變頻啟動(dòng)與固態(tài)軟起的比較

1、變頻啟動(dòng)與固態(tài)軟起的比較作 者 ： 上海杰詣通用電器有限公司厲無咎摘 要 ：本文簡述了交流異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓和變頻調(diào)壓的工作原理和機(jī)械特性，并以 6KV 2000KW 交 流異步電動(dòng)機(jī)為例，對中壓固態(tài)軟起動(dòng)器和中壓變頻器起動(dòng)二種方案作了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，認(rèn)為對于起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩要求不大的風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)類負(fù)載，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和可靠性來考慮以采用固態(tài)軟起動(dòng)器為宜。英文摘要 ：This paper introduces the operating theory and mechanical characteristics of asynchronous motor when it operates in v

2、oltage-variable and constant frequency condition or in frequen cy-variable and voltage-variable condition briefly. With the 6KV 2000KW asynchronous mo tor as an example, the paper compares the starting motor with medium voltage solid-state soft starter and medium voltage inverter on both technical a

3、nd economic properties. For t he load of fan, pump and compressor which starting torque is small, the paper think that u sing medium voltage solid-state starter to start the motor has better technical-economic pr operties and higher reliability. 關(guān)鍵詞： 軟起動(dòng)器 變頻器 鎖相技術(shù) 電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 同步切換1 引言一般交流電動(dòng)機(jī)功率在300kW以上時(shí)，為了

4、減少電機(jī)繞組的線徑，便于加工， 和降低損耗，就開始采用中壓，國內(nèi)稱之為高壓。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電壓為3kV、6kV、10kV,國際上則有2.3kV、3.3kV、4.16kV、6.6kV和13.8kV等電壓等級。對于中 壓異步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)容量和工藝條件允許的情況下可以直接起動(dòng) ; 如果電動(dòng)機(jī)的 起動(dòng)容量對電網(wǎng)沖擊較大， 或者工藝條件不允許的情況下要用降壓起動(dòng)。 中壓異 步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法主要有 : 在定子回路串聯(lián)電抗器或采用自耦變壓器降壓起 動(dòng)，也有在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)液體電阻器起動(dòng)。 由于這些起動(dòng)方式使用的設(shè)備較龐 大，不能隨意調(diào)節(jié)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 不能做到起動(dòng)特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性完善配合， 所以 仍然存在大的沖

5、擊電流和機(jī)械沖擊。 而且它們都沒有軟停止功能， 因此對于像水 泵（會(huì)產(chǎn)生水錘效應(yīng) ） 之類的負(fù)載也不適用。 另外還有的用戶誤以為用液力耦合器 可以解決起動(dòng)電流問題， 事實(shí)上液力耦合器只能使電動(dòng)機(jī)緩緩加上負(fù)載， 防止了 機(jī)械沖擊問題，而電動(dòng)機(jī)即使在空載情況下全壓起動(dòng)，同樣存在大的起動(dòng)電流， 只是空載時(shí)起動(dòng)電流持續(xù)時(shí)間非常短而已。 隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步， 中壓電動(dòng) 機(jī)的軟起動(dòng)問題也得到完善的解決， 這就是采用變頻器起動(dòng)和建立在晶閘管調(diào)壓 基礎(chǔ)上的軟起動(dòng)器二種方案。大功率負(fù)載， 特別是不需調(diào)速的負(fù)載通常采用同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 這是因?yàn)橥诫?動(dòng)機(jī)可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流， 改變其功率因數(shù)， 往往讓同步電

6、動(dòng)機(jī)工作在過勵(lì)磁 狀態(tài)，從電網(wǎng)吸取超前的無功功率， 因而改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 同步電動(dòng)機(jī)的原 理表明它只是在同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)才有平均電磁轉(zhuǎn)矩， 在非同步轉(zhuǎn)速下， 轉(zhuǎn)子與定 子合成磁勢存在相對運(yùn)動(dòng)， 轉(zhuǎn)子磁極受到忽正忽負(fù)的轉(zhuǎn)矩作用， 平均電磁轉(zhuǎn)矩為 零，電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。 起動(dòng)過程是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從零開始增大的過程， 是 非同步運(yùn)行狀態(tài)， 同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩平均值為零， 不能使轉(zhuǎn)子加速， 所以同 步電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)。 由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極表面上安裝有阻尼繞組， 它相 當(dāng)于鼠籠型電動(dòng)機(jī)上的導(dǎo)條， 在起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩。 大多數(shù)同步電動(dòng)機(jī) 是利用這個(gè)異步轉(zhuǎn)矩來起動(dòng)的， 所以上述異步電動(dòng)機(jī)

7、的起動(dòng)方法也可用于同步電動(dòng)機(jī)，所不同的是同步電動(dòng)機(jī)還要考慮勵(lì)磁控制問題。同步電動(dòng)機(jī)異步起動(dòng)時(shí)， 在勵(lì)磁回路中不能送入勵(lì)磁電流，但勵(lì)磁繞組也不能開路，因?yàn)殡姌行D(zhuǎn)磁場會(huì) 在勵(lì)磁繞組中感應(yīng)高電壓而將其絕緣擊穿。 在同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中通常是將其 勵(lì)磁繞組經(jīng)由一個(gè)電阻短接，該電阻阻值約為510倍勵(lì)磁繞組電阻值。當(dāng)電動(dòng) 機(jī)在異步轉(zhuǎn)矩作用下加速到一定轉(zhuǎn)速后，用開關(guān)將同步電動(dòng)機(jī)由起動(dòng)裝臵切換到 電網(wǎng)，同步電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速到亞同步轉(zhuǎn)速以上 (n >ns，ns為可能自動(dòng)牽入同步 的最大轉(zhuǎn)速)時(shí)，再對勵(lì)磁繞組組通以直流電流，產(chǎn)生同步轉(zhuǎn)矩，將電動(dòng)機(jī)牽入 同步運(yùn)行，起動(dòng)過程結(jié)束。負(fù)載換向逆變器可以對同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)

8、行調(diào)速，且其性能十分優(yōu)良，除了低速 性能較差外，已接近直流調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)然也可用它作同步電機(jī)的起動(dòng)裝臵， 但從 經(jīng)濟(jì)角度考慮是不合算的。所以本文不討論這種系統(tǒng)。2交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性圖交流異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性如圖1所示。它可以用下式來表示：Q° (q+S+E+M式中ml為定子相數(shù)s =S為轉(zhuǎn)差率"r1、x1為定子繞組電阻和電抗r1'、x1'為轉(zhuǎn)子折算到定子電路的電阻和電抗，no為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的定子電流11:(2)為異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，它與電動(dòng)機(jī)定子電壓有關(guān)，隨外加電壓的升高而增大為轉(zhuǎn)子電流折算到定子側(cè)的電流。在正常工作時(shí) 12'

9、>> Io，所以1112'。5當(dāng)s=1時(shí)，也即電機(jī)靜止時(shí)，就得到電機(jī)在全壓下的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩MstM 二二L 半._此時(shí)，電機(jī)在全壓下的起動(dòng)電流為：65%Ao用1対匕r=對于一般異步電動(dòng)機(jī)，它通常為 48倍電機(jī)的額定電流。當(dāng)s=sm時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值 Mm sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率，它等于：m=±+ (兀+ x2r)2圖3異步電動(dòng)機(jī)在改變端電壓時(shí)的機(jī)械特性TBP1-I ”|巒 1 “JTBP1-1TBFI1 41 ® E>IbHrtU-TBP】fWflTjT4TBP1-8TBPH耳*(7)式中正號對應(yīng)于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，負(fù)號對應(yīng)于發(fā)電機(jī)狀態(tài)(機(jī)械特性在第二象限的

10、延伸部分)。3中壓交流電動(dòng)機(jī)采用固態(tài)軟起動(dòng)器起動(dòng)圖2中壓異步電動(dòng)機(jī)采用 Benshaw固態(tài)軟起動(dòng)器的接線圖中壓異步電動(dòng)機(jī)采用美國本秀(Benshaw)公司的固態(tài)軟起動(dòng)器的接線，如圖 2 所示?，F(xiàn)代的固態(tài)軟起動(dòng)器是用微電腦控制的晶閘管交流調(diào)壓器，改變晶閘管的移相控制角，就可以調(diào)節(jié)其輸出電壓。交流電動(dòng)機(jī)在改變其端電壓時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性， 由式(1)可見，轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比：Ui3； Ii « IL(g)所以電動(dòng)機(jī)在調(diào)壓時(shí)的起動(dòng)力矩也與電流的平方成正比''1-'例如電動(dòng)機(jī)負(fù)載所需最大起動(dòng)力矩為30%電動(dòng)機(jī)在全壓下的起動(dòng)力矩，即亠一亠- '-，則起動(dòng)電流可下降至

11、54.7%的全壓下起動(dòng)電流。而最大轉(zhuǎn)矩所 對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率Sm保持不變。因此其機(jī)械特性如圖 3所示。固態(tài)軟起動(dòng)器的輸出響應(yīng)非?？欤敵鲭妷簩σ葡嗫刂菩盘柕钠骄憫?yīng)時(shí)間 只有3.3ms。它可以有多種調(diào)節(jié)方法，最常用的做法就是采用電壓斜坡控制，使 軟起動(dòng)器輸出電壓隨時(shí)間線性上升， 直到全電壓輸出。這種控制方法是第一代軟 起動(dòng)器的做法。由于它沒有電流閉環(huán)控制，所以在遇到偶然的干擾情況下，電流 會(huì)超出規(guī)定值。第二代軟起動(dòng)器是采用電流反饋形成電流閉環(huán)控制。軟起動(dòng)器的輸入則是電流給定斜坡，除了能對電流控制外，它的響應(yīng)也比電壓斜坡控制方法 快。美國本秀（Benshaw）公司則更進(jìn)一步發(fā)展了轉(zhuǎn)矩控制方法，它應(yīng)用“

12、TruTorque”軟件，對異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩形成閉環(huán)控制。 采用轉(zhuǎn)矩控制方法在控制水泵 的應(yīng)用中，在起動(dòng)過程中可以減少轉(zhuǎn)矩過大的缺點(diǎn)，從而消除了水擊；在停止過程中又能配合水泵的機(jī)械特性緩緩?fù)＼嚕瑥亩怂N現(xiàn)象。由圖2可見，固態(tài)軟起動(dòng)器每相為若干串聯(lián)的反并聯(lián)晶閘管組，它的輸出電 壓是輸入電壓的一部分，當(dāng)晶閘管全導(dǎo)通時(shí)，貝U輸出電壓與輸入電壓完全相同。 在不同輸出電壓下接通旁路真空接觸器，把晶閘管短接，不會(huì)對晶閘管造成損壞， 只是由于電動(dòng)機(jī)端電壓突然從原來的電壓上升到電源電壓，會(huì)造成較大的沖擊電流流過旁路真空接觸器和電動(dòng)機(jī)繞組。在正?？刂魄闆r下都是在晶閘管處于全導(dǎo) 通狀態(tài)時(shí)接通旁路真空接觸器，這

13、時(shí)不會(huì)有任何電流突變。4中壓交流電動(dòng)機(jī)采用變頻器起動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速時(shí)，必須使電機(jī)的定子反電勢E1與電壓頻率f1之比E1/f1為常數(shù)，才能保持電機(jī)氣隙磁通不變，使電機(jī)調(diào)速時(shí)有相同的輸出力矩。 設(shè)變頻器輸出電壓U仁a U1n,其頻率為f1= a f1n，式中U1n和f1n分別為電動(dòng) 機(jī)的額定電壓和額定頻率，代入式（1）中，可得：式中xn=x1 n+x'2n是頻率為f1n時(shí)的定轉(zhuǎn)子總漏抗。在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，s很小，sr1 可忽略不計(jì)，則（9）式可簡化為而磴二21*么二空二g二色f fin它表示在某一頻率時(shí)的轉(zhuǎn)速降與額定轉(zhuǎn)速之比。由式（10）可見，在不同頻率下，對應(yīng)于相同的轉(zhuǎn)矩，a s值也

14、相同，即 n相同。所以改變頻率時(shí)（即改變a f時(shí)） 的機(jī)械特性為一簇平行曲線，如圖 4所示。在變頻調(diào)速下，通常使用s v sm這段轉(zhuǎn)矩特性，在式（3）中，電阻r2'/s很大， 因此，電流小于電動(dòng)機(jī)全壓下的起動(dòng)電流。ABB電壓型中壓變頻器的線路結(jié)構(gòu)目前有三電平的脈寬調(diào)制式逆變器，例如公司采用IGCT的ACS100（型變頻器等，限于目前功率器件的耐壓水平，它只能 做到4160V。另外是由美國Robicon公司首創(chuàng)的多單元串聯(lián)式的脈寬調(diào)制式逆變 器，Robicon公司稱之為完美無諧波式變頻器，由于其每相逆變器單元可以由很 多個(gè)串聯(lián)組成，因此可以做到10kV及以上的變頻器，而且其諧波非常小，功

15、率 因數(shù)很高，比三電平脈寬調(diào)制式逆變器的性能好。圖5為采用變頻器起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電路。圖4交流異步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速下的機(jī)械特性采用變頻器起動(dòng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速以后， 如何將電動(dòng)機(jī)換接到電網(wǎng) 上是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)問題。因?yàn)樵跊]有任何措施的情況下變頻器的輸出電壓的頻 率、相位、幅值與輸入電壓的頻率、相位、幅值都不相同，如果像固態(tài)軟起動(dòng)器 那樣貿(mào)然把輸入與輸出端短接，勢必造成變頻器過流損壞。一種簡單的方法，先 用變頻器把電動(dòng)機(jī)速度提高到略微高于同步轉(zhuǎn)速，隨即斷開電動(dòng)機(jī)與變頻器的真 空接觸器，稍微延時(shí)待定子內(nèi)感應(yīng)電勢衰減到較小數(shù)值后接通電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)的真 空接觸器，電動(dòng)機(jī)接至電網(wǎng)運(yùn)行。由于電動(dòng)機(jī)從變

16、頻器斷開后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速衰 減比較慢，其定子中的感應(yīng)電勢衰減較快，在感應(yīng)電勢衰減到較小值后，接通電 網(wǎng)，其沖擊電流會(huì)小些。當(dāng)然這樣切換電動(dòng)機(jī)，其切換時(shí)的峰值沖擊電流不會(huì)比 直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流小，只是持續(xù)時(shí)間縮短了許多。圖5 中壓變頻器起動(dòng)外部接線圖和變頻器單元圖要使電動(dòng)機(jī)從變頻器無電流沖擊地切換到工頻電源，就要采用鎖相環(huán)路控制 的技術(shù)。鎖相環(huán)路控制就是實(shí)現(xiàn)變頻電源的頻率和相位自動(dòng)跟蹤工頻電源的頻率和相位,-圖7 鎖相控制電路框圖最終鎖定兩電源的頻率和相位一致。這樣在不斷電的情況下，由變頻器瞬時(shí)切換 到工頻電源，且切換過程異步機(jī)的電流大致等于額定電流， 基本上無過電流沖擊， 無轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平

17、穩(wěn)切換。由鎖相環(huán)技術(shù)構(gòu)成的變頻軟起動(dòng)同步切換裝臵框圖 如圖6所示。圖6由鎖相環(huán)技術(shù)控制的變頻/工頻切換電路示意圖系統(tǒng)由變頻器、鎖相控制電路、信號取樣電路和切換接觸器組成。信號取樣 電路對工頻電源和變頻器(這里相當(dāng)于鎖相環(huán)路中的壓控振蕩器 )輸出的電壓頻 率和相位實(shí)行取樣和整形處理。在變頻器主頻率給定的情況下，以工頻電源的電 壓相位信號B 1(t)作為基準(zhǔn)，變頻器輸出的電壓相位信號B 2(t)作為跟蹤信號， 鎖相控制電路中的鑒相器比較這兩個(gè)信號的相位，經(jīng)濾波器濾波后作為變頻器的輔助頻率給定信號，用以控制變頻器輸出電壓的頻率和相位。當(dāng)變頻器帶動(dòng)負(fù)載平穩(wěn)升頻進(jìn)入鎖相環(huán)路的捕捉區(qū)，二者的頻率相等，相位

18、差穩(wěn)定在一個(gè)較小的數(shù) 值時(shí)，系統(tǒng)在鎖相環(huán)路的作用下進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此時(shí)控制電路輸出一個(gè)切換信號， 通過切換接觸器K1、K2便可安全平穩(wěn)地由變頻電源切換到工頻電源。鎖相控制電路由鑒相器(Phase Detector，簡稱PD)、環(huán)路濾波器(Loop Filter : 簡稱LF)、壓控振蕩器(Voltage Control Oscillator ，簡稱VCO組成，其組成 方框圖如圖7所示。它能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)電信號相位自動(dòng)同步的控制系統(tǒng)。圖7中鑒相器(PD)又稱相位比較器。它把壓控振蕩器輸出信號 Vo(t)和輸入信 號Vi(t)的相位進(jìn)行比較，其輸出電壓 Vd(t)是該兩信號相位差B e(t)的函數(shù)。 環(huán)

19、路濾波器(LF)的作用是濾除誤差電壓 Vd(t)的高頻成分和噪聲，以保證環(huán)路所 要求的性能，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器(VCO受環(huán)路濾波器輸出電壓 Vc(t) 的控制，Vc(t)使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率靠近，也就是使兩者頻率 之差越來越小，直至消除頻差而鎖定。5中壓電動(dòng)機(jī)采用固態(tài)軟起動(dòng)器與變頻器起動(dòng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較現(xiàn)以6kV 2000kW異步電動(dòng)機(jī)為例比較中壓電動(dòng)機(jī)采用固態(tài)軟起動(dòng)器和變頻器 二種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如附表所示。由附表(見后頁)可見，在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小這二項(xiàng)指標(biāo)上，變頻器 優(yōu)于固態(tài)軟起動(dòng)器，但在其他指標(biāo)方面，變頻器則不如固態(tài)軟起動(dòng)器。因此如果 不是要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大和對起動(dòng)電流限制很苛刻的場合，應(yīng)當(dāng)以固態(tài)