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高壓軟啟動裝置的選型探討
點擊次數:10 發布時間:2020-04-17

【摘要】敘述各種高壓軟啟動裝置的情況,比較了它們的優劣,從而為高壓軟啟動裝置的選型做參考。圖9幅。

【關鍵詞】水阻軟啟動 干式移磁無級調壓軟啟動 開關變壓器軟啟動 晶閘管軟啟動 磁閥式軟啟動 變頻軟啟動 

1、前言

在我們高壓電機自動化的控制系統中,主要的控制對象是各種類型的大型水泵和壓縮機等設備,其中遇到的問題是水泵的高壓大型電動機啟動和壓縮機等重載啟動,都有巨大的沖擊電流,往往可達電動機額定電流的6~8倍,對電網產生了很大的沖擊,影響了其他電器設備的運行。電動機全壓啟動時的大電流在定子線圈和轉子鼠籠條上產生很大的沖擊力,會破壞繞組絕緣和造成鼠籠條斷裂,引起電機故障,大電流還會產生大量的焦耳熱,損傷繞組絕緣,減少電機壽命。

為了降低啟動時的沖擊電流,減少它的危害,需要采用高壓軟啟動裝置。

目前,有各種類型的高壓軟啟動裝置,采用了不同的工作原理,但總的目的都是控制加在電動機上的啟動電壓,減少啟動電流。高壓軟啟動裝置采用不同的控制手段實現起動過程中對電壓、電流的調節,以適應不同的應用場合。產品廣泛應用于額定電壓3kV—10kV 的電力、建材、化工、冶金鋼鐵、造紙等行業。能很好地與水泵、風機、壓縮機、粉碎機、攪拌機、球磨機、礦山升降機、皮帶運輸機等各種機電設備配套使用,作為三相電壓3kV-10kV中高壓電機起動、控制、保護、軟停之用 

 

2、高壓軟啟動裝置目前的情況

目前主要有水阻軟啟動、干式移磁式軟啟動、開關變壓器軟啟動、晶閘管式軟啟動、磁閥式軟起動、變頻器軟啟動等幾種高壓軟啟動方式。

 

⑴ 高壓水阻軟起動裝置

圖1 液體電阻軟啟動原理圖它旳工作原理是在電動機定子回路串入一特制水電阻,為了增加水的電導率,加入了一些無機鹽,該電阻在電機起動初始時刻自動投入,限制啟動電流過大,并且調節導電極板,使阻值在預定起動時間內均勻無級減小,并在阻值幾近為0時刻切除,從而使電動機電流及轉速無級勻滑變化,實現電機轉速均勻上升、平穩起動。其基本工作原理可參看圖1。

這種設備的啟動電流可以控制在1.5~3.5Ie(Ie為電動機額定運行電流),起動時間調節范圍:20—60S現場可調。

這種設備的優點是設備結構簡單,價格較低,且不會對電網產生高次諧波污染。

但是,液態軟起動裝置體積龐大,需要有液態電阻柜、星點柜、高壓斷路器柜等。安全性能差。啟動性能受液體電阻受環境溫度影響較大,需要經常調整無機鹽的比例,尤其是北方低溫時需要另外加溫液體,南方則會由于形成液態電阻的局部電液溫度過高,產生氣泡甚至電弧光的現象,極不利于起動設備,有時需要加強制冷卻。由于每次啟動都會使液體加溫,故不宜多次連續啟動。另外,每次啟動時液體電阻上消耗的功率很大,約為電動機額定功率的1.61.8倍,如此大的功率使極板附近的水汽化,汽化電阻不好控制且受環境溫度的影響,這便是控制精度不高的原因,有時甚至有啟動失敗的情況。屬于淘汰技術。

 

2)干式移磁無級調壓式軟啟動

圖2 干式移磁式軟啟動裝置干式移磁無級調壓軟啟動其實質是一種可變電感式軟啟動,在電動機啟動時,串接一個可變的電感,這樣降低了加在電動機上的電壓,減少了啟動時的沖擊電流,然后逐漸將鐵芯移出線圈,慢慢減少電感。這種裝置可以控制啟動電流在1.0Ie~4Ie范圍內。實現軟停止時,先斷開真空接觸器,串入一個小電感(鐵芯在線圈之外),然后慢慢增大電感(鐵芯逐步插入線圈中),這樣讓電動機慢慢停止下來。其基本結構可參看圖2。

干式移磁式軟啟動裝置有下面的特點

⑴ 結構簡單,全部器件安裝在一個柜體內的一體化設計,占地面積小,沒有復雜的電力電子器件,可靠性高。基本上是免維護的,方便于安裝、調試和運行;

⑵ 干式移磁式損耗很小,發熱量不大,可反復多次頻繁起動,重復性高

⑶ 不產生諧波,對電網諧波影響小,不用另加濾波裝置;

⑷ 可起動電機的容量200kW~90000kW或更大;

⑸ 抽屜式設計,檢修方便,各方面承受能力強,不受外部環境,溫度,濕度和地理位置的影響,環境溫度可以-50度至60度。

⑹ 可以實現軟停止;

⑺ 無操作過電壓,對電機傷害小;

⑻ 起動時間短,根據電動機容量的大小,只要5S60S;

⑼ 維護修理簡單,一般技術工人都能掌握;費用低,與變頻相比每臺可節約幾十萬到幾百萬的費用。

但干式移磁式軟啟動裝置也有不足之處 :柜體比較重,有一定噪聲(但可做消音處理)。

 

圖5 晶閘管式軟啟動裝置 

3)高壓晶閘管軟起動裝置

晶閘管軟啟動裝置用控制晶閘管的導通角來調節啟動電壓,啟動時,導通角小,啟動電壓低,然后逐步加大導通角,逐步提高啟動電壓,這樣避免了啟動的沖擊電流。該裝置采用多個可控硅串并連而成,可滿足不同的電流及電壓要求,啟動完成后,用QF真空接觸器將晶閘管裝置短接。

晶閘管調壓啟動的結構原理圖可參看圖5,其調壓啟動的波形圖可參看圖6。

圖6 晶閘管軟啟動調壓波形圖晶閘管軟啟動的特點:(1) 是固態而非液態所以安全性能高;(2) 具有調節快速性好,采用閉環控制,控制方式菜單化;(3) 菜單豐富,啟動重復性好,保護周全,與高壓液態水阻軟起動相比較,是更新換代產品。

晶閘管軟啟動的缺點:(1) 每個橋臂上有34個晶閘管串聯,同步觸發是關鍵技術,解決不好就會造成控制失敗;(2) 晶閘管耐壓的均勻性要求很高;(3) 諧波比較大,需要有諧波治理的裝置配合,才能滿足諧波數值不超過國家4%的要求;(4) 電子元件眾多,可靠性低,故障點多,難維護,要求維護水平高,對操作人員的要求比較高。 

晶閘管可以實現軟停止,但是,由于是采用降壓啟動的辦法,所以無法實現重載啟動的功能。

 

 

4)磁閥式軟起動

圖7 磁閥式軟啟動裝置磁閥式軟起動的工作原理和串電感調壓的工作原理是完全一致的。在特制的鐵芯上,繞組抽頭接入晶閘管,控制晶閘管產生直流磁化電流,從而改變鐵芯的導磁率,也就改變了鐵芯的電感,這樣降壓來啟動電動機。 

磁控軟啟動的特點是

⑴ 采用磁閥結構,電抗值調整穩定;

⑵ 自耦勵磁獨特設計,無需外加直流勵磁電源;

⑶ 電抗器本體采用敞開式干式結構,H級絕緣,散熱好,起動工作次數不限;

⑷ 控制系統采用PLC和觸摸屏人機對話系統,可靠性高;

⑸ 環保無漏磁,結構緊湊,安裝方便。

磁控軟起動的缺點:(1) 鐵芯是變截面的,制造比較困難,調整范圍小(0.5-1倍可調);(2) 磁控軟啟動不能提供重載啟動的功能;(3) 磁控軟起動的電抗器飽和會引起非線性,產生高次諧波;(4) 磁控軟起動裝置需要相對功率較大的輔助電源,噪聲較大,并無法做消音處理。

 

圖8 變頻器軟啟動裝置6)變頻器軟啟動

變頻器可以同時改變供電電壓和頻率,從而改變電機的同步轉速,實現軟啟動。在啟動過程中,通過電壓調節和變頻,逐步提高同步轉速,實現良好的靜態、動態啟動性能。

變頻軟啟動的啟動電流小,可限制在1.5倍的電動機額定電流以下,同時啟動轉矩大,可達到電機額定轉矩的1.5倍,在此范圍內可以任意調節,實現恒轉矩啟動。變頻軟啟動的很重要的優勢在于,電壓和頻率都能連續地從零開始調節,同時做到無過流。

變頻軟起動在理論上是非常理想的,它不產生過電流,起動轉矩大,起動性能好。但是在當前的技術水平下,變頻器制造技術尚不是很完善,自身損耗大、可靠性低、諧波含量大,尤其是諧波問題,應該引起我們足夠的重視。變頻裝置在連接點處產生的總諧波畸變率大約在8%20%,這遠遠高于國家標準的4%要求,所以應該選擇有諧波治理功能的變頻器,或者另加諧波治理裝置。

變頻軟啟動的缺點:(1) 器件損耗大,故障率較高,需要經常維修;(2) 高次諧波輸出大;另外可靠性問題、維護修理問題、價格問題等等都是需要考慮的。3)也有噪音(無法做消音處理)

另外,高壓大型變頻裝置國內目前尚不能制造,完全依賴進口,技術復雜、資料不全給維護修理造成了非常大的困難,一旦出現故障只有請外國專家前來修理,費用高、時間長、后續的維修費用是相當高的。

 

3、各種軟啟動的性能比較

各種軟啟動方式的性能比較,如表1所示。

1 各種軟啟動裝置方式的性能比較

 

水阻式

干式移磁式

晶閘管式

磁閥式

變頻器式

連續啟動

不能

可以

可以

可以

可以

啟動損耗

較小

高次諧波

較大

較小

大,可消除

軟停止

不能

較易

較易

重復性

較差

穩定

穩定

穩定

穩定

使用壽命

維護量

很小

較大

較大

較大

維護難易

一般

很難

一般

很難

一拖多

不行

可以

可以

可以

可以

重載啟動

不行

可以較重載

不行

不行

可以重載

價格

 

4、高壓軟起動選型的探討

在軟啟動中,大部分負載都是輕載啟動的,上面提到的各種軟啟動裝置都沒有問題,能夠達到減少啟動電流,降低對電網的沖擊,平穩啟動電動機的目的。可以根據工程的具體情況,按表1的各種性能、參數合理選擇。在選擇軟啟動設備的過程中,應該考慮二個問題,一個是軟停止問題,另外一個是重載啟動問題。

有一些設備要求有軟停功能,軟停功能提供一個遞減的輸出電壓,慢慢停機的功能。在停機過程中減小輸出轉矩,這和電力剎車是完全不同的兩個概念。在貨物傳送過程中,突然停車,會引起貨物的碰撞或倒塌,如果使用軟停功能則可以使停車過程變緩,從而避免此類生產故障發生。對于吊車、吊橋、運貨車采用軟停后可以防止運行過程中的不穩定以及突然停止所產生的不穩定及故障。

還有一個值得考慮的問題是重載啟動問題。有許多負載是重載啟動的,如:球磨機、礦山皮帶運輸機、大型閘門起吊等等。上述的各種軟啟動裝置,除了變頻器外,都是采用降壓原理來減少沖擊電流的。根據電動機拖動原理可知,電動機的轉矩是和加在電動機上的電壓平方成正比的,而和電源的頻率成反比。因此,凡是采用降壓原理做軟啟動的,都不能滿足重載啟動的要求。

當前重載啟動性能最好的軟啟動裝置只有變頻器軟啟動裝置。變頻器的工作原理可知,變頻器軟啟動裝置之所以能夠適用于重載起動,是由于它在減小起動電壓的同時也降低了起動頻率電壓和頻率的同步連續變化可以使氣隙磁通基本保持恒定,從而保證了起動轉矩。但是,變頻器最大的作用是用來調速的,如果不需要調速,只是做軟啟動,由于其昂貴的價格,就得不償失了。

目前,也有在研制用改進型晶閘管軟啟動裝置,這種裝置也是可以調頻調壓的,可以滿足重載啟動的要求,但價格比變頻器要便宜多了。

水阻式軟啟動的裝置價格相對比較便宜,對中小型不經常啟動的電機使用該裝置還是可以的,但不能用于重載啟動,也沒有軟停止的功能,要加強維護以免發生事故,對于大型電機和經常啟停的電機,使用該裝置是有很大風險的,應該慎用。

干式移磁無級調壓式軟啟動裝置是一種相當不錯的設備,大中小各種容量的電動機都適用,結構簡單,全部器件只安裝在一個柜體里面,使用、維護方便,還有軟停止的功能,只要不是特重載啟動的場合,均可采用。

磁閥式軟啟動裝置和開關變壓器式的情況雷同,雖然都采用了晶閘管控制,但是晶閘管都是在低壓下工作,是成熟的技術,但是用在重載啟動仍是不宜的,也產生諧波。

晶閘管式軟啟動裝置有很好的軟啟動性能,只是晶閘管在高壓下工作,并且每相還需要3~4只晶閘管串聯,需要有良好的均壓技術和同步觸發技術,維護水平要求高,啟動時產生諧波較多,需要增加治理諧波的設備,也不能用在重載啟動的場合。

變頻器式軟啟動裝置具有最優良的性能,可以滿足一切需要軟啟動的場合,無論是重載啟動,或者是軟停止功能,均有最佳的表現。但是電子線路復雜,維護難度高,價格高,也需要諧波治理。最理想的情況是需要調速的場合,再兼做軟啟動裝置,這樣就物盡其用了。

 

6、結束語

本文介紹了高壓電機軟啟動技術提出的背景,集中介紹了五種高壓電機軟啟動技術方式,分析了它們的工作原理,并比較了各自的優缺點。

國外發達國家主要采用晶閘管軟啟動和變頻軟啟動,電壓等級在12KV以上,容量也在5MW以上,國內的市場上液態電阻軟啟動裝置逐步被其他高壓軟啟動裝置替代設計院如果沒有業主的特別要求,一般情況下不會設計高壓水阻軟起動裝置,目前高壓干式調壓軟起動柜因為穩定性強,免維護性能突出,一體化設計整體解決方案,已經廣泛被業主和設計院認可。

 

 

參考文獻

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