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        基于ABB 軟起動(dòng)器在水泵供水系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

        2022-03-27 08:48:26吳海廉
        石油化工建設(shè) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:晶閘管斜坡電動(dòng)機(jī)

        吳海廉

        廣西中醫(yī)藥大學(xué)制藥廠(chǎng) 廣西南寧 530023

        交流異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能及無(wú)需維護(hù)的特點(diǎn),在各行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。由于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生Ie 的5~8 倍的啟動(dòng)電流,形成較大的沖擊電流和起動(dòng)應(yīng)力,大大地降低了負(fù)載設(shè)備的使用壽命。在供水系統(tǒng)中,交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最廣泛的電氣設(shè)備之一。

        1 概述

        廣西中醫(yī)藥大學(xué)制藥廠(chǎng)生產(chǎn)用水是把市政供水管道引到低位水池,然后通過(guò)離心泵的作用把低位水池的水抽到高位水池。該水泵采用的是直接起動(dòng),也稱(chēng)全壓起動(dòng),即起動(dòng)設(shè)施通過(guò)接觸器將電機(jī)直接接到電網(wǎng)上。該起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、起動(dòng)速度快,但其危害也很大:電網(wǎng)受到?jīng)_擊和起動(dòng)電流都較大,加快絕緣老化,影響電機(jī)使用壽命;嚴(yán)重的機(jī)械沖擊及過(guò)大的沖擊力矩加速了聯(lián)軸節(jié)等的損壞;停止過(guò)程中的流體壓力突變產(chǎn)生水錘效應(yīng),泵系統(tǒng)管道、閥門(mén)將受到損傷,使用壽命會(huì)縮短,正常的過(guò)程控制也會(huì)受到影響。由于供水系統(tǒng)需要經(jīng)常維修,以及存在缺點(diǎn)與不足。為確保供水系統(tǒng)能夠安全使用,經(jīng)商討,認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從起動(dòng)方式和停止方式這兩個(gè)方面入手進(jìn)行改進(jìn)。然而在市場(chǎng)上比較流行用來(lái)改變交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止方式是變頻器或者軟起動(dòng)器。變頻器通過(guò)改變輸出電壓和頻率實(shí)現(xiàn)改變異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式與停止方式,廣泛應(yīng)用于需要調(diào)速的場(chǎng)合;軟起動(dòng)器實(shí)質(zhì)上是個(gè)電壓調(diào)整器,在異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)只對(duì)輸出電壓有改變但對(duì)頻率并沒(méi)有改變。雖然變頻器集合了軟起動(dòng)器所具備的功能,但是其價(jià)格相對(duì)較昂貴、結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。而且因僅用于離心泵供水,無(wú)需改變頻率。基于此,決定采用ABB PSTX 系列軟起動(dòng)器。

        2 軟起動(dòng)器

        2.1 工作原理

        軟起動(dòng)器是一種將電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能及多種保護(hù)功能融匯于一體的新式電機(jī)控制裝備,國(guó)外稱(chēng)為Softstarters。它是由六個(gè)晶閘管組成,采用三相反并聯(lián)的結(jié)構(gòu)作為電壓調(diào)節(jié)器,將其串接于電網(wǎng)與電動(dòng)機(jī)定子之間,通過(guò)控制晶閘管觸發(fā)角的大小,便可控制晶閘管調(diào)壓電路輸出電壓的大小。這種電路實(shí)質(zhì)上就是三相全控橋式整流電路,主電路圖見(jiàn)圖1[2]。電動(dòng)機(jī)用軟起動(dòng)器起動(dòng)時(shí),晶閘管的導(dǎo)通角逐步增大,輸出電壓逐步升高,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐步加速;晶閘管導(dǎo)通角完全導(dǎo)通時(shí),電動(dòng)機(jī)便工作在額定電壓的機(jī)械特性上,完成平穩(wěn)起動(dòng),可減少起動(dòng)電流,防止起動(dòng)過(guò)流而跳閘;電動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速時(shí),此時(shí)起動(dòng)過(guò)程完成,旁路接觸器自動(dòng)吸合替代晶閘管的工作??蓽p少晶閘管通電工作時(shí)的熱損耗,延長(zhǎng)使用時(shí)間,提升工作能力,避免諧波污染對(duì)電網(wǎng)造成的不良影響。軟起動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車(chē)功能。軟停車(chē)與軟起動(dòng)過(guò)程相反,即晶閘管在從接收到停止指令時(shí),晶閘管導(dǎo)通角根據(jù)設(shè)定時(shí)間逐漸減小,直到設(shè)定時(shí)間為零時(shí)完全關(guān)閉。軟起動(dòng)器可減少電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊,減少對(duì)機(jī)械的磨損,可調(diào)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,并且可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟停止,從而更好的保護(hù)電機(jī)和負(fù)載,是傳統(tǒng)星三角、自耦降壓?jiǎn)?dòng)器的最佳換代產(chǎn)品[3]。

        圖1 三相全控橋式整流電路的主電路圖

        2.2 主要作用及保護(hù)功能

        軟起動(dòng)器主要應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程,通過(guò)降低起動(dòng)電壓和電流使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)可靠起動(dòng),避免因電網(wǎng)波動(dòng)而影響同一電網(wǎng)其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。防止因干擾引發(fā)繼電保護(hù)誤動(dòng)作,從而降低起動(dòng)時(shí)對(duì)設(shè)備的沖擊力,減少對(duì)設(shè)備的損害,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

        軟起動(dòng)器具有完善的保護(hù)功能,能夠確保軟起動(dòng)器和異步電動(dòng)機(jī)在安全的情況下使用,具體具有以下保護(hù)功能:EOL 電子式過(guò)載保護(hù);子堵轉(zhuǎn)保護(hù);相保護(hù);流電壓不平衡保護(hù);過(guò)壓或欠壓保護(hù);接地故障保護(hù);電壓輸出保護(hù);外部溫度傳感器PT100、PTC 保護(hù);功率因數(shù)欠載保護(hù);電流欠載保護(hù);過(guò)長(zhǎng)電流限制保護(hù);旁路開(kāi)路保護(hù);現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)故障保護(hù);擴(kuò)張IO 故障保護(hù);HMI 故障保護(hù)。

        除了擁有上述保護(hù)功能之外,軟起動(dòng)器還具有完善的故障檢測(cè)功能,比如缺相、高電流、低控制電源電壓、電網(wǎng)、晶閘管過(guò)載、短路、并聯(lián)、散熱片過(guò)熱、晶閘管開(kāi)路等故障,大大減少了故障查找與檢修時(shí)間。

        2.3 軟起動(dòng)器的起停方式

        軟起動(dòng)器主要用電壓斜坡和力矩斜坡兩種啟停方式,如圖2 和圖3 所示。

        圖2 電壓起動(dòng)與停止斜坡

        圖3 轉(zhuǎn)矩起動(dòng)與停止斜坡

        (1)電壓起動(dòng)斜坡:向軟起動(dòng)器發(fā)出起動(dòng)信號(hào)時(shí),軟起動(dòng)器會(huì)快把初始電壓水平的電壓快速提升到所設(shè)置的起始起動(dòng)電壓;隨后會(huì)對(duì)起動(dòng)斜坡期間的輸出電壓進(jìn)行控制;當(dāng)輸出電壓達(dá)到標(biāo)稱(chēng)電壓時(shí),軟起動(dòng)器會(huì)關(guān)閉旁路。

        (2)電壓停止斜坡:向軟起動(dòng)器發(fā)出停止信號(hào)時(shí),軟起動(dòng)器會(huì)在快速停止斜坡期間輸出給電動(dòng)機(jī)的電壓從全壓降到所設(shè)置的初始降壓水平。當(dāng)達(dá)到初始降壓水平時(shí),軟起動(dòng)器會(huì)在預(yù)設(shè)的停止降壓時(shí)間內(nèi)將輸出電壓控制在終止電壓水平并停止向電動(dòng)機(jī)輸出電壓。

        (3)力矩起動(dòng)斜坡:向軟起動(dòng)器發(fā)出起動(dòng)信號(hào)時(shí),軟起動(dòng)器會(huì)向所設(shè)置的啟動(dòng)斜坡初始水平快速升壓;隨后會(huì)控制輸出電壓,以使輸出轉(zhuǎn)矩在預(yù)設(shè)的時(shí)間內(nèi)遵循預(yù)定義的最佳轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)以達(dá)到100%的標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)矩;當(dāng)輸出電壓達(dá)到100%標(biāo)稱(chēng)電壓(全壓)時(shí),軟起動(dòng)器會(huì)關(guān)閉旁路。

        (4)力矩停止斜坡:向軟起動(dòng)器發(fā)出轉(zhuǎn)矩停止斜坡時(shí),軟起動(dòng)器會(huì)對(duì)輸出到電動(dòng)機(jī)的電壓進(jìn)行控制,以使力矩在停止期間按照計(jì)劃好的最佳曲線(xiàn)從初始降壓水平降到終止電壓。

        3 軟起動(dòng)器在供水泵中的應(yīng)用

        由于軟起動(dòng)器在電機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)電機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)、停止均能有效控制,并且在電機(jī)不需要調(diào)速的情況下,相對(duì)于變頻器,軟起動(dòng)器既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。因此,近年軟起動(dòng)器在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛,主要用于控制泵類(lèi)和風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載。

        3.1 起動(dòng)方式的選擇

        由圖2 和圖3 可知,電壓起動(dòng)斜坡時(shí)間是指從起始電壓(即設(shè)定電壓)提升到標(biāo)稱(chēng)電壓所花費(fèi)的時(shí)間;轉(zhuǎn)矩起動(dòng)斜坡時(shí)間是指發(fā)出起動(dòng)信號(hào)(起始電壓為0)到達(dá)到標(biāo)稱(chēng)轉(zhuǎn)矩(即標(biāo)稱(chēng)電壓,也叫全壓)所需的時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中,軟起動(dòng)器達(dá)到全壓狀態(tài)所花費(fèi)的實(shí)際時(shí)間還取決于電流,這就意味著達(dá)到全壓所花費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)超過(guò)所設(shè)置的電壓斜坡時(shí)間?;诖耍鶕?jù)泵的啟動(dòng)狀態(tài)和負(fù)載特性,選擇電壓起動(dòng)斜坡模式。

        3.2 停止方式的選擇

        由圖2 和圖3 可知,電壓停止斜坡停止降壓時(shí)間為初始降壓電壓水平到終止電壓的時(shí)間段。其終止電壓由于液體依然存在慣性,在止回閥的作用下對(duì)管道還存在一定的影響;轉(zhuǎn)矩停止斜坡降壓電壓從接到停止指令后,輸出電壓就以波浪形式降壓,直到輸出電壓為零,對(duì)管道有較好的保護(hù)?;诖?,選擇轉(zhuǎn)矩停止模式。

        3.3 主要參數(shù)的設(shè)置

        (1)啟動(dòng)參數(shù)的設(shè)置:由于電壓起動(dòng)斜坡模式相對(duì)比較單一,不具備電流閉環(huán)控制功能。只要調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角與時(shí)間形成一定因變量關(guān)系增加,在電動(dòng)機(jī)實(shí)際起動(dòng)過(guò)程中,為避免起動(dòng)電流損壞晶閘管,以及對(duì)電網(wǎng)的影響,初始起動(dòng)電壓與起動(dòng)升壓時(shí)間應(yīng)視使用設(shè)備起停狀況盡量放寬。

        (2)停止參數(shù)的設(shè)置:由于轉(zhuǎn)矩停止斜坡屬于軟停車(chē)功能,即晶閘管在接收到停止指令時(shí),晶閘管導(dǎo)通角根據(jù)設(shè)定時(shí)間逐漸減小,直到設(shè)定時(shí)間為零時(shí)完全關(guān)閉的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可以根據(jù)樓層的高度及管道的長(zhǎng)度,對(duì)停止終止電壓與停止降壓時(shí)間做出相應(yīng)的設(shè)置。

        4 實(shí)際效果

        通過(guò)PSTX 軟起動(dòng)器在水泵供水系統(tǒng)的實(shí)際使用,表明該軟起動(dòng)器具有非常高的可靠性,以及完善的保護(hù)功能,能滿(mǎn)足水泵供水系統(tǒng)的要求。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

        (1)軟啟動(dòng)器投入使用后,起動(dòng)電流明顯降低,同電網(wǎng)內(nèi)其他用電設(shè)備受到的影響程度也明顯減少;

        (2)采用電壓起動(dòng)斜坡,既保證水泵起動(dòng)特性又實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng),不但對(duì)水泵及管件無(wú)沖擊,而且供電可靠性和供水可靠性均得到提高;

        (3)采用轉(zhuǎn)矩停止斜坡,降低對(duì)機(jī)械的沖擊,扼制水錘效應(yīng),延長(zhǎng)水泵及其相關(guān)設(shè)備的使用壽命;

        (4)多種起停模式及保護(hù)功能融于一體,傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備的諸多弊端得到了根本性的解決,從而有效防止事故的發(fā)生。

        5 結(jié)語(yǔ)

        軟起動(dòng)器作為多種起停模式及保護(hù)功能融于一體的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)裝置,大大地改善了原來(lái)交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊,以及對(duì)傳動(dòng)機(jī)械帶來(lái)的損害,有效延長(zhǎng)了傳動(dòng)機(jī)械的壽命,降低和扼制了供水系統(tǒng)中的“水錘”效應(yīng),是當(dāng)前水泵交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的首選產(chǎn)品。

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