低壓軟起動器在海洋工程中的應(yīng)用

胡月雙

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

低壓軟起動器在海洋工程中的應(yīng)用

胡月雙

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東青島 266520)

本文主要介紹了低壓軟起動器的特性及優(yōu)勢，對海洋工程領(lǐng)域內(nèi)使用的數(shù)字化軟起動器進(jìn)行了詳細(xì)的說明，涵蓋了軟起動器的起動原理及不同的工況解析，有利于海洋工程企業(yè)對低壓軟起動器的選型借鑒，也有利于使用低壓軟起動器的相關(guān)企業(yè)對性能及參數(shù)的參考。

軟起動器；數(shù)字化；選型

三相交流異步電動機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的電氣設(shè)備。但它直接起動時產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會對電網(wǎng)、電動機(jī)本身以及其負(fù)載機(jī)械設(shè)備帶來不利影響，對于容量較大的電動機(jī)，這些危害也就尤為嚴(yán)重。解決這些危害的基本方案有三種：直接起動方式、傳統(tǒng)起動方式和現(xiàn)代起動方式；本文就現(xiàn)代起動方式的工作原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)行分析，希望對海上平臺低壓起動器的應(yīng)用有所幫助。

1 起動方式

1.1 直接起動

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低。

危害：起動電流大(500%～850% In )，在線路上產(chǎn)生較大的壓降，使電網(wǎng)電壓波動較大，影響并聯(lián)在電網(wǎng)上的其它設(shè)備的正常運(yùn)行。大的起動電流還會產(chǎn)生大量的熱量，損傷繞組絕緣，減少電機(jī)壽命 。

起動轉(zhuǎn)矩大(150%～250% Mn)，對電動機(jī)本身及其負(fù)載機(jī)械設(shè)備也會帶來不利影響，如對齒輪傳動設(shè)備，會加快齒輪磨損甚至損壞。

1.2 傳統(tǒng)降壓起動

起動方式：定子繞組串電抗器起動；自耦變壓器降壓起動；Y/Δ控制起動。

特點(diǎn)：通過降低電動機(jī)的起動電壓來降低起動電流，起動方式采用分步跳躍上升的恒壓起動；價(jià)格較低。

缺點(diǎn)：一般不具有電機(jī)保護(hù)能力；起動過程中存在二次沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，而且接觸器故障多；不能軟停車；損耗大；效率低。

1.3 現(xiàn)代軟起動器

起動方式：晶閘管調(diào)壓軟起動器；變頻器調(diào)速軟起動器。

晶閘管調(diào)壓軟起動器主要用于起動低壓電機(jī)；變頻器調(diào)速軟起動器價(jià)格昂貴，常用于起動中壓電機(jī)。

2 晶閘管軟起動器

2.1 基本原理

一般使用6個晶閘管，每相2個采用反向并聯(lián)接法，如圖1所示。

晶閘管的控制原理：

電流處于負(fù)半周時，控制端加電壓Vc 則晶閘管導(dǎo)通，電流過零點(diǎn)時晶閘管關(guān)斷。

通過晶閘管導(dǎo)通角的控制來控制軟起動器的輸出電壓的大小。

圖1 晶閘管軟起動器反向并聯(lián)

2.2 晶閘管軟起動器的特點(diǎn)

晶閘管軟起動器是實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的精確控制，替代傳統(tǒng)起動器的理想選擇，主要特點(diǎn)如下：

1)固態(tài)結(jié)構(gòu)-無活動部件，免維護(hù)；

2)減小了起動電流和機(jī)械振動；

3)起動/停車平滑穩(wěn)定；

4)起動中可限流；

5)無觸點(diǎn)通斷；

6)可實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的精確控制。

3 應(yīng)用

3.1 應(yīng)用環(huán)境

電壓：230V，400V；頻率：50，60Hz；最高環(huán)境溫度：40℃；環(huán)境：海洋氣候環(huán)境。

3.2 軟起動器的功能選擇要求

1)鑒于海洋環(huán)境的特殊性，一般選取全功能數(shù)字式軟起動器，特點(diǎn)如下：

完全在線調(diào)節(jié)；

重要負(fù)載，全載設(shè)計(jì)；

結(jié)構(gòu)牢固；

優(yōu)越的啟動/停止特性；

全面的電機(jī)保護(hù)；

可選項(xiàng)特性(電機(jī)絕緣測試裝置、RS485通訊,支持Modbus/Profibus/TCP/IP協(xié)議、熱敏電阻輸入/模擬輸出)。

2)起動與停止的要求：

軟起與軟停；

電流限制；

泵控邏輯程序；

轉(zhuǎn)距與電流控制特性，在起/停過程中做優(yōu)化處理；

雙調(diào)節(jié)—起/停雙特性；

低速時反向運(yùn)轉(zhuǎn)；

脈沖啟動；

線性加速(帶速度反饋)；

節(jié)能—提高功率因數(shù)。

3)電機(jī)與起動器保護(hù)的要求：

起動次數(shù)太多；

起動時間過長(停止)；

安全裝置(對起動和運(yùn)行狀態(tài)的電子式熔斷器)；

欠壓，過壓，無壓；

用金屬氧化物變阻器實(shí)現(xiàn)起動器的晶閘管防護(hù)；

擁有可選擇曲線的電子過載；

欠流；

缺相或換相；

負(fù)載失去(未連到電機(jī))；

起動器超溫。

4)LCD與LED顯示的要求：

兩行液晶顯示，每行16字符；

多種語言選擇：英語、德語、法語、西班牙語；

兩種顯示都可以做基本的和高級的應(yīng)用；

用缺省參數(shù)可友好操作；

8LED可做快速的狀態(tài)顯示；

靜態(tài)數(shù)據(jù)顯示，包括：總的運(yùn)行時間、總起動次數(shù)、總跳閘次數(shù)等。

5)可選項(xiàng)的要求：

RS485通訊；

模擬輸出；

熱敏電阻輸入；

電機(jī)絕緣測試；

當(dāng)旁路閉合時，電機(jī)仍然能保護(hù)；

特殊的防腐處理—為惡劣環(huán)境所做的特殊防護(hù)層；

帶燈光的LCD顯示；

特殊的速度反饋電路。

6)通訊(可選項(xiàng))的要求：

MODBUS RTU—能夠設(shè)定、控制、監(jiān)視；

PROFIBUS DP—能夠控制、監(jiān)視；

TCP/IP—MODBUS/TCP通過標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口。

7)模擬接口卡(可選項(xiàng))的要求：

匹配兩個功能；

熱偶電阻輸入，PTC或NTC；

與電機(jī)電流相關(guān)的模擬輸出，可編輯：0～10V，4～20mA，0～20mA；

8)電機(jī)絕緣測試(可選項(xiàng))的要求：

這種特性是設(shè)計(jì)專為服務(wù)于像潛水泵、潛水電機(jī)這樣在惡劣環(huán)境下工作的電機(jī)。當(dāng)電機(jī)不運(yùn)行時系統(tǒng)測試電機(jī)絕緣，適用于兩個可編程的分檔級別：

報(bào)警級，可調(diào)節(jié)0.2～5MOhm；

不起動級，可調(diào)節(jié)0.2～5MOhm，當(dāng)絕緣低于要求時終止起動。

9)起動輔助繼電器的要求：

可編邏輯繼電器，一個常開.觸點(diǎn) 8A，220VAC；

帶可調(diào)起動和停止延時的中間繼電器；

加速結(jié)束，帶可調(diào)起動延時；

故障。

3.3 軟起動器的應(yīng)用數(shù)據(jù)參數(shù)

3.3.1 泵控制參數(shù)

啟動曲線：具有一個智能型泵控程序，這個程序允許在三條動態(tài)電壓斜坡上升曲線、轉(zhuǎn)矩曲線之間做選擇，對峰值轉(zhuǎn)矩的每一次降低就意味著延長加速時間。如圖2。

圖2 起動曲線

停車曲線：當(dāng)泵的揚(yáng)程較高而電機(jī)需要軟停車時，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩很快下降并低于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速就不會平穩(wěn)下降到零，而會突然失速。這就是我們所謂的水錘效應(yīng)，會引起很大的噪音并可能損壞管道系統(tǒng)。泵控程序會在3個動態(tài)電壓斜坡下降和轉(zhuǎn)矩曲線間進(jìn)行選擇，以防止失速狀態(tài)，進(jìn)而排除水錘效應(yīng)。如圖3。

圖3 停車曲線

最終轉(zhuǎn)矩：結(jié)束減速過程之前，會有一種情況就是負(fù)載轉(zhuǎn)矩高于電機(jī)轉(zhuǎn)矩，而且泵出口閥門也關(guān)了。盡管閥門關(guān)了，(無負(fù)載)軟停車裝置還會讓電機(jī)再繼續(xù)運(yùn)行一段時間，然后慢慢停止。最終轉(zhuǎn)矩特性就是要設(shè)定這樣一個工作點(diǎn)，當(dāng)閥門關(guān)以后，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3.2 串接接觸器參數(shù)

在主電路和起動器之間串接接觸器。只要接觸器閉合，起動器就會工作。來自主電路的控制電壓必須與起動器的控制電源電壓匹配，如圖4。

推薦端子1、3與控制電源連接；在某些應(yīng)用場合，要求軟停車之后斷開接觸器。所以在軟停車結(jié)束以后，能通過瞬時觸點(diǎn)位置的改變來控制接觸器的通斷。所以推薦當(dāng)電流為零，軟停車過程結(jié)束以后幾秒鐘，再斷開接觸器。

主接觸器閉合后，軟起動器響應(yīng)起動信號，要有500ms延時，以確保輔助觸點(diǎn)C1可靠閉合。如果C1閉合前欠壓，就會有故障發(fā)生。因而推薦使用時間繼電器來阻止可能的故障。

圖4 串接接觸器電路

3.3.3 旁路接觸器參數(shù)

起動過程結(jié)束，經(jīng)過一段延時，激活加速狀態(tài)觸點(diǎn)，就會閉合旁路接觸器，使電機(jī)正常運(yùn)行時通過旁路接觸器與主電路連接。

以下情況接觸器會返回初始位置：

觸發(fā)停車信號；

觸發(fā)節(jié)能信號；

觸發(fā)低速信號；

發(fā)生故障；

當(dāng)旁路接觸器閉合后，電流經(jīng)接觸器流向電機(jī)。

注意：為使在采用旁路接觸器后保持電流保護(hù)功能，采用預(yù)備旁路式接法。

當(dāng)發(fā)出軟停車信號后，加速狀態(tài)觸點(diǎn)就會返回初始位置，斷開旁路接觸器。因而，電壓就會沿斜坡下降到零，電機(jī)軟停車。

3.3.4 用雙接觸器實(shí)現(xiàn)電機(jī)反向

圖5 雙接觸器電路

通過接觸器的輔助觸點(diǎn)C1和C2進(jìn)行起?？刂?，每一個接觸器的閉合都會提供主電路電壓和起動控制信號。如圖5。

來源于主電路的控制電壓要與起動器的控制電源電壓匹配。

注意：

推薦在正向和反向接觸器之間應(yīng)用一個機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)；

要求在打開一個接觸器和閉合另一個接觸器之間，有一定的延時時間；

當(dāng)操作反向接觸器時，要屏蔽掉保護(hù)電機(jī)的相序故障功能。

3.3.5 雙速電機(jī)

圖6 雙速電機(jī)電路

當(dāng)把電機(jī)由低速變成高速運(yùn)行時使用軟起動器，起動器應(yīng)該安裝在高速接觸器之后(圖6中標(biāo)以1)，操作由接觸器的輔助觸點(diǎn)(13-14)控制。

當(dāng)雙速起動都需要軟起動器時，RVS-DN應(yīng)該安裝在兩個接觸器之前(圖中標(biāo)以2)，操作由接觸器的輔助觸點(diǎn)(每個接觸器的13-14)控制。

注意：起動器選型的大小應(yīng)該與電機(jī)的低速或高速特性值相一致。

如果要求兩個不同的電機(jī)額定值和起動特性，例如，在高速狀態(tài)下要求較高的初始電壓和電流限制，就應(yīng)該啟用雙調(diào)節(jié)特性做兩個不同的設(shè)置：

初始電壓；

限流；

加速時間；

減速時間；

電機(jī)滿載電流。

另外，一個高速接觸器的 N.O. 觸點(diǎn) (15-16) 可以作為雙調(diào)節(jié)的開關(guān)。當(dāng)同一接觸器的輔助觸點(diǎn)13-14閉合時，它應(yīng)該立即閉合，從而起動軟起動器，并且切換到雙調(diào)節(jié)特性的設(shè)置上通過通訊連接實(shí)現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程控制。

3.3.6 通訊參數(shù)

通訊既能進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置也能進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)讀取。所以必須具備選擇起動、停車、軟停車、雙調(diào)節(jié)等性能的參數(shù)。

3.4 軟起動器的各類工況

3.4.1 軟起動和軟停車

如圖7，連接端子如下：

端子 1, 3 與控制電源相接；端子4接控制電源火線；端子9 接中線 (或作為端子4，5，6的公共端)。

如果通過通訊連接進(jìn)行操作，端子5應(yīng)該通過一個 “本地/遠(yuǎn)程”選擇開關(guān)才能與控制電源相接，這樣才能通過通訊口控制起/停命令。

以本地模式操作，通過一個起停開關(guān)把端子 5和6 與控制電源相接。

端子21應(yīng)該接地。以本地模式操作，通過一個起停開關(guān)把端子 5和6 與控制電源相接。

圖7 軟起動器端子圖

3.4.2 軟起動和急停

軟起動和軟停車與上述的一致，# 4除外，如圖7。

如果通過通訊連接進(jìn)行操作，端子4和5應(yīng)該通過一個 “本地/遠(yuǎn)程”選擇開關(guān)才能與控制電源相接，這樣才能通過通訊口控制起/停命令。

以本地模式操作，通過一個起停開關(guān)把端子4、 5和6 與控制電源相接。通過通訊線用瞬態(tài)性觸點(diǎn)進(jìn)行軟起動、急停、軟停車操作(按鈕)。

3.4.3 軟起動軟停車和急停

軟起動和軟停車與上述的一致，#2、# 4除外；

如果通過通訊連接進(jìn)行操作，端子4和5應(yīng)該通過一個按鈕才能與控制電源相接，這樣才能通過通訊口控制起/停命令。

正常操作模式下，端子4和5應(yīng)該通過急停按鈕、軟停車按鈕才能與控制電源相接，軟起動命令通過起動按鈕發(fā)出。

3.4.4 起動柴油發(fā)電機(jī)

當(dāng)起動一個發(fā)電機(jī)時，它的電壓較準(zhǔn)器(特別是老型的校準(zhǔn)器)在起動過程中會受影響，引起電壓波動(對于400V的系統(tǒng)波動范圍為～350V到～500V)。在這種情況下需要更新電壓校準(zhǔn)器。

在大多數(shù)情況下，柴油發(fā)電機(jī)的電壓、電流、頻率都是不穩(wěn)定的——軟起動器應(yīng)用一個特殊的程序來克服這種起動的困難性。程序使用如下：

設(shè)置 Dip.開關(guān)到 “On”的位置。

在控制電源和端子8之間接一個觸點(diǎn)或跳線，觸點(diǎn)閉合就運(yùn)行發(fā)電機(jī)模式。這時顯示雙調(diào)節(jié)的 LED 燈點(diǎn)亮。

應(yīng)用中可以設(shè)置雙調(diào)節(jié)參數(shù)(舉例來說，設(shè)置快的加速、低的電流限制，等等)。

當(dāng)接入電網(wǎng)或接入柴油發(fā)電機(jī)時使用雙調(diào)節(jié)功能，對電網(wǎng)起動器設(shè)置一般的起動特性，對發(fā)電機(jī)起動器設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)。當(dāng)從電網(wǎng)起動時，原來的設(shè)置就會起作用。當(dāng)從發(fā)電機(jī)起動時，閉合控制電源與端子8之間的觸點(diǎn)就會起動發(fā)電機(jī)模式。

注意: 確保起動器的選用與柴油發(fā)電機(jī)的大小相配 (柴油發(fā)電機(jī)的 KVA 數(shù)至少是電動機(jī)KVA數(shù)的 1.35倍)。

3.4.5 電機(jī)剎車

起動時，“瞬時”觸點(diǎn)被激活，釋放剎車閘，允許電機(jī)電壓沿斜坡上升(沒有繼電器這個觸點(diǎn)也能操作。

停車時，觸點(diǎn)返回初始位置，剎車閘抱閘。

注意：使用中間繼電器當(dāng)：

剎車閘電壓不同于起動器的控制輸入電壓；

剎車閘電流大于繼電器的最大電流 (8A)。

3.4.6 絕緣測試

對于絕緣電路的使用有以下幾種條件要存在：

接通電源和停車的 LED燈必須是亮的；

配套接觸器開路；

電機(jī)和起動器可靠接地；

不能使用外部故障觸點(diǎn)(端子19)。

4 小結(jié)

軟起動器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于近海及遠(yuǎn)海的工程領(lǐng)域，在電機(jī)起動過程中，降低起動電壓，可以降低電動機(jī)的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，以及最大轉(zhuǎn)矩，不僅有效保護(hù)電機(jī)，更能在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)軟起動的通訊及數(shù)據(jù)監(jiān)測，更有效的實(shí)現(xiàn)電動機(jī)精確控制；隨著海洋工程行業(yè)的發(fā)展，低壓環(huán)境下的起動要求的不斷提高，低壓軟起的使用會更加廣泛。

(本文文獻(xiàn)格式：胡月雙.低壓軟起動器在海洋工程中的應(yīng)用[J].山東化工,2017,46(13):95-98,104.)

2017-04-12

胡月雙(1983—)，男，本科，工程師，主要從事海洋石油平臺電氣專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

TQ056

B

1008-021X(2017)13-0095-04