高压变频器无扰同步软启动功能的应用

引言

交流高压电动机在全压直接启动时,启动电流会达到额定电流的4～8倍。当电机的容量相对于电网容量较大时,启动电流会引起电网电压的急剧下降,使电网失去稳定性,影响同电网其他设备的正常运行,同时,电动机线圈发热量是电机正常运行时的30多倍,产生的电磁力同样达到了30多倍。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力,都会对电机产生极大的破坏,发热会使绝缘加速老化,电磁力会使线圈变形、结构松动,影响电动机使用寿命。

目前,缓解交流高压电动机启动冲击主要采用以下几种软启动方式:(1）固态可控硅软启动:启动线性平滑,可控制启动电流在3～4倍。(2）液力耦合软启动:启动效果好,但维护较难,有启动次数限制,受环境影响较大,已基本被淘汰,可控制启动电流在2～3倍。(3）自耦降压启动:结构复杂,需要专门的变压器,可控制启动电流在3～4倍。

以上几种启动方式最优效果也仅能保证启动冲击电流在两倍左右,当电网容量受到限制时,无法解决电机启动冲击问题。采用变频器无扰动同步软启方式,可将启动电流限制在电机额定电流以内,不必考虑电网容量限制,对电机和电网冲击小,可大大延长电机使用寿命。

1切换方式的选择

采用变频器软启动电机,有两种控制方式:

(1）非无扰动同步切换。先断开变频器输出,电机进入自由滑行停车状态,电磁力消失后,投入工频电源,电机切至工频运行。此种方式简单易行,然而在投入工频电源时会产生较大冲击电流,电网容量受限时,切换易失败。

(2）无扰动同步切换。采用变频器拖动电机加速至工频转速,调节变频器输出,与工频电源侧达成一致,比对无误后,投入工频电源,然后切断变频器输出。此种方式在电源切换时不会产生冲击电流,一般可将电流控制在电机额定电流以内,是目前较为先进、效果最好的电机软启方式。

无扰动同步切换采用变频器作为软启动主设备,当变频器输出条件达到电网同期状态后将电机控制权交付电网,变频器自动退出。该切换模式通过变频器对电网电压进行跟随并转换为电流控制模式,使变频器与电网经过短时重叠工作而实现电机电流平稳过渡。

调节变频器输出达到电网同期状态主要包括三个参数:电压、频率、相位,三个参数差值必须控制在允许范围内,变频器必须实时检测三条件,变频器本体增设电网电压互感器,同时还需增设由输出缓冲器、切换接触器及PLC等组成的同步切换回路,输出缓冲器用来缓解在允许范围内切换时的冲击。

此外,同步切换必须遵从正确的切换逻辑,以确保切换无误。其主要过程包括变频器启动输出、锁相等待过程、锁相、电压跟随、控制模式转换及同步接触器切换逻辑输出等环节,切换逻辑时序如图1所示。

2高压变频器无扰动同步软启动技术的应用

2.1项目介绍

海南乾金达矿业集团有限公司是一家成立于20世纪90年代初的大型民营企业,从事有色金属和贵金属的勘探、开采、选矿、冶炼以及矿产品的经销业务。该矿为海南省开采的最大地下矿井,年处理30万吨钼矿石。

乾金达钼业主排水泵房共安装有6台6kv/1000kw排水泵,由于受到电网容量所限,6台排水泵不能采用全压直接启动的方式,需要加装软启动装置,经过电气人员反复调查研究,决定采用高压变频器改造其中4台排水泵,实现软启动。

2.2主回路构成

考虑到经济效益,系统采用两台变频器分别一拖二实现排水泵的启动,主回路构成如图2所示。

整个系统包含有开关柜两台、高压变频器一套、寻相装置一套、输出缓冲器一台、旁路柜两台(用于一拖二）。

寻相装置主要由PLC、输入侧电压互感器、输出侧电压互感器、继电器等组成,负责采集电网电压和变频器输出电压情况,经输入回路送至PLC,PLC按照电网电压条件调节变频器输出电压,直至达到并网条件,控制变频器进入电压跟随状态,此时变频器输出根据电网电压调节,直至锁相成功,同步切换条件达成,PLC下达指令给外部继电器接通网侧电源,此过程中,电网与变频器并网运行,电网投切完成后,变频器进入电流控制模式,为外部开关切换动作提供充足的时间,确保同步投切过程的平滑过渡,变频器封锁输出,外部开关动作,电机转为工频运行。

2.3输出缓冲器选型

输出缓冲器主要由电抗器组成,负责抑制电网电压与变频器输出电压差异引起的冲击,避免电网与变频器并网运行时电网对变频器的冲击伤害损坏变频器,选择过小时起不到抑制冲击电流的作用,过大时会影响变频器输出,产生压降,降低电机效率。经过反复计算和效果验证,6kV/1000kw的异步电动机,其同步切换电抗器为:6kV/120A/2.7mH。计算公式为:

式中,v为电压降;o为角频率;L为电抗器电感量;1为额定电流;/为额定频率。

2.4无扰动同步软启控制过程

为方便灵活应用,控制系统配有选择模式,既可实现排水泵的无扰动同步软启动,又可实现变频器拖动排水泵调速运行。

系统启动前,对系统进行合闸,控制电源上电操作,接通各个低压电源使控制系统工作,PLC及变频器自检完成后准备完毕,由操作人员选择:(1）排水泵M1变频调速模式;(2）排水泵M1无扰动软启模式;(3）排水泵M2变频调速模式;(4）排水泵M2无扰动软启模式。

以排水泵M1无扰动软启模式为例:选择(2）排水泵M1无扰动软启模式,闭合变频器的输出开关KM13,检测无异常后合上变频器的进线开关KM11,使变频器受电,变频器受电正常后,发出变频器运行指令,变频器按照预订的速度指令带动电机从零速开始启动加速(启动过程中电机的各类电气保护由变频器来负责）,当变频器拖动电机达到电网侧工频转速时,电压波形如图3所示;寻相装置锁相成功,且达到并网条件后,电压波形如图4所示。系统发出指令控制排水泵M1的工频开关KM12闭合,当工频开关KM12完成闭合动作后,变频器输出联锁切断,变频器停止输出,输出开关KM13断开。在此过程中保持KM4断开。启动过程结束。

从以上启动过程来看,关键步骤是锁相开始至电流控制环节,整个过程中检测参数的精确性和各器件动作的及时性都关乎成败,而PLC控制器内部的检测采集回路、分析计算、

比较环节和控制响应等是整个系统的核心所在。

2.5无扰动同步软启改造效果

经过现场实际观察测量,变频器无扰动同步软启排水泵时,启动电流始终保持在额定电流以内,启动切换平稳,对电网无冲击,谐波小,对电网电气设备影响小,未对电机绝缘造成不良影响,达到了预期效果。系统还整合有变频调速运行模式,用户可根据现场需要灵活调整运行方式,提高变频器使用效率,节约电能。

3结语

经过多个实验及项目的验证,高压变频器无扰动同步软启技术可以有效解决变频运行方式到工频运行方式转换的交流大容量电动机的启动冲击问题,不仅适用于鼠笼式异步电动机,亦适用于绕线式电动机和同步电动机。此技术的关键在于解决切换过程中的大电流问题,需要精确的计算和精准的控制技术,选择合理的输出缓冲电抗器电感值才能达到预期效果。切换过程中各个开关的精确控制关乎切换结果的成败,最大程度缩小锁相后电网电源与变频器输出电压幅值、相位、频率之间的差值是减小切换时冲击电流的关键。整个切换过程由PLC智能化自动控制,无需人工操作,方便简单,灵活配置,是提高工业自动化水平的主要手段。