鞍山加壓泵站恒速高壓電機(jī)啟動方式選擇

蔡 瀏

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 沈陽 110006)

龐鍇鋒 張玉君

(大連市供水有限公司 116021)

1 引言

鞍山加壓泵站是大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程第一級加壓泵站，設(shè)3臺變頻調(diào)速水泵、3臺恒速水泵，水泵配套電機(jī)均采用感應(yīng)式鼠籠型6kV 高壓電機(jī)，電機(jī)功率均為3550 kW。由于變頻調(diào)速裝置具備軟啟動功能，作為調(diào)速運(yùn)行的水泵電機(jī)可采用變頻裝置啟動，而作為恒速泵運(yùn)行的水泵電機(jī)則應(yīng)配置適當(dāng)?shù)能泦友b置。

2 軟啟動裝置分類

中高壓電機(jī)軟啟動，是在中高壓(主要指6kV、10kV)電動機(jī)啟動過程中，隨著電動機(jī)反電動勢的不斷建立，電機(jī)端電壓由某一值逐漸平滑、無級地上升至全壓，轉(zhuǎn)速由0 上升到額定轉(zhuǎn)速，最后依靠旁路甩掉軟啟動控制裝置。

軟啟動裝置是一種集電機(jī)軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新型電機(jī)控制裝置。可分為有級和無級兩類。傳統(tǒng)的軟啟動均是有級的，如星/角變換軟啟動，自耦變壓器軟啟動、電抗器軟啟動等。本文闡述的是無級類的，目前高壓電動機(jī)軟啟動的電氣裝置主要有:高壓變頻軟啟動器、磁控軟啟動、高壓液態(tài)電阻軟啟動、晶閘管高壓軟啟動裝置。它們的價(jià)格懸殊大，性能、功能差異大。

3 各種軟啟動裝置簡介

高壓變頻軟啟動采用高壓變頻器，其啟動性能很好，是比較理想的一種軟啟動裝置，可以在限流同時保持高的啟動轉(zhuǎn)矩。價(jià)格貴是制約其推廣應(yīng)用的主要因素。

磁控軟啟動是從電抗器軟啟動衍生出來的，用三相電抗器串在電動機(jī)定子上實(shí)現(xiàn)降壓是兩者的共同點(diǎn)，磁飽和軟啟動不同于電抗器軟啟動的主要區(qū)別是其限流作用的強(qiáng)弱變化可控。

高壓液態(tài)電阻軟啟動采用高壓液態(tài)電阻軟啟動裝置，可無級控制，啟動性能好、價(jià)格低廉，但液阻箱容積大，必須定期補(bǔ)水，受環(huán)境影響大，且制作、運(yùn)輸、安裝困難。

晶閘管高壓軟啟動將電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用在軟啟動器上，以晶閘管和控制電路為主電路、以單片機(jī)為中央控制器來完成測量及各種控制算法，使軟啟動器具備很強(qiáng)的功能和靈活性，達(dá)到全方位的軟啟動器性能，同時還能實(shí)現(xiàn)直接計(jì)算機(jī)通訊控制。

4 不同軟啟動裝置比較

不同軟啟動裝置比較情況見下頁表。

5 晶閘管高壓軟啟動

綜上所述，筆者認(rèn)為該工程6kV 高壓恒速電機(jī)宜采用晶閘管高壓軟啟動裝置啟動。

5.1 晶閘管高壓軟啟動裝置概述

軟啟動裝置以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合，主回路的開關(guān)元件采用高壓大功率晶閘管，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來控制電動機(jī)啟停電壓的平穩(wěn)升降和無觸點(diǎn)通斷，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的平穩(wěn)啟停。可實(shí)現(xiàn)以啟動電機(jī)所需的最小電流來啟動電機(jī)，減少電流對電網(wǎng)的沖擊，降低設(shè)備的振動和噪聲，降低啟動機(jī)械應(yīng)力，延長電動機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。

5.2 晶閘管高壓軟啟動裝置技術(shù)特點(diǎn)

a.軟啟動裝置以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合，主回路的開關(guān)元件采用高壓大功率晶閘管，通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來控制電動機(jī)電壓的平穩(wěn)升降和無觸點(diǎn)通斷，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的平穩(wěn)啟停。

b.串聯(lián)晶閘管設(shè)有可靠的靜態(tài)、動態(tài)均壓保護(hù)措施，具有技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

高壓電機(jī)軟啟動裝置比較表

c.采用先進(jìn)的光纖傳輸技術(shù)、電流變換技術(shù)，對晶閘管的觸發(fā)檢測與低壓控制回路之間進(jìn)行有效控制。

d.采用雙CPU 結(jié)構(gòu)，以16 位數(shù)字信號處理器DSP執(zhí)行核心控制，使設(shè)備控制實(shí)時高效、穩(wěn)定性好。

e.采用信號多級處理及隔離技術(shù)，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

f.控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確地采集高壓主回路的同步信號和電流信號，有效地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

g.軟啟動裝置具有旁路功能，啟動完成后自動切到旁路運(yùn)行，并能提供實(shí)時監(jiān)控和保護(hù)信號。

h.軟啟動裝置的控制方式具有斜坡電壓控制、限流控制、恒壓控制等功能，啟動方式具有現(xiàn)場按鈕啟動、上位機(jī)遙控啟動、鍵盤按鍵啟動、組合啟動等功能。

i.軟啟動裝置具備自檢、保護(hù)功能。如:缺相及欠壓保護(hù)、可控硅組件保護(hù)、啟動超時保護(hù)、三相電流不平衡保護(hù)、運(yùn)行過流保護(hù)、電源過壓保護(hù)、聯(lián)鎖控制保護(hù)，分別輸出無源硬接點(diǎn)，送至后臺監(jiān)控。

j.軟啟的控制回路能滿足設(shè)計(jì)需要，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)可順利地在“軟啟動/直接啟動”之間切換。其中旁路真空開關(guān)具有機(jī)械保持的操作機(jī)構(gòu)，能直接啟動交流電動機(jī)。

k.顯示。顯示屏為LCD，具有背光、屏幕保護(hù)功能;采用中文顯示，菜單操作簡單，人機(jī)界面良好。

5.3 控制原理與技術(shù)性能

5.3.1 控制原理

控制原理如圖1 所示。

圖1 控制原理

5.3.2 技術(shù)性能

a.采用先進(jìn)的光纖傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓晶閘管的觸發(fā)檢測與低壓控制回路之間的隔離。

b.采用雙CPU 結(jié)構(gòu)。用先進(jìn)的數(shù)字信號處理器DSP執(zhí)行核心控制，用單片機(jī)對數(shù)據(jù)及通信進(jìn)行管理，使設(shè)備控制實(shí)時高效、顯示直觀、可靠性高、穩(wěn)定性好。

c.采用信號多級處理、隔離技術(shù)，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

d.采用大屏中文顯示、薄膜按鍵設(shè)置的控制器，操作簡單，人機(jī)界面良好。

e.具有RS—485 標(biāo)準(zhǔn)接口，可與上位機(jī)或集中控制中心進(jìn)行通訊。

5.3.2.1 控制方式可選

a.斜坡電壓控制。如圖2 所示，給予一定的初始輸出電壓U0和軟啟時間，軟啟按設(shè)定的起始電壓開始工作。電機(jī)在啟動過程中，電壓隨時間線性上升，直至電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，軟啟檢測到電流下降，發(fā)出旁路信號，啟動過程完成。初始電壓U0為全電壓的20%～85%，大小可隨負(fù)載類別而調(diào)整，重負(fù)載初始電壓適當(dāng)高一些。斜坡電壓控制方式簡單，不同負(fù)載可以有不同的斜坡啟動，可靈活運(yùn)用。

圖2 斜坡電壓控制

b.限流控制。如圖3 所示，給予一定的限流系數(shù)I0(限流系數(shù)指電機(jī)額定電流的倍數(shù))，電機(jī)在啟動過程中，按限流控制方式輸出電壓，電機(jī)啟動電流限制在Imax內(nèi)，直至電動機(jī)完成啟動。

圖3 限流控制

c.恒壓控制。如圖4 所示，給予一定的輸出電壓U0，當(dāng)電壓被限制在恒壓值U0時，電壓將被限制在一定范圍內(nèi)，在限制的時間內(nèi)，電流平穩(wěn)上升，直至電動機(jī)完成啟動。

圖4 恒壓控制

d.軟停控制。如圖5 所示，使電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速線性平穩(wěn)地下降為零即為“軟停車”。通過控制晶閘管的“導(dǎo)通角”即可實(shí)現(xiàn)“軟停車”功能，可防止“水錘”效應(yīng)。

圖5 軟停控制

5.3.2.2 啟動方式可選

a.現(xiàn)場按鈕啟動。從軟啟裝置控制界面選擇“現(xiàn)場按鈕啟動”菜單，啟動和停止信號由外部送入。啟動信號要求是自復(fù)位式無源常開觸點(diǎn)(如有特殊要求需在運(yùn)行設(shè)計(jì)時指明)。

b.鍵盤按鍵啟動。從軟啟裝置控制界面選擇“鍵盤按鍵啟動”菜單，電機(jī)的啟動和停止均可從軟啟動裝置的控制鍵操作。

c.上位機(jī)遙控啟動。從軟啟裝置控制界面選擇“上位機(jī)遙控啟動”菜單，通過RS485 通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，電機(jī)的啟動和停止均由上位機(jī)控制。

d.組合啟動。從軟啟裝置控制界面選擇“組合啟動”菜單，“外部按鈕啟動”、“上位機(jī)遙控啟動”、“鍵盤按鈕啟動”三種控制方式均可以對電機(jī)進(jìn)行啟停控制。

6 結(jié) 語

通過對各種軟啟動裝置進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、可靠性等綜合評價(jià)，筆者認(rèn)為晶閘管高壓軟啟動裝置適合應(yīng)用于該工程中。晶閘管高壓軟啟動將成為各類軟啟動產(chǎn)品中值得推廣的產(chǎn)品，必將成為高壓交流電機(jī)軟啟動技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

2 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.