基于PLC實現(xiàn)的煤礦排水電控系統(tǒng)設計

1、摘 要高壓軟啟動和PLC以廣泛用于煤礦排水的電控系統(tǒng)中。該方法就是在恒定交流鼠籠異步電動機之間接入晶閘管作為交流電壓控制器。采用恒流啟動方式把異步電動機拖入正常運行狀態(tài)。本文提出了PLC作為主機、高壓軟啟動（電抗器備用）啟動方案應用于煤礦排水電控系統(tǒng) 。與常規(guī)繼電器控制系統(tǒng)不同之處采用PLC。PLC克服繼電器體積龐大、可靠性不高、改變控制程序麻煩、維護量大、尤其定時不精確等缺點。與常規(guī)的直接啟動或用電抗器啟動不同之處采用高壓軟啟動，克服了直接啟動（電抗器啟動）給電機直接加入額定電壓，啟動速度快，尤其對電網(wǎng)、電機、生產(chǎn)機械的沖擊危害很大等缺點。本文采用了德國西門子S7-200PLC作為控制器，采

2、用了河南株洲鐵道機車研究所生產(chǎn)的QJR-400高壓交流電機軟啟動裝置實現(xiàn)調(diào)速，不僅改善了啟動性能，而且滿足現(xiàn)場要求。 關(guān)鍵詞：晶閘管； 鼠籠異步電機； 排水； 高壓軟啟動； 西門子PLC ABSTRACTHigh-pressure soft-start and PLC are widely used in coal mine drainage to the electronic control system. The method is in a constant exchange between the squirrel cage induction motor access SCR as

3、AC voltage controller. Way to start a constant current induction motor dragged into the normal operation of state. In this paper, as the host PLC, the high-voltage soft-start (Reactor standby) launched the programme for mine drainage electronic control system. Relay control systems and conventional

4、difference between the use of PLC. PLC overcome the relay size, reliability is not high, and change control procedures trouble maintaining large, in particular, timing and other shortcomings imprecise. The launch of direct and conventional power reactor or start using high-pressure difference betwee

5、n the soft start to overcome the boot (start Reactor) added directly to the motor rated voltage, fast startup, particularly on the power grid, the electrical, mechanical production of the harmful impact , And other shortcomings.In this paper, the German Siemens S7-200PLC as a controller, using the H

6、enan Institute of Zhuzhou railway locomotive production QJR-400 high-voltage AC motor soft start device to achieve speed, not only to improve the performance started, but also meet the requirements of the scene.Keywords： SCR; cage induction motor; drainage; soft-start high-pressure; Siemens PLC目 錄1

7、緒論11.1 序言11.2 礦井排水啟動設備的現(xiàn)狀11.2.1 直接啟動11.2.2 降壓啟動21.3 晶閘管介紹21.3.1 晶閘管工作原理31.3.2 晶閘管的應用41.3.3 晶閘管軟起動裝置的技術(shù)特點52 排水設備62.1 礦井簡介62.2 選擇水泵62.3 管路選擇92.4 驗算排水時間及排水管中流速122.5 確定電動機功率133 電控設備143.1 研制方案的提出143.2方案比較163.3 方案確定173.3.1 軟啟動器的技術(shù)特點183.3.2 軟啟動器的啟動方式183.3.3 軟啟動器的技術(shù)優(yōu)勢204 軟起動裝置的主電路設計214.1 軟起動裝置的原理214.2 晶閘管選型

8、計算264.2.1 晶閘管電壓等級的選擇264.2.2 晶閘管電流等級的選擇274.3 晶閘管觸發(fā)方式的選擇284.3.1 門極觸發(fā)脈沖的要求284.3.2 觸發(fā)方式的選擇294.4 三相同步信號采集與脈沖觸發(fā)驅(qū)動電路314.4.1 三相同步信號采集314.4.2 脈沖觸發(fā)驅(qū)動電路324.5 電機軟起動控制系統(tǒng)中功率因數(shù)角的研究344.5.1 軟起動控制器的主電路344.5.2 三相異步電動機功率因數(shù)角的變化規(guī)律354.5.3 三相異步電動機功率因數(shù)角對晶閘管輸出電壓的影響384.5.4 電機功率因數(shù)角的閉環(huán)控制415 可編程控制器445.1 PLC的產(chǎn)生和定義445.1.1 PLC的產(chǎn)生44

9、5.1.2 PLC的定義455.2 PLC的特點455.3 PLC的應用和發(fā)展455.3.1 PLC的發(fā)展狀況455.3.2 PLC的發(fā)展趨勢465.3.3 PLC的應用領域475.3.4 PLC的分類475.3.5 PLC的系統(tǒng)組成485.3.6 PLC的工作原理495.4 系統(tǒng)設計535.4.1 系統(tǒng)組成535.4.2 PLC原理圖556 運行總結(jié)566.1概述566.2 保護性能試驗566.3 起動特性試驗606.4 試驗結(jié)論60結(jié)束語62致 謝63參考文獻641 緒論1.1 序言煤礦在建設和生產(chǎn)中，不斷有地下水涌入礦井，為保證入井人員正常工作和安全生產(chǎn)。必須考慮排水問題，在建設與生產(chǎn)中

10、要不間斷的排水工作。在我國的煤炭企業(yè)中，煤礦的機電設備中，排水設備用量很多，消耗的電量很大。正確選擇與使用水泵，合理配制主排水系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，對于煤礦企業(yè)節(jié)能提效有著十分重要的意義 。1.2 礦井排水啟動設備的現(xiàn)狀1.2.1 直接啟動目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動機，包括低壓電動機及3kV/6kV中壓電動機及10kV高壓電動機。通常采用的起動方式有兩種：一是在額定電壓下的直接起動，另一種是降壓起動方式。直接起動是給電機直接加上額定電壓，起動速度快，但危害很大，主要表現(xiàn)在：1) 對電網(wǎng)的沖擊：直接起動時的起動電流可達額定電流的47倍，造成電網(wǎng)電壓跌落，可能使欠壓保護動作，造

11、成設備的有害跳閘，使電機起動失敗并影響其它用電設備的正常運行。2) 對電機的沖擊：過大的起動電流會使電機的繞組迅速發(fā)熱，加速其絕緣老化，從而影響電機的電氣壽命；直接起動過大的沖擊轉(zhuǎn)距往往使電動機轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損或擊穿、轉(zhuǎn)軸扭曲等。3) 對生產(chǎn)機械的沖擊：突然的沖擊轉(zhuǎn)距往往還使與電動機相連的聯(lián)軸節(jié)或傳動齒輪損傷，帶動的皮帶撕裂；過大的沖擊力會造成帶動的其它設備的非正常磨耗和老化，影響其精確度，縮短其壽命；而直起過程中壓力的突變對泵系統(tǒng)的管道、閥門造成損傷。1.2.2 降壓啟動降壓啟動就是軟啟動。軟起動可分為有級和無級兩類，有級的如星/角變換軟起動、自耦變壓器軟起動、電抗器

12、軟起動等，都避免不了二次沖擊。無級的有液阻軟起動、磁控軟起動和晶閘管軟起動。以技術(shù)性能比較，晶閘管方式的智能型軟起動已逐漸占據(jù)主導地位，因而國內(nèi)低壓軟起動（380V、660V、1140V等）市場主要是采用晶閘管方式的軟起動器。在中高壓應用中，國外產(chǎn)品基本都是晶閘管方式的軟起動器。而國內(nèi)由于技術(shù)方面的原因，有多種軟起動方式并存，但逐漸將向智能型的、應用高壓晶閘管方式的軟起動器轉(zhuǎn)化。1.3 晶閘管介紹1957 年美國通用電氣公司(GE)發(fā)明了普通反向阻斷型可控硅整流管(Sillicon Controlled Rectifier SCR) ，以后稱為晶閘管(Thyristor)，它是一種大功率半導體

13、器件。它標志著電力電子技術(shù)的誕生。經(jīng)過工藝完善和應用開發(fā)，到了20 世紀70年代，晶閘管已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。以晶閘管為主要器件的電力電子技術(shù)很快在電化學工業(yè)、鐵道電氣機車、鋼鐵工業(yè)(感應加熱)、電力工業(yè)(直流輸電、無功補償)中獲得了廣泛的應用。 在性能上，晶閘管不僅具有單相導電性，而且還具有比硅整流元件俗稱( “死硅”)更為可貴的可控性。它具有導通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。晶閘管能以毫安級電流控制大功率的機電設備，廣泛應用于可控整流、無觸點開關(guān)、交流調(diào)壓、逆變和變頻等場合。普通的晶閘管適用于交流頻率為400 Hz 以下的控制設備。如果超過此頻率，因元件開關(guān)損耗顯著增加，允許通過的

14、平均電流相應降低。此時，標稱電流應降級使用。晶閘管的優(yōu)點很多，例如：以小功率控制大功率功率，放大倍數(shù)高達幾十萬倍；反應極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點運行，無火花，無噪音；頻率高，成本低等等。晶閘管的弱點：靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導通。晶閘管(SCR)自問世以來到目前為止其功率容量提高了近3000倍，現(xiàn)在許多國家已能生產(chǎn)8KV/4KA 的晶閘管。近十幾年來，隨著自關(guān)斷器件的飛速發(fā)展，晶閘管的應用領域有所縮小，但是，由于晶閘管具有高電壓、大電流特性，因此它在HVDC、 靜止無功補償(SVC)、 大功率直流電源及超大功率和高壓變頻調(diào)速應用方面仍占有十分重要的地位。預計在今后若干年

15、內(nèi)，晶閘管仍將在高電壓、大電流應用場合得到繼續(xù)發(fā)展。1.3.1 晶閘管工作原理 普通晶閘管從20世紀60年代開始研制并生產(chǎn)，到現(xiàn)在已成為電力電子器件中品種最多的一種，由于它具有電流容量大，電壓耐量高以及開通的可控性，又有獨特的伏安特性，加上效率高、小型輕量的特點，因此已被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓直流、變換等領域，成為特大功率、低頻裝置中的主要器件。晶閘管的導通條件可定性地歸納為陽極正偏和門極正偏。晶閘管導通后，即使是撤除門極驅(qū)動信號， 也不能使晶閘管關(guān)斷，只有設法使陽極電流減小到維持電流 (約十幾毫安)以下，導致內(nèi)部已建立的正反饋無法維持，晶閘管才能恢復阻斷狀態(tài)。很明顯，如果給晶閘管

16、陽極加反向電壓，無論有無門極電壓，晶閘管都不能導通。晶閘管像二極管一樣具有單向?qū)щ娦?，但它又與二極管不同。當門極沒有加上正向電壓時，盡管陽極已加正向電壓，晶閘管仍處于正向阻斷狀態(tài)，在門極電壓的觸發(fā)下，晶閘管立即導通。這種門極電壓對晶閘管正向?qū)ㄋ鸬目刂谱饔梅Q為閘流特性，也稱為晶閘管的可控單向?qū)щ娦?。門極電壓只能觸發(fā)晶閘管開通，不能控制它的關(guān)斷，從這個意義上講，晶閘管是半控型電力器件。1.3.2 晶閘管的應用 晶閘管是一種具有三個PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導體器件，它和只有一個PN 結(jié)的硅整流二極管在結(jié)構(gòu)上迥然不同。晶閘管的四層結(jié)構(gòu)和控制極的引用，為其發(fā)揮“以小控大”的優(yōu)異控制特性奠定了基礎

17、。在應用晶閘管時，只要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽極電流或電壓，實現(xiàn)以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍。普通晶閘管最基本的用途就是可控整流，除了整流，它還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路；實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變；將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等。晶閘管和其它半導體器件一樣，具有體積小；效率高，反應極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；控制容易；可靠性高；穩(wěn)定性好；損耗低等優(yōu)點。它的出現(xiàn)，使半導體技術(shù)從弱電領域進入了強電領域，是向強電沖擊的先鋒，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件，并獲得了巨大的經(jīng)濟效益。三相交流異步

18、電動機由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可靠耐用，而在各行各業(yè)特別是工業(yè)領域得到了廣泛的應用。但它直接起動時產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會對電網(wǎng)、電動機本身及其負載機械設備帶來諸多不利的影響，對于容量較大的電動機，這些危害也就尤為嚴重。近年來，隨著各種新興產(chǎn)業(yè)的涌現(xiàn)與發(fā)展，對異步電動機的起、停與運行提出了更高的要求。隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展，晶閘管在電動機的起動中發(fā)揮了越來越重要的作用。1.3.3 晶閘管軟起動裝置的技術(shù)特點晶閘管降壓軟起動是近年來出現(xiàn)的較完善的技術(shù)方案，是集現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)、計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品，可以根據(jù)不同應用情況設置初始轉(zhuǎn)矩、起動時間、停機時

19、間、限流和各種保護值，平滑的起動特性和免維護等使其具有傳統(tǒng)軟起動方法無法比擬的優(yōu)越性。中高壓QJR系列晶閘管軟起動裝置具有以下的技術(shù)特點：1) 以成熟的大功率高壓晶閘管為主電路部件，結(jié)構(gòu)模塊化設計，具有高可靠性和維修性；2) 與液阻軟起動相比，它的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，起動重復性好，采用閉環(huán)控制，系統(tǒng)響應速度快；3) 安裝使用簡單，晶閘管是無觸點的電子器件，壽命長，不同于其他類型的產(chǎn)品需經(jīng)常維護液體和部件等，把機械壽命變?yōu)殡娮釉褂脡勖B續(xù)運行數(shù)年也無需停機維護，更無爆炸引起高壓接地等危險；4) 采用光纖傳輸技術(shù)隔離高、低壓系統(tǒng)，技術(shù)先進，絕緣可靠；5) 采用一系列防干擾措施，通過EMC試驗；

20、6) 完善的裝置自診斷功能；7) 可靠的晶閘管保護功能，每組晶閘管均有獨立的保護電路及狀態(tài)檢測電路；8) 起動方式靈活：主要有斜坡起動方式、恒流起動方式、轉(zhuǎn)距突跳起動方式（以及與前兩種方式的組合）；9) 停車方式可選：供選的停車方式有兩種：自由停車，軟停車；10) 保護方式完備：十余種軟起動裝置及電機保護措施：起動超時故障、起動過流故障、運行過流故障、晶閘管短路故障、逆序故障、缺相故障、三相電流不平衡、失壓故障、斷路器故障、接觸器故障,晶閘管溫度過高等；2 排水設備2.1 礦井簡介某礦年產(chǎn)為160萬噸立井，正常涌水量Q=230，其日期為300天，最大涌水量=380，共62天，井深260m，礦井

21、水為中性(PH=7)。2.2 選擇水泵（1）所需水泵最小排水能力根據(jù)煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，“工作水泵的能力，應能在20小時內(nèi)排出礦井24小時的正常涌水量”。因此，所需水泵最小排水能力為：=1.2Q() （2-1） 式中 Q為礦井正常涌水量()。正常涌水時： =1.2Q=1.2230=276() （2-2）最大涌水時：=1.2Q/=1.2380=456() （2-3）（2） 估算水泵揚程HB= (m) （2-4）式中為從吸水井水面到排水管路在地面出口之間的垂直距離高度，也可以用水泵房地面至地表面的垂直距離，在加5.05.5m的吸水高度；為管路效率，考慮管路沿程損失、局部損失以及管路因用久內(nèi)有淤積，

22、使內(nèi)徑減小增加的損失。 立井： =0.860.92斜井：當傾角a= ; =0.760.90 a= ; =0.720.88 a= ; =0.660.86所以水泵揚程HB = （2-5） = （2-6） =288（m）式中 =260（m）排水高度； 為吸水高度取5m； 為按最小排水量取0.92。在泵類產(chǎn)品樣本中，選擇能滿足及HB 效率較高水泵為200D-43型，該水泵的額定流量=288()；單級額定揚程=43（m）； 最大效率= 80%；允許吸水高度=5.7（m）。該礦井為中性水(PH=7)可不采取防酸措施。（3）水泵形式及臺數(shù)水泵級數(shù)：i=6.7 取7級 （2-7）式中為水泵在額定流量時，單級水

23、輪的揚程。水泵臺數(shù)：根據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定，“必須有工作、備用和檢修的水泵”?！皞溆盟玫哪芰恍∮诠ぷ魉媚芰Φ?0%，并且工作和備用水泵的總能力，應能在20小時內(nèi)排出礦井24小時的最大涌水量。檢修水泵的能力應不小于工作水泵能力的25%”。即正常涌水時工作水泵臺數(shù)=0.96 取一臺 （2-8）式中 為所選水泵額定流量（）;備用水泵臺數(shù) =70% =70% 1=0.7 取一臺 （2-9）檢修水泵臺數(shù)=25% =25%1=0.25 取一臺 （2-10）以上計算如有尾數(shù)，均取偏上整數(shù)；水泵總臺數(shù)Z=+=3（臺） （2-11）校驗在最大涌水量時工作水泵臺數(shù)= （2-12） =1.582（臺）式中 為

24、礦井最大涌水量（）。當( + ), 說明工作和備用水泵的總能力，能在20小時內(nèi)排出礦井24小時的最大涌水量，最后決定水泵總臺數(shù)為3臺。2.3 管路選擇煤礦安全規(guī)程規(guī)定，井下排水“工作水管的能量應能配合工作水泵在20小時內(nèi)排出礦井24小時的正常涌水量。工作和備用水管的總能力，應能配合工作和備用水泵在20小時內(nèi)排出礦井24小時的最大涌水量。當排送量一定時，管徑取大些，揚程損失會小，長期運行的電能相應減少。但其一次基建投資費用要高些。反之，如果管徑取得偏小，則相反。因此，必須在兩者之間求出管道最有利的經(jīng)濟直徑。運用經(jīng)濟速度求排水管的直徑，即：d/p = （m） （2-13）式中為水泵的額定流量（）；

25、 為最有利的經(jīng)濟流速，一般VP =1.52.2（m/s），因此排水管直徑 d/p = = =0.225（m） （2-14）式中=1.52.2(m/s），現(xiàn)在取 = 2(m/s）。查表選排水管公稱內(nèi)徑dp=225（mm），壁厚7（mm），內(nèi)徑231（mm），外徑245mm的無縫鋼管。對于吸水管徑dx,為了減少吸水管阻力損失及不產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，吸水管徑一般可比排水管徑大一些。?。篸x=dp+0.025(m) （2-15）所以dx=dp+0.025=0.225+0.025=0.25(m)查表2-1選吸水管的公稱內(nèi)徑dp=250（mm），外徑273（mm）；壁厚7（mm米），內(nèi)徑259mm的無縫鋼管。表

26、2-1 國產(chǎn)無縫鋼管規(guī)格Table 2-1 Domestic specifications Seamless Steel Tube公稱內(nèi)徑外徑壁厚內(nèi)經(jīng)每米長的重量公稱內(nèi)徑外徑壁厚內(nèi)經(jīng)每米長的重量毫米毫米毫米毫米公斤/米毫米毫米毫米毫米公斤/米80894818.381022557.9557910.36250273725945.92100108410010.26825752.2859812.7922558.669615.091025364.86125133412512.731125171.07512315.78300325830962.54612118.99930770.141501594.515

27、017.151030577.68514918.991130385.18614722.641230192.63714526.243503371035790.51200219620731.5212353108.02520536.614349125.33820341.6325327217.02920146.6135307295.2圖2-1 管路布置 Fig.2-1 pipe layout2.4 驗算排水時間及排水管中流速 正常涌水期的排水時間T=19.220（h） （2-16）最大涌水期的排水時間=15.820(h) （2-17）通過驗算可知正常與最大涌水期的排水時間，都小于20小時，說明所選水泵型

28、號及臺數(shù)均合適。排水管的實際流速=2.01(） （2-18）驗算排水管實際流速，沒有超出經(jīng)濟流速范圍（1.52.2），因此所選管道合適。2.5 確定電動機功率由此泵所需功率為N=1.1=1.1=316.8(kw) （2-19）式中 r為礦水重度10000（）。因此200D437型泵所配350 kw電動機3 電控設備3.1 研制方案的提出經(jīng)過大量調(diào)研、查閱資料、分析，并在充分了解煤礦系統(tǒng)對設備的工作性能、安全可靠性等的基礎上，我們提出以下三種解決方案：方案1：一拖一軟起動方案圖3-1 一拖一軟起動方案系統(tǒng)原理圖Fig. 3-1 a soft start was delayed programme

29、 system schematics系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示，使用一臺軟起動裝置起動一臺水泵電機，系統(tǒng)可以達到很高的可靠性，軟起動裝置和電機可以分別形成三套相對獨立的系統(tǒng)，而不互相影響。方案2：采用“一拖三”軟起動方案圖3-2 一拖三軟起動方案系統(tǒng)原理圖Fig. 3-2 Soft start was delayed three programmes system schematics系統(tǒng)原理圖如圖3-2所示，在利用一臺軟起動裝置起動三臺水泵電機的目的。本系統(tǒng)可靠性高，滿足現(xiàn)場起動要求。方案3：采用“一拖三+電抗器”軟起動方案系統(tǒng)采用一臺軟起動裝置起動三臺水泵電機簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，另用一臺起動電抗器

30、作備用改善起動性能，完善保護性能。同時為了滿足煤礦對安全的苛刻要求提高系統(tǒng)的可靠性，這樣在軟起動裝置檢修時仍可用一臺起動電抗器起動三臺水泵電機。圖3-3 采用“一拖三+電抗器”軟起動方案系統(tǒng)原理圖Fig. 3-3 A delayed 3 + reactor Soft Start programme system schematics3.2方案比較表3-1 上述三種方案各項指標比較Table 3-1 These indicators compare the three options方案1方案2方案3性能指標軟起動裝置和電機可以分別形成三套水泵驅(qū)動系統(tǒng)，完成每一臺水泵電機的起停工作可使用軟起動裝

31、置分別完成三臺電機系統(tǒng)的起動，性能達到現(xiàn)場使用要求可使用軟起動裝置（或電抗器）分別完成三臺電機系統(tǒng)的起動，性能達到現(xiàn)場使用要求可靠性三套軟起動系統(tǒng)互相獨立，互不干擾，可將任何一套起動系統(tǒng)作為備用或進行檢修，可靠性高。雖采用可靠性很高的高壓軟起動裝置，但無法提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。可做到每套水泵電機起動相對獨立、互不干擾，保留一臺電抗器作為軟起動裝置后備，裝置處于維護或檢修時仍能對電機進行起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，相對獨立系統(tǒng)復雜，使用設備較多結(jié)構(gòu)優(yōu)化，系統(tǒng)簡單高效經(jīng)濟效益軟起動裝置成本較高，系統(tǒng)需三套軟起動裝置造成設備投入費用過高，經(jīng)濟效益較差整套系統(tǒng)的初始投入較少，可能造成今后較高且無法估計的維護成

32、本整套系統(tǒng)投入較少，利用新技術(shù)使系統(tǒng)基本達到免維護的要求3.3 方案確定通過表3-1對系統(tǒng)性能指標、可靠性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟效益等四個方便的比較，最終確定“方案3”為系統(tǒng)最優(yōu)方案，進行實施。3.3.1 軟啟動器的技術(shù)特點軟啟動器是電力電子技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的電氣設備,它主要由串接于電源與被控電動機之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其控制電路構(gòu)成。運用移相控制原理,在啟動過程中,控制晶閘管的導通角逐漸增大,使電動機的端電壓從0以設定的函數(shù)關(guān)系逐漸上升,啟動轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速也逐漸增高,實現(xiàn)無沖擊啟動,啟動完畢自動轉(zhuǎn)入全電壓運行。3.3.2軟啟動器的啟動方式(1)斜坡升壓軟啟動。這種啟動方式最簡單,僅控制晶閘管

33、導通角,使啟動電流與時間成一定的比例關(guān)系增大。由于不限流,在啟動過程中有時會產(chǎn)生過大電流而損壞晶閘管,對電網(wǎng)也有不利影響,故實際很少應用。(2)斜坡恒流軟啟動。其特性曲線如圖3-4所示。啟動初始階段,啟動電流按設定的上升速率(斜率)逐漸增大,到達設定值后,保持恒流狀態(tài)直至啟動完畢。啟動電流的上升率可根據(jù)負載需要進行調(diào)整,電流上升速率高,則啟動轉(zhuǎn)矩大,啟動時間短。一般啟動轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩的5% 90%之間調(diào)整,啟動時間可在230 s之間調(diào)整。該啟動方式適用于風機、泵類負載,是實際應用最多的軟啟動方式(井下6 kV高壓排水泵采用該啟動方式) 。(3)脈沖恒流啟動。在啟動初始階段,晶閘管在很短時間內(nèi)以

34、較大電流導通一定時間后下降,再按原設定速率上升,進入恒流啟動,其特性曲線如圖3-5所示。這種啟動方式適用于需要沖擊轉(zhuǎn)矩助推方能正常啟動的重載場合。(4)階躍恒流啟動。這是一種快速啟動方式。一開機,即以極短時間使啟動電流迅速上升到設定值直至啟動完畢。通過改變電流設定值,可滿足不同負載對啟動速度的要求。 圖3-4 斜坡恒流軟啟動Fig.3-4 Slopes constant current soft start 圖3-5 脈沖恒流啟動Fig.3-5 Pulse constant start3.3.3軟啟動器的技術(shù)優(yōu)勢軟啟動器與自耦減壓啟動器等傳統(tǒng)的減壓啟動設備相比,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。(1)無沖擊

35、電流。軟啟動使電動機的啟動電流以一定斜率逐漸上升至設定值,對電網(wǎng)無沖擊電流,提高了供電可靠性。由于引入電流閉環(huán)控制,實現(xiàn)恒流平穩(wěn)啟動,無二次沖擊電流,減小對負載機械的沖擊轉(zhuǎn)矩,延長機組使用壽命。(2)啟動參數(shù)可調(diào)。軟啟動的啟動電流、啟動轉(zhuǎn)矩及啟動時間均可根據(jù)負載情況及電網(wǎng)繼電保護特性適當選擇,無級調(diào)節(jié)至最佳。(3)有軟停機功能。軟停機平滑減速,逐漸停機,它可克服瞬間斷電停電的弊端,減輕對重載機械的沖擊,避免高程供水系統(tǒng)的“水錘”效應,減少設備的損壞。(4)輕載節(jié)能。軟啟動實質(zhì)上是一個多功能自動調(diào)壓器,電動機輕載時,能適當降低其端電壓,空載激磁電流和鐵耗隨之減小,功率因數(shù)提高,達到輕載節(jié)能的目的

36、。4 軟起動裝置的主電路設計4.1 軟起動裝置的原理在進行軟起動裝置的主電路設計時,首先考慮在不失軟起動裝置的性能和可靠性的前提下,應選擇使用國產(chǎn)功率電子器件,達到降低軟起動裝置的制造成本,提高軟起動裝置產(chǎn)品的國產(chǎn)化率的目的；另外為了將來安裝和維修方便，要合理計算和選擇功率元件的散熱器形狀和尺寸。通過計算比較，最后選用現(xiàn)有的鋁型材，作為晶閘管的散熱器，外形規(guī)整，便于安裝，同時節(jié)省資金。異步電動機起動性能主要有兩個指標，起動電流倍數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)?？刂平涣鳟惒诫妱訖C的轉(zhuǎn)矩與加在定子端電壓的平方成正比，同時電動機起動電流與定子端電壓成正比。因此可以通過控制加在電動機定子上的電壓對電動機的起動轉(zhuǎn)矩和

37、起動電流進行控制，以降低電動機起動時所產(chǎn)生的過高起動電流和起動力矩。電壓的控制是通過控制晶閘管的導通角實現(xiàn)的。本軟起動裝置是電力電子技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的電氣裝置，在提供大電流時采用的是三相交流調(diào)壓中的相位交流調(diào)壓方式。主電路由6只單向晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，將其串接于電源和電動機定子之間，形成三相三線交流調(diào)壓電路，如圖4-1所示。利用全數(shù)字無矢量控制技術(shù)，完成電動機端電壓與電流的控制。運用移相控制原理，工作時，軟起動裝置接收到控制信號后,根據(jù)用戶已設定的參數(shù),通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角， 從而控制導通角增大，晶閘管輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，使電動機按設定模式平滑起動，直到晶閘管全導通

38、，電動機工作在額定電壓機械特性上，實現(xiàn)平滑無沖擊起動，降低起動電流，避免起動過流跳閘，從而控制電動機的運行過程，實現(xiàn)電動機的軟起動及運行保護等。圖4-1 晶閘管調(diào)壓主電路圖Fig.4-1 Brilliant floodgate in charge of transferring and keeping the main circuit diagram 起動結(jié)束后，由控制裝置發(fā)出信號，使旁路真空接觸器閉合，反并聯(lián)晶閘管暫停工作，由電源直接供電使電動機正常運行，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟起動裝置的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟起動裝置在電動機起動結(jié)束后可以對電動機的運行參數(shù)

39、繼續(xù)監(jiān)視，對各類故障進行全程保護。QJR-400/1140(660)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流軟起動裝置的整體結(jié)構(gòu)和功能用圖8 所示的框圖來表示。從圖4-2中可以看出，一套功能完備的交流電動機軟起動控制系統(tǒng)應當具備以下幾個組成部分：1) 核心控制系統(tǒng)：軟起動控制裝置；2) 被控制功率主回路；3) 控制系統(tǒng)的輸入輸出部分分別包括電動機控制參數(shù)的設定和電動機運行狀態(tài)的動態(tài)顯示以及電流和電機轉(zhuǎn)速反饋信號；4) 電機運行中過壓保護欠壓保護過載保護短路保護等的控制部分；5) 電源部分包括本安電源控制回路和控制裝置的電源。除此之外作為隔爆型的交流電動機軟起動裝置還要考慮到軟起動裝置的防爆隔爆設計問題。電 源

40、控制電路 電源主電路晶閘管單元阻容保護旁路接觸器具軟起動裝置外圍控制電路LCD顯示顯示參數(shù)設定電流反饋檢測電路速度反饋電機圖4-2 QJR-400/1140 (660)工作流程圖Fig.4-2 QJR-400/1140 (660)flow diagram of jobQJR型交流電動機軟起動裝置的原理接線圖如圖4-3 所示。1140V/660V三相電源從配電箱進入，經(jīng)隔離換相開關(guān)，真空接觸器，晶閘管組件輸出到負載。亦可選擇遠控/近控和直起/軟起。遠控時，按下遠控啟動按鈕SB4，控制器輸出的本安12V 電壓經(jīng)遠控停止按鈕SB5常閉觸點、SB4 常開觸點加到繼電器K1上。撥至近控，按下門蓋近控啟動

41、按鈕SB1，本安12V 電壓同樣加到繼電器K1上。繼電器K1吸合，同時其常開觸頭閉合，使變壓器二次側(cè)24V 電壓回路接通，繼電器K3 吸合(注端子22# 23#為控制器內(nèi)部常閉點)。常開點K3-1 、K3-2、K3-3 閉合：1) K3-3 閉合在本安回路給啟動按鈕提供自保持保持繼電器K1在吸合狀態(tài)；2) K3-1 閉合在變壓器二次側(cè)220V 電壓回路中繼電器K4 吸合；3) K3-2 閉合。（1）若撥動開關(guān)在直起，繼電器K2得電吸合，常開點K4、K2閉合，220V電壓加至真空接觸器線圈KM上，真空接觸器吸合，完成合閘動作。（2）撥動開關(guān)撥至軟起，24V電壓經(jīng)20# 、21#端子常開點加至繼電

42、器K2上。20#、21#常開點的閉合由軟起動控制時間來控制。軟起動就是在KM 吸合前由控制器控制晶閘管組件，負載側(cè)電壓由小、平穩(wěn)上升至660V或1140V，電動機緩慢啟動，軟起動時間到時，繼電器K2吸合，KM吸合，將晶閘管組件短接。控制器控制晶閘管組件停止工作。啟動前，控制器首先對負載進行漏電檢測。控制器24#、25#端子為660V、 1140V漏電檢測輸入端，經(jīng)繼電器K4兩個常閉點、KM 輔助開關(guān)兩個常閉點，接至晶閘管出線側(cè)，負載主回路對地電阻1140V時小于42K左右，660V時小于22K，控制器22# 、23#端子常閉點斷開，同時顯示面板顯示E-3 。同樣，電壓缺相顯示E-5；電源過壓顯

43、示E-6；欠壓顯示E-7。參數(shù)調(diào)整,可用磁棒在顯示面板上直接調(diào)整。將控制器10# 、11# 、12# 、13#調(diào)整參數(shù)端子接至門板啟動、停止、復位按鈕上的另一組常開點。兩個回路(啟動回路參數(shù)調(diào)整回路)由一個撥動開關(guān)控制，互不干擾。圖4-3 軟起動裝置的原理接線圖Fig.4-3 The principle soft start device wiring diagram4.2 晶閘管選型計算晶閘管元件參數(shù)的選擇，主要是選擇它的額定電壓等級和額定電流等級。就是說，選擇正、反向重復峰值電壓 (即和兩者的較小值)和通態(tài)平均電流。4.2.1 晶閘管電壓等級的選擇晶閘管承受的正、反向電壓與所采用的電路形式

44、和電源電壓有關(guān)。主要從可靠性、經(jīng)濟性和可能性來考慮。電壓等級選的太高，不經(jīng)濟；選的太低，不可靠，元件容易擊穿。精確設計晶閘管的耐壓值比較困難，這是因為它不僅和回路的接法有關(guān)，同時還與電動機的容量、激磁電流等數(shù)值有關(guān)。晶閘管工作中可能會遭受一些意外的瞬時過電壓或過電流，為了確保管子的安全運行，一般在考慮有過電壓吸收回路的情況下，在選用晶閘管時應使其額定電壓為正常工作電壓峰值的2 3 倍。本課題所研究的軟起動裝置型號為QJR-400/1140，其額定電流為400A，額定電壓為1140V， 故所選晶閘管的額定電壓為： （4-1）式中， 為晶閘管在實際工作中可能承受的最大電壓；為晶閘管元件承受的最大正

45、、反向峰值電壓(V)；(2 3)為電壓的安全系數(shù)。根據(jù)KP型晶閘管的電流電壓級別并考慮到晶閘管的安全性，取本裝置中的晶閘管的額定電壓為4000V。4.2.2 晶閘管電流等級的選擇由于雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。正弦半波電流平均值)、電流有效值和電流最大值三者的關(guān)系為： （4-2） （4-3）正弦半波情況下電流波形系數(shù)為： （4-4）考慮到晶閘管的過載能力比一般電機電器產(chǎn)品小得多，因此選擇額定電流時考慮1.52倍的安全裕量是必要的。所以，晶閘管在流過任意波形電流并考慮了安全裕量情況下的額定電流的計算公式為： （4-5）在使用中還應注意，當晶閘管散熱條

46、件不滿足規(guī)定要求時，則元件的額定電流應立即降低使用，否則元件會由于結(jié)溫超過允許值而損壞。晶閘管額定正向平均電流的選擇，主要與下列因素有關(guān)：負載電流的大小、電路形式、控制角的大小以及工作頻率（規(guī)定在400Hz 范圍以內(nèi)不考慮頻率的影響)。因為本裝置的額定電流為400A，考慮晶閘管調(diào)壓軟起動時，在線路電流達到兩倍額定電流之前軟起動裝置不工作，所以取額定電流的兩倍即800A為電流計算值，故： （4-6） （4-7） （4-8）根據(jù)K 型晶閘管的電流電壓級別選取單只晶閘管的通態(tài)平均電流為800A。根據(jù)現(xiàn)代實用電子技術(shù)手冊所選的晶閘管型號為KP80040D。4.3 晶閘管觸發(fā)方式的選擇4.3.1 門極觸

47、發(fā)脈沖的要求觸發(fā)電路的基本作用是向晶閘管提供門極驅(qū)動電流，并能根據(jù)控制要求使晶閘管在需要導通的時刻可靠導通。雙向晶閘管門極的觸發(fā)，必須要有觸發(fā)電路與之正確可靠的配合才能實現(xiàn)。因此，觸發(fā)電路與主電路一樣，是晶閘管變流裝置的重要組成部分。觸發(fā)電路是通過輸出觸發(fā)信號來實現(xiàn)對晶閘管的控制的，觸發(fā)信號的類型可以是直流信號、交流信號或時間短促的脈沖信號。只要功率足夠大，它們都能使承受正向電壓的晶閘管觸發(fā)導通。因晶閘管導通后觸發(fā)信號就失去作用，為了減小觸發(fā)電路和門極功耗并使觸發(fā)更準確可靠，大多采用脈沖作為觸發(fā)信號。對雙向晶閘管門極觸發(fā)脈沖的要求是：1) 觸發(fā)脈沖應有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓、電流應大于晶閘

48、管要求的數(shù)值，并流有一定的裕量；2) 觸發(fā)脈沖的相位應在規(guī)定的范圍內(nèi)移動；3) 觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路電源必須同步、同頻，且具有固定的相位關(guān)系，使每一周期能在同樣的相位上觸發(fā)；4) 觸發(fā)脈沖波形一定要滿足要求，對感性負載，一般大于50Hz的18。4.3.2 觸發(fā)方式的選擇圖4-4 三相全控整流Fig.4-4 Three phases accuse of rectification completely以三相全控整流圖4-4為例，關(guān)于觸發(fā)脈沖的相位，共陰極組的VT1、VT3和VT5之間應互差120；共陽極組的VT4、VT6和VT2之間亦互差120。接在同一相的兩管，如VT1與VT4 ，VT3與V

49、T6 ，VT5與VT2之間互差180 。共陰極組的元件在各自的電源電壓正半周時導通，而共陽極組的元件則在其電源電壓負半周時導通。為了使全控橋正常工作，形成電流通路，保證全控橋合閘后共陰極組和共陽極組各有一晶閘管導通（換流期間有三只導通)，或者由于電流斷續(xù)后能再次導通，必須對兩組中應導通的一對晶閘管同時給觸發(fā)脈沖。為此，可以采取兩種辦法：一種是使每個觸發(fā)脈沖的寬度大于60 （一般取80100) ，稱寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)某一號晶閘管的同時給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖，相當于用兩個窄脈沖等效替代大于60的寬脈沖，稱雙窄脈沖觸發(fā)，在一個周期中對每一只晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖間隔為60。例如

50、當要求VT1導通時，除了給VT1 發(fā)觸發(fā)脈沖外，還要同時給VT6 發(fā)一觸發(fā)脈沖。欲觸發(fā)VT2時，必須給VT1 同時發(fā)一觸發(fā)脈沖等。因此，用雙窄脈沖觸發(fā)，在一個周期內(nèi)對每個晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為60 。雙窄脈沖電路比較復雜，但它可減小觸發(fā)裝置的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵心體積。用寬脈沖觸發(fā)，雖然脈沖次數(shù)少一半，為了不使脈沖變壓器飽和，其鐵心體積要做得大些，繞組匝數(shù)多些，因而漏感增大，導致脈沖的前沿不夠陡（這對多個晶閘管串并聯(lián)時很不利)，增加去磁繞組可以改善這一情況，但又使裝置復雜化，故通常多采用雙窄脈沖觸發(fā)。雙窄脈沖產(chǎn)生方式非常簡單自然，硬件、軟件均很簡單，產(chǎn)生的脈沖穩(wěn)定

51、可靠。本裝置晶閘管的觸發(fā)脈沖采用的是雙窄脈沖。雙窄脈沖經(jīng)光電隔離后，傳送至脈沖列形成放大后，輸出為高頻脈沖列脈沖列，經(jīng)過脈沖變壓器隔離后送到晶閘管控制極。本裝置使用的脈沖變壓器采用了高強度絕緣材料，并經(jīng)過環(huán)氧樹脂浸漆，一、二次之間絕緣強度達15KV。同時，脈沖變壓器鐵芯采用了高磁密材料，輸出脈沖無延時和震蕩現(xiàn)象，輸出脈沖波形穩(wěn)定，抗干擾能力強。4.4 三相同步信號采集與脈沖觸發(fā)驅(qū)動電路本裝置中共用到三只雙向晶閘，管其中每只雙向晶閘管中的兩個單向晶閘管觸發(fā)次序相差180。晶閘管觸發(fā)需滿足兩個條件：有觸發(fā)脈沖、端電壓為正?？刂破鹘?jīng)過分析計算，產(chǎn)生一個觸發(fā)控制信號，經(jīng)觸發(fā)電路，產(chǎn)生足夠強度的脈沖去驅(qū)

52、動晶閘管。由于晶閘管交流調(diào)壓控制電路中的六只單向晶閘管觸發(fā)脈沖依次相差60，所以，晶閘管能否按照預定的次序?qū)?，這是調(diào)壓能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。同步信號的提取與觸發(fā)形式的選擇，是軟起動裝置能夠可靠、穩(wěn)定運行的技術(shù)關(guān)鍵。這兩個問題解決不好，軟起動裝置就不能實現(xiàn)晶閘管觸發(fā)器的準確控制，更不能實現(xiàn)交流電動機的軟起動。4.4.1 三相同步信號采集由于本系統(tǒng)是通過晶閘管的相控調(diào)壓來實現(xiàn)電動機的軟起動，故必須對供電電源進行同步檢測，并由此確定晶閘管的觸發(fā)順序和觸發(fā)角的大小。在整個控制系統(tǒng)中，晶閘管觸發(fā)器的同步信號的提取，首先通過同步變壓器提取出三相動力電源中三相的相位，這樣產(chǎn)生的三相觸發(fā)同步信號穩(wěn)定，準確的與電網(wǎng)保持一致，保證晶閘管觸發(fā)的可靠進行。使用三相同步變壓器獲得三相同步信號，是一種傳統(tǒng)的方法。經(jīng)過實驗和運行驗證，這種方法有其弱點，即當起動或運行過程中出現(xiàn)斷相故障時，經(jīng)三相同步變壓器取得的同步信號相位將發(fā)生變化。如果沒有及時的封鎖晶閘管的觸發(fā)脈沖，將出現(xiàn)錯誤觸發(fā)，使電動機繞組內(nèi)出現(xiàn)直流，從而造成生產(chǎn)機械系統(tǒng)的損壞。在CPU的軟件設計中應當就這一現(xiàn)象提出保護，但實踐證明用，軟件保護的方法也可以有效的避免錯誤觸發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生。圖4-5 三相電壓同步信號采集Fig.4-5 The synchronous sig