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| [关键词]智能控制、电动机、降压起动器、软启动器 摘 要： 本文论述了对于鼠笼型三相异步电动机在智能控制中的几种起动方式及其优缺点，同时给出通过调研和本人在应用中的切身体会。 一、前言 随着国民经济的飞速发展，科学技术的日新月异，智能控制系统得到了广泛的应用。如：智能大厦、无人值守泵站、无人值守供热站、各种遥控调度系统、生产作业自动化等等。这正是国家实现科学技术现代化的重要标志，也是每一个技术人员肩负的重要责任。 智能控制技术的应用，给我们提出了很多要求。如电网的波动性，执行机构的智能配套等，都要求越来越严格。作为重要驱动执行机构的电动机来说，它的控制方式受到广大技术人员的高度重视。既要为智能控制打下良好基础，又要降低电动机起动时对电网的冲击。所以，不得不在电动机的起动设备上做工作。 鼠笼型异步电动机电子软启动器的诞生给技术人员解决了这个问题。它既能改变电动机的起动特性保护拖动系统，更能保证电动机可靠起动，又能降低起动冲击，而且配有计算机通讯接口实现智能控制。 二、电动机起动方式的选择 作为应用最广泛的鼠笼型异步电动机，它采用降压起动的条件：一是电动机起动时，机械不能承受全压起动的冲击转矩；二是电动机起动时，其端电压不能满足规范要求；三是电动机起动时，影响其他负荷的正常运行。 对于降压起动目前有两种方式，一种是降压起动，一种是软起动。他经过了三个发展阶段，一是“ Y-Δ” 起动器和自藕降压起动器，二是磁控式软启动器，三是目前最先进最流行的电子软启动器。电子软启动器一般都是采用16位单片机进行智能化控制，他既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击，同时，还能实现直接计算机通讯控制，为自动化智能控制打下良好的基础。 它们的造价比较是：“ Y-Δ”起动器须六根出线而且故障率太高，维修费也高已不常采用，自藕方式每个千瓦80元左右，磁控的每千瓦150元左右，自藕和磁控的体积较大且故障率较高，维修费较高，电子软启动器每个千瓦在100元到200元之间，一般情况下，一台开关柜能放多台电子软启动器，节省工程造价，且故障率较低，维修费也低。所以，电子软启动器应是我们首选的目标。 三、电子软启动器的选择 通过以上所述，毋庸置疑地在工程设计和工程改造中，要想改善工艺提高自动化水平，降低成本提高企业效益，对电动机的起动就必须首先采用先进的起动设备——电子软启动器。 在应用电子软启动器时应考虑哪些问题呢？做为软启动器首先要看它的起动性能和停车性能，目前的软启动器有以下五种起动方式： 软起动器疑难问题解答 1．什么是软起动器？ 软起动器是一种用来控制鼠笼型异步电动机的新设备，集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为 Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。 运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。 2.软起动器的应用范围？ 原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车的场合。 3.软起动与传统减压起动方式的不同之处在哪里？ 笼型电机传统的减压起动方式有 Y-△ 起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。由于传统的减压起动方式技术落后，国家已明令淘汰。 软起动与传统减压起动方式的不同之处是： （1）无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。 （2）有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免高程供水系统的水锤效应，减少设备损坏。 （3）起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。 4、它与变频器有什么区别？ 软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。 5.有的软起动器为什么装有旁路接触器？ 大多数软起动器在晶闸管两侧有旁路接触器触头，其优点是： （1）在电机运行时可以避免软起动器产生的谐波 （2）软起动的晶闸管仅在起动停车时工作，可以避免长期运行使晶闸管发热，延长了使用寿命。 （3）一旦软起动器发生故障，可由旁路接触器作为应急备用。 6．智通软起动器的主要特点： （1）、本公司采用全数字性控制：软起动器的单片机CPU通过触发光耦直接触发可控硅，不受环境干扰、漂移、温度、湿度无干扰。使可靠性，操作性，安全性大大提高，且电路简单，体积小。 （2）、本公司的单片机CPU主要采用美国微晶片公司的产品（Mic chip）八位数据，十四位指令。控制线、数据线分开，稳定性强，可靠性好,在世界上是一流的公司，在工业控制领域生产最先进的芯片。主要功率元件从德国进口. （3）、本公司的单片机CPU采用哈佛总线： 结构好，抗干扰性强。 （MS-51系列线：抗干扰性差）。程序存储器采用OTP（一次性编程，不可变的），稳定性好，抗干扰性强。而大多数厂家采用FLASH和E2PROM可擦写，不稳定，抗干扰性差。多次写入，程序区极易破坏。 （4）、国内首例实现真正的一拖三控制，不需要外接变频软起控制器，不需要外部复杂的逻辑电路，真正方便现实生活中要求的用三备一或用一备一以确保可靠的。一些厂家，旁路延时，靠外电路实现，电脑板功能少，电器元件多、复杂，故障多，一拖三靠外电路实现。 7、本公司的软起动器有三点为可调的： （1）、 起动电压(转距)： 不同负载需要起动电压不一样.当需要负载起动时,初始电压要高一些,但具体电压是多少无法确定,但我公司的软起动器在这一点上是可以调节的。 （2）、 起动时间： 负载不同,需要时间调整。调整方法:如果起动时间一般为12秒,测量时6秒完成(电流达到最高,突然降低,则完成),可调到6秒。 （3）、 软停时间调整(主要用在水泵上,消除水锤效应)：使系统更稳定。  限流起动顾名思义是限制电动机的起动电流，它主要是用在轻载起动的负载降低起动压降，在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动力矩，对电动机不利。斜坡电压起动顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升，它是将传统的降压起动从有级变成了无级，主要用在重载起动，它的缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且起动时间长有损于电机。转矩控制起动用在重载起动，它是将电动机的起动转矩由小到大线性上升，它的优点是起动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，它的目的是保护拖动系统，延长拖动系统的使用寿命。 同时降低电机起动时对电网的冲击，是最优的重载起动方式，它的缺点是起动时间较长。转矩加突跳控制起动与转矩控制起动相仿也是用在重载起动，不同的是在起动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩，然后转矩平滑上升，缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，应用时要特别注意。电压控制起动是用在轻载起动的场合，在保证起动压降下发挥电动机的最大起动转矩，尽可能的缩短了起动时间，是最优的轻载软起动方式。 综上所述不难看出，最适用最先进的起动方式应是电压控制起动和转矩控制起动及转矩加突跳控制起动。目前的软启动器多是限电流起动和斜波电压起动，它是最原始最低级最简单的方式（如“ ABB”软起以及国内的大多厂家），还有的是限流起动和转矩加突跳控制起动。唯有“雷诺尔”的软启动器实现了电压控制和纯转矩控制及转矩加突跳控制起动。“AB”、“施耐德”、“西门子”的是限流起动和转矩加突跳控制起动。 停车方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。电子软起动带来最大的停车好处就是软停车和制动停车。软停车消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击。制动停车在一定的场合代替了反接制动停车。 可靠性的选择：可靠性分三个方面，一是产品的短路自保护，二是无故障停机保护，三是产品故障率。前两项可通过产品说明书识别，国内产品除“雷诺尔”的自带短路保护外其它的一般都不自带短路保护，需外加快速熔断器，自动开关不能保护电子软启动器。国外的“ ABB”不自带短路保护，需外加快速熔断器。无故障停机保护看它的软起是不是带有绿色单元（KGL），所有的电力电子产品世界难题是无故障停机（干扰停机）现象。目前，市场上流行的电子软起中唯有“雷诺尔”的加装了绿色单元。 智能控制功能的选择：在选择软起要注意它的智能化程度，是否带微机接口，接口是否带有通讯地址和程序，是否能达到通讯控制以及故障自珍诊断功能等。目前发现这些功能完整的只有“雷诺尔”的软起，并且在天津市城市排水微机控制中得到良好应用。 其它方面还要考虑是否保护功能完备和冷却方式以及运行方式等，如：过电流保护，过压保护，单项接地保护，上下口断相保护，三相不平衡保护，相位颠倒保护等。冷却方式分机械风冷和自然风冷。柜体是否需加机械通风，元器件的排布等，机械风冷的柜体加机械通风，软起正上方不能放电器元件，机械风冷的还要考虑倾斜度等。自然风冷的无此要求。运行方式分在线型和非在线型，选型时尽量选用非在线型。 四、各品牌的比较 目前电子软启动器国内的生产厂家很多，可说五花八门，虽然多数没形成品牌效应，但也有一定的市场份额。从技术先进性和应用效果以及市场占有率来看，在整个国内市场能形成品牌和有影响力的大约有五家。一是“雷诺尔”，二是“ ABB”，三是“施耐德”，四是“AB”，五是“西门子”。到目前功能最多的、最先进的、最适用的、市场站有率最高的是中国的“雷诺尔”。 它是我国首先通过中国电工产品认证委员会CCEE安全认证和首家通过ISO9002国际质量体系认证的，它的起动方式有四种，一是限流起动，二是电压控制起动，三是转矩控制起动，四是转矩加突跳起动。停车有三种。一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。它是目前国内外唯一的一个带绿色单元的软启动器，彻底消除了无故障停机现象。“雷诺尔”、“ABB”均属非在线型，后三种均属在线型。“ABB”的起动方式是限流型和电压斜坡型，后三种是限流型和转矩加突跳型。停车除“ABB”外都有制动停车。价格比较“雷诺尔”的约100~130元/千瓦，后四种约在案180~220元/千瓦。 五、结论 通过论述，电动机的降压起动方式经过了“ Y-Δ” 起动器和自藕降压起动器到磁控式软启动器，目前又发展到电子软启动器。所以在工程应用中，当电动机在直接起动不能满足要求时，首先考虑的是电子软启动器。这是科技发展的历史阶段，是为今后的智能控制系统化打下良好基础的必然阶段。 变频调速在供水行业的应用 供水行业的调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几乎能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来；又由于其具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。以下是变频器在供水企业生产过程各个环节中的应用情况。 1 大功率变频器 在城市供水中，大功率变频器主要应用在水泵上，由于水泵流量随着外界用水情况不断变化，扬程也因流量和吸水井水位的变化而变化，因此设备不可能总保持在一个高效工作点运行，需要进行控制。为使水泵能够运行在其特性曲线的高效区，过去多采用阀门控制与台数控制，效果不能令人满意。为满足工艺要求和适应运行工况的改变，需要水泵调速使机组尽可能始终运行在高效区内，以达到节约电能的目的。下面是几种常见的大功率变频器。 1.1 大功率交—直—交电压型、电流型变频器 大功率交—直—交电压型变频器主结线图见图1。  此类变频器采用几个功率单元多重化并联而成，达到低谐波、大电流的输出目的。若中间耦合电路电容较大，使逆变输入端直流电压保持恒定，不受负载变化的影响，则逆变器的输入端可以看成是一个电压源，这就是电压变频器，在深圳市梅林水厂安装有四台1 000 kW SIEMENS电压型变频器。若中间耦合电路电感较大，则逆变器输入端就可以看成是一个电流源，这就是电流型变频器，在北京市第九水厂安装有四台2 500 kW SIEMENS电流型变频器。 1.2 完美无谐波变频器 大功率完美无谐波变频器主线图见图2。 该变频器由多个功率单元串联而成，由低压单元叠加达到高压输出的目的，各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，二次线圈互相存在一个相位差，实现输入多重化，叠加得到多种不同的电压等级，合成正弦输出电压波形，由此可以消除各单元产生的谐波。每个功率单元都是由IGBT构成三相输入、单相输出的PWM型变频器，根据电机的电压等级确定每相串联功率单元的数量。目前上海大场水厂安装有两台美国ROBICON公司生产的1 350 kW变频器。 统计表明，应用大功率变频调速节能效果非常显著，梅林水厂送水机组的单位配水电耗始终保持在0.35 kW·h/(m3·MPa)左右。交—直—交电压型、电流型变频器多用于新建水厂，采用高—低形式，直接选用中、低压电机；而完美无谐波变频器更适合于改造项目，无须更换原有的高压电机或另加升压变压器。在采用大功率变频器时，首先要考虑采用调速系统的节能潜力，其次要考虑到谐波对电网的影响，选择合适的容量与台数。 2 中小功率变频器 中小功率变频器大多采用了高密度集成电路和高效率冷却技术，体积小，安装容易，维护方便，操作简单。变频器提供了丰富的频率控制端子，以便用户根据实际情况选择合适的控制方式。通常变频器都设有0～10 V或4～20 mA的频率控制端子以及数字通讯接口。变频器的闭环频率控制系统主要包括被控对象、测量元件、变送器、调节器和执行机构。调速电机所传动的生产机械控制对象有温度、位置、压力和流量等，变频器和电机构成的传动机构是闭环系统中的执行机构，变频器接受调节器所输出的信号，调节电机转速，维持被控量的设定值。控制框图见图3 中小功率变频器应用十分广泛。 2.1 空压机 空压机在供水行业的应用较多，如用于控制滤池恒水位过滤与反冲洗各气动阀门与闸板、污泥脱水压滤机的隔膜挤压等气源供给。空压站采用变频调速可以使空压机在低于额定压力又满足生产要求的任何压力下运行，再辅以压力闭环控制，可实现空压机的供气压力——转速的动态匹配，减少电机的实际输入功率，达到节能目的，另外还具有供气压力稳定、配用电机实现软启动、降低机械磨损等优点。 2.2 混合池搅拌机 在给水处理中，加药混合工艺对后续絮凝沉淀工艺的效能产生极为重要的影响。若以变频器驱动搅拌装置，通过调节和选择合适的速率，就可以达到所期望的G值和GT值，得到良好的混凝效果和节能效果，同时也降低了机械磨损。变速搅拌装置在欧美、日本早有使用，在梅林水厂也已采用。 2.3 排泥行车 平流沉淀池的排泥对沉淀的效能影响较大，及时排除积泥是保证沉淀池正常运行的必要条件，积泥过多将导致沉淀池有效深度和容积减小，水力停留时间缩短，降低沉淀效率，影响出水水质。采用机械吸泥排泥行车排泥可靠性较高，目前基本采用往复式“M”形4个行程的排泥方法。这样控制较复杂，行车行走距离又长，机械磨损较大，常出现行车咬轨甚至脱轨现象。采用变频调速改造可以根据积泥深度调节行车的行走速度(递增或递减)，一个行程就可以将泥排尽。积泥深度可以用污泥界面仪测得或经验估计，以此作为变频器的给定输入、比例调节变频器的输出频率。 2.4 药剂投加 混凝剂、石灰的投加，需要根据原水水质与水量的变化及时准确地进行调节。投加混凝剂计量泵、投加石灰螺杆泵、加石灰给料机等利用变频器输出频率范围宽(0～200 Hz)的性能，可高于工频运行，使得投加量的调整范围变宽，满足工艺要求，降低药耗。其中混凝剂的投加控制：以原水流量作为变频器的输入信号比例调节计量泵的转速，用混合水SCD值的反馈量比例积分调节计量泵的冲程，两者配合组成前馈、反馈调节系统。石灰的投加控制：用原水流量作为给料机变频器的输入信号比例调节给料量，改变石灰液浓度；用投加点的pH值反馈量作为螺杆泵变频器的输入信号比例积分调节石灰液的投加量，改变原水pH值，这在梅林水厂使用效果良好。 2.5 滤池反冲洗 滤池反冲洗是恢复和继续发挥滤池功能十分重要的手段，滤池的效率要依靠有效的清洗来实现。反冲洗强度不足会导致滤池清洗不彻底、堵塞较快、产生泥球等，影响过滤性能；反冲洗强度太大则会造成滤料层、承托层翻动，膨胀太高，出现跑砂、配水系统故障或漏砂等现象。滤池反冲洗基本上都是公用一套反冲洗设备，单个滤池的反冲洗气水管路有所不同，得到的反冲洗强度也大不一样；另外随着水温的变化，水的粘滞性变化较大，反冲洗强度也随之改变；理论设计与实际应用还存在着差别。如果采用变频器驱动反冲洗的水泵、风机，通过调节频率，单个滤池得到合适的反冲洗强度，既满足了工艺要求，又节约了能源、水量，这在广州市西洲水厂已经试用。 2.6 桥式吊车 目前使用的桥式吊车大多数采用继电器、接触器控制，转子串电阻调速，使用中故障频繁。如果采用三台变频器分别驱动升降电机、大车行走电机、小车行走电机，在频繁使用的情况下，这种改造显得非常优越，调整范围广，调速精度高，启动、加速、减速、制动平稳，没有大电流和机械冲击，调整方便，运行可靠，节约电能。 城市供水企业是一个耗能大户，许多设备的综合能耗大大高于先进水平；另一方面在制水过程中存在着自动化程度较低的现象，靠操作人员勤跑、勤看、勤调节的落后生产管理方法，在水质要求越来越高的情况下越来越不适应。因此，在供水行业推广应用变频器对节能降耗和提高自动化程度有着重要的意义。 来源：中国工控信息网 | |