电动机软启动与变频调速技PPT课件.ppt

电动机软启动与变频调速技 1 电动机软启动部分 一 交流异步电动机的启动交流异步电动机的启动是指电动机接通电源到稳定运行的过程 电动机的启动分直接启动和启动器启动两种 2 1 电动机直接启动 电动机直接启动也称全压启动 电动机直接接入电网额定电压 电动机三相定子绕组在获得全部电压下启动 优点 简单 经济 可靠缺点 1 启动电流大IS 5 8 Ie启动转矩并不大TS 0 9 1 3 Te则 启动转矩较小TS 1 1Te 重载时 电机出现堵死现象 电机启不动 时间长后损坏电机 3 电流过大会使电源变压器输出电压下降 严重时出现 A 启动转矩严重下降 T U12 可能无法启动 B 影响同一电网的其它电气设备正常运行 C 严重时使供电系统因为过载跳闸 2 产生峰值转矩 突发转矩 对电机本身和负载传动产生冲击 产生不良后果 4 2 采用启动器启动 希望启动电流小 启动转矩大 减少冲击 由电机理论可知采用启动器启动可以实现 1 降低启动电流方法 降低电源电压 加大定子或转子边的电阻或电抗 2 增大启动转矩方法 适当增大转子电阻 减少电源频率 3 减少冲击方法 启动转矩斜坡式增大 5 3 启动方式的选择依据 采用直接启动必须满足的三个条件 1 变压器与电动机容量比够大 保证启动时电源电压降在允许范围内 供电系统的压降要求 频繁启动 电压波动 10 不频繁启动 电压波动 15 无敏感负载 20 6 单台变压器供电由负载要求的启动转矩决定 电压降估算公式 式中 Kst 启动电流倍数Soth 其它负载容量STe 变压器容量KU 变压器阻抗电压降 4 5 7 6KV以上高压电动机直接启动条件 1 经验公式 其它负荷0 55STe 频繁启动 不频繁启动式中Ste 变压器额定容量式中Pe 电动机额定功率 8 2 启动转矩满足条件 TS 1 1Te 或TL 3 启动冲击要能满足负载机械的要求 9 4 电动机启动的原理 种类及选用 1 电动机的启动特性 电动机的等效电路启动瞬间n OS 1 10 电动机的机械特性 TS 启动转矩 瞬间 Tm 最大转矩TL 负载转矩IS 启动电流 瞬间 n 转速 瞬间 T f n 机械特性I f n 电流与转速关系 11 电磁转矩基本公式 电磁转矩计算公式电磁转矩实用公式电磁转矩磁通表示公式 12 最大转矩公式 r12不超过 x1 x2 2的5 r1忽略 过载能力K Tm Te启动转矩公式 瞬间 n 0s 1 13 定子电流公式 忽略励磁电流 启动电流公式 瞬间 S 1可见IS 与U2 X1 X2 r1 r2 相关 14 2 启动器的种类 降低电压U1A 星三角启动 延边三角 B 自藕变压器启动器C 开关变压器启动器D 晶闸管软启动器 加大定子边电阻或电感 串入 A 定子串电抗器启动器B 定子串电阻启动器 液组启动器 热变阻启动器 磁控式启动器 15 加大转子电阻或电感 串入 A 转子串电阻启动器B 频敏电阻启动器 16 3 启动器的选用 根据不同的供电电网容量 不同的负载及不同的启动性能要求 选择不同类型的启动器 同时考虑启动器的简单 经济 可靠 耐用等因素 可参考表1 1 P13 17 5 启动器的现状和发展方向 软启动器是一种时尚 所有的启动器都冠名 软启动器 理论上分 1 变频器属于变频启动装置 2 其它启动器属降压启动装置控制方式分 1 有极 2 无极调节原件物理形态分 1 固态 2 液态软启动器指 晶闸管电机软启动器 国家文件称 交流电动机电力电子软启动器装置 18 1 目前国内启动器的应用状况 低压启动器 软启动器为主星三角 频敏变阻启动器少数 高压启动器 液阻启动器为主磁控式启动器少数软启动器不多 势在增多 19 2 高压软启动器的产品现状 产品成熟公司 美国AB 英国CT 法国TE 施耐德 瑞典ABB 德国西门子 AE等 国内处于起步阶段 奥托3KV 15KV 摩鹰 20 3 晶闸管电机软启动器是目前最先进的也是今后的发展方向 采用了现代控制理论 计算机技术和电力电子技术相结合的高科技产品 优势 1 根据不同负载要求设置启动电流 转矩 时间及停机时间等参数 2 启动平滑性能好 3 较强的保护功能 维护少 寿命长 21 不足 1 启动过程中产生高次谐波较多 影响电机性能 易发热 2 目前性价比较高 本次重点讲解 晶闸管电动机软启动器 简称软启动器 非其它形式的启动器 22 二 软启动器的原理与主电路的结构 晶闸管电机软启动器实质就是晶闸管交流调压器 通过这个交流调压器来改变加到电机上的电源电压 1 晶闸管交流调压器的原理及特点 如图所示 每相由二只晶闸管反并联连接串入 通过对晶闸管的控制就可以对交流电压进行调压 23 1 晶闸管的控制方法 相位控制相位控制是通过控制晶闸管的通断控制电源电压的输出波形的控制方式 不同的控制角 可以得到不同的输出电压 U f 从而起到调压的作用 控制角 150 过零点为0 导通角 180 续流角 功率因数角 24 当 时 每只晶闸管导通角为180 不起调压作用 当 150 时 从三相电压波形可知 当A相相位大于150 以后 UA UB 晶闸管上是反电压 不导通 不起调压作用 25 通断控制 这种方法是控制晶闸管的同或断 使电源电压波形在控制周期T内通过几个周期 关断几个周期达到调压的目的 晶闸管的控制角一般为0 优点 产生谐波少缺点 A 通断交替周期较长 输出电压波动大B 电源断开间隙 电机处于发点电状态电源接通瞬间产生较大的电冲击 不适合用作电机软启动 26 2 软启动器主电路结构 1 低压软启动器主电路结构VT1 VT4两个晶闸管反并联 调压元件L1 L2互感器二次信号输出 电流 R C吸收电路 吸收瞬态电压尖峰 抑制正向电压上升率du dtRV压敏电阻 过压保护 27 三相全控Y接法 电源正负半圆对称 负载只产生奇次谐波电流 无偶次谐波电流和直流分量 三相全控 接法 无中性线性能同Y接法 28 三相全控内 接法 特点是晶闸管上的电流小 耐压高 线电压 引线端多 使用较少其它方式的实用价值不大 29 2 高压软启动器的主电路结构 具有两种软启动器结构形式 晶闸管直接串联形式和开关变压器形式 晶闸管直接串联形式这是由低压软启动器演变而来 工作原理与结构形式相同 只是单个晶闸管耐压达不到水平 因此 每个臂由多只晶闸管串联组成 称为高压晶闸管阀 30 下图为6KV高压软启动器的结构 KM 真空接触器 晶闸管旁路接触器 三只晶闸管相串联 共18只晶闸管 31 特点要求 A 晶闸管的一致性尽量好B 采取均压措施 解决晶闸管静态和动态均压问题 C 同一臂各个晶闸管的触发信号同步性要好 D 晶闸管阀的额定电压要足够高 一般是电压幅值的3倍以上 突出的问题是均压问题 技术难度较大 成本较高 高压变频器采取了其它多种方案 避免这问题 其它方案在研究之中 开关变压器形式只是其中一种方式 32 3 软启动器的系统结构 1 基本配线图 33 2 系统框图 34 同步检测 找出电源的过零点作为控制角的起始点 触发脉冲系统 根据微电脑发出的控制信号 形成触发脉冲 经隔离放大后 控制晶闸管门极 电流检测 测出输出电流值送入微电脑 用作控制计算参数 触发角 保护等 操作盘 用作参数设置和操作 显示 显示相关功能和参数值 接口电路 处理I O信号 35 3 电动机软启动时的机械特性 电动机不同电压的机械特性nO 60f1 p CT U2 36 三 软启动器的控制方式 控制方式的几个发展阶段 电压斜坡控制式 电流斜坡控制 闭环电压 电流限幅控制 闭环转矩控制发展方向 自适应控制 模糊控制 智能控制 不断提高性能 37 1 电压斜坡控制方式 电压斜坡控制方式是原始的控制方式 其他方式都是在此基础上发展的 Ud作为积分电路输入斜坡斜率决定于积分时间 可设定无反馈系统 仅过电流保护 电压斜坡式控制原理框图 38 U0为初始电压 能使负载转动所需要的最小电压值 需反复调试确定合理的U0后才能达到较理想的效果 39 附加功能 电压突跳功能 在斜坡启动方式的电压曲线上叠加一个短时脉冲电压UK 启动初始产生一个较大的启动转矩 解决具有较大静转矩负载的启动 如 球磨机 电流限幅功能 限制启动电流值不超过希望值 40 A 直接限制电流 41 电流限幅控制方式原理框图 42 B 通过控制启动电压来限制电流 适用于恒转矩负载 电网容量有限 在允许电流下启动 43 2 电流斜坡控制方式 在电流限幅控制的基础上 在启动初始阶段t1 启动电流按电流斜坡线上升 直至电流限幅值 适用于风机水泵类负载 启动初始需要启动转矩较小 这种有较好的启动平滑性 44 3 转矩控制方式 大功率电动机启动过程后期 由于功率因数变化较大 电机转速经常超过同步转速 经震荡过程后方稳定运行的 超标 现象 惯性越小越严重 电流闭环控制会造成输出电流下降 经PID调节后 反而增大输出 使电机输出转矩更大 加增 超标 造成系统震荡 采用转矩控制方式可解决这个问题是显而易见的 45 TF电机实际转矩 TD为设定的转矩斜率与限幅曲线转矩传感器检测相关参数计算这样的软启动器能使在启动过程中 电机的输出转矩与设置的转矩一致 达到满意的启动效果 46 4 运行控制方式 晶闸管全通运行旁路运行 按旁路接触器 选用合适功率电机降压运行 1 全压运行 2 节能运行 轻载 47 5停车方式 1 自由滑行 停车时断开电源TB TL能耗制动机械动能耗于转子反接制动 制动转矩较大TB TN1 TL 冲击电流较大 n 0断开电源 3 软停车 停车时输出电压按斜坡曲线下降TB TC TM 停车时间大于自由滑行 非常缓慢 2 制动停车 48 四 软启动器的保护 晶闸管 1 过电流保护措施 常规保护 断路器 过电流继电器 过载热继电器 熔断丝 内部过电流保护功能 2 过压保护 尽量减少通断大电感 大电流设备 采取压敏电阻 RC吸收等措施 3 抑制电压电流的变化率 di dtdu dt du dt RC缓冲电路 di dt 串电感 49 五软启动器的选用 1 选型根据 交流电动机电力电子启动装置 的规定选择 AC52 a b 滑环电动机AC53 a b 笼型电动机AC58 a b 封闭制冷压缩机中电动机 自动复位过载脱扣 50 其中a 全压软启动器控制b 全压接触器控制2 结构选择 现场实际选择3 外壳防护等级选择 现场实际选择4 容量选择 一般按表7 21选择 51 下列情况需适当加大容量 重载状态运行 软启动全压运行 节能运行 晶闸管长期处于工作状 电机频繁启动 周期小于厂家规定值 供电电源容量太小 启动时降压过大 启动时间过长 启动时间短 负载惯性大 启动过程中具有较大冲击电流的负载 52 六软启动的应用举例 1 应用的基本电路种类全压软启动控制旁路接触器控制 2 正反转控制 3 多速电机控制 4 一拖几控制 多台电机并联启动 多台电机顺序启动 1 一般软启动 53 2 软启动器在变频恒压供水上的应用 1 水泵的水锤效应及空化现象由于水 液体 流动性 压缩性较小 当水泵快速启动时 供水量猛增 短时间内水流量巨大变化引起管道壁压强过大的冲击 引起声响如锤击 称水锤效应 现象 空化现象是水流量巨大变化 引起管道壁压强突减的现象 自由停车时也有水锤效应和空化现象 水锤效应及空化现象会使管道和阀门受到冲击而损坏 显然软启动器启动和停车可抑制水锤效应及空化现象 54 2 软启动器在变频恒压供水上的应用 所谓恒压供水是指通过恒压供水系统控制使供水管道内的供水水压始终保持在恒定值 其关键是由变频器对水泵变频调速实现的 变频调速恒压供水的方案很多 其中有一种较理想的典型方案是变频器调速和软启动器软启动相结合的恒压供水方式 55 变频调速和软启动恒压供水原理框图 56 可以三种运行方式 一台变频器对四台电机循环调速 软启动 停车 一台变频器对一台电机调速 三台由软启动器控制软启动 停车 亦可循环 一台软启动器对四台电机软启动 停车 系统由PC或PLC协调控制 57 七 软启动器应用中的主要问题及其处理 1 电磁兼容问题电磁兼容 性 设备或系统在其环境下能正常工作 且不对该环境中任何其它设备或系统构成不能承受的电磁干扰的能力 软启动器的电磁兼容性应是生产商使自己的产品符合国家规定的指标 作为用户只能在使用过程中采取相应措施减小对外部的电磁干扰和增强自身的抗干扰能力 确保设备的正常运行 58 1 减小对外部的干扰措施 增加隔离变压器 增加输入输出电抗器 提高接地性能 选用屏蔽电缆 2 增强抗干扰的能力 控制信号 对检测和控制信号引线采取 屏蔽接地 合理布线 隔离变压器 滤波 外套钢管 59 2 如何看待软启动器的节能问题 软启动器的优势在于使电动机具有良好的启动性能 利用软启动器节能运行要慎重考虑 一些厂家宣称70 以下的负载 可节能20 50 是虚假说词 实际节电效果70 负载节电小于2 10 的负载才节电20 不可能有这样的负载 微小的节电效果又带来极大的副作用 电机转子发热量大 电网高次谐波污染严重 软启动器长期工作发热等 60 3 软启动器能应用到绕线式电动机上么 绕线式电机采用转子串接电阻的启动方式既能增大启动转矩 理论上可达到电机的最大转矩 又有限制启动电流的作用 是个较完善的方式 提高运行性能可选用变频调速或绕线电动机调速控制器 61 4 软启动器接通电源 在未运行时 有输出电压 甚至能使小功率风机运转 正常么 正常 这是由于可控硅半导体器件处于关断状态具有正反向漏电流 mA级 这与可控硅的额定电流相关 一般额定电流越大 漏电流也就越大 较大时会伤害人体 62 5 提高软启动器工作可靠性的关键是什么 1 选好设备信誉好的品牌放宽裕量 2 提供较好的使用环境 温度 湿度 清洁度 包括采取防雷措施 接地符合规定要求 3 做好日常