引言
交流高壓電動機在全壓直接啟動時,啟動電流會達到額定電流的4～8倍。當電機的容量相對于電網容量較大時,啟動電流會引起電網電壓的急劇下降,使電網失去穩(wěn)定性,影響同電網其他設備的正常運行,同時,電動機線圈發(fā)熱量是電機正常運行時的30多倍,產生的電磁力同樣達到了30多倍。過高的溫度、過快的加熱速度、過大的溫度梯度和電磁力,都會對電機產生極大的破壞,發(fā)熱會使絕緣加速老化,電磁力會使線圈變形、結構松動,影響電動機使用壽命。
目前,緩解交流高壓電動機啟動沖擊主要采用以下幾種軟啟動方式:(1）固態(tài)可控硅軟啟動:啟動線性平滑,可控制啟動電流在3～4倍。(2）液力耦合軟啟動:啟動效果好,但維護較難,有啟動次數(shù)限制,受環(huán)境影響較大,已基本被淘汰,可控制啟動電流在2～3倍。(3）自耦降壓啟動:結構復雜,需要專門的變壓器,可控制啟動電流在3～4倍。
以上幾種啟動方式最優(yōu)效果也僅能保證啟動沖擊電流在兩倍左右,當電網容量受到限制時,無法解決電機啟動沖擊問題。采用變頻器無擾動同步軟啟方式,可將啟動電流限制在電機額定電流以內,不必考慮電網容量限制,對電機和電網沖擊小,可大大延長電機使用壽命。
1切換方式的選擇
采用變頻器軟啟動電機,有兩種控制方式:
(1）非無擾動同步切換。先斷開變頻器輸出,電機進入自由滑行停車狀態(tài),電磁力消失后,投入工頻電源,電機切至工頻運行。此種方式簡單易行,然而在投入工頻電源時會產生較大沖擊電流,電網容量受限時,切換易失敗。
(2）無擾動同步切換。采用變頻器拖動電機加速至工頻轉速,調節(jié)變頻器輸出,與工頻電源側達成一致,比對無誤后,投入工頻電源,然后切斷變頻器輸出。此種方式在電源切換時不會產生沖擊電流,一般可將電流控制在電機額定電流以內,是目前較為先進、效果最好的電機軟啟方式。
無擾動同步切換采用變頻器作為軟啟動主設備,當變頻器輸出條件達到電網同期狀態(tài)后將電機控制權交付電網,變頻器自動退出。該切換模式通過變頻器對電網電壓進行跟隨并轉換為電流控制模式,使變頻器與電網經過短時重疊工作而實現(xiàn)電機電流平穩(wěn)過渡。
調節(jié)變頻器輸出達到電網同期狀態(tài)主要包括三個參數(shù):電壓、頻率、相位,三個參數(shù)差值必須控制在允許范圍內,變頻器必須實時檢測三條件,變頻器本體增設電網電壓互感器,同時還需增設由輸出緩沖器、切換接觸器及PLC等組成的同步切換回路,輸出緩沖器用來緩解在允許范圍內切換時的沖擊。
此外,同步切換必須遵從正確的切換邏輯,以確保切換無誤。其主要過程包括變頻器啟動輸出、鎖相等待過程、鎖相、電壓跟隨、控制模式轉換及同步接觸器切換邏輯輸出等環(huán)節(jié),切換邏輯時序如圖1所示。
2高壓變頻器無擾動同步軟啟動技術的應用
2.1項目介紹
海南乾金達礦業(yè)集團有限公司是一家成立于20世紀90年代初的大型民營企業(yè),從事有色金屬和貴金屬的勘探、開采、選礦、冶煉以及礦產品的經銷業(yè)務。該礦為海南省開采的最大地下礦井,年處理30萬噸鉬礦石。
乾金達鉬業(yè)主排水泵房共安裝有6臺6kv/1000kw排水泵,由于受到電網容量所限,6臺排水泵不能采用全壓直接啟動的方式,需要加裝軟啟動裝置,經過電氣人員反復調查研究,決定采用高壓變頻器改造其中4臺排水泵,實現(xiàn)軟啟動。
2.2主回路構成
考慮到經濟效益,系統(tǒng)采用兩臺變頻器分別一拖二實現(xiàn)排水泵的啟動,主回路構成如圖2所示。
整個系統(tǒng)包含有開關柜兩臺、高壓變頻器一套、尋相裝置一套、輸出緩沖器一臺、旁路柜兩臺(用于一拖二）。
尋相裝置主要由PLC、輸入側電壓互感器、輸出側電壓互感器、繼電器等組成,負責采集電網電壓和變頻器輸出電壓情況,經輸入回路送至PLC,PLC按照電網電壓條件調節(jié)變頻器輸出電壓,直至達到并網條件,控制變頻器進入電壓跟隨狀態(tài),此時變頻器輸出根據電網電壓調節(jié),直至鎖相成功,同步切換條件達成,PLC下達指令給外部繼電器接通網側電源,此過程中,電網與變頻器并網運行,電網投切完成后,變頻器進入電流控制模式,為外部開關切換動作提供充足的時間,確保同步投切過程的平滑過渡,變頻器封鎖輸出,外部開關動作,電機轉為工頻運行。
2.3輸出緩沖器選型
輸出緩沖器主要由電抗器組成,負責抑制電網電壓與變頻器輸出電壓差異引起的沖擊,避免電網與變頻器并網運行時電網對變頻器的沖擊傷害損壞變頻器,選擇過小時起不到抑制沖擊電流的作用,過大時會影響變頻器輸出,產生壓降,降低電機效率。經過反復計算和效果驗證,6kV/1000kw的異步電動機,其同步切換電抗器為:6kV/120A/2.7mH。計算公式為:
式中,v為電壓降;o為角頻率;L為電抗器電感量;1為額定電流;/為額定頻率。
2.4無擾動同步軟啟控制過程
為方便靈活應用,控制系統(tǒng)配有選擇模式,既可實現(xiàn)排水泵的無擾動同步軟啟動,又可實現(xiàn)變頻器拖動排水泵調速運行。
系統(tǒng)啟動前,對系統(tǒng)進行合閘,控制電源上電操作,接通各個低壓電源使控制系統(tǒng)工作,PLC及變頻器自檢完成后準備完畢,由操作人員選擇:(1）排水泵M1變頻調速模式;(2）排水泵M1無擾動軟啟模式;(3）排水泵M2變頻調速模式;(4）排水泵M2無擾動軟啟模式。
以排水泵M1無擾動軟啟模式為例:選擇(2）排水泵M1無擾動軟啟模式,閉合變頻器的輸出開關KM13,檢測無異常后合上變頻器的進線開關KM11,使變頻器受電,變頻器受電正常后,發(fā)出變頻器運行指令,變頻器按照預訂的速度指令帶動電機從零速開始啟動加速(啟動過程中電機的各類電氣保護由變頻器來負責）,當變頻器拖動電機達到電網側工頻轉速時,電壓波形如圖3所示;尋相裝置鎖相成功,且達到并網條件后,電壓波形如圖4所示。系統(tǒng)發(fā)出指令控制排水泵M1的工頻開關KM12閉合,當工頻開關KM12完成閉合動作后,變頻器輸出聯(lián)鎖切斷,變頻器停止輸出,輸出開關KM13斷開。在此過程中保持KM4斷開。啟動過程結束。
從以上啟動過程來看,關鍵步驟是鎖相開始至電流控制環(huán)節(jié),整個過程中檢測參數(shù)的精確性和各器件動作的及時性都關乎成敗,而PLC控制器內部的檢測采集回路、分析計算、
比較環(huán)節(jié)和控制響應等是整個系統(tǒng)的核心所在。
2.5無擾動同步軟啟改造效果
經過現(xiàn)場實際觀察測量,變頻器無擾動同步軟啟排水泵時,啟動電流始終保持在額定電流以內,啟動切換平穩(wěn),對電網無沖擊,諧波小,對電網電氣設備影響小,未對電機絕緣造成不良影響,達到了預期效果。系統(tǒng)還整合有變頻調速運行模式,用戶可根據現(xiàn)場需要靈活調整運行方式,提高變頻器使用效率,節(jié)約電能。
3結語
經過多個實驗及項目的驗證,高壓變頻器無擾動同步軟啟技術可以有效解決變頻運行方式到工頻運行方式轉換的交流大容量電動機的啟動沖擊問題,不僅適用于鼠籠式異步電動機,亦適用于繞線式電動機和同步電動機。此技術的關鍵在于解決切換過程中的大電流問題,需要精確的計算和精準的控制技術,選擇合理的輸出緩沖電抗器電感值才能達到預期效果。切換過程中各個開關的精確控制關乎切換結果的成敗,最大程度縮小鎖相后電網電源與變頻器輸出電壓幅值、相位、頻率之間的差值是減小切換時沖擊電流的關鍵。整個切換過程由PLC智能化自動控制,無需人工操作,方便簡單,靈活配置,是提高工業(yè)自動化水平的主要手段。
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