異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術.ppt
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第5章異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術,運動控制系統(tǒng),在工礦企業(yè)中使用著大量的異步電動機（包括380V/660V低壓電動機和3kV/6kV中壓電動機），有相當多的異步電動機及其拖動系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟運行的狀態(tài)，白白地浪費掉大量的電能。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的：(1)由于大部分電機采用直接起動方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動系統(tǒng)的沖擊和事故之外，8~10倍的起動電流造成巨大的能量損耗。(2)在進行電動機容量選配時，往往片面追求大的安全余量，結果使電動機容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導致電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數(shù)降低。(3)從電動機拖動的生產(chǎn)機械自身的運行經(jīng)濟性考慮，往往要求電機拖動系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)能力，若用定速定壓拖動，勢必造成大量的額外電能損失。電動機的非經(jīng)濟運行情況，早已引起國家有關部門的重視，并分別于1990年和1995年制定和修定了一個強制性的國家標準：《三相異步電動機經(jīng)濟運行》（GB12497-1995）。希望依此來規(guī)范三相異步電動機的經(jīng)濟運行，國標的發(fā)布對電動機的經(jīng)濟運行起了很大的促進作用。本章介紹異步電動機降壓軟起動技術及其優(yōu)化節(jié)能控制技術。,5.1異步電動機的軟起動,在一般情況下，異步電動機的起動電流比較大，而起動轉矩并不大。對于一般的鼠籠形電動機，起動電流和起動轉矩對其額定值的倍數(shù)大約為,起動電流倍數(shù),,起動轉矩倍數(shù),,式中，,、,,為異步電動機直接起動時的起動電流；,,、,為異步電動機額定電流；,,、,,為異步電動機直接起動時的起動轉矩；,,、,,為異步電動機額定轉矩。,對于小容量電動機，只要供電網(wǎng)絡和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機容量大4倍以上），而供電線路并不太長（起動電流造成的瞬時電壓降落低于10%~15%），可以直接通電起動，操作也很簡便。中、大容量電動機的起動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其他用電設備的正常運行，甚至使該電動機本身根本起動不起來。這時，必須采取措施來降低其起動電流。,歸納起來，對電動機的起動性能提出了以下幾個方面的要求：(1)要求電動機有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的起動轉矩和符合要求的機械特性曲線。(2)盡可能小的起動電流。(3)起動設備盡可能簡單、經(jīng)濟、可靠，起動操作方便。(4)起動過程中的功率消耗應盡可能的少。根據(jù)以上相互矛盾的要求和電網(wǎng)的實際情況，通常采用的起動方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動方式，另一種是降壓起動方式。,5.1.1直接起動的危害,直接起動是最簡單的起動方式，起動時通過閘刀或接觸器將電動機直接接到電網(wǎng)上。直接起動的優(yōu)點是起動設備簡單，起動速度快。但是直接起動的危害很大：,（1）對電網(wǎng)的沖擊：過大的起動電流（空載起動電流可達額定電流的4~7倍，帶載起動時可達8~10倍或更大），會造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設備的正常運行，還可能使欠壓保護動作，造成設備的有害跳閘。,（2）對電動機的沖擊：過大的沖擊轉矩往往造成電動機轉子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導致?lián)舸龣C；轉軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等；另外過大的起動電流會使電機繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命。（3）對生產(chǎn)機械的沖擊：起動過程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門的損傷，縮短使用壽命；影響傳動精度，甚至影響正常生產(chǎn)過程。所有這些都給設備的安全可靠運行帶來威脅，同時也造成過大的起動能量損耗，尤其當頻繁起停時更是如此。因此對電動機直接起動有以下限制條件：,（1）生產(chǎn)機械是否允許拖動電動機直接起動，這是先決條件；（2）電動機的容量應不大于供電變壓器容量的10~15%（3）起動過程中的電壓降△U應不大于額定電壓的15%。對于中、大功率的電動機一般都不允許直接起動，而要求采用一定的起動設備，方可完成正常的起動工作。,5.1.2傳統(tǒng)降壓起動方式的適用場合及性能比較,降壓起動的目的是減小起動電流，但它同時也使起動轉矩下降了。對于重載起動，帶有大的峰值負載的生產(chǎn)機械，就不能用這種方式起動。傳統(tǒng)的降壓起動有以下幾種方法：,（1）星形/三角形轉換器：這種方法適用于正常運行時定子繞組采用△接法的電動機。定子有六個接頭引出，接到轉換開關上，起動時采用星形接法，起動,完畢后再切換成△接法。起動電壓為220V，運行電壓為380V。這種起動設備的優(yōu)點是起動設備簡單，起動過程中消耗能量少。缺點是有二次電流沖擊，設備故障率高，需要經(jīng)常維護，所以不宜使用在頻繁起動的設備上。在轉換過程中，由于瞬變電勢和電動機剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差，嚴重時會產(chǎn)生電壓相加，引起過大的沖擊電流和電磁轉矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動電壓為運行電壓的1/,，故其起動轉矩為額定轉矩的,1/3，只能用在空載或輕載（負載率小于1/3）起動的設備。在電動機輕載或空載運行時，也可利用該起動設備作降壓運行，以提高電動機的功率因數(shù)和效率。,（2）自耦變壓器降壓起動：三相自耦變壓器（也稱補償器）高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動機，一般有幾個分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動轉矩的負載。在電動機起動后再將其切除。其優(yōu)點是起動電壓可以選擇，如0.65、0.8或0.9UN，以適應不同負載的要求。缺點是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費用高。,(3)磁控軟起動器：磁控軟起動器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理，在電動機起動過程中電壓可由一個較低的值平滑地上升到全壓，使電動機軸上的轉矩勻速增加，起動特性變軟，并可實現(xiàn)軟停車。但其起控電壓在200V左右，用戶不可調(diào)整，會有較大的電流沖擊，且體積較大。,(4)對于高壓電機，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實現(xiàn)降壓起動，待起動完成后再將其切除。但電抗器成本高，水電阻損耗又大。,(5)對于繞線式異步電動機，可在轉子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實現(xiàn)起動，待起動完成后再將其切除。但頻敏變阻器成本高，而水電阻損耗又大。其他定子串電阻起動等方法。值得指出的是：盡管各種傳統(tǒng)降壓起動方法各有其優(yōu)缺點，但它們有一個共同的優(yōu)點：就是沒有諧波污染。,5.1.3軟起動器,1.工作原理根據(jù)電機學原理，在下述三個假定條件下：①忽略空間和時間諧波；②忽略磁飽和；③忽略鐵損。異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖5-1所示。,圖5-1異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路,一般情況下，Lms>>Lsσ，這相當于將上述假定條件的第③條改為“忽略鐵損和勵磁電流”。這樣，由圖5-1可以推導出,,（5.1）,令s=1，可求出起動電流Issta,,（5.2）,而電磁功率Pm=3I2rRr/s，同步機械角轉速ωm=ωs/np，np為極對數(shù)，則異步電動機的電磁轉矩為,,（5.3）,令s=1，可求出起動轉矩,,（5.4）,式（5.3）表明，隨著晶閘管變流裝置輸出電壓的逐漸增加，電磁轉矩成平方的加大，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑起動。由式（5.2）可知，當電壓降低時，起動電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開起動電流沖擊的高峰，避免起動過流跳閘。但是，式（5.4）又表明，起動轉矩與電壓的平方成正比，起動轉矩的減小將比起動電流的降低更快，降壓起動時又會出現(xiàn)起動轉矩夠不夠的問題。為了避免這個麻煩，降壓起動只適用于中、大容量電動機空載（或輕載）起動的場合。視起動時所帶負載的大小，起動電流可在(0.5~4)IsN之間調(diào)整，以獲得最佳的起動效果，但無論如何調(diào)整都不宜于滿載起動。負載略重或靜摩擦轉矩較大時，可在起動時突加短時的脈沖電流，以縮短起動時間。,待電機達到額定轉速時，起動過程結束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管變流器，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟起動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。,軟起動器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，用相位控制改變輸出電壓，如圖5-2所示。,圖5-2軟起動控制結構框圖,2.軟起動器的起動方式所謂“軟起動”，實際上就是按照預先設定的控制模式進行的降壓起動過程。目前的軟起動器一般有以下幾種起動方式：,（1）限流軟起動：限流起動顧名思義就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設定值（Im）的軟起動方式。主要用在輕載起動的負載的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值,Im，然后在保持輸出電流I
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