文英韜

【摘要】指出實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)控制功能的作用與意義，基于鄂爾多斯煤制油公司0.4kV低壓鍋爐給水系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性的重要作用，提出實(shí)施該功能的總體方案。系統(tǒng)地介紹了交流調(diào)壓電路晶閘管觸發(fā)脈沖控制原理，一、二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造方案，軟啟動(dòng)方式及保護(hù)功能。給出設(shè)備選型、控制方式、定值整定、接線(xiàn)調(diào)試的實(shí)現(xiàn)方法。針對(duì)方案的各個(gè)環(huán)節(jié)細(xì)化了具體的要求，以便為方案的具體實(shí)施提供技術(shù)依據(jù)和技撐。

【關(guān)鍵詞】改造方案;軟啟動(dòng);交流調(diào)壓;轉(zhuǎn)矩控制

引言

神華鄂爾多斯煤制油分公司凝結(jié)水處理系統(tǒng)屬于全廠(chǎng)公用工程裝置，其對(duì)生產(chǎn)的連續(xù)性有直接影響。本系統(tǒng)配置了2臺(tái)0.4kV 160kW低壓除氧水泵，為煤氣化、煤液化及環(huán)保四套低壓鍋爐提供除氧水，啟動(dòng)過(guò)程屬于全壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流較大，為額定電流的4～7倍。單段電源變壓器容量為1250kVA。

由公式：

（1）

式中：Ig——電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)電流;Ie——電動(dòng)機(jī)額定電流;Seb——電源變壓器額定容量（kVA）;Pe——電動(dòng)機(jī)額定功率。

其中：Ig/Ie≈7

將參數(shù)代入式（1）中，得到：

安全系數(shù)未滿(mǎn)足要求。直接啟動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)存在風(fēng)險(xiǎn)，可能造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)本身及所帶機(jī)械設(shè)備劇烈沖擊，加速了電動(dòng)機(jī)老化和機(jī)械設(shè)備的損壞，因此，計(jì)劃將除氧水泵改造為經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)行可靠的軟啟動(dòng)方式。

1.軟啟動(dòng)技術(shù)

1.1 軟啟動(dòng)器工作原理

圖1為軟啟動(dòng)器的內(nèi)部原理簡(jiǎn)圖，其主要由三相交流調(diào)壓電路和控制電路兩大部分構(gòu)成。軟啟動(dòng)器交流調(diào)壓電路由6只三相反并聯(lián)晶閘管組成，一端與異步電動(dòng)機(jī)連接，一端與電源連接，對(duì)三相晶閘管施加對(duì)稱(chēng)控制，其觸發(fā)脈沖相差120°，單相反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖相差180°。軟啟動(dòng)過(guò)程為：初始對(duì)每相晶閘管施加180°觸發(fā)角，此時(shí)晶閘管關(guān)斷，逐漸減小晶閘管的觸發(fā)角（減小的過(guò)程依控制策略而定），使存在缺口的三相交流電壓加在電動(dòng)機(jī)上，這樣便限制了啟動(dòng)電流，當(dāng)三相電壓缺口漸漸消失，晶閘管完全導(dǎo)通，此時(shí)交流調(diào)壓電路退出運(yùn)行，軟啟動(dòng)器自動(dòng)切換至旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管。比較適合水泵、空壓機(jī)等設(shè)備。

圖1 軟啟動(dòng)器的內(nèi)部原理簡(jiǎn)圖

1.2 軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式

軟啟動(dòng)器可以通過(guò)設(shè)定不同的參數(shù)得到不同的啟動(dòng)特性，以滿(mǎn)足不同負(fù)載特性的要求，下面介紹兩種啟動(dòng)特性

（1）斜坡恒流升壓?jiǎn)?dòng)方式

從圖2a不難看出，起動(dòng)初始電壓Uq0和啟動(dòng)時(shí)間t1可以設(shè)定;從圖2b可以看出，在啟動(dòng)初始階段啟動(dòng)電流逐漸增加，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的限流值后保持恒定，直至啟動(dòng)完畢，啟動(dòng)過(guò)程中電流上升變化的速率可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定。這種啟動(dòng)方式斷開(kāi)電流反饋，屬于開(kāi)環(huán)控制方式。

圖2 斜坡恒流升壓?jiǎn)?dòng)方式

（2）轉(zhuǎn)矩控制及啟動(dòng)電流限制啟動(dòng)方式

如圖3所示。這種啟動(dòng)方式一般可以設(shè)定啟動(dòng)初始轉(zhuǎn)矩Tq0、啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)矩限幅TLI、轉(zhuǎn)矩斜坡上升時(shí)間t1和啟動(dòng)電流限幅ILI，引入了電流反饋，屬于閉環(huán)控制方式，更加穩(wěn)定。因此，這種控制方式可以使電動(dòng)機(jī)以最佳的啟動(dòng)加速度、以最快的時(shí)間完成平穩(wěn)的啟動(dòng)，在實(shí)際中是使用最多的啟動(dòng)方式。我們將在后面詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)這種控制方式的原理。

圖3 轉(zhuǎn)矩控制及啟動(dòng)電流限制啟動(dòng)方式

2.軟啟動(dòng)在傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 主接線(xiàn)形式（見(jiàn)圖4）

如圖4所示，系統(tǒng)由軟啟動(dòng)控制柜及電動(dòng)機(jī)組成，軟啟動(dòng)柜由軟啟動(dòng)器PSTB，斷路器QF，主路隔離接觸器KM1、KM2，工頻旁路接觸器KM3組成。

為了滿(mǎn)足可靠性要求配置了一條獨(dú)立工頻旁路，接觸器KM3與主路共用一個(gè)電源。工頻旁路保護(hù)方式為低壓綜保。啟動(dòng)方式為現(xiàn)場(chǎng)操作柱啟動(dòng)，當(dāng)軟啟動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，可以在柜前切換至工頻旁路，由現(xiàn)場(chǎng)工藝人員啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打至軟啟動(dòng)位置，主路隔離接觸器KM1、KM2直接吸合，使其具備啟動(dòng)條件，KM1、KM2可對(duì)軟啟動(dòng)器內(nèi)部電力電子元件進(jìn)行保護(hù)隔離，也可作為檢修時(shí)電壓安全隔離。轉(zhuǎn)為全壓狀態(tài)后，由軟啟動(dòng)器內(nèi)置旁路接觸器帶電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。故障時(shí)，可將SA打至工頻旁路，此時(shí)KM1、KM2分，現(xiàn)場(chǎng)工藝人員仍可通過(guò)工頻旁路啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這種設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)是在遇到故障后，既保證了生產(chǎn)的裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，又不影響軟啟動(dòng)器下線(xiàn)檢修。

圖4 軟啟動(dòng)控制器主電路圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)主電路的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合原有控制方式，應(yīng)充分考慮滿(mǎn)足新的控制方式所需條件，總體應(yīng)遵循以下原則：（1）控制電源：控制電源應(yīng)取自主斷路器上口的一相，保證控制過(guò)程安全可靠，通過(guò)熔斷器提供控制回路保護(hù)。（2）分、合閘回路應(yīng)安全可靠，當(dāng)原控制電源電壓與啟動(dòng)輸入端子電壓不一致時(shí)，應(yīng)考慮通過(guò)選擇中間繼電器接線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。（3）軟啟動(dòng)控制回路與工頻控制回路應(yīng)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換。

圖5為軟啟動(dòng)器控制原理圖：L3為控制電源，取至主斷路器QF上口，當(dāng)斷路器分閘后，MCU不會(huì)失電，可正常記錄保護(hù)信息。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA打至軟啟動(dòng)位置時(shí)，可由現(xiàn)場(chǎng)工藝人員通過(guò)操作柱啟動(dòng)按鈕SB2正常啟動(dòng)，當(dāng)軟啟動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，將SA打至工頻控制回路，由現(xiàn)場(chǎng)工藝人員通過(guò)操作柱啟動(dòng)按鈕SB21實(shí)現(xiàn)工頻啟動(dòng)，（這種控制方案要求操作柱啟、停按鈕均為2對(duì)常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)）。根據(jù)工藝要求，所有啟動(dòng)只能在現(xiàn)場(chǎng)操作，停車(chē)操作有兩種方式，分別為現(xiàn)場(chǎng)停與DCS停。DCS給出一對(duì)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)DCS給出停車(chē)指令時(shí)，常開(kāi)節(jié)點(diǎn)閉合，中間繼電器KA1得到高電位，軟啟動(dòng)器執(zhí)行停車(chē)指令。變電所、現(xiàn)場(chǎng)操作柱與DCS分別具備運(yùn)行和停止指示信號(hào)。

2.3 主要元件選型

電動(dòng)機(jī)參數(shù)給定：

額定電壓：UN=380V;

額定電流：IN=287.8A;

額定功率：P=160kW;

繞線(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)：△型接法;

額定轉(zhuǎn)速：n=1485r/min。

本段電源變壓器參數(shù)給定：

額定容量：S=1250kVA;

接線(xiàn)組別：DYn11;

電壓變比：6kV/0.4kV;

二次電流：Ie=1804.2A;

組抗電壓：Uk=4.65%。

熔斷器：熔斷器具有有效的限流功能和高度的遮斷能力，選擇時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

熔體額定電流計(jì)算公式如下：

Ier=（1.5～2.5）IN式中：IN=287.8A，取Ier=1.57IN=451.85A。

Ikr>Id

式中：Ikr——熔斷器的最大分?jǐn)嚯娏?Id——熔斷器的三相短路電流周期分量有效值。

Id=Ie/Uk=1804.2/4.65%A=38800A

式中：Ie——本段電源額定電流;Uk——電源變壓器組抗電壓。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)選擇分?jǐn)嚯娔芰?0kA及以上的熔斷器。

斷路器：額定電壓與額定電流的確定。

Uezd≥UN

式中：Uezd——斷路器額定電壓;UN——電動(dòng)機(jī)額定電壓。

Iezd≥IN

式中：Iezd——斷路器額定電流;IN——電動(dòng)機(jī)額定電流。

瞬時(shí)（或短路延時(shí)）過(guò)電流脫扣器的整定：瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器整定值應(yīng)大于被保護(hù)線(xiàn)路正常時(shí)的尖峰電流。

Iszd≥KK1Iqd

式中：Iszd——過(guò)電流脫扣器瞬時(shí)（或短延時(shí)）動(dòng)作整定電流值;Iqd——電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流;Kk1——考慮整定誤差和啟動(dòng)電流允許變化范圍和負(fù)荷計(jì)算誤差、斷路器瞬時(shí)動(dòng)作電流誤差的可靠系數(shù)。

斷路器的分?jǐn)嚯娏鲄⒄杖蹟嗥饔?jì)算過(guò)程。

軟啟動(dòng)器：我們選擇擁內(nèi)置旁路接觸器的PSTB370-600-70型軟啟動(dòng)器。

3.PSTB370-600-70軟啟動(dòng)器

3.1 接線(xiàn)說(shuō)明

端子1L1-2L2-5L3連接電源端，端子2T1-4T2-6T3連接電機(jī)端?？刂齐娫唇佑?、2端子（AC100-250V 50/60Hz），3端子接地。需要注意，用于功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)碾娙萜鞑荒芙釉谲泦?dòng)器和電動(dòng)機(jī)之間，電容器產(chǎn)生的峰值電流可能損壞軟啟動(dòng)器中的晶閘管。4、5、8、9、10、11為啟動(dòng)和停止端子，軟啟動(dòng)器有一個(gè)內(nèi)置自鎖電路，因而不需加任何外加電源來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止，而一個(gè)帶有輔助中間繼電器的常規(guī)電路也可實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止。In0和In1為兩個(gè)可編程輸入，可參照說(shuō)明進(jìn)行編程。可編程輸出繼電器K4、K5、K6根據(jù)所選用的功能發(fā)出信號(hào)，分別默認(rèn)預(yù)設(shè)K4：運(yùn)行，K5：?jiǎn)?dòng)完畢，K6：事件。

當(dāng)軟啟動(dòng)器發(fā)生故障（短路、晶閘管不導(dǎo)通或PCB燒毀），可使用端子30到33對(duì)內(nèi)置旁路接觸器進(jìn)行手動(dòng)合閘或使用連接在軟啟動(dòng)器電源端的其它啟動(dòng)設(shè)備來(lái)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī);當(dāng)內(nèi)置旁路接觸器出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA將控制方式轉(zhuǎn)換為工頻旁路直接啟動(dòng)。如圖6所示。

圖6 PSTB370電路圖

3.2 轉(zhuǎn)矩控制原理

轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)我們?cè)谏厦嬉呀?jīng)介紹過(guò)，在本方案軟啟動(dòng)過(guò)程中，我們將采用這種控制方式，下面我們對(duì)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)圖如圖7所示。由電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程可設(shè)：

Tem=T0+KIt（1）

式中：T0為初始轉(zhuǎn)矩，KI為電磁轉(zhuǎn)矩的上升斜率。

由機(jī)械特性方程：

（2）

且：

（3）

（4）

式中m1為定子相數(shù)，p為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，U1為電動(dòng)機(jī)端電壓，r1、r2、x1、x2分別為定子與轉(zhuǎn)子繞組的電阻與漏抗，s=1。結(jié)合式（1）、（2）可得u=f1（Tem，t），再由式（3）、（4）可得到觸發(fā)角和時(shí)間t的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)晶閘管調(diào)壓。

閉環(huán)的調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)矩。電路中與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的電流所需的晶閘管觸發(fā)角和根據(jù)負(fù)載計(jì)算應(yīng)給定的電壓觸發(fā)角，兩者相比較、運(yùn)算后得到從負(fù)載角度所需的功率，將這一功率實(shí)際值同應(yīng)設(shè)定的電動(dòng)機(jī)電流前饋電路計(jì)算出的定子損耗合成，可計(jì)算出斜坡轉(zhuǎn)矩的實(shí)測(cè)值，代入上述閉環(huán)方框圖，完成轉(zhuǎn)矩斜坡的控制。

圖7 轉(zhuǎn)矩控制框圖

3.3 設(shè)置和組態(tài)

首先進(jìn)入主菜單，進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置，有電壓模式、轉(zhuǎn)矩模式兩種模式可供選擇，我們選擇轉(zhuǎn)矩模式。并開(kāi)始下面的應(yīng)用設(shè)置：

（1）軟啟動(dòng)的應(yīng)用類(lèi)型：設(shè)定為離心泵。

（2）電流：如果采用外接方式，軟啟動(dòng)器設(shè)定電流與電動(dòng)機(jī)額定電流相等。對(duì)于內(nèi)接方式軟啟動(dòng)器的設(shè)定電流必須根據(jù)三角形回路的電流來(lái)設(shè)定，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)額定電流的58%（1/）。

（3）電動(dòng)機(jī)過(guò)載類(lèi)別（OL Class）：過(guò)載保護(hù)被激活后，選擇所需要的保護(hù)方式，Stop-M：電動(dòng)機(jī)停止，手動(dòng)復(fù)位。Stop-A：電動(dòng)機(jī)停止，自動(dòng)復(fù)位。Ind：僅指示。

（4）旁路監(jiān)測(cè)：若使用外置旁路繼電器，設(shè)置參數(shù)為“是”，否則為“否”。

應(yīng)用設(shè)置菜單組態(tài)完成后，如果沒(méi)有設(shè)置需要調(diào)節(jié)，則返回主菜單，如果尚有一些參數(shù)需要更精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)，則選擇調(diào)節(jié)設(shè)置，繼續(xù)對(duì)啟動(dòng)模式、停止模式、升壓時(shí)間、降壓時(shí)間、初始電壓、結(jié)束電壓、限流倍數(shù)、轉(zhuǎn)矩限制（Torque Lim）等參數(shù)單獨(dú)調(diào)節(jié)。

保護(hù)設(shè)置：主要保護(hù)功能有過(guò)載保護(hù)（Over-

load）、堵轉(zhuǎn)保護(hù)（Locked Rotor）、欠載保護(hù)（Underload）、三相失衡保護(hù)（Phase Imb）、大電流保護(hù)（High I）、逆相保護(hù)（Phase Rev）、電動(dòng)機(jī)溫度保護(hù)（PTC）、SCR過(guò)載保護(hù)等。可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際需要選定合適的保護(hù)。

4.結(jié)論

通過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行證明，改造效果達(dá)到預(yù)期目的，控制系統(tǒng)集多種啟動(dòng)模式及保護(hù)功能于一體，對(duì)設(shè)備運(yùn)行提供了可造保護(hù)，以下功能得到明顯改善：

（1）啟動(dòng)電流明顯降低，減少了配電容量與增容投資。

（2）軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)，使配電系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，也滿(mǎn)足了安全生產(chǎn)要求。

（3）采用軟停車(chē)方式減少對(duì)機(jī)械的沖擊，防止水錘效應(yīng)，延長(zhǎng)水泵及其相關(guān)設(shè)備的使用壽命。

另外，獨(dú)立的工頻旁路設(shè)計(jì)不會(huì)影響由于故障排查而引起的生產(chǎn)波動(dòng)，運(yùn)行、維護(hù)得到了優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]任振輝.現(xiàn)代電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：

40-49.

[2]顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)（下冊(cè)）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：73-103

[3]張述志.鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)（下冊(cè)）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2013：89-114.

[4]楊胡萍.配供電技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：127-132.