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软起动器在船舶上的应用_0

1 引言

  近代船舶像一个可移动的海上城市,它有许多设备都需要使用电能,因此在船上都配备有一个发电、配电、输电、用电的独立系统船舶电力系统。随着船舶的大型化和自动化程度的不断提高,越来越多的船用设备需要用电来驱动和控制,船舶电力系统亦日趋庞大。

  保证船舶电力系统安全地、可靠地运行就具有重要的意义。船舶电力系统是一个独立的系统,通常其容量相对陆地上的电网来说是较小的。负载的投人和切除会影响船舶电网的频率和电压,特别是突加和突卸较大的负荷时会引起船舶电网频率和电压较大的波动,影响供电质量,严重时会引起船舶电站主开关跳闸事故。在船舶电站负荷中,泵类负载占有很大一部分比例,而这些负载几乎都是由鼠笼式三相异步电动机带动的。笼型异步电机由于结构简单、控制方便、效率高等优点在船舶电力领域广泛地应用于机械设备的拖动中。在实际使用中,电动机在起动或停止过程中还存在着一系列问题。鼠笼式三相异步电动机的起动电流是其额定电流的5~7倍,如果大功率泵类负载采用直接起动的办法,就会影响船舶电站的供电质量;在停机时,如果拖动系统突然失去转矩,靠系统的摩擦转矩克服系统的惯性滑行停车,也给拖动系统带来诸多问题。

  另外这些泵类负载传送的通常是液体,如果突然起动或者突然停车会造成液击,损坏管道系统。因此,很有必要在船上应用一种装置保证泵类负载软起动和软停车,避免上述不利情况产生。近年来,随着电力电子技术、计算机控制技术的发展,将强电与弱电相结合已成为机电控制的新趋势,软起动器就是这一新技术的产物。软起动器是使用调压装置在规定时间内,自动将起动电压连续平滑地上升,直到达到电机额定电压。其结构简单,性能可靠,无二次冲击电流,力矩匀速平滑上升,保护传动机械、设备和节省能源。

2 软起动器概述

  软起动器按结构分有磁控软起动器、晶闸管软起动器、液阻软起动器等几种类型,其中以电子晶闸管式软起动器应用最为广泛。对于降压起动一般有以下几种常用方式:y/降压起动,自藕变压器降压起动,软起动。y/降压起动器需接6芯线,而且故障率高,切换时会出现较高的电流转矩峰值,仅适用于空载或低阻性转矩起动。自藕变压器降压起动器其体积大且故障率高,是笨重复杂的设备,维护工作量。本文主要论述了电子式软起动器的工作原理等功能在船舶上的应用。

  2.1软起动器的工作原理

  软起动器是一种集电机软起动、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softstarter。如图1所示,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。

  控制其触发脉冲的迟早来改变触发角的大小。而触发导通角的大小,又改变晶闸管的导通时间,最终改变加到定子绕组的三相电压的大小。异步电动机定子调压的结果,一方面其转矩近似与定子电压的平方成正比,另一方面电动机的电流又和定子电压成正比。电动机的起动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现,而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的,所以不同的初始相角可实现不同的端电压,以满足不同的负载起动特性。电动机起动过程中,晶闸管的导通角逐渐增大,晶闸管的输出电压也逐渐增加,电动机从零开始加速,直到晶闸管全导通,从而实现电动机的无级平滑起动。电动机工作在额定电压的机械特性上。电动机的起动转矩和起动电流的最大值可根据负载情况设定。起动时,电动机端电压随着晶闸管的导通角增大而逐渐上升,转速也随着增大,直到达到电机的额定电压,从而结束起动过程。停车时,软起动器内晶闸管导通角从大逐渐减小,使输出的电压逐渐减小到零电机转速也随着降为零,从而完成停车过程。

  高压软起动主回路构成如图2所示。

  2.2电子式软起动器的起动方式

  (1)全压起动

  在这种状态下,软起动装置相当于一个固态接触器,电机和直接起动一样,承受全部的电流冲击和转矩冲击,一般情况下晶闸管全开时间控制在0.25s以内。

  (2)电压斜坡起动

  顾名思义是电压由小到大成斜坡线形上升,它是将传统的降压起动由有级变成无级,它通过减少起动力矩的冲击,实现对电机平滑、连续无级加速的起动,从而使齿轮、连轴结和皮带的摩擦减小到最低。用户可以调节电机的初始转矩,在加速斜坡时间内,电机的输入电压从设置的初始转矩对应的电压线性上升,把传统的降压起动变有级为无级,从而可以使电机平滑的起动,减少了机械方面的冲击。

  (3)限流起动

  顾名思义是限制电动机的高起动电流,起动电流及起动时间均可在一定范围内预先设定,当必须限制最大起动电流时,可使用此方式。它主要用于轻载起动的负载,并且对电网冲击有一定要求的工况下,其输入电压从零开始迅速增长,直到其电流达到预先设定的电流限值,然后在保证输出电流不大于电流限值的情况下,改变晶闸管的导通角,逐渐升高电压,直到额定电压。与此同时,电动机的转速也在逐渐上升,到达额定转速。这种起动的优点是起动电流较小,可以把电动机起动对电网的冲击降到最小,并可按照需要进行设定限流值。但是在设定电流限值时必须要根据电动机的初始转矩来设定,否则设置过小会起动失败或烧坏电机。

  (4)突跳起动

  这种起动方式主要应用在负载相对较重的工作环境下。该功能为电动机起动瞬间提供一个大提升转距以克服负载的静摩擦。这种起动方式的优点是可以缩短起动时间,起动较重的负载,但在起动的时候会对电网产生一定的冲击,影响同一电网下其他负荷的工作。

  (5)软停车

  软停车实际上就相当于相反软起动过程,主要作用是消除了系统的反惯性冲击,对于泵类负载来讲就是克服了水锤效应。其主要过程是在电动机实行软停车时软起动装置的旁路接触器断开,同时晶闸管开始工作,使电机电压逐渐下降,转速降低,达到软停车的效果。

3 电子式软起动器的选用

  3.1选型

  (1)负载是离心泵(如消防泵、喷淋泵、水泵等)。需利用泵控制功能,减少起动和停止时液流冲击所产生的系统水锤现象的发生,所以必须选用带泵控制功能的软起动器,如另带欠载保护或防相位颠倒保护的会更好。

  (2)负载是通风机的话,可利用软起动功能,减少皮带磨损和机械冲击,并可利用停机时制动转距功能。

  (3)负载是搅拌机,可利用双斜坡起动和预置低速运行,避免机械损坏。负载是输送设备,则利用软起动和预置低速功能,实现平滑启停,软停车消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击,避免产品移位和液体溢出。若有计算机联网要求,可选带通讯接口的软起动器,可对软起动器进行远程控制和监视。选择软起动器还要注意负载是标准负载还是重载负载。

  3.2 选规格

  根据电动机的标称功率、电流及负载性质选择起动器。一般软起动容量稍大于电动机工作电流即可。同时适当考虑散热因素。

  3.3 保护功能完备

  (1)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。不带过载保护的,必须另加热继电器保护。

  (2)有的软起动器一般不带短路保护,需外加快速熔断器并与晶闸管容量匹配,它能使晶闸管在连接负载发生短路时受到保护,低压断路器一般不能保护软起动器。进线电抗器可限制主电源的谐波干扰,当几台起动器接于同一电源时建议使用进线电抗器。

  (3)软起动器至电动机的接线要特别注意,大部分是3根出线,但部分产品也有6根出线的。软起动器可安装在有功率因素补偿器的系统中,但电容器必须位于软起动器的电源进线一侧,以避免电容器放电损坏软起动器的晶闸管,另外在电源和电容之间接入电感线圈。软起动器大多带正常运行和故障信号辅助触点,供工程设计选用。

  (4)软起动器允许长期在额定负载工况下运行,可以用旁路接触器,在起动完毕后把它短接。切除后要注意电动机运行回路是否还有过载热保护功能。在实际应用过程中,若工艺条件许可,用一台软起动器起动多台电动机时,其容量应根据电动机中最大的起动负荷考虑,可大大节省投资费用。

  (5)机柜内安装软起动器时要考虑散热空间。软起动器在通过电流时将会产生热耗散,安装时应注意在其上、下方留出一定空间,软起正上方不能放电器元件,以使空气能流过其功率模块。当软起动器额定电流较大时,要采用风机降温,风机的电源可取自电机控制系统的二次回路。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。

  (6)参数测试功能

  部分品牌软起动器还带有参数显示窗口,可以通过按键在显示窗口选择显示电机的运行参数,如三相电压值、三相电流值、功率因数、运行时间等,而无需增加任何仪表,此功能可使用户很方便地查询电机在运行过程中的各种参数。

4 软起动器的接线方式

  (1)单台单机式,如图3所示。

  (2)软起动器+旁路接触器式,如图4所示。

  在软起动器的晶闸管两端并联接触器触头,当电动机软起动结束后电流将通过开关k送至电动机。一旦发出停车信号,先将k断开,然后起动器对电动机进行软停车。这种运行方式可以避免电动机运行时软起动器产生的谐波,比较适合在船上使用。

  (3)单台多机式,如图5所示。

  为提高软起动器的利用率,可用一台软起动器对多台电动机进行软起动、软停车控制。但被控制的电动机不能同时起动。

  (4)软起动器与微机联合控制式。机舱中的泵多是两套,一台备用,一台运行。可将软起动器与集控室主微机组合起来实现泵的自动报警、自动定时轮换运行的控制。

5 采用软起动器的优点

  (1)利用泵控制功能可以根据泵类负载特性检测电动机起动相关参数并自动调节输出转矩,最大限度地减小机械冲击及水击现象。

  (2)内置的过载保护功能可以使控制板内布线更加简单。减小控制板体积。

  (3)不需要任何传感器或仪表就可读取电动机运行参数。如电压、电流、功率、运行时间等。

  (4)克服了电动机起动时对电网的冲击,避免发电机因多台电动机同时起动而跳闸的情况,改善了电网的运行质量,保证了船舱中其它电动机的正常运行。所以软起动器应用于船舱辅机的控制对保证船舶电力系统的安全运行有着重要的意义。

  (5)可实现轻载节能。电动机轻载时功率因数较低,而重载时功率因数较高。软起动器能实现在轻载时通过降低电动机端电压提高功率因数,减少电动机的铜耗、铁耗,达到节能的目的;重载时提高电机端电压,以保证电机正常运行。

6 结束语

  软起动器的软起动和软停车等功能适合船舶电站容量有限的特点,有效降低了液体对泵类负载管道系统的破坏力,大大改善了电动机的运行条件。软起动器应用到船舶中,有着较强的实用性和经济性,同时也提高了安全性。

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