高壓大功率交流電機的軟起動控制原理及應用

一、高壓軟起動原理、應用概述

　　高壓大功率交流異步電動機軟起動裝置是新一代高科技產品。主要適用于高壓交流電動機的起動、運行和停止的控制和保護。

　　太鋼目前投入運行的軟起動裝置均采用計算機控制技術和電力電子技術相結合，以高壓大功率晶閘管做主回路的開關元件，通過改變晶閘管的導通角來控制電動機電壓的平穩升降和無觸點通斷，實現電動機的平穩起停。可實現以起動電機所需的最小電流來起動電機，減少電流對電網的沖擊，降低設備的振動和噪聲，降低起動機械應力，延長電動機及相關設備的使用壽命。

　　軟起動裝置分主回路、控制回路，柜內主要電器及元件有真空接觸器（真空斷路器）、可控硅、雙CPU控制系統、高壓電壓互感器、高壓電流互感器等，可以根據不同的應用情況設置初始轉矩、起動時間、停機時間、限流和各種保護值等。平滑的起動特性和免維護等使其具有傳統軟起動方法無法比擬的優越性。

圖1 系統工作原理圖

二、高壓軟起動原理、應用實例分析

　　例如一臺高壓水泵系統基本技術數據如下：

　　1.1 電機型號：YK3000-2/1430

　　電壓：10KV

　　功率：3000KW

　　額定電流：199A

　　安裝地點：室內

　　1.2 負載類型：除磷泵電機

　　1.3 起動完成后，軟起動裝置退出，由旁路接觸器接通電機運行。

　　1.4 工作環境：

　　環境溫度： -20℃～45℃，最大日溫差25℃

　　相對濕度：95%（25℃） 50%（40℃）無凝露

　　海拔高度：≤1000米

　　地面水平加速度：0.3g 垂直加速度;0.15g

　　2軟起動系統主要組成部分

　　2.1功率回路

　　主要由進線接觸器、高壓可控硅串聯閥組和旁路接觸器組成，如圖2所示。其中高壓可控硅串聯閥組是功率變換執行部件，由多只可控硅串并聯組成，并輔以吸收、均壓箝位電路，保證其在高壓環境中的可靠性。當進線端得電后，通過控制可控硅的導通角以實現對交流三相電源進行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動過程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動器切換到旁路狀態，同時關閉可控硅。SCR的控制見圖3所示。

圖2 高壓軟起動器主回路示意圖

圖3 SCR移相控制原理圖

　　2.2觸發系統

　　它是系統穩定可靠的關鍵部分，必須具有抗噪聲干擾的能力，能夠及時準確的導通可控硅。本裝置觸發電路采用光纖進行觸發信號的傳輸，并在觸發板供電電源上采用了先進的低位取能的方法，完全實現了電氣的隔離，避免了外圍信號的干擾。

　　2.3控制和保護電路

　　包括由微處理器及大規模門陣列組成的數字電路、由光纖組成的光電隔離電路、電流檢測和電壓檢測電路、溫度檢測電路及各種保護動作電路等組成，是軟起動器的核心部分。通過閉環控制可控硅的導通角的大小，從而完成對電機的起動和停車的理想化的控制。同時完成軟起動器的狀態監測、故障診斷與保護等功能。

　　2.4人機界面單元

　　主要由觸摸式液晶顯示器、通訊模塊及上位遠程軟件組成。用以實現用戶的參數設置、選擇起動方式、顯示設備的運行狀態和進行遠程監控等，給用戶提供簡單易用的人機界面。

　　3起動方式

　　3.1電壓斜坡軟起動

　　該起動方式可以有效減少起動轉矩沖擊，可以提供無級的，平滑的起動加速度，從而使齒輪、連軸結和皮帶的摩擦減小到最低。用戶可以根據需要設定起動轉矩，軟起動器便根據堵轉矩和起動時間確定的斜率線性地控制輸出電壓。下圖為電壓斜坡起動波形。

圖4 電壓斜坡起動波形

　　3.2限流軟起動

　　對于要求限制電機加速過程中的電流沖擊的場合，這種起動方式是非常有用的。起動電流可設定為電機滿載電流的50%到600%，限制時間為0到30秒。在限流起動的過程中，軟起動器一旦檢測到電機達到全速，輸出電壓將達到全壓，旁路接觸器將閉合。下圖為限流起動波形。

圖5 限流起動波形

　　3.3突跳起動

　　當使用這種起動方式時，軟起動器提供一個附加的起動脈沖轉矩用來克服摩擦負載所產生的靜摩擦阻力。脈沖時間為用戶可設定的0到2秒。下圖為突跳起動波形。

圖6 突跳起動波形

　　3.4全壓起動

　　在全壓起動方式下，軟起動器相當于固態接觸器。電機受到全額的沖擊電流和達到堵轉轉矩。下圖為全壓起動波形。

圖7 全壓起動波形

　　3.5軟停止

　　這種功能應用于需要從穩定運行平滑的過渡到靜止的場合。用來避免因緊急停車而產生的水錘效應等。電壓下降的斜坡時間為用戶可設定的0～60秒。當輸出電壓下降到負載轉矩大于軟起動器的輸出轉矩時，負載將停止。下圖為軟停止波形。

圖8 RAMP波形

　　4起停過程描述

　　其起動過程如下：

　　發出電機起動命令后，軟起動控制系統通過控制可控硅的導通角以實現對交流三相電源進行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動過程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動器切換到旁路狀態，同時關閉可控硅。

　　起動過程中，發出停止信號，軟起動器控制系統先封鎖觸發脈沖，再發出跳閘指令。

　　運行中，發出停止信號后，將直接發出旁路接觸器跳閘指令。

　　5.保護

　　5.1過載保護

　　過載等級可調，跳閘時間可自動設置。

　　5.2欠載保護

　　當電流下降到設定的欠載保護級別時系統自動跳閘，欠載級別可調，跳閘時間可自動設置可調。

　　5.3過壓保護

　　過壓等級可調，當系統電壓超過設定電壓級別時自動跳閘，過壓級可調，跳閘延時可調，跳閘時間可自動設置。

　　5.4欠壓保護

　　當起動時檢測到欠壓到達系統設定級別時，系統報警，并自動跳閘，欠壓級可調，跳閘時間可自動設置。

　　5.5起動次數過頻保護

　　可自行設定連續起動次數，但要小于5次，當超出設定范圍時自動報警跳閘，跳閘時間可自動設置。

　　5.6缺相保護

　　當發生缺相故障時自動跳閘，跳閘時間可自動設置。

　　5.7電機堵轉保護

　　當電機在起動時發生堵轉情況時，系統報警并自動跳閘，跳閘時間可自動設置。

　　5.8電機過熱保護

　　當電機在起動和運行時產生的熱量超出系統設定值時自動報警并跳閘。耗熱報警級別可調，跳閘時間可自動設置。

　　5.9晶閘管故障保護

　　當晶閘管或觸發脈沖出現故障時，系統報警并自動跳閘，跳閘時間可自動設置。

　　5.12晶閘管過溫保護

　　起動過程中當系統檢測到晶閘管溫度超出設定溫度時，系統報警，并自動跳閘，跳閘時間可自動設置。

三、軟起動裝置的應用效果

　　太鋼除鱗水泵高壓電機系統順利安裝與調試，并且一次性成功，現該裝置已正常投入使用，技術先進，可靠性好，具有體積小、安裝方便，完全滿足現場工況使用的要求。使機電設備的使用壽命及檢修周期都將得到大大延長。

　　軟起動系統可推廣應用于大型鋼鐵、石油、化工、鋁業、消防、礦山、污水處理、發電等工業領域。能很好的與電動機拖動設備配套使用，如：各種泵類、風機、壓縮機、制冷設備、滾軋機、粉碎機、攪拌機等機電裝置。