引言

交流高壓電動(dòng)機(jī)在全壓直接啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的4～8倍。當(dāng)電機(jī)的容量相對(duì)于電網(wǎng)容量較大時(shí),啟動(dòng)電流會(huì)引起電網(wǎng)電壓的急劇下降,使電網(wǎng)失去穩(wěn)定性,影響同電網(wǎng)其他設(shè)備的正常運(yùn)行,同時(shí),電動(dòng)機(jī)線圈發(fā)熱量是電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的30多倍,產(chǎn)生的電磁力同樣達(dá)到了30多倍。過(guò)高的溫度、過(guò)快的加熱速度、過(guò)大的溫度梯度和電磁力,都會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生極大的破壞,發(fā)熱會(huì)使絕緣加速老化,電磁力會(huì)使線圈變形、結(jié)構(gòu)松動(dòng),影響電動(dòng)機(jī)使用壽命。

目前,緩解交流高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)沖擊主要采用以下幾種軟啟動(dòng)方式:(1）固態(tài)可控硅軟啟動(dòng):啟動(dòng)線性平滑,可控制啟動(dòng)電流在3～4倍。(2）液力耦合軟啟動(dòng):啟動(dòng)效果好,但維護(hù)較難,有啟動(dòng)次數(shù)限制,受環(huán)境影響較大,已基本被淘汰,可控制啟動(dòng)電流在2～3倍。(3）自耦降壓?jiǎn)?dòng):結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要專門(mén)的變壓器,可控制啟動(dòng)電流在3～4倍。

以上幾種啟動(dòng)方式最優(yōu)效果也僅能保證啟動(dòng)沖擊電流在兩倍左右,當(dāng)電網(wǎng)容量受到限制時(shí),無(wú)法解決電機(jī)啟動(dòng)沖擊問(wèn)題。采用變頻器無(wú)擾動(dòng)同步軟啟方式,可將啟動(dòng)電流限制在電機(jī)額定電流以內(nèi),不必考慮電網(wǎng)容量限制,對(duì)電機(jī)和電網(wǎng)沖擊小,可大大延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命。

1切換方式的選擇

采用變頻器軟啟動(dòng)電機(jī),有兩種控制方式:

(1）非無(wú)擾動(dòng)同步切換。先斷開(kāi)變頻器輸出,電機(jī)進(jìn)入自由滑行停車(chē)狀態(tài),電磁力消失后,投入工頻電源,電機(jī)切至工頻運(yùn)行。此種方式簡(jiǎn)單易行,然而在投入工頻電源時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大沖擊電流,電網(wǎng)容量受限時(shí),切換易失敗。

(2）無(wú)擾動(dòng)同步切換。采用變頻器拖動(dòng)電機(jī)加速至工頻轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)變頻器輸出,與工頻電源側(cè)達(dá)成一致,比對(duì)無(wú)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(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流,一般可將電流控制在電機(jī)額定電流以內(nèi),是目前較為先進(jìn)、效果最好的電機(jī)軟啟方式。

無(wú)擾動(dòng)同步切換采用變頻器作為軟啟動(dòng)主設(shè)備,當(dāng)變頻器輸出條件達(dá)到電網(wǎng)同期狀態(tài)后將電機(jī)控制權(quán)交付電網(wǎng),變頻器自動(dòng)退出。該切換模式通過(guò)變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行跟隨并轉(zhuǎn)換為電流控制模式,使變頻器與電網(wǎng)經(jīng)過(guò)短時(shí)重疊工作而實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流平穩(wěn)過(guò)渡。

調(diào)節(jié)變頻器輸出達(dá)到電網(wǎng)同期狀態(tài)主要包括三個(gè)參數(shù):電壓、頻率、相位,三個(gè)參數(shù)差值必須控制在允許范圍內(nèi),變頻器必須實(shí)時(shí)檢測(cè)三條件,變頻器本體增設(shè)電網(wǎng)電壓互感器,同時(shí)還需增設(shè)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(lái)緩解在允許范圍內(nèi)切換時(shí)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(wú)誤。其主要過(guò)程包括變頻器啟動(dòng)輸出、鎖相等待過(guò)程、鎖相、電壓跟隨、控制模式轉(zhuǎn)換及同步接觸器切換邏輯輸出等環(huán)節(jié),切換邏輯時(shí)序如圖1所示。

2高壓變頻器無(wú)擾動(dòng)同步軟啟動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

2.1項(xiàng)目介紹

海南乾金達(dá)礦業(yè)集團(tuán)有限公司是一家成立于20世紀(jì)90年代初的大型民營(yíng)企業(yè),從事有色金屬和貴金屬的勘探、開(kāi)采、選礦、冶煉以及礦產(chǎn)品的經(jīng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)。該礦為海南省開(kāi)采的最大地下礦井,年處理30萬(wàn)噸鉬礦石。

乾金達(dá)鉬業(yè)主排水泵房共安裝有6臺(tái)6kv/1000kw排水泵,由于受到電網(wǎng)容量所限,6臺(tái)排水泵不能采用全壓直接啟動(dòng)的方式,需要加裝軟啟動(dòng)裝置,經(jīng)過(guò)電氣人員反復(fù)調(diào)查研究,決定采用高壓變頻器改造其中4臺(tái)排水泵,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。

2.2主回路構(gòu)成

考慮到經(jīng)濟(jì)效益,系統(tǒng)采用兩臺(tái)變頻器分別一拖二實(shí)現(xiàn)排水泵的啟動(dòng),主回路構(gòu)成如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)包含有開(kāi)關(guān)柜兩臺(tái)、高壓變頻器一套、尋相裝置一套、輸出緩沖器一臺(tái)、旁路柜兩臺(tái)(用于一拖二）。

尋相裝置主要由PLC、輸入側(cè)電壓互感器、輸出側(cè)電壓互感器、繼電器等組成,負(fù)責(zé)采集電網(wǎng)電壓和變頻器輸出電壓情況,經(jīng)輸入回路送至PLC,PLC按照電網(wǎng)電壓條件調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓,直至達(dá)到并網(wǎng)條件,控制變頻器進(jìn)入電壓跟隨狀態(tài),此時(shí)變頻器輸出根據(jù)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié),直至鎖相成功,同步切換條件達(dá)成,PLC下達(dá)指令給外部繼電器接通網(wǎng)側(cè)電源,此過(guò)程中,電網(wǎng)與變頻器并網(wǎng)運(yùn)行,電網(wǎng)投切完成后,變頻器進(jìn)入電流控制模式,為外部開(kāi)關(guān)切換動(dòng)作提供充足的時(shí)間,確保同步投切過(guò)程的平滑過(guò)渡,變頻器封鎖輸出,外部開(kāi)關(guān)動(dòng)作,電機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。

2.3輸出緩沖器選型

輸出緩沖器主要由電抗器組成,負(fù)責(zé)抑制電網(wǎng)電壓與變頻器輸出電壓差異引起的沖擊,避免電網(wǎng)與變頻器并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)對(duì)變頻器的沖擊傷害損壞變頻器,選擇過(guò)小時(shí)起不到抑制沖擊電流的作用,過(guò)大時(shí)會(huì)影響變頻器輸出,產(chǎn)生壓降,降低電機(jī)效率。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和效果驗(yàn)證,6kV/1000kw的異步電動(dòng)機(jī),其同步切換電抗器為:6kV/120A/2.7mH。計(jì)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(wú)擾動(dòng)同步軟啟控制過(guò)程

為方便靈活應(yīng)用,控制系統(tǒng)配有選擇模式,既可實(shí)現(xiàn)排水泵的無(wú)擾動(dòng)同步軟啟動(dòng),又可實(shí)現(xiàn)變頻器拖動(dòng)排水泵調(diào)速運(yùn)行。

系統(tǒng)啟動(dòng)前,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合閘,控制電源上電操作,接通各個(gè)低壓電源使控制系統(tǒng)工作,PLC及變頻器自檢完成后準(zhǔn)備完畢,由操作人員選擇:(1）排水泵M1變頻調(diào)速模式;(2）排水泵M1無(wú)擾動(dòng)軟啟模式;(3）排水泵M2變頻調(diào)速模式;(4）排水泵M2無(wú)擾動(dòng)軟啟模式。

以排水泵M1無(wú)擾動(dòng)軟啟模式為例:選擇(2）排水泵M1無(wú)擾動(dòng)軟啟模式,閉合變頻器的輸出開(kāi)關(guān)KM13,檢測(cè)無(wú)異常后合上變頻器的進(jìn)線開(kāi)關(guān)KM11,使變頻器受電,變頻器受電正常后,發(fā)出變頻器運(yùn)行指令,變頻器按照預(yù)訂的速度指令帶動(dòng)電機(jī)從零速開(kāi)始啟動(dòng)加速(啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的各類電氣保護(hù)由變頻器來(lái)負(fù)責(zé)）,當(dāng)變頻器拖動(dòng)電機(jī)達(dá)到電網(wǎng)側(cè)工頻轉(zhuǎn)速時(shí),電壓波形如圖3所示;尋相裝置鎖相成功,且達(dá)到并網(wǎng)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(kāi)關(guān)KM12閉合,當(dāng)工頻開(kāi)關(guān)KM12完成閉合動(dòng)作后,變頻器輸出聯(lián)鎖切斷,變頻器停止輸出,輸出開(kāi)關(guān)KM13斷開(kāi)。在此過(guò)程中保持KM4斷開(kāi)。啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

從以上啟動(dòng)過(guò)程來(lái)看,關(guān)鍵步驟是鎖相開(kāi)始至電流控制環(huán)節(jié),整個(gè)過(guò)程中檢測(cè)參數(shù)的精確性和各器件動(dòng)作的及時(shí)性都關(guān)乎成敗,而PLC控制器內(nèi)部的檢測(cè)采集回路、分析計(jì)算、

比較環(huán)節(jié)和控制響應(yīng)等是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在。

2.5無(wú)擾動(dòng)同步軟啟改造效果

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察測(cè)量,變頻器無(wú)擾動(dòng)同步軟啟排水泵時(shí),啟動(dòng)電流始終保持在額定電流以內(nèi),啟動(dòng)切換平穩(wěn),對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊,諧波小,對(duì)電網(wǎng)電氣設(shè)備影響小,未對(duì)電機(jī)絕緣造成不良影響,達(dá)到了預(yù)期效果。系統(tǒng)還整合有變頻調(diào)速運(yùn)行模式,用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要靈活調(diào)整運(yùn)行方式,提高變頻器使用效率,節(jié)約電能。

3結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目的驗(yàn)證,高壓變頻器無(wú)擾動(dòng)同步軟啟技術(shù)可以有效解決變頻運(yùn)行方式到工頻運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換的交流大容量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)沖擊問(wèn)題,不僅適用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),亦適用于繞線式電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。此技術(shù)的關(guān)鍵在于解決切換過(guò)程中的大電流問(wèn)題,需要精確的計(jì)算和精準(zhǔn)的控制技術(shù),選擇合理的輸出緩沖電抗器電感值才能達(dá)到預(yù)期效果。切換過(guò)程中各個(gè)開(kāi)關(guān)的精確控制關(guān)乎切換結(jié)果的成敗,最大程度縮小鎖相后電網(wǎng)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(shí)沖擊電流的關(guān)鍵。整個(gè)切換過(guò)程由PLC智能化自動(dòng)控制,無(wú)需人工操作,方便簡(jiǎn)單,靈活配置,是提高工業(yè)自動(dòng)化水平的主要手段。