高壓固態(tài)軟起動的應(yīng)用研究

彭沖

(上海城市交通設(shè)計院有限公司,上海 200025)

高壓固態(tài)軟起動的應(yīng)用研究

彭沖

(上海城市交通設(shè)計院有限公司,上海 200025)

本文通過介紹高壓固態(tài)軟起動取代液態(tài)軟起動改造的案例，分析了高壓固態(tài)和液態(tài)軟起動的優(yōu)缺點(diǎn)，并通過與其他起動方式的比較，探討了高壓固態(tài)軟起動的應(yīng)用。

高壓固態(tài)軟起動 液態(tài) 降壓起動

國內(nèi)某鋼廠的三號燒結(jié)機(jī)電除塵改為布袋除塵項目，原有3kV，1500kW除塵風(fēng)機(jī)更換為3kV，2240kW除塵風(fēng)機(jī)。改造前，1500kW除塵風(fēng)機(jī)采用液態(tài)軟起動裝置起動，在使用過程中液態(tài)軟起動方式存在著隱患，無法適應(yīng)生產(chǎn)的需求。借本次改造契機(jī)，筆者采用高壓固態(tài)軟起動裝置來代替液態(tài)軟起動裝置進(jìn)行改造。

1 液態(tài)軟起動的缺點(diǎn)

本項目改造前，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用情況，液態(tài)軟起動方式主要存在以下缺點(diǎn)：

(1)由于除塵風(fēng)機(jī)起動電流的設(shè)定值是由汽化電阻決定的，因此在水汽化之前的很短時間內(nèi)水電阻很小，這時的電流會遠(yuǎn)大于設(shè)定值，在電網(wǎng)容量不是很大的情況下，此大電流會使電網(wǎng)電壓急劇下降，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

(2)起動時產(chǎn)生的熱量使水升溫，要再次起動需等水降溫后方可，因此對連續(xù)起動次數(shù)是有限制的，電動機(jī)越大越不允許連續(xù)起動。

(3)液態(tài)軟起動降壓起動時，起動電流設(shè)定值一般都在3倍以上，電機(jī)端電壓在0.6Un左右，此時仍會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩沖擊，對電動機(jī)和機(jī)械設(shè)備都會造成較大傷害。同時，液態(tài)軟起動降壓起動時，因一開始便有較大的電流值，因此電動機(jī)仍有較大的加速度，在潤滑油尚未到位的情況下電動機(jī)有較高的速度，會造成電動機(jī)干磨，影響軸承壽命。

(4)液態(tài)軟起動在停車時只能自由停車，無法做到軟停車。

(5)液態(tài)軟起動裝置需要經(jīng)常添加水或電解液，濃度不易控制，起動重復(fù)性能較差，維護(hù)工作量大，環(huán)境適應(yīng)性差。

2 高壓固態(tài)軟起動改造內(nèi)容

本次改造將原有的液態(tài)軟起動改為固態(tài)軟起動方式，筆者選用的上海雷諾爾科技有限公司RNMV 2000型高壓固態(tài)軟起動裝置，選定其額定電壓為3.3kV，額定電流為600A，一次回路圖如下：

(圖1)中高壓開關(guān)柜部分延用原柜，僅新增軟起動柜。軟起動部分由旁路真空接觸器、可控硅過壓保護(hù)、可控硅高壓組件、RC吸收電路、觸發(fā)電路和控制部分組成。

圖1 高壓固態(tài)軟起動裝置一次回路

本項目中高壓電機(jī)起動過程：高壓電機(jī)的供電回路由2對12組可控硅串聯(lián)構(gòu)成，在高壓開關(guān)柜的真空斷路器接通送電的情況下，當(dāng)系統(tǒng)收到電機(jī)起動信號時，由控制器按照控制曲線給出可控硅導(dǎo)通角，使電機(jī)按一定的斜率曲線逐漸增加電壓，直到電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，加上全電壓，使旁路真空接觸器KM接通，再關(guān)閉可控硅出發(fā)信號，電動機(jī)起動完畢。

針對本項目，對固態(tài)軟起動裝置配置了如下保護(hù)：

(1)對可控硅組件的保護(hù)，當(dāng)起動裝置起動過于頻繁使得可控硅組件溫度過高（超過85℃）跳閘。

(2)起動時間過長保護(hù)，起動時間過長對起動裝置和電機(jī)都是不利的，故起動時間最長限制120秒。本項目采用固態(tài)軟起動裝置后，電機(jī)的起動時間一般在70秒左右。

(3)三相輸入缺相保護(hù)，三相電源缺任意一相都無法起動并故障報警。

(4)起動次數(shù)保護(hù)，設(shè)定每小時起動次數(shù)不超過6次。

本項目對電機(jī)配置如下保護(hù)：

(1)過流速斷保護(hù)，在軟起或運(yùn)行過程中，如果電機(jī)繞組相間或匝間短路，或電纜損壞出現(xiàn)大的短路電流，此時需快速封鎖脈沖，跳閘并報警。

(2)低電壓、過電壓保護(hù)，跳閘并報警

(3)電機(jī)過熱保護(hù)，電機(jī)頻繁起動使熱熔溫度過高，會限制起動，必須停機(jī)后經(jīng)過一定的冷卻時間，待熱熔值回到安全區(qū)域才允許起動。

(4)差動保護(hù)，當(dāng)電機(jī)功率大于2000kW以上時，需配置此保護(hù)。

3 高壓固態(tài)軟起動的優(yōu)點(diǎn)

相比改造前1500kW除塵風(fēng)機(jī)采用液態(tài)軟起動裝置起動，改造后的2240kW除塵風(fēng)機(jī)采用固態(tài)軟起動裝置起動后，雖然電機(jī)功率增大，但高壓固態(tài)軟起動仍具有較多優(yōu)點(diǎn)：

(1)負(fù)反饋功能：采用動態(tài)的模糊控制理念，根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小、自動調(diào)整電機(jī)的起動時間與電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑加速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定工作轉(zhuǎn)速時，旁路自動吸合，解決了人為設(shè)定的起動曲線與負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線不匹配的問題。

(2)起動采樣及控制方式：采用電流負(fù)反饋采樣，閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，起動過程平穩(wěn)，電機(jī)不容易抖動，根據(jù)設(shè)定的起動參數(shù)自動跟蹤負(fù)載實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑起動過程。RNMV具有3種起動控制方式：

①電壓斜坡起動：出廠設(shè)置為具有限流功能的電壓斜坡，可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場合。其初始轉(zhuǎn)矩設(shè)定為電機(jī)剛好能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動時的值，然后電壓逐漸的平滑上升。在限定的斜坡時間和電機(jī)起動電流范圍內(nèi)，使電機(jī)平滑上升到全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

②限流起動：起動時，電流快速增加到限定值，一直到電機(jī)全速運(yùn)行。

③重載起動模式：這種起動模式主要用于電機(jī)拖動大慣性負(fù)載如風(fēng)機(jī)，球磨機(jī)等，延長8秒的切換時間來保證不會因?yàn)檫^早切換帶來過大的電流沖擊。

(3)保護(hù)功能：dv/dt阻容吸收裝置，主要起到吸收網(wǎng)絡(luò)過電壓及靜態(tài)動態(tài)均壓作用。線路過壓及欠壓保護(hù)，缺相保護(hù)，不平衡保護(hù)，零序接地保護(hù)，可控硅過溫保護(hù)，起動時間過長，起動間隔時間限制，還具有過載和大電流保護(hù)，旁路接觸器故障保護(hù)等，同時有5個故障記憶功能及可編程故障觸點(diǎn)輸出。

(4)可實(shí)現(xiàn)自由停車或軟停車。

(5)系統(tǒng)通訊功能：內(nèi)置通訊端口，RS-232與微機(jī)的點(diǎn)到點(diǎn)通訊。RS-485與遠(yuǎn)程終端設(shè)備的多點(diǎn)通訊(通訊協(xié)議Modbus及Porfibus可選)，通過此項功能可以直接與上位PC機(jī)通訊來實(shí)現(xiàn)遙控及遙信等功能。通訊規(guī)約采用國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約。

(6)可靠性增強(qiáng)：高壓固態(tài)軟起主控制部分，采用了兩塊進(jìn)口（DSP、AT89C55）32位單片機(jī)來保證軟起的可靠性，單片機(jī)對數(shù)據(jù)及通信進(jìn)行管理，使設(shè)備控制實(shí)時高效，顯示直觀，可靠性高，穩(wěn)定性好。采用信號多級處理、隔離技術(shù)，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。同時，高壓強(qiáng)電部分通過光纖與低壓控制部分進(jìn)行隔離。確?？刂葡到y(tǒng)的可靠。

(7)本項目經(jīng)過改造，節(jié)約了大量人力、物力。每年可節(jié)約大量的維修費(fèi)用，并且維護(hù)方便。

4 與其他起動方式比較

本項目中，對于2240kW的除塵風(fēng)機(jī)起動方式，在筆者決定采用高壓固態(tài)軟起動前，也考慮了其他的起動方式，參見(表1)：

表1 各種起動方式的比較

直接起動最簡單，但大的起動電流會使電網(wǎng)失去穩(wěn)定，常會引發(fā)功率振蕩，大的起動電流中含有大量的高次諧波，與電網(wǎng)電路參數(shù)引起高頻諧振。同時大電流產(chǎn)生的焦耳熱反復(fù)作用于導(dǎo)線外絕緣，使絕緣加速老化，壽命降低；大電流在電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會造成夾緊松動、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩大約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，這么大的力矩突然加在靜止的機(jī)械設(shè)備上，會加速齒輪磨損甚至打齒，加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶，加速風(fēng)葉疲勞甚至折斷風(fēng)葉等嚴(yán)重問題。

采用電抗器降壓起動方式，從某種角度講，可以小量降低電動機(jī)起動電流，但是本來電機(jī)起動時的低功率因數(shù)（0.15~0.2）因串接電抗器而變得更低，因此對電力系統(tǒng)沒有太多的好處，母線壓降沒有明顯的減少。另外，電抗器降壓起動方式對電網(wǎng)或機(jī)械的適應(yīng)性較差，比如在電網(wǎng)電壓較低時（用電高峰期），電機(jī)輸出力矩?zé)o法克服風(fēng)機(jī)泵類等機(jī)械設(shè)備逐步升高的阻力矩，因而無法使電機(jī)起動到全速。這種情況下，電機(jī)長時間的大電流爬行，會造成電機(jī)或電抗器燒毀或者電網(wǎng)跳閘。

自耦變壓器降壓起動方式在大中型電機(jī)起動中使用較少。該起動方式同串聯(lián)電抗器起動方式效果大體相同，但接線方式較為復(fù)雜。另外，采用自耦變壓器起動具有一定的迷惑性，起動回路電流有明顯下降，但電機(jī)定子電流還是相當(dāng)大，一般在5倍左右，實(shí)際上對電機(jī)保護(hù)沒有太大的意義。

高壓變頻起動，從起動性能上說，目前只有它超過了固態(tài)軟起動裝置，但高壓變頻器價格太高，高壓固態(tài)軟起動裝置的價格只有高壓變頻器的1/4。同時，對于本項目的除塵風(fēng)機(jī)既不需要頻繁起動又沒有調(diào)速要求，僅僅為了起動而選用高壓變頻器，顯得性價比不高。

因此，針對本項目的改造，筆者認(rèn)為采用固態(tài)軟起動方式是比較合理的。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)企業(yè)普遍存在供電設(shè)施的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際用電設(shè)備的容量，甚至在兩倍以上的情況，其中一個主要原因是企業(yè)的主要用電負(fù)荷是電動機(jī)，為了滿足電動機(jī)直接起動時不會引起超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電網(wǎng)壓降，往往考慮放大供電電網(wǎng)容量。而在西方等一些先進(jìn)工業(yè)化國家正好相反，電動機(jī)大都采用軟起動裝置起動，以降低起動電流，采用較小的供電電網(wǎng)，提高用電設(shè)備容量與供電設(shè)備容量的比例，從而節(jié)約總投資和節(jié)約運(yùn)行電耗。高壓固態(tài)軟起動裝置是現(xiàn)代計算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，符合科學(xué)技術(shù)發(fā)展潮流，國外西方國家，90%以上已經(jīng)采用高壓固態(tài)軟起動裝置，相信高壓固態(tài)軟起動裝置也必將成為我國高壓軟起動領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。本項目通過將高壓液態(tài)軟起動改為固態(tài)軟起動，取得了良好的效果。同時，本項目的成功改造，為該鋼廠的其他燒結(jié)機(jī)的改造提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

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