1 引言
濟(jì)鋼熱連軋廠于2005年底正式建成投產(chǎn)，建廠第一年就順利達(dá)產(chǎn)。為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量，拓展和開發(fā)高附加值產(chǎn)品，于2007年10月計劃并實施了高壓水除鱗系統(tǒng)改造工程。改造項目計劃在原有高壓水除鱗泵站(3臺除鱗水泵)的基礎(chǔ)上，新增3臺除鱗水泵，組成精軋除鱗泵站。在與該項目配套實施的電氣系統(tǒng)改造項目中，決定選用哈爾濱帕特爾公司的開關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動器作為除鱗水泵高壓電機(jī)軟起動裝置，總共引進(jìn)2套，其中1套為一拖一，1套為一拖二。
2 系統(tǒng)組成
2.1 主回路及起動過程
電機(jī)軟起動系統(tǒng)是由高壓電動機(jī)、高壓開關(guān)柜和開關(guān)變壓器式電機(jī)軟起動器3部分組成的。高壓電動機(jī)額定電壓10kv，額定功率2800kw。高壓開關(guān)柜按照作用來分有3類：運行柜、隔離柜和起動柜。其中一拖二裝置2臺電動機(jī)共用1臺起動柜。軟起動器由開關(guān)變壓器2000kva、可晶閘管和plc控制系統(tǒng)組成，其中晶閘管組采用油浸式方法集中安裝在充滿變壓器油可控硅箱中。主回路簡圖如圖1所示(以一拖一系統(tǒng)為例)。
圖1 一拖一主回路簡圖
開關(guān)變壓器式電機(jī)軟起動器起動過程分三步(以一拖一為例)：
(1) 控制柜上電，plc檢測各真空開關(guān)的狀態(tài)，如果檢測到1qf手車位置點、2qf手車位置點、3qf手車位置點閉合，1qf輔助觸點打開，2qf輔助觸點打開，3qf輔助觸點閉合，此時發(fā)出允許信號，“允許”指示燈亮。
(2) 當(dāng)操作者看到“允許” 指示燈亮?xí)r，可以按起動按鈕，這時2qf合閘，電機(jī)軟起動開始。
(3) 當(dāng)plc檢測電流下降到程序預(yù)設(shè)值或時間到達(dá)預(yù)設(shè)值時，發(fā)出合運行柜信號，使運行柜1qf合閘，電機(jī)轉(zhuǎn)入正常運行，延時1s發(fā)出跳起動柜、隔離柜信號，使起動柜、隔離柜跳閘，使開關(guān)變壓器從電網(wǎng)脫離，電機(jī)軟起動結(jié)束。允許信號消失，允許指示燈熄滅。
在電機(jī)軟起動過程中，如軟起動器有故障發(fā)生，則發(fā)出故障信號，將起動柜2qf 跳閘，軟起動停止；如在起動過程中有緊急情況發(fā)生，則按下急停按鈕，即可停止整機(jī)工作。
2.2 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)框圖
plc是軟起動裝置的核心控制組件，選用西門子s7-200系列模塊構(gòu)成。cpu選用cpu224，它是plc的中央控制單元，具有14路開關(guān)量輸入和10路開關(guān)量輸出。它檢測外部連鎖輸入條件：隔離柜斷路器輔助觸點、運行柜斷路器輔助觸點、起動柜手車位置點等以及觸發(fā)單元故障和開關(guān)變壓器瓦斯故障等報警信息，根據(jù)程序進(jìn)行判斷并給出相應(yīng)的輸出狀態(tài)。模擬量輸入/輸出模塊em235，具有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，在系統(tǒng)中它主要完成對電網(wǎng)電壓的檢測工作和模擬電壓量的輸出，也就是晶閘管觸發(fā)單元的控制輸入。模擬量輸入/輸出模塊em231，具有4路模擬量輸入，在系統(tǒng)中它主要完成對電機(jī)電流的采樣檢測工作。
軟起動的起動方式為電流斜坡式(如圖3所示)，采用電流閉環(huán)調(diào)節(jié)。起動中不同時段的電流設(shè)定值由程序給定，這里的電流設(shè)定值可以根據(jù)負(fù)載類型的不同自由設(shè)定，主電路中的電流由采樣單元采集，plc比較電流反饋值和給定值，根據(jù)差值調(diào)節(jié)觸發(fā)單元的輸入電壓，改變scr的導(dǎo)通角，從而改變主電路中的電流與給定值相等。
圖3 電流斜坡式
3 工作原理
如圖4所示，開關(guān)變壓器軟起動器把變壓器與晶閘管相結(jié)合，使變壓器在電路中起到一個開關(guān)的作用，利用變壓器次級短路和開路的性質(zhì)來實現(xiàn)變壓器的開關(guān)作用。變壓器主電路接法也不同于常規(guī)變壓器應(yīng)用電路，它把晶閘管放在開關(guān)變壓器的低壓側(cè)，高壓側(cè)繞組的末端接被控負(fù)荷(電動機(jī))，開關(guān)變壓器是個中間控制設(shè)備。
圖4 軟起動器控制原理圖
當(dāng)加上電壓時(scr未導(dǎo)通)，開關(guān)變壓器tk原邊和電機(jī)d上得到電壓，由于tk的空載電流遠(yuǎn)小于d的空載電流，故電壓絕大部分(95%以上)加在tk原邊，這時tk副邊也得到電壓，波形為正弦波。當(dāng)scr控制極加上觸發(fā)電壓時，scr導(dǎo)通，在α角處導(dǎo)通，則u2立即降低，u2電壓如圖5實線所示，u1的波形也相同。d上的電壓為外加電壓減去u1，則d上的電壓波形ud如圖所示：當(dāng)改變控制角α?xí)r(比如前移)，則u2變小，u1變小；ud加大。這樣，連續(xù)調(diào)節(jié)α由大到小，則ud連續(xù)由小到大，完成調(diào)壓軟起動。
圖5 電壓波形圖
4 系統(tǒng)特點
與原有水阻式軟起動器相比較，開關(guān)變壓器式軟起動器的特點十分突出。
(1) 輸出電壓平滑調(diào)節(jié)、無機(jī)械沖擊，有利于提高機(jī)械設(shè)備壽命。
軟起動過程是隨著電機(jī)的端電壓的逐步升高，電機(jī)電流由小到大逐步變化，能在小電流以內(nèi)給電機(jī)以充分的加速，再逐步的加大電機(jī)的電流，使之接近同步轉(zhuǎn)速。由于有預(yù)加速作用，因此能最大限度的減小起動電流，使之對電網(wǎng)的沖擊最小，對電機(jī)及機(jī)械的傷害最小。輕載(<20%)軟起動時，最大起動電流在3ie以內(nèi)。
(2) 節(jié)能，自身溫升很小，可以連續(xù)起動。
在主回路中，開關(guān)變壓器受scr的控制，執(zhí)行的是開關(guān)作用。當(dāng)scr截止時，tk原邊電流為零(非常小，可忽略)，tk原邊加的是電源電壓，此時tk只有鐵損，無銅損；當(dāng)scr導(dǎo)通時，tk原邊電壓為零(很小，可忽略)，只有銅損，無鐵損。因此在起動過程中，tk損耗很小，溫升小，對于一拖多裝置來說可以連續(xù)起動。
(3) 產(chǎn)生高次諧波少，電網(wǎng)的安全可靠性提高。
高次諧波對電網(wǎng)及用戶都是非常有害的，它會使用電設(shè)備發(fā)熱直至損壞；會使電容電感產(chǎn)生諧振，引起事故；會干擾繼電保護(hù)和自動裝置的正常工作，影響電網(wǎng)的安全運行。
與高壓變頻裝置相比，開關(guān)變壓器式起動裝置的高次諧波產(chǎn)生在開關(guān)變壓器的低壓側(cè)，傳遞到電網(wǎng)和電動機(jī)上時要經(jīng)過tk的漏抗，這就相當(dāng)于高次諧波源具有很大的內(nèi)阻，加到電網(wǎng)上的高次諧波就很小了。在測試中，總諧波畸變率為2.72%。另外，開關(guān)變壓器式軟起動器可以靈活的調(diào)整起動電流曲線，最大限度的減小起動電流最大值，進(jìn)而減小電網(wǎng)電壓波動，做到不影響其他設(shè)備的運行，可以與其他設(shè)備共用電網(wǎng)。
(4) 完善的自診斷保護(hù)功能
plc控制系統(tǒng)可以對包括自身模塊在內(nèi)的系統(tǒng)狀況進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時，則發(fā)出聲光報警信號。通過查看報警顯示單元顯示的具體數(shù)字，使故障明確，以利于排除故障。具體的故障報警信息有：模塊故障、電源電壓故障、短路故障、電流不平衡故障、觸發(fā)板故障、欠流故障、變壓器油溫過高故障和變壓器瓦斯故障等。
5 應(yīng)用效果
在高壓電機(jī)起動過程中，開關(guān)變壓器式軟起動器工作情況良好，其中一拖二裝置可以連續(xù)起動，晶閘管裝置無明顯溫升，很好的滿足了實際生產(chǎn)需要，并且軟起動器本身的維護(hù)量非常小。在起動過程中，電機(jī)電流控制非常精確，最大的起動電流控制在3ie以下，每次起動電流值控制基本一致。電壓總諧波畸變很小，對電網(wǎng)系統(tǒng)沒有有害影響。
6 結(jié)束語
開關(guān)變壓器式高壓電機(jī)軟起動器在除鱗水泵上的應(yīng)用效果良好，與采用水阻式軟起動方法相比，具有突出的優(yōu)點。鑒于它在起動中方面的考慮，下一步計劃用開關(guān)變壓器式軟起動器替換舊除鱗泵站使用的水阻式軟起動器，提高電機(jī)起動的可靠性和安全性，實現(xiàn)節(jié)能的要求。
作者簡介
孟慶余 男 電氣工程師，現(xiàn)供職于濟(jì)鋼熱連軋廠，從事電氣設(shè)備維護(hù)及管理。
參考文獻(xiàn)(略)
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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