異步電機(jī)軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù).ppt
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第5章異步電機(jī)軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù),運(yùn)動控制系統(tǒng),在工礦企業(yè)中使用著大量的異步電動機(jī)（包括380V/660V低壓電動機(jī)和3kV/6kV中壓電動機(jī)），有相當(dāng)多的異步電動機(jī)及其拖動系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)，白白地浪費(fèi)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(jī)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(jìn)行電動機(jī)容量選配時(shí)，往往片面追求大的安全余量，結(jié)果使電動機(jī)容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導(dǎo)致電動機(jī)偏離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率和功率因數(shù)降低。(3)從電動機(jī)拖動的生產(chǎn)機(jī)械自身的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮，往往要求電機(jī)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(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，早已引起國家有關(guān)部門的重視，并分別于1990年和1995年制定和修定了一個(gè)強(qiáng)制性的國家標(biāo)準(zhǔn)：《三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》（GB12497-1995）。希望依此來規(guī)范三相異步電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，國標(biāo)的發(fā)布對電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起了很大的促進(jìn)作用。本章介紹異步電動機(jī)降壓軟起動技術(shù)及其優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)。,5.1異步電動機(jī)的軟起動,在一般情況下，異步電動機(jī)的起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。對于一般的鼠籠形電動機(jī)，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩對其額定值的倍數(shù)大約為,起動電流倍數(shù),,起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù),,式中，,、,,為異步電動機(jī)直接起動時(shí)的起動電流；,,、,為異步電動機(jī)額定電流；,,、,,為異步電動機(jī)直接起動時(shí)的起動轉(zhuǎn)矩；,,、,,為異步電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。,對于小容量電動機(jī)，只要供電網(wǎng)絡(luò)和變壓器的容量足夠大（一般要求比電機(jī)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(shí)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(jī)的起動電流大，會使電網(wǎng)壓降過大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動機(jī)本身根本起動不起來。這時(shí)，必須采取措施來降低其起動電流。,歸納起來，對電動機(jī)的起動性能提出了以下幾個(gè)方面的要求：(1)要求電動機(jī)有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的起動轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線。(2)盡可能小的起動電流。(3)起動設(shè)備盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，起動操作方便。(4)起動過程中的功率消耗應(yīng)盡可能的少。根據(jù)以上相互矛盾的要求和電網(wǎng)的實(shí)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(shí)通過閘刀或接觸器將電動機(jī)直接接到電網(wǎng)上。直接起動的優(yōu)點(diǎn)是起動設(shè)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(dá)額定電流的4~7倍，帶載起動時(shí)可達(dá)8~10倍或更大），會造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能使欠壓保護(hù)動作，造成設(shè)備的有害跳閘。,（2）對電動機(jī)的沖擊：過大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī)；轉(zhuǎn)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(jī)繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機(jī)壽命。（3）對生產(chǎn)機(jī)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(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來威脅，同時(shí)也造成過大的起動能量損耗，尤其當(dāng)頻繁起停時(shí)更是如此。因此對電動機(jī)直接起動有以下限制條件：,（1）生產(chǎn)機(jī)械是否允許拖動電動機(jī)直接起動，這是先決條件；（2）電動機(jī)的容量應(yīng)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(yīng)不大于額定電壓的15%。對于中、大功率的電動機(jī)一般都不允許直接起動，而要求采用一定的起動設(shè)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(shí)也使起動轉(zhuǎn)矩下降了。對于重載起動，帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)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(zhuǎn)換器：這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用△接法的電動機(jī)。定子有六個(gè)接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，起動時(shí)采用星形接法，起動,完畢后再切換成△接法。起動電壓為220V，運(yùn)行電壓為380V。這種起動設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動設(shè)備簡單，起動過程中消耗能量少。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊，設(shè)備故障率高，需要經(jīng)常維護(hù)，所以不宜使用在頻繁起動的設(shè)備上。在轉(zhuǎn)換過程中，由于瞬變電勢和電動機(jī)剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生電壓相加，引起過大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動電壓為運(yùn)行電壓的1/,，故其起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的,1/3，只能用在空載或輕載（負(fù)載率小于1/3）起動的設(shè)備。在電動機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí)，也可利用該起動設(shè)備作降壓運(yùn)行，以提高電動機(jī)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(bǔ)償器）高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動機(jī)，一般有幾個(gè)分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。在電動機(jī)起動后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)是起動電壓可以選擇，如0.65、0.8或0.9UN，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。缺點(diǎn)是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費(fèi)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(jī)起動過程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，起動特性變軟，并可實(shí)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(jī)，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)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(jī)，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實(shí)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(diǎn)，但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)：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(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：①忽略空間和時(shí)間諧波；②忽略磁飽和；③忽略鐵損。異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖5-1所示。,圖5-1異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路,一般情況下，Lms>>Lsσ，這相當(dāng)于將上述假定條件的第③條改為“忽略鐵損和勵(lì)磁電流”。這樣，由圖5-1可以推導(dǎo)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(jī)械角轉(zhuǎn)速ωm=ωs/np，np為極對數(shù)，則異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為,,（5.3）,令s=1，可求出起動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩成平方的加大，電動機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑起動。由式（5.2）可知，當(dāng)電壓降低時(shí)，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(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩的減小將比起動電流的降低更快，降壓起動時(shí)又會出現(xiàn)起動轉(zhuǎn)矩夠不夠的問題。為了避免這個(gè)麻煩，降壓起動只適用于中、大容量電動機(jī)空載（或輕載）起動的場合。視起動時(shí)所帶負(fù)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(fù)載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，可在起動時(shí)突加短時(shí)的脈沖電流，以縮短起動時(shí)間。,待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動過程結(jié)束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管變流器，為電動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)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(gè)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(jié)構(gòu)框圖,2.軟起動器的起動方式所謂“軟起動”，實(shí)際上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)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(jī)的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值（Im）的軟起動方式。主要用在輕載起動的負(fù)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(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值,Im，然后在保持輸出電流I下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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