電機控制技術(shù)chap9--電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用課件

1、第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用9.1 電機起動技術(shù)與裝置9.1.1 電機起動技術(shù)原理（1）起動電流Ist 對于普通鼠籠式異步電動機，起動電流很大，即： KI通常為額定電流的57，甚至達(dá)到812。 一般來說，由于起動時間很短，對于短時間過大的電流，異步電動機本身是可以承受的，但卻造成不良影響：第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 1）對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，引起電網(wǎng)電壓降低。電動機容量越大，產(chǎn)生的影響越大。 電網(wǎng)電壓的降低，可能達(dá)到15%以上，不僅造成被起動的電動機本身的起動轉(zhuǎn)矩減小，甚至無法起動，且影響到其他用電設(shè)備的正常運行，如，電燈不亮、接觸器釋放、數(shù)控設(shè)備出現(xiàn)異常、帶重載運行的電動機停轉(zhuǎn)等，引起變電所

2、欠壓保護動作，造成停電事故。 2）對于頻繁起動的電動機，會造成電動機過熱，影響其使用壽命。 3）電動機繞組（特別是端部）受到大的電動力作用發(fā)生變形。 因此，較大容量的異步電動機是不允許直接起動的第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（2）起動轉(zhuǎn)矩 普通鼠籠式異步電動機，起動轉(zhuǎn)矩 的倍數(shù)KT =Tst/TN，KT通常為12 1）起動時轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角 最大， 最低，為0.3左右，轉(zhuǎn)子電流有功分量 不太大； 2）由于起動電流很大，定子繞組漏阻抗壓降增大，使定子電勢減小，因此，主磁通 也減少，起動時的 是額定值時的一半。 可見，異步電動機起動轉(zhuǎn)矩不大，必須采取措施，如通過選擇起動方法以改善異步電

3、動機的起動性能。第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（3）起動方法 1）傳統(tǒng)起動方法 星/角起動（Y起動） 自耦變壓器起動 串聯(lián)電抗器起動 延邊三角形起動等第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（3）起動方法 特點： 控制線路簡單，能夠減小起動電流 但是，起動轉(zhuǎn)矩也同時減小，且在切換瞬間產(chǎn)生二次沖擊電流 產(chǎn)生破壞性的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，引起的機械振動對電動機轉(zhuǎn)子、軸連接器、中間齒輪動態(tài)轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載等非常有害第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 2）軟起動器 起源于20世紀(jì)50年代，并于70年代末到80年代初投入市場 采用調(diào)壓裝置在規(guī)定起動時間內(nèi)，自動地將起動電壓連續(xù)、平滑地上升，直到額定電壓第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用

4、軟起動器的限流特性: 可有效限制浪涌電流，避免不必要的沖擊力矩以及對配電網(wǎng)絡(luò)的電流沖擊 有效地減少線路刀閘和接觸器的誤觸發(fā)動作 針對頻繁起停的電動機，可有效控制其溫升并延長使用壽命第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 目前國內(nèi)采用軟起動器的用戶迅速增加，由于進口軟起動器成本高（200-250元/kW，國產(chǎn)產(chǎn)品為100元/kW左右），運行時一旦出現(xiàn)故障，維修不方便 晶閘管軟起動產(chǎn)品存在缺點， 如：高壓產(chǎn)品價格太高，是液阻的510倍，晶閘管引起的高次諧波較嚴(yán)重，對于繞線轉(zhuǎn)子異步電機不適用。 鼠籠型電動機幾種起動方式的比較見表9-1，可見采用軟起動器起動方案的優(yōu)點。第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用表9-1

5、鼠籠型電動機幾種起動方式比較第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用圖 HPMVDN中高壓兆瓦級固態(tài)軟起動裝置 第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（1）軟起動方式 1）起動方式 全壓起動-控制器如同固態(tài)接觸器一樣工作，電機受到全額沖擊電流、達(dá)到堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 標(biāo)準(zhǔn)軟起動 帶突跳起動的軟起動-針對快速起動時，提供一個附加的脈沖轉(zhuǎn)矩，以克服摩擦負(fù)載所產(chǎn)生的靜摩擦阻力 雙斜坡起動 限流起動-適合應(yīng)用于要求限制電機在加速期間電流沖擊的場所 一拖多等起動方式第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 2）軟起動器與變頻器有區(qū)別 兩種完全不同用途的產(chǎn)品 變頻器： 用于需要調(diào)速的地方，其輸出改變電壓和頻率 具備所有軟起動器功能，但其價格比

6、軟起動器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多 軟起動器： 實際上是個調(diào)壓器，用于電機起動， 此時其輸出只改變電壓并沒有改變頻率第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 3）有的軟起動器裝有旁路接觸器 大多數(shù)軟起動器在晶閘管兩側(cè)有旁路接觸器觸頭 特點：在電機運行時可以避免軟起動器產(chǎn)生的諧波 軟起動的晶閘管僅在起動、停車時工作，可以避免長期運行使晶閘管發(fā)熱，延長了使用壽命 一旦軟起動器發(fā)生故障，可由旁路接觸器作為應(yīng)急備用第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（2）軟起動器基本功能 1）起動電壓在35%-65%（甚至20%-95%）額定電壓間可調(diào)，相應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩為10%36%（或4%90%）的直接起動轉(zhuǎn)矩。 2）脈沖突跳起動方式，

7、針對某些負(fù)載，如皮帶輸送機和攪拌機等，靜阻力矩比較大，必須施加一個短時的大起動力矩，以克服大的靜摩擦力。軟起動器設(shè)置脈沖突跳起動功能，可以短時輸出最大達(dá)95%的額定電壓（相當(dāng)于90直接起動轉(zhuǎn)矩），可調(diào)時間為O400ms第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（2）軟起動器基本功能 3)加速斜坡控制，電機開始轉(zhuǎn)動后，電機電壓線性增大，加速時間可在一定范圍內(nèi)（如l999s）調(diào)節(jié)，還提供電流限幅（如200一500電機額定電流可調(diào)）的起動加速方式，使電動機線性加速到額定轉(zhuǎn)速第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用如圖所示，具有多條起動/停止曲線選擇而不是單純的電壓斜坡起動/停止或限流起動圖 多條起動/停止曲線選擇方式第9

8、章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用4）4種運行模式： 跨越運行模式 接觸器旁路工作模式 節(jié)能運行模式 調(diào)壓調(diào)速模式第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 跨越運行模式:晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)，電動機工作于全壓方式，電壓諧波分量可以完全忽略，這種方式常用于短時重復(fù)工作的電動機； 接觸器旁路工作模式:在電動機達(dá)到滿速運行時，用旁路接觸器來取代已完成起動任務(wù)的軟起動器，這樣可以降低晶閘管的熱損耗，提高系統(tǒng)的效率。在這種工作模式下，有可能用一臺軟起動器去起動多臺電動機第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 節(jié)能運行模式:當(dāng)電動機負(fù)荷較輕時，軟起動器自動降低加在電動機定子上的電壓，減小了電機電流勵磁分量，從而提高了電動機的功率因

9、數(shù)； 調(diào)壓調(diào)速模式:采用晶閘管調(diào)壓，可作調(diào)壓調(diào)速運行，由于電動機轉(zhuǎn)子內(nèi)阻很小，要得到大范圍調(diào)速，就需在電動機轉(zhuǎn)子中串入適當(dāng)?shù)碾娮璧?章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用5）多種停機方式： 自由停車，直接切斷電源，電機自由停車； 軟停機，在有些場合，并不希望電動機突然停止，如皮帶運輸機、升降機等，采用軟停機方式，在接收停機信號后，電動機端電壓逐漸減小，轉(zhuǎn)速下降斜坡時間可調(diào)（如l999s）； 泵停機或非線性軟制動，適用于慣性力矩較小的泵的驅(qū)動，通過將離心泵的特性曲線事先存儲在設(shè)備中，使得軟起動器在電機起動和停止過程中，實時檢測電機的負(fù)載電流，并可根據(jù)泵的負(fù)載狀況及速度調(diào)節(jié)其輸出電壓，使軟起動器的輸出轉(zhuǎn)矩特性

10、與泵的特性曲線最佳配合，從而消除“水錘效應(yīng)”； 直流制動，通過向電動機輸人直流電流，加快制動，制動時間可在O99s間選擇，適合應(yīng)用于慣性力矩大的負(fù)載或需快速停機的場合第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（3）軟起動器的特點 1）電力半導(dǎo)體開關(guān)是無電弧開關(guān)，無級調(diào)節(jié)電流，連續(xù)穩(wěn)定調(diào)節(jié)電機的起動，而傳統(tǒng)起動的調(diào)節(jié)是分檔的，屬于有級調(diào)節(jié)范疇； 2）無沖擊電流。軟起動器在起動電機時，是通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，從而使起動電流以一定的斜率上升至設(shè)定值，控制電機起動電流在設(shè)定值內(nèi)，沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流小，可以控制轉(zhuǎn)矩平滑上升，保護傳動機械、設(shè)備和人員，對電網(wǎng)無沖擊； 3）恒流起動。起動過程中引入電流負(fù)反饋，起動電

11、流上升至設(shè)定值后，使電機起動平穩(wěn)；根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護特性選擇，可自由地?zé)o級調(diào)整至最佳起動電流，節(jié)省電能；第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 4）采用微機控制，可在起動前對主回路進行故障診斷，且數(shù)字化的控制具有較穩(wěn)定的靜態(tài)特性，不易受溫度、電源電壓及時間變化等因素的影響，提高了系統(tǒng)的可靠性，有助于系統(tǒng)維護； 5）軟起動器還能實現(xiàn)直接計算機通訊控制，為自動化控制奠定良好基礎(chǔ)； 6）減少起動轉(zhuǎn)矩沖擊，可以提供平滑、無級電機加速，從而使齒輪、聯(lián)軸結(jié)和皮帶的磨損減少到最低程度； 7）不受電網(wǎng)電壓波動的影響。由于軟起動以電流為設(shè)定值，電網(wǎng)電壓上下波動時，通過增減晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)電機的端電壓，仍可維

12、持起動電流恒值，保證電機正常起動； 8)可平滑調(diào)節(jié)。針對不同負(fù)載對電機的要求，可以無級調(diào)整起動電流設(shè)定值，改變電機起動時間，實現(xiàn)最佳起動時間控制； 9)可實現(xiàn)軟停車第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（4）軟起動器發(fā)展方向 1）采用集成移相調(diào)控晶閘管模塊，將復(fù)雜的移相控制電路與晶閘管管芯集成為一體，組成一個完整的電力移相調(diào)控開環(huán)系統(tǒng)； 2）采用離散頻率控制法提高起動轉(zhuǎn)矩，即可以像變頻器一樣實現(xiàn)變頻起動，使電動機低速起動、起動電流小、起動轉(zhuǎn)矩大，在滿負(fù)荷的情況下實現(xiàn)軟起動； 3）向中高壓、大功率電動機固態(tài)軟起動方向發(fā)展； 4）軟起動器向智能化方向發(fā)展。第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用3電機固態(tài)軟起動基本

13、原理與特點（1）固態(tài)軟起動器集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體，主要由串聯(lián)于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路構(gòu)成，通過參數(shù)設(shè)定，CPU控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而控制軟起動器的輸出電壓和電流，在解決實際生產(chǎn)中遇到困難的同時，還能夠保護電動機及其負(fù)載，延長維護周期，提高生產(chǎn)效率，具有體積小、效率高、免維護等特點。據(jù)報道，我國高壓電機軟起動器每年的市場容量在10億元人民幣以上，市場前景十分可觀。全國總電機功率的50%-70%未使用任何起動產(chǎn)品直接并網(wǎng)運行，其中，就控制容量而言，高壓電機軟起動裝置在整個行業(yè)可占30%的份額，將來有可能達(dá)到50%第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

14、與應(yīng)用（2）電機固態(tài)軟起動方式 電動機固態(tài)軟起動方式主要分為變頻軟起動、降壓軟起動兩大類，其特點為： 1）變頻軟起動，采用高壓變頻器起動高壓電動機具有良好的靜、動態(tài)起動性能，如起動電流?。上拗圃?.5倍電動機額定電流以下）、基本無諧波、對電機無沖擊，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)電動機額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍，且在此范圍內(nèi)可隨意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動，但價格卻是降壓軟起動的數(shù)倍，現(xiàn)階段在不需要調(diào)速的場合應(yīng)用量很小，主要應(yīng)用在降壓軟起動無法完成的特定場合第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 2）降壓軟起動，也叫做限流軟起動，在電動機定子回路，通過串入有限流作用的電力器件實現(xiàn)降壓或限流軟起動，包括星/角變換軟起動、自耦變壓器軟

15、起動、電抗器軟起動等有級調(diào)節(jié)方式，以及液體電阻軟起動、熱變液阻軟起動、開關(guān)變壓器式軟起動、晶閘管軟起動、電抗器軟起動和磁控軟起動等無級調(diào)節(jié)方式 有級調(diào)節(jié)方式，起動器產(chǎn)品不易損壞、故障率低，缺點是分級切換，阻值呈跳躍性變化，起動不平穩(wěn)，軟起動控制效果差、無法徹底解決起動過程中電氣及機械沖擊問題，起動特性不理想，切除時造成的二次沖擊電流無法解決，不能實現(xiàn)頻繁起動。此外，采用頻敏變阻器作起動設(shè)備時，其起動電流仍較大(為34倍電動機額定電流)，電壓稍低即難起動，同時，頻敏變阻器發(fā)熱嚴(yán)重，易燒毀，不能連續(xù)起動，起動電流不平滑，對電動機有一定沖擊作用。 無級調(diào)節(jié)方式，軟起動器控制精確、有效，實現(xiàn)恒電流起動

16、、線性電壓斜坡起動等，解決了起動過程中的電氣及機械沖擊問題，缺點是故障率高，設(shè)備的安裝環(huán)境、操作維護要求都較高，價格較貴(約為高壓變頻器的60%左右)，且一旦軟起動產(chǎn)品出現(xiàn)故障電機就會直接起動，例如，高壓固態(tài)軟起動器的每一相導(dǎo)電支路均由多個晶閘管串聯(lián)而成，每只晶閘管的失效均會威脅整個裝置的正常運行第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用 起動方式技術(shù)性能電抗器液阻晶閘管磁控軟起動基本性能一級降壓軟起動，無法實現(xiàn)恒流軟起動，負(fù)載適應(yīng)性差，易損壞電極板移動實現(xiàn)無級降壓軟起動，調(diào)節(jié)快速性差，開環(huán)控制，一定的維護工作量用微電子通過晶閘管實現(xiàn)軟起動，調(diào)節(jié)快速性好，是ms級的，閉環(huán)控制，起動方式的菜單化磁控實現(xiàn)軟起

17、動，調(diào)節(jié)快速性較好，閉環(huán)控制，有一定的維護工作量是否易于實現(xiàn)軟停止不能難易較易電動機綜合保護功能無具有初級功能完善具有初級功能高次諧波較小小小較大價格比0.40.612512體積比0.20.410.10.40.8噪音中小小較大起動完成電流二次沖擊較大小無小可否串在電機轉(zhuǎn)子繞組不可以可以不可以不可以維護工作量小較大小小起動完成后是否被旁路是是是是對環(huán)境溫度的要求較低較高低較低惡劣環(huán)境的耐受力較強較弱強較強表9-2 高壓電機降壓軟起動方式比較（ 第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用9.2 電機變頻技術(shù)與裝置9.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)原理 n=60f(1-s)/p （9-11）式中：n-電機同步轉(zhuǎn)速 f-電

18、源頻率 p-電機的極對數(shù) s-轉(zhuǎn)差率 可見，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比 因此，通過改變電源頻率就能改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載即不管轉(zhuǎn)速如何變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是恒定的，即： P=KTn （9-12）式中：K-系數(shù) P-軸功率 T-負(fù)載轉(zhuǎn)矩 n-轉(zhuǎn)速 從式（9-12）可見，軸功率與電機的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)由于工藝的需要而調(diào)整電機速度時，自然可以達(dá)到相應(yīng)比例節(jié)電的目的。（2）變轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用-離心風(fēng)機、泵類是屬于典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載 工作特點：大多數(shù)是長期連續(xù)運行，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以一旦轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，就會造成電機的嚴(yán)

19、重過載，因此風(fēng)機、泵類一般不超過額定頻率運行。第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用1高壓變頻器產(chǎn)品3類型（1）兩電平電流源型高壓變頻器-高-高電流源型高壓變頻器結(jié)構(gòu).最高輸出電壓6.6kV，未見10kV產(chǎn)品。輸入側(cè)有隔離變壓器，以防止共模電壓、降低諧波；晶閘管多脈沖可控整流；直流環(huán)節(jié)采用電感儲能；逆變側(cè)用SGCT開關(guān)器件，實現(xiàn)電流的PWM控制（設(shè)置濾波器）；采用多個器件串聯(lián)方式以提高耐壓水平。第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（2）三電平電壓源型高壓變頻器-未見10kV產(chǎn)品輸入側(cè)采用12脈沖整流、兩個三相全橋串聯(lián)；直流環(huán)節(jié)采用電容儲能；逆變側(cè)由高壓IGBT或IGCT組成三電平電路，中心點用二極管鉗位。第

20、9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用（3）功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器輸入側(cè)降壓變壓器采用移相方式，有效消除對電網(wǎng)的諧波污染；輸出側(cè)采用多個低壓功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，由于采用多電平正弦PWM技術(shù)使其適合應(yīng)用于任何電壓的普通電機。第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用項 目西門子（羅賓康）ABB利德華福廣州智光最高電壓等級/kV661010空冷最大功率/kW5000200056003150輸入諧波很低較高很低很低控制器ISA總線工控機DSP2000系列DSP2000系列DSP控制算法矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制變壓變頻控制變壓變頻控制功率器件IGBTIGCTIGBTIGBT材料成本較高很高較低較低國內(nèi)中小型容量高壓

21、變頻器市場價格為800元/kW，大容量高壓變頻器市場進口品牌價格為1200-1500元/kW、國產(chǎn)品牌價格為900-1200元/kW。表9-5 主要高壓變頻器廠商產(chǎn)品技術(shù)特點第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用9.4 高效電機與節(jié)能9.4.1 電機系統(tǒng)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)1電機系統(tǒng)節(jié)能涉及對象 圖9.26 電機系統(tǒng)節(jié)能涉及對象 第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用2電機系統(tǒng)節(jié)能措施電機系統(tǒng)節(jié)能涉及多學(xué)科、多專業(yè)、多領(lǐng)域，不同工況、不同負(fù)載特性、不同工藝過程、不同應(yīng)用場所所采用的節(jié)能措施是不同的。綜合起來主要考慮表9-6所列技術(shù)措施。節(jié)能措施節(jié)能效果（%）備注系統(tǒng)安裝或更新高效電機281.具體采取的節(jié)能措施可以是一種或多種的組合；2.典型節(jié)能數(shù)據(jù)引用于有關(guān)文獻正確選型、負(fù)載匹配節(jié)能量較大調(diào)速驅(qū)動1050高效機械傳動/減速器210電能質(zhì)量控制0.53高效終端設(shè)備（如泵、風(fēng)機、壓縮機等）節(jié)能量較大高效管網(wǎng)節(jié)能量較大系統(tǒng)操作與維護潤滑、校正、調(diào)整15第9章電機及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用3電動機系統(tǒng)節(jié)能工程（1)更新淘汰低效電動機及高耗電設(shè)備：推廣高效節(jié)能電動機、稀土永磁電動機，高效風(fēng)機、泵、壓縮機，高效傳動系統(tǒng)等。更新淘汰低效電動機及高耗電設(shè)備；采用高效節(jié)能電機及系統(tǒng)相關(guān)節(jié)電設(shè)備新裝電機系統(tǒng)。逐步限制并禁止落后低效產(chǎn)品的生產(chǎn)、銷售和使用。對老舊設(shè)備更新改造，重點是高耗電中小型電機及風(fēng)機、泵類