通，此時(shí)可控硅的交流輸出電壓為它的輸入電壓大小。但通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角度，使其在0到180°之間變化，就可以改變可控硅的交流輸出電壓有效值的大小。固態(tài)軟起動(dòng)器串接在三相交流相電壓與三相交流異步、 同步電動(dòng)機(jī)輸入端之間，通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)三個(gè)獨(dú)立的多只反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角度，來(lái)改變?nèi)喈惒?、同步電?dòng)機(jī)的交流輸入電壓幅值，因此改變了三相輸入電流的有效值，從而達(dá)到了恒流起動(dòng)或電壓按一定斜率變化起動(dòng)的目的。當(dāng)起動(dòng)完成后，三相旁路接觸器自動(dòng)吸合，電動(dòng)機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。

4 可控硅型軟起動(dòng)器的基本組成

可控硅型軟起動(dòng)器一般由高壓可控硅、旁路接觸器、電壓、電流檢測(cè)單元、控制系統(tǒng)、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及液晶鍵盤(pán)部分組成。液晶鍵盤(pán)用于設(shè)置起動(dòng)參數(shù)，并顯示起動(dòng)狀態(tài)。電壓、電流檢測(cè)單元用于檢測(cè)軟起動(dòng)器的輸入電壓、輸出電流大小，并傳送給軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算，發(fā)出觸發(fā)脈沖信號(hào)，并通過(guò)光纖傳送給觸發(fā)系統(tǒng)。觸發(fā)系統(tǒng)再觸發(fā)可控硅，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輸入電壓調(diào)節(jié)，緩慢起動(dòng)電機(jī)。

5 起動(dòng)方式

由于采用了可控硅控制和微處理器的控制，使得異步電機(jī)軟起動(dòng)器的起動(dòng)方式更加靈活，適合不同場(chǎng)合的電機(jī)起動(dòng)。異步電機(jī)軟起動(dòng)器的起動(dòng)方式大體分為電壓斜坡起動(dòng)、限流起動(dòng)和突跳起動(dòng)。

5.1 電壓斜坡起動(dòng)

電壓斜坡起動(dòng)是一種電流開(kāi)環(huán)控制的起動(dòng)方式。用戶根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況，現(xiàn)場(chǎng)工況來(lái)設(shè)定一個(gè)起動(dòng)初始電壓轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)斜坡上升時(shí)間，軟起動(dòng)器即根據(jù)此曲線調(diào)節(jié)電壓大小，電壓按照斜坡曲線上升。初始電壓可以在0至100%全壓之間無(wú)級(jí)設(shè)定的，斜坡上升時(shí)間也可以在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)設(shè)定，這樣用戶就可以針對(duì)不同的電機(jī)，設(shè)定最適合起動(dòng)的電壓斜坡上升曲線。

5.2 限流起動(dòng)

用的比較多的一種起動(dòng)方式。起動(dòng)過(guò)程中軟起動(dòng)器根據(jù)電機(jī)電流的大小時(shí)刻調(diào)節(jié)觸發(fā)角度，使電機(jī)的電流能夠限定在設(shè)定電流值上不會(huì)改變，直至起動(dòng)完成后電流降到額定電流。這種方式為電流閉環(huán)起動(dòng)，能夠限制電機(jī)的最大起動(dòng)電流，這樣可以盡量減少對(duì)電網(wǎng)的壓降，同時(shí)可以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

5.3 突跳起動(dòng)

有些負(fù)載例如帶式運(yùn)輸機(jī)等在靜止情況下會(huì)有比較大的阻力矩，必須要有很大的驅(qū)動(dòng)力矩來(lái)克服它，使電動(dòng)機(jī)加速。而當(dāng)帶式運(yùn)輸機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)以后，靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，所需要驅(qū)動(dòng)力矩相應(yīng)變小。為了適應(yīng)這種情況，可以在電壓斜坡起動(dòng)或限流起動(dòng)之前疊加一個(gè)突跳脈沖電壓來(lái)克服靜摩擦力，突跳脈沖的幅值可以在0至100%全壓之間調(diào)節(jié)，脈沖的時(shí)間可以在0至2S之間調(diào)節(jié)，以適合不同類型的電機(jī)。

6 保護(hù)

高壓大功率異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生一些異常情況，一般軟起動(dòng)器應(yīng)具有如過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、可控硅過(guò)熱、觸發(fā)失敗、電機(jī)過(guò)載、欠載、失相等保護(hù)，以此對(duì)軟起動(dòng)器和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)，來(lái)保證電動(dòng)機(jī)的安全和整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

可控硅型高壓大功率異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置廣泛應(yīng)用于大功率風(fēng)機(jī)、水泵、球磨機(jī)、軋鋼機(jī)等恒速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于起動(dòng)方式靈活、安全可靠、故障率低。由于采用了可控硅作為主功率器件，使得軟起動(dòng)器的體積大大減小，使用壽命更長(zhǎng)，起動(dòng)更加可靠。與傳統(tǒng)起動(dòng)器相比，可控硅型軟起動(dòng)器的技術(shù)指標(biāo)有很大優(yōu)勢(shì)，其必將成為今后軟起動(dòng)器的主流產(chǎn)品。

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