在工业迅猛发展的今天,对设备的稳定可靠运行提出了更高的要求。交流电动机是最常见的驱动机电设备,它的结构和工作原理决定它在使用过程中存在诸多问题,比如起动电流、起动转矩、发热及绝缘性能等等。随着国内装备水平的不断提高,软起动器和变频器被大量采用,但到底谁更适用?
工作原理
1.软起动器
目前企业普遍采用的是固态(晶闸管)软起动器。它是一种集电动机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电动机控制装置,国外称为SoftStarter。它的主要构成是串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。通过控制三相反并联晶闸管的导通角,使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化,从而实现不同的功能。
2.通用变频器
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为可变频率的电能控制装置。现在使用的变频器主要采用交一直一交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
软起动时软起动器相对于通用变频器的优势
1.电动机温升问题
目前市场上的变频器绝大部分是交直一交变频器,即先将交流电源通过整流桥整流为直流电,再用逆变桥将直流电转化为交流电。由于其基本原理是用PWM即脉宽调制的方式,不可避免地使其输出带有大量的谐波,这些谐波加在按正弦波工作设计的普通电动机绕组上时,会导致铜损及其他附加损耗增大,引起电动机绕组发热。软起动器虽然也有一定的谐波产生,但其范围和程度要比变频器轻微得多。一般情况下,用变频器要比用软起动器使电动机产生的热量约高10%~20%。
2.电动机绝缘问题
变频器的PWM工作方式使其输出的电压变化率dv/dt大幅提高,而普通电动机绕组的绝缘等级及性能是按工频正弦波的试验条件设计的,变频器输出的PWM电压加在电动机绕组上时,虽与正弦波电压等幅,但实质上却是由一系列矩形脉冲波组成的,这种电压变化率dv/dt很高的脉冲波加在电动机上会导致绕组上的电压分布很不均匀,大大增加电动机绕组匝问短路的可能性。因此,长期使用变频器起动电动机会使电动机绝缘性能变差,甚至大大缩短普通电动机的使用寿命,而软起动器对电动机绝缘性能的影响是很轻微的。
3.重载起动问题
在一些大功率重载的起动条件下,普通软起动器会因起动力矩不够而发生起动困难的隋况,这时会使人想到用起动力矩比较大的变频器,其实这是一个概念上的误区。因为变频器起动动电流必须限制在变频器允许范围内,-般变频器允许的最大电流均小于额定电流的200%,否则会导致变频器的损坏。而重载庸况下电动机的起动电流通常为电动机额定电流的4~5倍,这就意味着必须用比电动机功率规格大得多的变频器才能实现对重载电动机的正常起动,而与电动机相同功率的软起动器一般都能承受5倍的额定电流。
4.其他应用问题
除了上述几个问题外,还有工作的可靠性问题(软起动器所用的功率器件晶闸管比变频器所用的IGBT的抗大电流冲击能力强得多),工作距离问题(软起动器允许的与电动机之间的工作距离要比变频器远得多),适用电源电压范围问题(软起动器允许的电源电压范围要比变频器大得多)等。
通用变频器相对于软起动器的优势
1.节电
节电的前提条件是:第一,大功率的风机及泵类负载;第二,装置本身具有节电功能(软件支持);第三,长期连续运行。这是体现节电效果的3个条件。应用变频调速,可以大大提高电动机转速的控制精度,使电动机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例,根据流体力学原理,轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少,风机转速降低时,其功率按转速的三次方下降。因此,精确调速的节电效果非常可观。与此类似,许多变动负载电动机一般按最大需求来配置电动机的容量,故设计裕量偏大。而在实际运行中,轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速,可大大提高轻载运行时的工作效率。因此,变动负载的节能潜力巨大。
2.变频器与工艺控制(速度控制)
目前,我国的设备控制水平与发达国家相比还比较低,制造工艺和效率都不高,因此提高设备控制水平至关重要。由于变频调速具有调速范围广,调速精度高及动态响应好等优点,在许多需要精确速度控制的应用中,变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。
3.变频器的保护功能
其保护功能可分为以下两类:
(1)检知异常状态后自动地进行修正动作,如防止过电流失速,防止再生过电压失速。
(2)检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号,使电动机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。
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