摘要: 三相异步电动机因其结构简单、价格低廉、运行可靠、性能良好、维护方便等优点在工业生产和自动化控制过程中得到了广泛的应用。本文对目前冶金行业三相异步电动机最常用几种启动方式的原理进行了分析研究, 为选择重载冶金机械的电机启动方式提供理论依据和参考。
关键词: 频敏电阻器; 软启动器; 变频器
Abstract: the three-phase asynchronous motor because of its simple structure, low cost and reliable operation, good performance, convenient maintenance in industrial production and automation control the process of getting a wide range of applications. This paper discusses the present metallurgy industry three-phase asynchronous motor, the most commonly used the principle of several startup mode, this paper analyzes the choice for heavy metallurgy mechanical motor start way to provide the theory basis and the reference.
Keywords: frequency sensitive resistors; The soft starter; inverter
中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：
在冶金轧钢行业, 三相异步交流电动机以其结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜转子惯量小等特点, 得到了广泛的应用, 而随着国民经济的快速发展和钢厂自身产能的提高, 电动机的功率也越来越大, 重载应用也越来越普遍。在重载情况下, 有的启动电流高达电动机额定电流的5-10倍,对电动机及所拖动的设备造成电气和机械损伤, 而且引起电网电压下降, 造成普遍性的变压器装机容量偏大, 带来较大的维护和运行成本。本文将逐个分析钢厂目前普遍采用的频敏电阻器、软启动器、变频器三种传动方式的启动原理、启动方法、典型应用, 并进行了分析比较。
1常用重载启动方法
1. 1频敏电阻器
电动机按转子结构分为绕线式和鼠笼式, 而由于轧钢生产线的特殊性对电机有普遍的调速要求,因此鼠笼式电机主要是以变频调速电机为主, 下面简单比较一下变频电机和绕线式电机的区别。绕线式电机和变频电机都能进行重载传动, 两者最大的区别在于负载特性上, 绕线电机转差率大, 转动惯量大, 负载特性相对较软, 而变频电机转差率小, 负载特性相对较硬, 另外变频电机在制造过程中对散热的问题处理较好, 同一机座号的两种电机参数比较如下。
表1 绕线式电机与变频电机性能参数对比
( 绕线电机在S3工作制)
根据不同的负载要求和实际工艺使用情况来确定选择合适的电机型号, 频敏电阻器一般应用在绕线式电机。
频敏电阻器是一种利用同一铁芯上线圈之间电流互感原理的电阻元器件, 可接入绕线式电机转子回路, 用来降低启动电流, 待电机达到或接近额定转速, 再将其切除。所谓频敏, 就是对频率敏感;对频率高的电压阻抗大, 频率低的电压阻抗小。
绕线式电机刚启动时, 转子尚未转动, 定子绕组产生的旋转磁场高速旋转, 转子绕组相对高速切割磁场, 产生高频率幅度亦很高的感生电压, 转子回路的频敏电阻器呈现高阻抗, 降低启动电流; 转子旋转起来以后, 随着转差率的降低, 转子绕组切割磁场的相对速度降低, 转子感生电压频率及幅度亦降低; 频敏电阻器呈现低阻抗; 启动完成后, 转差率接近于0, 转子感生电压频率亦接近于0, 频敏电阻器阻抗接近于0, 相当于短接转子绕组, 电机正常运转。
1. 2 软启动
软启动器启动重载的应用也非常普遍, 随着软启动器技术的发展, 软启动器主要经历了自动液体电阻式、磁控式和到目前的电子式软启动器等类型。电子式以晶闸管调压式为多数。晶闸管式软启动器是串接在电源与电动机之间的三组正反向并联的晶闸管, 通过微电脑控制触发导通角实现交流调压, 如图1所示。
软启动器一般有以下五种启动方式:
( 1)限流启动, 即限制电动机的启动电流, 电动机启动时, 其输出电压从零迅速增加, 直至输出电流达到设定的电流限幅值Im, 然后保证输出电流在不大于该值的情况下, 电压逐渐升高, 电动机逐渐加速, 完成启动过程。它主要是用在轻载启动的负载降低启动压降, 在启动时难以知道启动压降, 不能充分利用压降空间, 损失启动力矩, 对电动机不利, 如图2所示。
( 2) 斜坡电压启动, 即电压由小到大按斜坡线性上升, U 1 为电动机启动所需最小转矩对应的初始电压。当电动机启动时, 软启动器的输出电压迅速上升到整定值U 1 , 然后按设定的速率逐渐增加,直至达到电网电压后, 接触器吸合, 启动过程完成。它是将传统的降压启动从有级变成了无级, 主要用在重载启动, 它的缺点是初始转矩小, 转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利, 且启动时间长对电机不利, 如图3所示。
图1 软启动器原理图
图2 限流启动
图3 斜坡电压启动
( 3)转矩控制启动, 主要用在重载启动, 它是将电动机的启动转矩由小到大线性上升, 它的优点是启动平滑, 柔性好, 对拖动系统有更好的保护, 它的目的是保护拖动系统, 延长拖动系统的使用寿命。同时降低电机启动时对电网的冲击, 是最优的重载启动方式, 它的缺点是启动时间较长, 如图4所示。
图4 转矩控制启动
( 4)转矩加突跳控制启动, 与转矩控制启动相仿也是用在重载启动, 不同的是在启动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩, 然后转矩平滑上升, 缩短启动时间。但是, 突跳会给电网发送尖脉冲, 干扰其它负荷, 应用时要特别注意, 如图5所示。
图5 转矩加跳变启动
( 5)电压控制启动, 是用在轻载启动的场合, 在保证启动压降下发挥电动机的最大启动转矩, 尽可能的缩短了启动时间, 是最优的轻载软启动方式,如图6所示。
图6 电压控制启动
停车方式有三种: 一是自由停车, 二是软停车,三是制动停车。电子软启动带来最大的停车好处就是软停车和制动停车。软停车消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击。
综上所述不难看出, 最适用重载的启动方式应是转矩控制启动和转矩加突跳控制启动。目前的软启动器多是限电流启动和斜波电压启动, 只有少数厂家的软启动器实现了纯转矩控制及转矩加突跳控制启动。
图7 软启动器电机特性
1. 3 变频启动
目前普遍的变频器都采用微处理器控制, 并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管( IGBT)作为功率输出器件, 因此具有很高的运行可靠性和功能的多样性, 是目前最广泛的控制方式。它不但能够低速恒转矩启动, 而且丰富的参数设置可以满足各种不同传动要求。
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交-直-交方式( VVVF变频或矢量控制变频), 如图8所示, 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源, 然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器, 逆变部分为IGBT三相桥式逆变器, 且输出为PWM波形, 中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
图8 典型变频功率单元结构图
变频器控制主回路如图9 所示, 电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其它的受电设备, 需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器; 滤波器是安装在变频器的输出端, 减少变频器输出的高次谐波, 当变频器到电机的距离较远时, 应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能, 但缺相保护却并不完美, 断路器在主回路中起到过载, 缺相等保护, 选型时可按照变频器的容量进行选择。
图9 变频器主回路
控制方式有速度控制、转距控制、PID控制或其他方式[ 3] 。采取控制方式后, 一般要根据控制精度, 需要进行静态或动态辨识。一般变频能够在5Hz-60Hz之间进行任意速度调节,有的甚至到400Hz, 高频率将使电机高速运转,这对普通电机来说,其轴承不能长时间在超额定转速下运行, 不同规格的电机转子承受离心力的大小不一样, 需要根据使用工艺情况合理选择电机。
对于重载应用来讲,变频器另外一个非常具有实际意义的功能就是能够实现跳频, 因为是重载,所以很多时候电机的负荷很重, 那么在某个频率点上,有可能会发生共振现象,特别在整个装置安装位置比较高时。所以在控制电机时, 利用变频器的跳频技术能避免电机的共振点。
2典型应用及比较
表2 典型应用及比较
表2给出了三者在冶金行业的典型应用, 同时从能量损耗、检修周期、可靠性以及制造成本等方面进行了比较。
3 结论
传统的鼠笼型电动机采用降压启动, 属有级启动, 启动特性不理想, 切除时造成的二次冲击电流无法解决, 不能实现频繁启动。绕线式电动机转子回路串电阻的启动方法, 其最大缺点是分级切换,阻值呈跳跃性变化, 启动不平稳, 启动效果不理想。采用频敏变阻器作启动设备时, 其启动电流为3-4倍电动机额定电流, 电压稍低即难启动, 同时频敏电阻器发热严重, 易被烧毁, 不能连续启动, 启动电流不平滑, 对电动机有一定冲击作用。软启动只改变输出电压, 不改变频率, 也就是不改变电机运行曲线上的n0, 而是加大该曲线的陡度, 使电机特性变软(图7所示)。当n0 不变时, 电机的各个转矩(额定转矩、最大转矩、堵转转矩)均正比于其端电压的平方, 因此用软启动大大降低电机的启动转矩, 所以软启动并不特别适用于重载启动的电机。采用变频器启动电动机具有良好的静、动态启动性能, 启动电流可限制在1.5倍电动机额定电流以下,启动转矩可达电动机额定转矩的1.5倍, 并且在此范围内可随意调节, 实现恒转矩启动。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。