TVF软起动.doc

TVF风机在地铁隧道内火灾事故发生时相邻的隧道口四台风机同时起动，分别由FAS控制分二组一正一反、一送一回逆人员逃生方向送入新风、排烟及有毒气体，在消防系统中有十分重要的地位.然而由于其起动时要产生较大冲击电流(一般为Ie的7～8倍)，同时由于起动应力较大，使负载设备的使用寿命降低。国家有关部门对电机起动早有明确规定，既电机起动时的电网电压降不能超过15%。解决办法有两个：
　　 1、增大配电容量；
　　 2、采用限制电机启动电流的起动设备；
　　 如果仅仅为起动电机而增大配电容量，从经济角度上来说，显然不可取。为此，人们往往需要配备限制电机起动电流的起动设备，过去人们多采用Y/△转换、自藕降压、磁控降压等方式来实现。这些方法虽然可以起到一定的限流作用，但没有从根本上解决问题.随着电力电子技术的快速发展，智能型软起动器得到广泛应用。智能型软起动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装备。它不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动时间等。此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。软起动可减小电动机硬起动(即直接起动)引起的电网电压降，使之不影响共网其它电气设备的正常运行，可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命，可减小硬起动带来的机械冲力，冲力加速所传动机械(轴、啮合齿轮等)的磨损，减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使电动机可以起停自如，减少空转，提高作业率，因而有节能作用。

　　在地铁运行中安全是首位的，这样减少TVF风机起动时对配电系统的影响有十分重要的意义.
　　正文：晶闸管软起动器在TVF风机中的应用

　　 软起动器原理及特性曲线
　　使用晶闸管桥可以逐步增加电机的三相电源电压。晶闸管桥由一对晶闸管反并联而成，并分别与交流电源的各相相连。改变晶闸管的触发角，电机电压平稳增加，频率不变。

  图1-1 交流电机机械特性 图1-2 交流电机调压机械特性
　　显然，调整电机电压后的机械特性其硬度远较固有特性小，这是端电压平方与转矩成正比的缘故。用软起动器对TVF风机电动机定子施以标准电压(电流)—时间特性，由某一基值电压上升至额定电压，同时电动机在控制(或限制)其力矩及冲击条件下，由另速静止平滑加速至额定转速完全满足了其对机械工艺，电源系统的要求.为TVF风机配套的软起动器型号为ABBPSS250/430—500L起动90KW风机已放了足够的系数.起动时升压时间设定为20S.限流设定范围：2～3倍电机额定电流，起动时初始电压设定范围为：40%电源电压(PSS型软起动器在运用限流功能后，起动时初始电压被固定在40%电源电压)软起动柜在得到停止信号后，引入直流能耗,停止时降压时间设定为：10S,。配套的TVF双速风机控制柜电气原理图见附图一，二,三.
　　工作原理；在FAS确认火警后,传送给TVF风机的上位机一组信号,控制同一系统内两台TVF风机一送一回同时高速/低速起动(以其中一台TVF风机正转高速为例,控制柜内KA13即PLC输入I1,2闭合PLC输出QO.O,Q1.6即KA14,KA21得电,KM1KM5闭合,风机高速起动)20S后软起动器内接点10,9闭合KM4得电旁路(此时约在电源电压的80%)软起动器退出运行.停止时KA11即I1.0闭合KM1失电KM4失电KM5失电后转入制动KA15得电KM2闭合引入36V能耗制动,10S后km2失电制动结束.以上是火灾事故时TVF风机起动—停止全过程电路分析.
　　故障现象与技术分析:在接收设备的模拟事故演练中,多次出现起动时专用(一级负荷)双电源切换柜过流跳闸的故障.(配电系统由0.4KV分段配至双电源切换柜,将其中一段常用电源分别为二台电机供电).使用时装于软起动柜的断路器已经选定。那么与之配合的双电源断路器整定值如何选定，双电源柜与0.4KV侧断路器整定值如何选定,也即这三个断路器的保护配合协调性如何设计方能在负载短路时确保可靠保护,在实际工作中常要多次试验才能谈到这种配合的有效性。

　　电网中从电源到故障点之间流动的电流随着故障点的离开电源而逐渐减小。随着配电的逐级下降，各级断路器的短路电流呈分级下降。电流选择性利用这个情况并基于串联断路器的保护曲线的电流偏移。它应用的快速断路器(有时是限流断路器)具有电流阈值的分级，一般是磁脱扣器的阈值1RM.两台断路器D1(上级)和D2(下级)的选择性是全选择性，条件是在D2下级的最大短路电流ISCD2(≤ICUD2)小于磁脱扣阈值1RMD1。否则，选择性是局部的，选择性的极限是1RMD1(此值以上，D1和D2脱扣)。因此，上级和下级断路器的规格越是不同，选择性就越是大。
　　以珠江路北侧大系统TVF风机为例,起动时电机电流沿下图电流曲线上升,10S后到达最大值920A

　　约5-6S后下降20S后KM4闭合全压运行时又有一尖峰电流约900A然后快速下降至200A以下.起动时电源电压由395V最多下降至350V(这是夏季用电高峰时实测)电网压降基本合格.但电网压降合格并不意味着软起动能够成功.此处变压器容量1250KVA额定电流1980A高峰时用电负荷为50%-60%(地铁工程佘量较大)这样在起动时可以肯定没有超过干变的过载系数.但在别的同样的电源系统中电压只是下降10-20V,由此我们认为此变压器短路容量偏小.经反复认证上级同意将双电源内MS400H断路器整定值调整为In=0.9,Io=0.9,Ir=0.7,0.4KV侧630A断路器整定值不变,经多次试验故障排除
　　结论:软起动器与配电系统的整定配合一直是一个看来简单但在实际应用中很不好处理的问题.通过这次故障分析我比较全面的了解了其中的联系.由于各种原因TVF进线柜梅兰NSC250D开关末更换(In不可调)配电系统有无问题正在论证.如果以上问题有结果将进一步提高系统的安全性可靠性.
一  晶闸管产品特点简介  
    从本世纪 50 年代我国生产晶闸管器件问世以来 经历了 50 多年的历史 刚开始时 由于制造工艺水平不成熟 性能很不稳定 那时有人称之为 可怕硅 现在随着制造水平的提高 各种性能相当稳定 已朝着大电流 3000A 以上 高电压 6000V 以上方向发展。  
    英文为 Thyristor,也称为可控硅 Silicon Controlled Rectifier 它是一种具有 P-N-P-N四层三个 PN 结的功率半导体器件 它有三个电极 阳极 A 阴极 K 控制门极 G 是一种电流控制型器件 要使其导通必须具备两个条件 一是阳极电位高于阴极电位 即正偏置 二是控制门极施加足够功率和宽度的触发脉冲信号 晶闸管具有如下特点 导通后即使控制门极触发信号撤去 只要流过器件的正向电流大于维持电流 一般几十个毫安 它还能导通  也就是说通过关断触发信号来关断晶闸管是不行的 这点与 IGBT GTR MOSFET 不同 要想关断它 必须将维持导通的电流减小至维持电流以下 因此有时需要进行强迫关断,即在需关断时,对它施加反偏置电压(即反压) 直至其关断  
    相对其他功率器件 晶闸管因其具有低的导通压降 过流能力强 耐冲击 耐高压 所以在各种不同类型的电力电子变换装置中被广泛使用 交流电机软启动就是一个典型的应用  

二  晶闸管参数说明  
    作为使用者来说 要正确使用晶闸管 首先就要对晶闸管的各项电气参数有一个详细的了解这样就可以正确地选型 但往往在实际工作中 大多数人并不完全了解 如晶闸管额定电流标称的是平均值概念 实际工作中负载标称的额定电流是有效值 两者之间是有根本区别的 因此有必要对几个主要参数作出一些说明  

    晶闸管额定电流平均值 IT(AV)  IF(AV)               

从图 a 中可以计算出额定通态电流平均值 IT(AV)和正弦半波电流峰值 Im 之间数学表达式为:

1 单只晶闸管额定通态电流方均根值(即有效值) IRMS 
2 两只单独封装的晶闸管反并联交流有效值:IRMS 
    如图 b 两只独立封装可控硅反并联后形成一个双向可控硅 因双向可控硅晶闸管额定电流不能用平均值标称 因流过的电流为交流电 平均值为零 所以只能用交流有效值 IRMS 标称   由公式(1) 每个晶闸管通过的半波峰值均为 Im= IT(AV) 正负两个半波刚好组成一个完整的正弦波 该正弦波峰值为 x IT(AV) 所以流过 MTX 模块的额定有效值(方均根值)  
π ×IT(AV)
IRMS= =2.22  IT(AV)--------------------------------(3) 

3 MTX 型号模块交流有效值 IRMS 
    如图 c MTC 型号模块从外部将电极 1 和 2 联接在一起后 就是 MTX 型号模块 反并联形成一个双向可控硅晶闸管 所以也只能用交流有效值 IRMS 标称 公式 3 同样适用  但由于考虑到 MTX 内部每个晶闸管额定平均电流 IT(AV)值是在单独测试情况测得的,双管芯同时工作时(严格说相差 10ms 交替导通),管芯之间热量相互会有一点影响 故按IRMS=(1.6-2.0)  IT(AV)考虑平均值和方均根(即有效值)为宜  

 晶闸管耐压的参数 VDRM;VRRM; VDSM;VRSM 
    晶闸管电压指标有 断态正向不重复峰值电压 VDSM 断态正向重复峰值电压VDRM 断态反向不重复峰值电压 VRSM 断态反向重复峰值电压 VRRM 以上概念中重复意味着晶闸管阴阳极承受的电压在一定的漏电流范围内是可以重复施加的 不重复意味着晶闸管阴阳极承受电压的最大峰值 超过此最大值漏电流变大 超过额定值 室温和结温时漏电流额定值不一样 所以讲耐压指标时 不能脱离漏电流 漏电流指标生产商在产品说明书中或合格证中都给出了明确的范围 一般地说 室温漏电流在 2mA 以下 结温漏电流在 20mA 以下  
对重复峰值电压和不重复峰值电压 国外一般按 VDRM= VDSM-100V VRSM= VRSM-100V标称 国内一般按 VDRM= VDSM-200V VRRM= VRSM-200V 或 VDRM= VDSM 80-90 %VRRM= VRSM 80-90 %标称  

三  晶闸管在电机软起动中的应用  
    电机起动时起动电流一般为额定电流 Ie 的6-7 倍 因此在起动瞬间对电网冲击很大 对变压器的容量要求更高 同时也对其它的用电设备造成很大的影响  
    因此 实际工作中容量超过 7.5KW 的电机都要求降压启动 传统的降压启动方式有磁控降压启动器 自耦降压启动 /Y 变换降压启动等 不管那种方式对电网还是存在一或两次的大电流冲击 采用晶闸管数字控制软启动器 具有比上面介绍的启动器更加优越的好处 主要表现在降低电机的起动电流 降低配电容量 避免增容投资 降低起动机械应力 延长电机及相关设备的使用寿命 起动参数可视负载调整 易于改善工艺 保护设备  

1  晶闸管电机软起动器工作原理  
    晶闸管在电机软起动器中的应用是一种利用晶闸管进行交流调压的应用 利用晶闸管可以相控 改变晶闸管导通的相位角 调压的特点 我们知道电机转子上的力矩是与加在定子上电压的平方成正比的 因此改变加在电机定子绕组上的电压 可改变电机转子上的转矩 从而可根据电机负载的具体情况 设定电机的起动电流 电机的起动电流按与额定电流 Ie 的比例 可设定电机起动电流为 0.5 Ie; Ie;; 2 Ie; 3 Ie; 4 Ie 即限电流起动方式 其工作原理如下图  

2  晶闸管的选择  
    晶闸管是电机软起动器中最关键的功率器件 整机装置是否工作可靠与正确选择晶闸管额定电流 电压等参数有很大的关系 选型的原则应该首先考虑工作可靠性 即电流 电压余量倍数必须足够 其次应考虑经济性即性价比 最后应考虑安装美观 体积尽量减小等对于低压电机 线电压为 380V 晶闸管的正反向重复额定电压 VDRM VRSM 选择为 1200V足够 对于高压 660V 的电机 则应至少选择电压为 2200V 以上的晶闸管 对于高压 1100V的更高压电机 晶闸管的耐压至少选择电压为 3500V 以上  
    对晶闸管额定电流的选择 必须考虑电机的额定工作电流 一般来说 三相电机每相额定电流有效值 Ie 按 Ie=(2.5-3) Pe(安培) 电机的额定功率 KW 即每一个千瓦 KW相当于两个安培的电流 例如 一个 55KW 的三相交流电机 其每相额定电流有效值是 110A考虑两倍以上的放大余量 因此选择额定平均电流为 275A/2.22 125A 以上的平板式晶闸管 或选额定平均电流为 275A/1.8 150A 以上晶闸管模块 MTX 系列  
    各系列电机对晶闸管的选择列表如下 仅供参考 而且假设装置仅仅是用于电机软起动 即装置带旁路接触器 如果装置还用于电机节能经济运行 即装置不带旁路接触器 则对应的电流值应按 2 倍以上考虑 而且还必须保证足够的散热条件   

    在电机软起动装置中,由于多是采用两个独立晶闸管器件反并联组成的交流相控调压 正负半周各对应一个晶闸管工作 因此对两个反并联器件参数的一致性要求较高 包括晶闸管触发参数 维持电流参数等也都尽量要求挑选一致 尽量让正负半波对称 否则会有直流成分电流流过电机 由于电机为线圈绕组 负载为电感性 因此过高的直流份量会使得电机定子发热严重 甚至会烧毁电机线圈绕组 从而使电机报废 从这点来看 晶闸管模块由于管芯在装配之前已进行过严格挑选 因此其一致性还是有所保障的 另一方面 在触发线路设计中 尽量采用强触发的方式 以能兼容器件触发参数的差异  

四  晶闸管的保护 
    由于晶闸管的击穿电压接近工作电压 线路中产生的过电压易造成器件电压热击穿 同时其热容量小 工作时自身发热严重 如果不及时将这些热量排除 器件内 PN 结温 Tj 势必超过晶闸管的结温极限值 一般 TjMAX= 125Co ,造成晶闸管的永久性损坏.因此,在实际使用中除合理选择器件的额定电压和额定电流值以外,还必须采取足够的散热措施,保证器件长期可靠的工作  

 过电压保护  
    凡超过正常工作时晶闸管应承受的最大峰值电压称为过电压 电路产生过电压的外部原因主要是雷击 电网电压激烈波动或干扰 内部原因主要是电路状态发生变化时积累的电磁能量不能及时消散 根据产生的原因可分为两类 开关过电压和雷击干扰过电压 因此必须采取必要的措施 使晶闸管承受的过电压限制在正反向不重复峰值电压 VRSM VDSM 值以下 

 晶闸管关断过电压 换流过电压 保护  

    当晶闸管关断 正向电流下降到零时 管芯内部会残留许多载流子 在反向电压的作用下会瞬间出现反向电流 使残存的载流子迅速消失 形成极大的 di/dt 即使线路中串联的电感很小 由于反向电势 V=-Ldi/dt,所以也能产生很高的电压尖峰(或毛刺),如果这个尖峰电压超过晶闸管的最大峰值,就会损坏器件。  对于这种尖峰电压一般常用的方法是在器件两端并联阻容吸收回路 利用电容两端。电压不能突变的特性吸收尖峰电压 阻容吸收回路要尽可能靠近晶闸管 引线要尽可能短 最好采用无感电阻 千万不能借用门极中辅助阴极线 因辅助阴极线线径很细 回路中过大的电流会将该线烧断 阻容元件的选取值按以下表格中经验值和公式选取  

表中电阻的功率由下式确定  
PR= f CU m x 10      电容耐压一般为晶闸管电压 1.3 倍 
式中 f----频率 50HZ PR---电阻功率 W Um---晶闸管工作峰值电压 V C---串联的电容 μ F 

 交流侧过电压极其保护  
    交流侧电路在接通 断开时会产生过电压 对于这类过电压保护 目前主要采用压敏电阻和瞬态电压抑制器 Transient Voltage Supperessor ,简称 TVS 压敏电阻是一种非线性器件 它是以氧化锌为基体的金属氧化物 有两个电极 极间充填有氧化铋等晶粒 正常电压时晶粒呈高阻仅有 100uA 左右的漏电流,过电压时引起电子雪崩呈低阻使电流迅速增大吸收过电压. 其接法与阻容吸收电路相同 在交 直流侧完全可以取代阻容吸收 但不能用作限制 dv/dt 的保护 故不宜接在晶闸管的两端 -12TVS 类器件当其两端受到瞬时高压时 能以极高的速度 10 /S 从高阻变为低阻吸收高达数千瓦的浪涌 TVS 的部分型号性能参数如下表  

 过电流保护     
    串接交流进线或采用漏抗大的整流变压器 利用电抗限制短路电流 但此种方法在交流电流较大时存在交流压降  

 电流检测和过流继电器 
    通过电流检测实际电流值并与设定值进行比较 当实际电流值超过设定值时 通过比较器输出电压值控制移相角度增大或拉逆变的方法减少电流 有时须停机  

 快速熔断器 
    与普通熔断器比较 快速熔断器是专门用来保护半导体功率器件过电流的 它具有快速熔断的特性 在流过 6 倍额定电流时其熔断时间小于 50Hz 交流电的一个周期 20 ms  快速熔断器可接在交流侧 直流侧或与晶闸管桥臂串联 后者直接效果最好 一般说来快速熔断器额定电流值 有效值 应小于被保护晶闸管的额定有效值 同时要大于流过晶闸管的实际有效值  电压及电流上升率的保护 

 电压上升率 dv/dt  
    晶闸管阻断时 其阴阳极之间相当于一个结电容 当突加阳极电压时会产生充电电容电流 此电流可能导致晶闸管误导通 因此 对管子的最大正向电压上升率必须加以限制 一般采用阻容吸收元件并联在晶闸管两端的办法加以限制. 

 电流上升率 di/dt  
    晶闸管开通时 电流是从靠近门极区的阴极开始导通然后逐渐扩展到整个阴极区直至全部导通,这个过程需要一定的时间 如阳极电流上升太快 使电流来不及扩展到整个管子的 PN结面 造成门极附近的阴极因电流密度过大 发热过于集中 PN 结温会很快超过额定结温而烧毁 故必须限定晶闸管的电流上升临界值 di/dt 一般在桥臂中串入电感或铁淦氧磁环  

 温度保护 
    模块产品与其它功率器件一样 在实际工作中 由于自身功耗 会引起管芯温度的升高结温急剧上升 直至达到或超过额定结温 (Tjm) 如果不采取措施将这种热量散发出去 就会致使管芯特性变软 漏电流增加 直至完全过热击穿损坏 晶闸管的损耗主要由导通损耗(导通平均电流与导通平均压降乘积) 开关损耗 门极损耗三部分组成 其中最主要的是正向导通损耗  
    因此 晶闸管在实际使用中 必须加以冷却(自然冷却或强迫风冷) 有条件时采用热管或水冷方式 综上所述 考虑散热问题的总原则就是控制模块中管芯的结温 Tj 不超过手册中给定的额定结温 (Tjm)  
    在实际工作中 结温不容易直接测量到 因此不能用来作为是否超温的判断依据 通过控制散热器最高温度处(壳温 Tc)来控制结温是一个有效的方法 由于 PN 结温和壳温存在着温度梯度关系 通过温控开关可以很容易地测量出晶闸管与散热器接触处表面最高温度处的温度用温控开关测量出的壳温是否超过额定值来保护晶闸管正常工作 在实际线路设计中增加一个或两个温度控制电路 分别控制风机的开启或主回路的断电 停机 一般控制散热器最高处温度不超过 75 这样就可以保护晶闸管在额定结温下正常工作