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浅谈软起动

发布日期:2011-09-27   作者:高越农 曹永义 吕平   浏览次数:24464
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【摘   要】:软起动可减小电动机硬起动(即直接起动)引起的电网电压降,使之不影响共网其它电气设备的正常运行,可减小电动机的冲击电流,冲击电流会造成电动机局部温升过大,降低电动机寿命,可减小硬起动带来的机械冲力。

   【PIC1】
软起动可减小电动机硬起动(即直接起动)引起的电网电压降,使之不影响共网其它电气设备的正常运行,可减小电动机的冲击电流,冲击电流会造成电动机局部温升过大,降低电动机寿命,可减小硬起动带来的机械冲力,冲力加速所传动机械(轴、啮合齿轮等)的磨损,减少电磁干扰,冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使电动机可以起停自如,减少空转,提高作业率,因而有节能作用。

软起动的分类
软起动可分为有级和无级两类,前者的调节是分档的;后者的调节是连续的。传统的软起动均是有级的,如星/角变换软起动,自耦变压器软起动,电抗器软起动等等。连续调节的主要有三种:以电解液限流的液阻软起动,以晶闸管(SCR)为限流器件的晶闸管软起动,以磁饱和电抗器(SR)为限流器件的磁控软起动。

变频调速装置也是一种软起动装置,它是比较理想的一种,它可以在限流的同时保持高的起动转矩。价格贵是制约其推广应用的主要因素。人们购置变频调速装置一般都是着眼于调速,所以,常常不把它归类于软起动装置。

在电动机定子回路,通过串入有限流作用的电力器件实现软起动,叫做降压或限流软起动。它是软起动中的一个主要类别。高压降压软起动又是其中的一个重要类别。

软起动过程描述参数与软起动装置优劣评分项目
为了能够客观地对软起动过程以及装置做出比较和评价,提出以下15条。不言而喻,所有的比较和评价只有在电网、电动机、负载相同的条件下才有意义。
1. 软起动能否完成,以及起动(完成)时间;
2. 软起动过程中的电动机最大电流(标幺值);
3. 软起动过程中的最大电网电压降(标幺值);
4. 软起动过程中电动机有否机电共振等异常现象;
5. 软起动过程中电流的高次谐波含量(标幺值);
6. 软起动装置的价格(常以单位容量的人民币表示);
7. 软起动装置允许的连续起动次数;
8. 软起动装置占用的空间大小;
9. 软起动装置限流器件开度的易控性:调节是否平滑、快速;
10. 软起动装置对使用环境要求的裕度;
11. 软起动装置的起动重复性(相连两次软起动“过程描述参数”的守恒性);
12. 软起动装置所提供的起动和停止方式的多样性;
13. 软起动装置所具备的对于装置本身以及电动机综合保护功能的完备性(包括过流、过载、欠相、起动超时、接地等,包括故障提示和显示、诊断、记忆等);
14. 软起动装置在起动过程中的噪声大小;
15. 软起动装置所需要的辅助电源功率的大小。
注: 上述项目均属于“装置评分项目”,前五项属于“过程描述参数”。


液阻软起动
液阻是一种由电解液形成的电阻,它导电的本质是离子导电。它的阻值正比于相对的二块电极板的距离,反比于电解液的电导率,极板距离和电导率都便于控制。液阻的热容量大。液阻的这两大特点(阻值可以无级控制和热容量大),恰恰是软起动所需要的。加上另一个十分重要的优势即低成本使液阻软起动得到广泛的应用。
液阻软起动也有缺点:
◎液阻箱容积大,其根源在于阻性限流,减小容积引起温升加大。一次软起动后电解液通常会有10°C~30°C的温升,使软起动的重复性差。
◎移动极板需要有一套伺服机构,它的移动速度较慢,难以实现起动方式的多样化。
◎液阻软起动需要维护,液箱中的水,需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中,表面会有一定的锈蚀,需要作表面处理(一般2至3年一次)。
◎液阻软起动装置不适合于置放在易结冰或颠簸的现场。

近年有所谓的热变液阻软起动装置,通过液阻本身在软起动过程中的温升,借助电解液电导率与温度的正相关性实现无极板伺服机构的软起动。但是,其可行性大可质疑:它的限流器件不具备限流能力易控性,装置对使用环境温度要求高,软起动重复性差。

液阻软起动装置可以串在绕线电动机转子回路实现重载软起动,售价低廉,在软起动过程中不产生高次谐波等等,则是它突出的优点。预言它即将被淘汰,肯定是为时过早。

液阻软起动装置国外早已使用。至今,在国内仍然运行着不少国外的液阻软起动产品,来自日本、加拿大、意大利等国。出厂日期从60年代到90年代均有。国产品的生产厂家很多,知名度较高的有湖北襄樊的追日公司、大力公司、雷诺尔公司、沈阳前特兰公司以及上海的几家公司等。

晶闸管软起动
晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间。它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前,电气工程界就有人指出,闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380伏)范围内,晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍。而其主要性能却大大优于液阻软起动。与液阻软起动相比,它的体积小、结构紧凑,几乎免维护,功能齐全,菜单丰富,起动重复性好,保护周全,这些都是液阻软起动难以望其项背的。

但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高,是液阻的5~10倍,二是晶闸管引起的高次谐波较严重,三是对于绕线转子异步机无所作为。在这几个缺点中,价格高是制约其发展的主要因素。对于贫者,无力选用它;对于富者,何不直接选用高压变频装置?这就是高压晶闸管软起动比较受冷落的原因。

生产高压晶闸管软起动装置的厂家主要是:Rockwell、Motortronics、Benshaw等三家国外厂家,国内据说某研究所近期会有此类产品问世。据调查,国外厂家截至2001年9月在中国大陆的高压晶闸管软起动装置销售量仅仅为30多台。

磁控软起动的工作原理和结构
磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。用三相电抗器串在电动机定子实现降压是两者的共同点。磁控软起动不同于电抗器软起动的主要点是其电抗值可控。总体说来,起动开始时电抗器的电抗值较大,在软起动过程中,通过反馈调节使电抗值逐渐减小,及至软起动完成后被旁路。

电抗值的变化是通过控制直流励磁电流,改变铁芯的饱和度实现的,所以叫做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍,它也可以称为“磁放大器”。由于它不具有零输入对应零输出的特点,所以,不建议采用“磁放大器”这一词。

磁饱和电抗器有三对交流绕组(每相一对)和三相共有的一个直流励磁绕组。在交流绕组里流过的是电动机定子电流,它必然会在直流励磁绕组上感应出电势。后者会影响励磁回路的运行。用一对交流绕阻的主要原因就是为了抵消这种影响。

显然,电抗值的调节是静止的、无接触的、非机械式的。这就为微电子技术的介入打开了大门。所以,在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动是完全相同的。说磁控软起动能够实现软停止,能够具有晶闸管软起动所具有的几乎全部功能,其原因盖出于此。

高压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压(380伏)磁饱和电抗器没有本质区别,但是在某些方面采取了一些特殊处理。

磁饱和电抗器具有0.1秒量级的惯性,这使得磁控软起动的快速性比晶闸管软起动慢一个数量级。对于电动机系统的大惯性来说,磁控软起动的惯性是不足为虑的。

有人说磁控软起动不产生高次谐波。这是错误的。只要饱和,就一定会有非线性,就一定会引起高次谐波。只是磁饱和电抗器产生的高次谐波会比工作于斩波状态的晶闸管要小一些。磁控软起动装置需要有相对较大功率的辅助电源,噪声较大则是其不足之处。
QS为高压隔离开关,QF为真空断路器,SR为磁饱和电抗器,
QS为高压隔离开关,QF为真空断路器,SR为磁饱和电抗器, M为电动机


磁控软起动装置现状
发达国家很少有这类产品,这可能与发达国家的国情有关。
在国内,西安某公司生产磁控软起动已有4年以上的历史。但该公司不生产高压磁控软起动装置,仅仅生产不大于330KW的低压磁控软起动装置。它的产品分成二个类别,即高于160KW和低于160KW。前者需要与星/角转换配合(因此,也只适合于定子角接的电动机);后者则单一地靠磁饱和电抗器。其控制系统仍停留在模拟集成电路阶段。

天津市先导机电有限公司研制的高压磁控软起动装置在济源钢铁公司顺利投产,标志着磁控软起动已经踏入了高压的门坎。该装置的起动对象是炼铁厂高炉的4#风机异步电动机(6KV、2MW),软起动方式是3.2倍额定的恒流软起动,软起动时间为34秒,软起动重复性好,满足了生产工艺要求。

高压磁控软起动前瞻
什么是高压磁控软起动装置?它是一种兼具高压晶闸管软起动装置性能和高压液阻软起动价格的装置。所以,它有可能成为国内乃至国外高压软起动装置市场上的主流产品。

从高压磁控软起动今后发展看,要解决两个问题:一是将交流电压等级从目前的6KV提高到10KV,预计这不会遇到大的困难。二是将容量从目前的2MW提高到20MW。

据调查,特大容量(20MW 以上)电动机的软起动至今还没有一种圆满的技术手段。采用专建一个变电站的办法和重金购买特大容量的高压变频装置的办法,都是出于无奈的办法。

因此,液阻软起动、晶闸管软起动、磁控软起动都面对着特大容量电动机起动的挑战。特大容量往往要求将限流电力器件安装在主电室外甚至户外,液阻软起动装置将不得不面对户外环境的问题,特大箱体、特大极板的问题,晶闸管软起动将不得不面对串、并联高压晶闸管的均压、均流问题。

磁控软起动面临的主要问题将是如何在有效防干扰的前提下把磁饱和电抗器的容量做大。特大容量磁饱和电抗器在世界上并非没有先例。70年代末,在武汉钢铁公司1米7工程热轧厂引进的比利时ACEC公司无功补偿装置里,就包含了一台这样的饱和电抗器:10KV,30MVA,它一直运行至今。
因此,磁控软起动装置攻克特大容量电动机软起动难题指日可待。

软起动相关问题
◎降压或限流软起动的作用?
用它可减小电动机硬起动(即直接起动)引起的电网电压降,不会影响共网其它电气设备的正常运行,可减小电动机的冲击电流,冲击电流会造成电动机局部温升过大,降低电动机寿命,可减小硬起动带来的机械冲力,冲力加速所传动机械(轴、啮合齿轮等)的磨损,减少电磁干扰,冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。

◎磁控软起动的适用范围和不适用范围?
适用范围:笼形转子的异步电动机或同步电动机;
不适用范围:绕线转子的异步电动机。

◎是不是磁控软起动不适用于重载软起动?
不是。只要用户选用了笼形转子的异步电动机或同步电动机,就可以选用磁控软起动,不论载荷是轻或是重。

◎什么叫做软起动的起动方式?
软起动的起动方式是指用什么方法使电动机由静止态到稳定的运转态。例如恒电流起动,斜坡电压起动,电流带冲击的(“踢一脚”)起动(这个冲击有助于克服静阻矩),以及这些方式的交替或组合。开环软起动也是一种软起动方式。

◎什么是软起动的起动方式菜单化?
菜单化表示可选,可以由按键输入,通过计算机软件完成软起动的起动方式的选择。

◎什么是软起动仿真?
将用户提供的数据,输入到计算机内,从而得到输出——软起动相关机电变量:转速、电流、电压等的时间曲线,以及描述曲线特征的一些关键数据。软起动仿真给出的结果虽然只是一种预测,但对用户和设计均有重要的参考价值。

◎磁控软起动是否只适合于大容量电动机?
否。只要用户有需求,不论大小均可采用磁控软起动。但是,如果磁控软起动用在高压、大容量电动机场合,它的性能价格比优势会更明显。

◎列表比较电抗器软起动、液阻软起动、晶闸管软起动和磁控软起动

 
 
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