異步電機(jī)軟起動(dòng)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(dòng)及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),在工礦企業(yè)中使用著大量的異步電動(dòng)機(jī)（包括380V/660V低壓電動(dòng)機(jī)和3kV/6kV中壓電動(dòng)機(jī)），有相當(dāng)多的異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)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(dòng)方式，除了造成對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和事故之外，8~10倍的起動(dòng)電流造成巨大的能量損耗。(2)在進(jìn)行電動(dòng)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(dòng)機(jī)容量過(guò)大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導(dǎo)致電動(dòng)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)能力，若用定速定壓拖動(dòng)，勢(shì)必造成大量的額外電能損失。電動(dòng)機(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，早已引起國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》（GB12497-1995）。希望依此來(lái)規(guī)范三相異步電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，國(guó)標(biāo)的發(fā)布對(duì)電動(dòng)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(dòng)機(jī)降壓軟起動(dòng)技術(shù)及其優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)。,5.1異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng),在一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流比較大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。對(duì)于一般的鼠籠形電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)其額定值的倍數(shù)大約為,起動(dòng)電流倍數(shù),,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù),,式中，,、,,為異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流；,,、,為異步電動(dòng)機(jī)額定電流；,,、,,為異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；,,、,,為異步電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。,對(duì)于小容量電動(dòng)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(zhǎng)（起動(dòng)電流造成的瞬時(shí)電壓降落低于10%~15%），可以直接通電起動(dòng)，操作也很簡(jiǎn)便。中、大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)壓降過(guò)大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使該電動(dòng)機(jī)本身根本起動(dòng)不起來(lái)。這時(shí)，必須采取措施來(lái)降低其起動(dòng)電流。,歸納起來(lái)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能提出了以下幾個(gè)方面的要求：(1)要求電動(dòng)機(jī)有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線。(2)盡可能小的起動(dòng)電流。(3)起動(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，起動(dòng)操作方便。(4)起動(dòng)過(guò)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(dòng)方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動(dòng)方式，另一種是降壓起動(dòng)方式。,5.1.1直接起動(dòng)的危害,直接起動(dòng)是最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)通過(guò)閘刀或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上。直接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)速度快。但是直接起動(dòng)的危害很大：,（1）對(duì)電網(wǎng)的沖擊：過(guò)大的起動(dòng)電流（空載起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的4~7倍，帶載起動(dòng)時(shí)可達(dá)8~10倍或更大），會(huì)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(dòng)作，造成設(shè)備的有害跳閘。,（2）對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊：過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動(dòng)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(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等；另外過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)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(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊：起動(dòng)過(guò)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(dòng)精度，甚至影響正常生產(chǎn)過(guò)程。所有這些都給設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)威脅，同時(shí)也造成過(guò)大的起動(dòng)能量損耗，尤其當(dāng)頻繁起停時(shí)更是如此。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)有以下限制條件：,（1）生產(chǎn)機(jī)械是否允許拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)，這是先決條件；（2）電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)不大于供電變壓器容量的10~15%（3）起動(dòng)過(guò)程中的電壓降△U應(yīng)不大于額定電壓的15%。對(duì)于中、大功率的電動(dòng)機(jī)一般都不允許直接起動(dòng)，而要求采用一定的起動(dòng)設(shè)備，方可完成正常的起動(dòng)工作。,5.1.2傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方式的適用場(chǎng)合及性能比較,降壓起動(dòng)的目的是減小起動(dòng)電流，但它同時(shí)也使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降了。對(duì)于重載起動(dòng)，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(dòng)。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)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(dòng)機(jī)。定子有六個(gè)接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，起動(dòng)時(shí)采用星形接法，起動(dòng),完畢后再切換成△接法。起動(dòng)電壓為220V，運(yùn)行電壓為380V。這種起動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)過(guò)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(dòng)的設(shè)備上。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于瞬變電勢(shì)和電動(dòng)機(jī)剩磁產(chǎn)生的電勢(shì)往往與電源電壓有相位差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓相加，引起過(guò)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(dòng)電壓為運(yùn)行電壓的1/,，故其起動(dòng)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(dòng)的設(shè)備。在電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí)，也可利用該起動(dòng)設(shè)備作降壓運(yùn)行，以提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率。,（2）自耦變壓器降壓起動(dòng)：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(dòng)機(jī)，一般有幾個(gè)分接頭，可選擇不同的電壓比，相對(duì)于不同起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)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(dòng)器：磁控軟起動(dòng)器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，起動(dòng)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(huì)有較大的電流沖擊，且體積較大。,(4)對(duì)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(dòng)，待起動(dòng)完成后再將其切除。但電抗器成本高，水電阻損耗又大。,(5)對(duì)于繞線式異步電動(dòng)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(dòng)，待起動(dòng)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(dòng)等方法。值得指出的是：盡管各種傳統(tǒng)降壓起動(dòng)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(méi)有諧波污染。,5.1.3軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖5-1所示。,圖5-1異步電動(dòng)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(dòng)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(duì)數(shù)，則異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為,,（5.3）,令s=1，可求出起動(dòng)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(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑起動(dòng)。由式（5.2）可知，當(dāng)電壓降低時(shí)，起動(dòng)電流將隨電壓成正比地降低，從而可以避開起動(dòng)電流沖擊的高峰，避免起動(dòng)過(guò)流跳閘。但是，式（5.4）又表明，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小將比起動(dòng)電流的降低更快，降壓起動(dòng)時(shí)又會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩夠不夠的問(wèn)題。為了避免這個(gè)麻煩，降壓起動(dòng)只適用于中、大容量電動(dòng)機(jī)空載（或輕載）起動(dòng)的場(chǎng)合。視起動(dòng)時(shí)所帶負(fù)載的大小，起動(dòng)電流可在(0.5~4)IsN之間調(diào)整，以獲得最佳的起動(dòng)效果，但無(wú)論如何調(diào)整都不宜于滿載起動(dòng)。負(fù)載略重或靜摩擦轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，可在起動(dòng)時(shí)突加短時(shí)的脈沖電流，以縮短起動(dòng)時(shí)間。,待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，軟起動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管變流器，為電動(dòng)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(zhǎng)軟起動(dòng)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(dòng)器一般用三對(duì)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(dòng)控制結(jié)構(gòu)框圖,2.軟起動(dòng)器的起動(dòng)方式所謂“軟起動(dòng)”，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(dòng)過(guò)程。目前的軟起動(dòng)器一般有以下幾種起動(dòng)方式：,（1）限流軟起動(dòng)：限流起動(dòng)顧名思義就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值（Im）的軟起動(dòng)方式。主要用在輕載起動(dòng)的負(fù)載的降壓起動(dòng)，其輸出電壓從零開始迅速增長(zhǎng)，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(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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