变频启动与固态软起的比较.doc

变频启动与固态软起的比较
作 者 ：上海杰诣通用电器有限公司      厉无咎
摘 要 ：本文简述了交流异步电动机定子调压和变频调压的工作原理和机械特性，并以6KV 2000KW交流异步电动机为例，对中压固态软起动器和中压变频器起动二种方案作了技术经济比较，认为对于起动转矩要求不大的风机、泵和压缩机类负载，从技术经济指标和可靠性来考虑以采用固态软起动器为宜。
英文摘要 ：
This paper introduces the operating theory and mechanical characteristics of asynchronous motor when it operates in voltage-variable and constant frequency condition or in frequency-variable and voltage-variable condition briefly. With the 6KV 2000KW asynchronous motor as an example, the paper compares the starting motor with medium voltage solid-state soft starter and medium voltage inverter on both technical and economic properties. For the load of fan, pump and compressor which starting torque is small, the paper think that using medium voltage solid-state starter to start the motor has better technical-economic properties and higher reliability.
关键词： 软起动器   变频器   锁相技术   电动机起动   同步切换
1  引言
    一般交流电动机功率在300kW以上时，为了减少电机绕组的线径，便于加工，和降低损耗，就开始采用中压，国内称之为高压。国内标准电压为3kV、6kV、10kV，国际上则有2.3kV、3.3kV、4.16kV、6.6kV和13.8kV等电压等级。对于中压异步电动机在电网容量和工艺条件允许的情况下可以直接起动;如果电动机的起动容量对电网冲击较大，或者工艺条件不允许的情况下要用降压起动。中压异步电动机降压起动方法主要有:在定子回路串联电抗器或采用自耦变压器降压起动，也有在转子回路中串联液体电阻器起动。由于这些起动方式使用的设备较庞大，不能随意调节起动转矩，不能做到起动特性和负载转矩特性完善配合，所以仍然存在大的冲击电流和机械冲击。而且它们都没有软停止功能，因此对于像水泵(会产生水锤效应)之类的负载也不适用。另外还有的用户误以为用液力耦合器可以解决起动电流问题，事实上液力耦合器只能使电动机缓缓加上负载，防止了机械冲击问题，而电动机即使在空载情况下全压起动，同样存在大的起动电流，只是空载时起动电流持续时间非常短而已。随着电力电子技术的进步，中压电动机的软起动问题也得到完善的解决，这就是采用变频器起动和建立在晶闸管调压基础上的软起动器二种方案。
大功率负载，特别是不需调速的负载通常采用同步电动机驱动，这是因为同步电动机可以通过调节励磁电流，改变其功率因数，往往让同步电动机工作在过励磁状态，从电网吸取超前的无功功率，因而改善电网的功率因数。同步电动机的原理表明它只是在同步转速运行时才有平均电磁转矩，在非同步转速下，转子与定子合成磁势存在相对运动，转子磁极受到忽正忽负的转矩作用，平均电磁转矩为零，电动机不能稳定运行。起动过程是电动机转子转速从零开始增大的过程，是非同步运行状态，同步电动机的电磁转矩平均值为零，不能使转子加速，所以同步电动机不能自行起动。由于同步电动机转子磁极表面上安装有阻尼绕组，它相当于鼠笼型电动机上的导条，在起动过程中会产生异步转矩。大多数同步电动机是利用这个异步转矩来起动的，所以上述异步电动机的起动方法也可用于同步电动机，所不同的是同步电动机还要考虑励磁控制问题。同步电动机异步起动时，在励磁回路中不能送入励磁电流，但励磁绕组也不能开路，因为电枢旋转磁场会在励磁绕组中感应高电压而将其绝缘击穿。在同步电动机起动过程中通常是将其励磁绕组经由一个电阻短接，该电阻阻值约为5～10倍励磁绕组电阻值。当电动机在异步转矩作用下加速到一定转速后，用开关将同步电动机由起动装置切换到电网，同步电动机继续加速到亚同步转速以上(n＞ns，ns为可能自动牵入同步的最大转速)时，再对励磁绕组组通以直流电流，产生同步转矩，将电动机牵入同步运行，起动过程结束。
    负载换向逆变器可以对同步电动机进行调速，且其性能十分优良，除了低速性能较差外，已接近直流调速系统。当然也可用它作同步电机的起动装置，但从经济角度考虑是不合算的。所以本文不讨论这种系统。
2  交流异步电动机的起动特性

图1    异步电动机的固有机械特性
交流异步电动机的固有机械特性如图1所示。
它可以用下式来表示:

式中m1为定子相数
S为转差率
r1、x1为定子绕组电阻和电抗
r1'、x1'为转子折算到定子电路的电阻和电抗
，no为电机同步转速。  
异步电动机的定子电流I1:    (2)
为异步电动机的励磁电流，它与电动机定子电压有关，随外加电压的升高而增大。为转子电流折算到定子侧的电流。在正常工作时I2'＞＞Io，所以I1≈I2'。

当s=1时，也即电机静止时，就得到电机在全压下的起动转矩Mst

此时，电机在全压下的起动电流为:

对于一般异步电动机，它通常为4~8倍电机的额定电流。
当s=sm时，电机转矩达到最大值Mm，sm称为临界转差率，它等于:

式中正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态(机械特性在第二象限的延伸部分)。
3  中压交流电动机采用固态软起动器起动

图2 中压异步电动机采用Benshaw固态软起动器的接线图 图3 异步电动机在改变端电压时的机械特性

    中压异步电动机采用美国本秀(Benshaw)公司的固态软起动器的接线，如图2所示。现代的固态软起动器是用微电脑控制的晶闸管交流调压器，改变晶闸管的移相控制角，就可以调节其输出电压。交流电动机在改变其端电压时的转矩特性，由式(1)可见，转矩与电压的平方成正比:

所以电动机在调压时的起动力矩也与电流的平方成正比。例如电动机负载所需最大起动力矩为30%电动机在全压下的起动力矩，即，则起动电流可下降至54.7%的全压下起动电流。而最大转矩所对应的转差率Sm保持不变。因此其机械特性如图3所示。
     固态软起动器的输出响应非常快，输出电压对移相控制信号的平均响应时间只有3.3ms。它可以有多种调节方法，最常用的做法就是采用电压斜坡控制，使软起动器输出电压随时间线性上升，直到全电压输出。这种控制方法是第一代软起动器的做法。由于它没有电流闭环控制，所以在遇到偶然的干扰情况下，电流会超出规定值。第二代软起动器是采用电流反馈形成电流闭环控制。软起动器的输入则是电流给定斜坡，除了能对电流控制外，它的响应也比电压斜坡控制方法快。美国本秀(Benshaw)公司则更进一步发展了转矩控制方法，它应用“Tru Torque”软件，对异步电动机转矩形成闭环控制。采用转矩控制方法在控制水泵的应用中，在起动过程中可以减少转矩过大的缺点，从而消除了水击;在停止过程中又能配合水泵的机械特性缓缓停车，从而消除了水锤现象。
    由图2可见，固态软起动器每相为若干串联的反并联晶闸管组，它的输出电压是输入电压的一部分，当晶闸管全导通时，则输出电压与输入电压完全相同。在不同输出电压下接通旁路真空接触器，把晶闸管短接，不会对晶闸管造成损坏，只是由于电动机端电压突然从原来的电压上升到电源电压，会造成较大的冲击电流流过旁路真空接触器和电动机绕组。在正常控制情况下都是在晶闸管处于全导通状态时接通旁路真空接触器，这时不会有任何电流突变。
4  中压交流电动机采用变频器起动
    交流电动机采用变频调速时，必须使电机的定子反电势E1与电压频率f1之比E1/f1为常数，才能保持电机气隙磁通不变，使电机调速时有相同的输出力矩。
设变频器输出电压U1=αU1n，其频率为f1=αf1n，式中U1n和f1n分别为电动机的额定电压和额定频率，代入式(1)中，可得:

式中xn=x1n+x'2n是频率为f1n时的定转子总漏抗。在稳定运行时，s很小，sr1可忽略不计，则(9)式可简化为

它表示在某一频率时的转速降与额定转速之比。由式(10)可见，在不同频率下，对应于相同的转矩，αs值也相同，即Δn相同。所以改变频率时(即改变αf时)的机械特性为一簇平行曲线，如图4所示。
在变频调速下，通常使用s＜sm这段转矩特性，在式(3)中，电阻r2'/s很大，因此，电流小于电动机全压下的起动电流。
    电压型中压变频器的线路结构目前有三电平的脉宽调制式逆变器，例如ABB公司采用IGCT的ACS1000型变频器等，限于目前功率器件的耐压水平，它只能做到4160V。另外是由美国Robicon公司首创的多单元串联式的脉宽调制式逆变器，Robicon公司称之为完美无谐波式变频器，由于其每相逆变器单元可以由很多个串联组成，因此可以做到10kV及以上的变频器，而且其谐波非常小，功率因数很高，比三电平脉宽调制式逆变器的性能好。图5为采用变频器起动电动机的电路。

图4      交流异步电动机在变频调速下的机械特性
采用变频器起动电动机在电动机起动到额定转速以后，如何将电动机换接到电网上是一个复杂的技术问题。因为在没有任何措施的情况下变频器的输出电压的频率、相位、幅值与输入电压的频率相位、幅值都不相同，如果像固态软起动器那样贸然把输入与输出端短接，势必造成变频器过流损坏。一种简单的方法，先用变频器把电动机速度提高到略微高于同步转速，随即断开电动机与变频器的真空接触器，稍微延时待定子内感应电势衰减到较小数值后接通电动机与电网的真空接触器，电动机接至电网运行。由于电动机从变频器断开后，电动机的转速衰减比较慢，其定子中的感应电势衰减较快，在感应电势衰减到较小值后，接通电网，其冲击电流会小些。当然这样切换电动机，其切换时的峰值冲击电流不会比直接起动电动机的电流小，只是持续时间缩短了许多。

图5     中压变频器起动外部接线图和变频器单元图
    要使电动机从变频器无电流冲击地切换到工频电源，就要采用锁相环路控制的技术。
锁相环路控制就是实现变频电源的频率和相位自动跟踪工频电源的频率和相位，最终锁定两电源的频率和相位一致。这样在不断电的情况下，由变频器瞬时切换到工频电源，且切换过程异步机的电流大致等于额定电流，基本上无过电流冲击，无转矩波动，实现平稳切换。由锁相环技术构成的变频软起动同步切换装置框图如图6所示。

图6     由锁相环技术控制的变频/工频切换电路示意图 图7    锁相控制电路框图
    系统由变频器、锁相控制电路、信号取样电路和切换接触器组成。信号取样电路对工频电源和变频器(这里相当于锁相环路中的压控振荡器)输出的电压频率和相位实行取样和整形处理。在变频器主频率给定的情况下，以工频电源的电压相位信号θ1(t)作为基准，变频器输出的电压相位信号θ2(t)作为跟踪信号，锁相控制电路中的鉴相器比较这两个信号的相位，经滤波器滤波后作为变频器的辅助频率给定信号，用以控制变频器输出电压的频率和相位。当变频器带动负载平稳升频进入锁相环路的捕捉区，二者的频率相等，相位差稳定在一个较小的数值时，系统在锁相环路的作用下进入锁定状态。此时控制电路输出一个切换信号，通过切换接触器K1、K2便可安全平稳地由变频电源切换到工频电源。
锁相控制电路由鉴相器(Phase Detector，简称PD)、环路滤波器(Loop Filter，简称LF)、压控振荡器(Voltage Control Oscillator，简称VCO)组成，其组成方框图如图7所示。它能够实现两个电信号相位自动同步的控制系统。
    图7中鉴相器(PD)又称相位比较器。它把压控振荡器输出信号Vo(t)和输入信号Vi(t)的相位进行比较，其输出电压Vd(t)是该两信号相位差θe(t)的函数。环路滤波器(LF)的作用是滤除误差电压Vd(t)的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。压控振荡器(VCO)受环路滤波器输出电压Vc(t)的控制，Vc(t)使压控振荡器的频率向参考信号的频率靠近，也就是使两者频率之差越来越小，直至消除频差而锁定。
5  中压电动机采用固态软起动器与变频器起动的技术经济比较
现以6kV 2000kW异步电动机为例比较中压电动机采用固态软起动器和变频器二种方案的技术经济指标，如附表所示。
由附表（见后页）可见，在起动转矩大、起动电流小这二项指标上，变频器优于固态软起动器，但在其他指标方面，变频器则不如固态软起动器。因此如果不是要求起动转矩很大和对起动电流限制很苛刻的场合，应当以固态软起动器为首选方案。