高壓變頻器無擾同步軟啟動功能的應(yīng)用

引言

交流高壓電動機(jī)在全壓直接啟動時,啟動電流會達(dá)到額定電流的4～8倍。當(dāng)電機(jī)的容量相對于電網(wǎng)容量較大時,啟動電流會引起電網(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,電動機(jī)線圈發(fā)熱量是電機(jī)正常運(yùn)行時的30多倍,產(chǎn)生的電磁力同樣達(dá)到了30多倍。過高的溫度、過快的加熱速度、過大的溫度梯度和電磁力,都會對電機(jī)產(chǎn)生極大的破壞,發(fā)熱會使絕緣加速老化,電磁力會使線圈變形、結(jié)構(gòu)松動,影響電動機(jī)使用壽命。

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

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

1切換方式的選擇

采用變頻器軟啟動電機(jī),有兩種控制方式:

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

(2）無擾動同步切換。采用變頻器拖動電機(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,比對無誤后,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不會產(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。

無擾動同步切換采用變頻器作為軟啟動主設(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),變頻器自動退出。該切換模式通過變頻器對電網(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)過短時重疊工作而實(shí)現(xiàn)電機(jī)電流平穩(wěn)過渡。

調(diào)節(jié)變頻器輸出達(dá)到電網(wǎng)同期狀態(tài)主要包括三個參數(shù):電壓、頻率、相位,三個參數(shù)差值必須控制在允許范圍內(nèi),變頻器必須實(shí)時檢測三條件,變頻器本體增設(shè)電網(wǎng)電壓互感器,同時還需增設(shè)由輸出緩沖器、切換接觸器及PLC等組成的同步切換回路,輸出緩沖器用來緩解在允許范圍內(nèi)切換時的沖擊。

此外,同步切換必須遵從正確的切換邏輯,以確保切換無誤。其主要過程包括變頻器啟動輸出、鎖相等待過程、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),切換邏輯時序如圖1所示。

2高壓變頻器無擾動同步軟啟動技術(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年代初的大型民營企業(yè),從事有色金屬和貴金屬的勘探、開采、選礦、冶煉以及礦產(chǎn)品的經(jīng)銷業(yè)務(wù)。該礦為海南省開采的最大地下礦井,年處理30萬噸鉬礦石。

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

2.2主回路構(gòu)成

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

整個系統(tǒng)包含有開關(guān)柜兩臺、高壓變頻器一套、尋相裝置一套、輸出緩沖器一臺、旁路柜兩臺(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,為外部開關(guān)切換動作提供充足的時間,確保同步投切過程的平滑過渡,變頻器封鎖輸出,外部開關(guān)動作,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)行時電網(wǎng)對變頻器的沖擊傷害損壞變頻器,選擇過小時起不到抑制沖擊電流的作用,過大時會影響變頻器輸出,產(chǎn)生壓降,降低電機(jī)效率。經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和效果驗(yàn)證,6kV/1000kw的異步電動機(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無擾動同步軟啟控制過程

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)排水泵的無擾動同步軟啟動,又可實(shí)現(xiàn)變頻器拖動排水泵調(diào)速運(yùn)行。

系統(tǒng)啟動前,對系統(tǒng)進(jìn)行合閘,控制電源上電操作,接通各個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無擾動軟啟模式;(3）排水泵M2變頻調(diào)速模式;(4）排水泵M2無擾動軟啟模式。

以排水泵M1無擾動軟啟模式為例:選擇(2）排水泵M1無擾動軟啟模式,閉合變頻器的輸出開關(guān)KM13,檢測無異常后合上變頻器的進(jìn)線開關(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)訂的速度指令帶動電機(jī)從零速開始啟動加速(啟動過程中電機(jī)的各類電氣保護(hù)由變頻器來負(fù)責(zé)）,當(dāng)變頻器拖動電機(jī)達(dá)到電網(wǎng)側(cè)工頻轉(zhuǎn)速時,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的工頻開關(guān)KM12閉合,當(dāng)工頻開關(guān)KM12完成閉合動作后,變頻器輸出聯(lián)鎖切斷,變頻器停止輸出,輸出開關(guān)KM13斷開。在此過程中保持KM4斷開。啟動過程結(jié)束。

從以上啟動過程來看,關(guān)鍵步驟是鎖相開始至電流控制環(huán)節(jié),整個過程中檢測參數(shù)的精確性和各器件動作的及時性都關(guān)乎成敗,而PLC控制器內(nèi)部的檢測采集回路、分析計(jì)算、

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

2.5無擾動同步軟啟改造效果

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際觀察測量,變頻器無擾動同步軟啟排水泵時,啟動電流始終保持在額定電流以內(nèi),啟動切換平穩(wěn),對電網(wǎng)無沖擊,諧波小,對電網(wǎng)電氣設(shè)備影響小,未對電機(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

經(jīng)過多個實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目的驗(yàn)證,高壓變頻器無擾動同步軟啟技術(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機(jī)的啟動沖擊問題,不僅適用于鼠籠式異步電動機(jī),亦適用于繞線式電動機(jī)和同步電動機(jī)。此技術(shù)的關(guān)鍵在于解決切換過程中的大電流問題,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。切換過程中各個開關(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沖擊電流的關(guān)鍵。整個切換過程由PLC智能化自動控制,無需人工操作,方便簡單,靈活配置,是提高工業(yè)自動化水平的主要手段。