CN103516261B - 一种大功率电机启动系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率电机启动系统和方法，设计了PLC、晶闸管软启动器、装有调节装置的永磁耦合器相结合的大功率电机启动系统，并在该系统的基础上设计了先空载启动，当电机空载状态下电流降到设定值而转子尚未达到设定转数时，再稳定电流逐渐增加负载的大功率电机启动方法。本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，结构简单、设计合理。空载启动过程，电机启动功率降低，减少对电网影响，且使峰值电流降低，电机转数提高快；而后在电流下降到设定数值而转数尚未达到设定值时，维持电流数值逐渐加载，提高有效功率进而提高启动速度。

Description

一种大功率电机启动系统和方法

技术领域

本发明涉及一种电机启动系统和方法，尤其涉及一种大功率电机启动系统和方法。

背景技术

三相异步电机的启动，尤其是大功率、重负载的电机的直接启动会产生大的转矩冲击和电流冲击（一般能达到额定电流的4～7倍，甚至更高），过大的冲击会对电机、配电设备、其他电器设备、变压器、电网产生严重影响。主要影响如下：（1）影响电网稳定，①超大型电机直接起动的大电流对电网的冲击几乎类似于三相短路对电网的冲击，常常会引发功率振荡，使电网失去稳定；②起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。（2）影响同电网其它设备的正常运行，交流电机在全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的4～7倍或更高，当电机的容量相对较大时，该起动电流会引起电网电压的急剧下降，进而影响同电网其它设备的正常运行。（3）对电机绝缘造成伤害，降低电机寿命，①大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化、寿命降低；②大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命；③高压开关合闸时触头的抖动现象会在电机定子绕组上产生操作过电压，有时会达到外加电压的5倍以上，这样高的过电压会对电机绝缘造成极大伤害。（4）对电机的机械部件造成伤害，大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成夹紧松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障。（5）对负载设备造成伤害，全压直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速齿轮磨损甚至打齿、加速皮带磨损甚至拉断皮带、加速风叶疲劳甚至折断风叶等等。为消除电机直接启动造成的不良影响，现在采用的电机启动方式有硬启动和软启动。硬启动（星/三角换接起动和自耦变压器降压起动等）为跳跃式启动，虽然这两种起动方式均可降低起动电流，但是在降压起动过程完成后的分档投切和加全压的瞬间，仍将产生数倍额定电流的尖峰电流形成二次冲击电流），此电流将对配电系统造成冲击，同时产生的破坏性的动态转矩会引起水泵电机的机械震动，对电机的转子、中间齿轮等非常有害，并使供电线路电耗增大，现已基本不使用。

软启动（平滑启动）现应用最为广泛，包括：晶闸管软启动、变频软启动、液阻软启动。液阻软启动的缺点是体积大、自身损耗、维护量高等。

变频器在工作中由于整流和变频，会产生谐波和干扰电磁波会影响电网和电子设备运行，特别是用于大功率电机的变频器。例如：（1）增加了电网中产生谐振的可能性，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。（2）增加附加损耗，如电流谐波将会使变压器的铜损增加。电压谐波将增加铁损。（3）使电气设备（如电动机、电容器、变压器等）使用不正常，产生发热损耗、机械震动、噪音、输出功率损耗；从而导致电机过热，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。（4）使测量和计量仪器、仪表、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常，影响设备测量精度，出现误动作或误差，使机械产品加工质量降低。（5）干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。（6）某些情况下，它不仅产生谐波，而且还引起供电电压波动和闪变，甚至引起三相电压不平衡，会危及电网安全经济运行，并影响电气设备的正常使用。

变频器还有故障率较高、电子零部件易损坏、使用环境要求高等不足之处。如（1）变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。（2）温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。（3）使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。（4）装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。因此为了保证变频器的可靠运行，往往还需要设置专用的变频机机房。

晶闸管软启动采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间，如同在电源和电机定子之间接入三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。但是晶闸管软启动仍然具有一定的谐波污染，启动时由于转矩是按电压比的二次方减小，因此启动转矩很小，不利于大功率电机的启动。

发明内容

本发明是针对现有技术所存在的不足，而提供了一种结构简单、设计合理，在减少对电网影响时进一步降低了启动电流，并提高了启动速度的大功率电机启动系统和方法。

本发明的技术方案为：设计了PLC、晶闸管软启动器、装有调节装置的永磁耦合器相结合的大功率电机启动系统，并在该系统的基础上设计了先空载启动，当电机空载状态下电流降到设定值而转子尚未达到设定转数时，再稳定电流逐渐增加负载的大功率电机启动方法，不但能降低峰值电流，减小启动时对电网和其它电子设备的影响，而且能提高启动速度。

具体为，一种大功率电机启动系统，包括晶闸管软启动器，包括PLC和永磁耦合器，所述永磁耦合器包括调节铜盘或永磁盘轴向移动的调节装置，所述PLC控制端连接所述调节装置；

所述电机连接有电流传感器，所述电流传感器连接所述PLC。

一种基于上述的大功率电机启动系统的大功率电机启动方法，包括以下步骤：

步骤1：向PLC发出启动指令；

步骤2：PLC进入启动准备模式，PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘是否距离最大：

如果是，PLC进入空载启动模式，指令软启动器启动；

如果否，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘远离至距离最大，再进入空载启动模式，指令软启动器启动；

步骤3：PLC指令电流传感器检测通过电机的电流是否小于设定值一：

如果是，PLC进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，同时继续检测通过电机的电流，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度；

如果否，等待电流下降至小于设定值一，PLC再进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，同时继续检测通过电机的电流，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度；

步骤4：PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘之间是否到达指定距离：

如果是，PLC指令检测电机转数；

如果否，铜盘和永磁盘之间到达指定距离后，PLC指令检测电机转数；

步骤5：电机是否达到设定转数：

如果是，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态；

如果否，等待电机达到设定转数后，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态。

在上述铜盘和永磁盘靠近过程中，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度时，同时判断电机的电流是否大于比设定值一大的设定值二，或是小于比设定值一小的设定值三：

如果大于设定值二，则减小调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；

如果小于设定值三，则增大调节装置运行速度相对电流变化速度的参数。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，结构简单、设计合理。空载启动过程，电机启动功率降低，减少对电网影响，且使峰值电流降低，电机转数提高快；而后在电流下降到设定数值而转数尚未达到设定值时，维持电流数值逐渐加载，提高有效功率进而提高启动速度。当感应电动机处在停止状态时，定子绕组和转子绕组间无电的的联系，只有磁的联系，磁通经定子、气隙、转子铁芯成闭路。当合闸瞬间，转子因惯性还未转起来，旋转磁场以最大的切割速度——同步转速切割转子绕组，使转子绕组感应起可能达到的最高的电势，因而，在转子导体中流过很大的电流，这个电流产生抵消定子磁场的磁能。定子方面为了维护与该时电源电压相适应的原有磁通，遂自动增加电流。启动初期空载启动，使电机启动需要克服的阻力减少，因而需要的磁通得以减小，所以转子中的感应电动势也得以减小，从而降低了峰值电流。设定值二不大于额定电流且接近额定电流，当电流小于设定值一之后，电机的负载逐渐加载，并使电流在设定值二与设定值三之间小范围波动，尽可能的在最大允许电流条件下，使有功功率最大化以提高启动速度。设定值一小于设定值二，以利于在更开始加载时电流的波动不超出额定电流。

附图说明

图1为本发明中大功率电机启动系统的结构示意图。

图2为本发明中大功率电机启动方法的流程图。

图3为图2的分流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种额定功率3150KW、额定电压10KV、额定电流226A的大功率电机启动系统，包括晶闸管软启动器，包括PLC和永磁耦合器，永磁耦合器包括调节铜盘或永磁盘轴向移动的调节装置，PLC控制端连接调节装置；电机连接有电流传感器，电流传感器连接PLC。

如图2、图3所示，本发明提供一种基于上述的额定功率3150KW、额定电压10KV、额定电流226A的大功率电机启动系统的大功率电机启动方法，包括以下步骤：

步骤1：向PLC发出启动指令；

步骤2：PLC进入启动准备模式，PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘是否距离最大：

如果是，PLC进入空载启动模式，指令软启动器启动；

如果否，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘远离至距离最大，再进入空载启动模式，指令软启动器启动；

步骤3：PLC指令电流传感器检测通过电机的电流是否小于210A：

如果是，PLC进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，同时继续检测通过电机的电流，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度，同时判断通过电机的电流如果大于220A，则减小调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；如果小于200A，则增大调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；

如果否，等待电流下降至小于210A，PLC再进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度，同时判断通过电机的电流如果大于220A，则减小调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；如果小于200A，则增大调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；

步骤4：PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘之间是否到达指定距离：

如果是，PLC指令检测电机转数；

如果否，铜盘和永磁盘之间到达指定距离后，PLC指令检测电机转数；

步骤5：电机是否达到设定转数：

如果是，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态；

如果否，等待电机达到设定转数后，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态。

实施例二

如图1所示，本发明提供一种额定功率500KW、额定电压6KV、额定电流58A的大功率电机启动系统，包括晶闸管软启动器，包括PLC和永磁耦合器，永磁耦合器包括调节铜盘或永磁盘轴向移动的调节装置，PLC控制端连接调节装置；电机连接有电流传感器，电流传感器连接PLC。

如图2、图3所示，本发明提供一种基于上述的额定功率500KW、额定电压6KV、额定电流58A的大功率电机启动系统的大功率电机启动方法，包括以下步骤：

步骤1：向PLC发出启动指令；

步骤2：PLC进入启动准备模式，PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘是否距离最大：

如果是，PLC进入空载启动模式，指令软启动器启动；

如果否，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘远离至距离最大，再进入空载启动模式，指令软启动器启动；

步骤3：PLC指令电流传感器检测通过电机的电流是否小于50A：

如果是，PLC进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，同时继续检测通过电机的电流，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度，同时判断通过电机的电流如果大于55A，则减小调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；如果小于45A，则增大调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；

如果否，等待电流下降至小于210A，PLC再进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度，同时判断通过电机的电流如果大于55A，则减小调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；如果小于45A，则增大调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；

步骤4：PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘之间是否到达指定距离：

如果是，PLC指令检测电机转数；

如果否，铜盘和永磁盘之间到达指定距离后，PLC指令检测电机转数；

步骤5：电机是否达到设定转数：

如果是，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态；

如果否，等待电机达到设定转数后，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态。

本发明未经描述的技术特征能够通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种大功率电机启动方法，基于一种大功率电机启动系统，所述大功率电机启动系统包括晶闸管软启动器、PLC和永磁耦合器，所述永磁耦合器包括调节铜盘或永磁盘轴向移动的调节装置，所述PLC控制端连接所述调节装置；所述电机连接有电流传感器，所述电流传感器连接所述PLC，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：向PLC发出启动指令；

步骤2：PLC进入启动准备模式，PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘是否距离最大：

如果是，PLC进入空载启动模式，指令软启动器启动；

如果否，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘远离至距离最大，再进入空载启动模式，指令软启动器启动；

步骤3：PLC指令电流传感器检测通过电机的电流是否小于设定值一：

如果是，PLC进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，同时继续检测通过电机的电流，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度；

如果否，等待电流下降至小于设定值一，PLC再进入加载启动模式，在软启动器工作的同时，PLC指令调节装置操控铜盘和永磁盘靠近，同时继续检测通过电机的电流，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度；

步骤4：PLC指令调节装置检测铜盘和永磁盘之间是否到达指定距离：

如果是，PLC指令检测电机转数；

如果否，铜盘和永磁盘之间到达指定距离后，PLC指令检测电机转数；

步骤5：电机是否达到设定转数：

如果是，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态；

如果否，等待电机达到设定转数后，PLC进入工作模式，软启动器用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，电机完成启动进入工作状态。

2.一种根据权利要求1所述的大功率电机启动方法，其特征在于，在上述铜盘和永磁盘靠近过程中，PLC根据设定的参数和电流变化速度指令调节装置调整运行速度时，同时判断电机的电流是否大于比设定值一大的设定值二，或是小于比设定值一小的设定值三：

如果大于设定值二，则减小调节装置运行速度相对电流变化速度的参数；

如果小于设定值三，则增大调节装置运行速度相对电流变化速度的参数。