交流笼型电动机软起动技术及应用手册1

1交流笼式电动机软起动技术及应用手册TECHSCAPE天津天传电子有限公司2交流笼型电动机软起动技术及应用手册前言天津天传电子有限公司是全国生产交流电动机软起动器的著名企业。该产品于一九九六年通过国家机械工业部鉴定，鉴定专家认为：“该产品达到了国外同类产品的先进水平。经查新，在国内处领先地位，填补了大功率（315Kw）软起动器空白。”天传电子公司的JR1系列软起动器产品已经在石油、天然气、化工、建材、农业排灌、市政、矿山、造纸、钢铁、有色冶炼、环保、建筑电器等领域应用，获用户认可。并在全国六大区的十余个地区建有市场销售与技术服务办事机构，还与许多电机、配电、主机企业建立了合作生产软起动柜的协作关系。为更好的做好为用户、各代理机构的技术支持、服务和交流，特组织国家有关专家编写一本“交流笼型电动机软起动技术及应用手册”，重点介绍软起动技术基础及其工程应用，以及软起动柜的设计。供在了解天传电子公司产品、应用天传电子公司产品中参考。如有不妥，请指正。天津天传电子有限公司2004年3月3目录第一章交流笼型电动机软起动控制技术基础1.1交流笼型电动机的机械特性1.1.1交流电动机的机械特性1.1.2电动机和生产机械的复合特性1.2交流笼型电动机的各种起动方式1.2.1交流笼型电动机全压起动1.2.2交流笼型电动机星—角起动1.2.3交流笼型电动机自耦减压起动1.2.4交流笼型电动机软起动1.2.5交流笼型电动机各种起动方式比较1.3交流笼型电动软起动的特点1.3.1交流笼型电动机软起动的各种控制方式1.3.2交流笼型电动机软起动及节能运行1.3.3交流笼型电动机软起动变转矩控制问题第二章交流笼型电动机软起动应用技术基础2.1按负载转矩与转速的关系M=f(n)特性确定控制方式2.1.1Mαn22.1.2Mαn2.1.3Mα1/n2.1.4M=常量2.2按不同的工业设备工艺要求确定控制方式42.2.1泵控制及缓停车2.2.2风机控制及带载起动2.2.3磨木机、挤胶机和大静摩擦转矩2.2.4自动生产线2.2.5液体灌装2.2.6空气压缩机及间隙负载2.2.7各类机床2.2.8小电网下电动机软起动2.2.9印染机械第三章交流笼型电动机软起动设备的工程应用3.1交流电动机软起动参数计算基础3.1.1交流电动机转矩—速度平衡方程3.1.2加速、减速时间的确定3.1.3惯性转矩GD23.2采用软起动时基本参数工程整定3.2.1斜坡电压起始值3.2.2斜坡时间TR3.2.3起动电流限制值3.2.4脉冲持续时间TL3.3各类负载选用软起动工程参数整定推荐表3.3.1负载类型3.3.2负载转矩基本数据53.3.3起始电压、起始电流、起始时间的推荐3.3.4负载工艺特点及控制要点第四章交流笼型电动机软起动电路方案4.1交流笼型电动机软起动单电机主电路方案4.1.1接触器—熔断器方案4.1.2断路器—接触器电路4.1.3通过软起动器实现对电动机的制动4.1.4带旁路接触器电路4.1.5带旁路接触器两个旋转方向运行电路4.1.6软起动线路中保护、协调与配合4.2交流软起动多电机主电路方案4.2.1多个电机按序起动4.2.2多台电机的并联起动4.2.3变极电机软起动4.2.4电动机软起动与变频调速装置并接工作4.2.5带有—无功补偿电机的软起动第五章交流笼型电动机软起动柜设计5.1软起动柜设计依据的标准要求5.2结构设计5.2.1结构设计共性要求5.2.2户外柜型设计5.3软起动柜的空气调节和热设计65.3.1柜壳表面散热工程设计5.3.2设计举例5.4软起动柜的电磁兼容（EMC）设计5.4.1关于EMC的要求5.4.2依照EMC导则进行传动系统设计5.5软起动柜母线及电缆选用7第一章交流笼型电动机软起动控制技术基础1.1交流笼型电动机的机械特性1.1.1交流电动机的机械特性在使用或讨论交流笼型电动机拖动生产机械起动、运行等工作情况时，首先要查明电动机的机械性质和生产机械的特性相适应的情况。然而电动机起动、制动、停止的过程中的工作情况和电动机转矩变化的特性及机械的阻转矩有关，也和转速有关。因此，为能正确设计选用电气传动产品并得到经济、可靠运行，就有必要知道这些特性。交流电动机的机械特性：交流电动机的转速和转矩的关系n=f（M）作电动机的机械特性，如图1-1所示。其中：图1-1交流电机机械特性MK—电动机临界（最大）转矩MA—电动机堵转转矩nO—电动机同步转速SK—电动机临界转差率S—电动机转差率(S=1)(S=0)n0MAMKM0SnSk8下面我们给出对应图1-1电动机机械特性的电动机等值电路和它们的几种数学表达式。这些表达式与相应的机械特性将是我们本手册讨论的电动机起动、运行、制动、停止的技术基础。图中U—定子相电压；I1—定子相电流；I2—转子电流折算值；IO—空载电流；EO—同步转速时电动机电势；X1，X2—一次二次电抗折算值；r1，r2—一次二次电阻折算值。这时有下列用电路基本参数表达的电动机转矩M：3U2r2（1-1）U（1-2）由图1-1可看出电动机特性大致可分成两段，一段为S=1到S=SK这是一类似双曲线段，＇＇＇M=’WC[(r1+C)2+(x1+Cx2)2]Sr2’S’I2=’√(r1+C)2+(x1+Cx2)2r2＇S’CX1CR1C2X2'I1UZ0+Z1..,I2C，SC2r2,图1-2电动机等值电路9这段是特征曲线的非工作部分，实际上是电动机的起动状态段和制动状态段，是一不稳定工作段。另一段是S＜SK到S=O的那一段，它是电动机的工作部分，通常根据负载确定的某一工作点正是在这段线段中，只要系统不出现问题，则本段是电动机稳定工作段。此处还应说明的是图1-1的曲线是在电机定子直接至电网条件下给出的一条唯一特性，也称电机的固有特性。当然，当改变定子电压（一般设比定子额定电压小）时，其特性曲线将改变，如图1-3所示。这一曲线称之为电动机定子电压变化后的机械特性曲线。图1-3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。第三个要讨论的问题是电动机起动电流。在图1-4中绘出电动机的电流与转速关系曲图1-4电动机的n=f(I)特性线n=f（I），为说明问题，同时将电机固有特性绘于同一图中。UH-电机定子额电压U1，U2-调压后的定子电压S(n)n00M固有特性U=UHU1UHU2U1UHMKHMK1MK2n00MMHMAIIMIHMKnIn10由图看出电动机起动转矩小，大约为电机额定转矩的1～2.0倍。还可看出电动机的起动电流较高是额定电流的5～7倍。两者的不协调，表明起动时电动机功率因数很低。这是因为起动时电能的消耗集中在建立电机原磁场方面。1.1.2电动机和生产机械的复合特性如1.1.1节开始说明的那样,电动机拖动生产机械运行的优劣,要查明电动机的机械性质和生产机械的特性相适应的情况。为此，有必要将电动机特性和生产机械特性绘于一个座标平面内。这种表达方式即称之为电动机和生产机械的复合特性。图1-5绘出典型交流电动机与负载转矩—速度关系。图中，ML—负载转矩MLO—t=0时的负载转矩MB—电机加速转矩MA—电机固有特性的起动转矩（堵转转矩）MN—电机额定转矩由图1-5看出：a、电动机与负载的合理匹配，需要MA＞MN时电动机方能获得足够的起动转矩，使生产机械投入运行。MKMMMBMLMAMNMLOMSnSnKnNnNHSYM0图1-5典型交流电动机与负载转矩-速度关系11b、负载曲线与电机固有特性的交汇点“N”是传动系统的稳定工作点。从曲线MA点到MN即是电动机由静止不动到稳定工作的起动过程。（如曲线旁的箭头所示）c、在起动过程中的任何点的MB=M—ML，即为这一时刻的电机提供给负载的加速转矩，负载在电机的作用下逐步加速并达到稳定工作。1.2交流笼型电动机的各种起动方式1.2.1交流笼型电动机全压起动将电动机的定子直接入电网，电机定子可获得电网的全电压，称之电动机的全压起动，全压起动的特点：a、高起动电流；b、高起动转矩；c、最短起动时间；d、只能直接起停电动机；e、起动装置价格便宜；图1-6列出分别在轻载、重载、平方转矩负载条件下，转矩与速度的关系和电流与速度关系。图1-6直接起动转矩、电流0.250.50.751367N/NHI/IH0重载轻载M/MH0.50.250.75121.5ML0121.2.2交流笼型电动机星—角起动此时交流电动机的定子相绕组是分别被引出到电机接线板上（共六个接线端子），电机的工作状态取决于定子相绕组的接法，即是说相绕组的工作电压是线电压还是相电压，即所谓的三角或星接法。利用电机当工作在相电压下，其转矩降低同时，电机电流下降较多的特点，将电机定子通过星—角转换面先接成星形，然后再接到电源的起动方式，称之电机星—角起动，其特点是：a、低起动电流（不能调节）；b、低起动转矩；c、长起动时间；d、只能直接停止电机运行；e、星—角切换产生电流和转矩的尖脉冲冲击；图1-7列出分别在轻载、重载、平方负载转矩条件下，转矩与速度关系和电流与速度关系。1.2.3交流笼型电动机自藕减压起动将电动机的定子通过可有级调整电压的自藕变压器接至电网的降压起动方式称之为电动机自藕减压起动。自藕减压起动的特点是：0.250.50.751236N/NHI/IH0.250.50.7510.51.53N/NHI/IH图1-713a、需加一台有抽头可调起动电压和电流的自藕变压器；b、起动时间长；c、在电压转换瞬间有尖峰电流和尖峰转矩；d、只能直接停止电机运行；图1-8列出分别在轻载、重载、平方转矩负载条件下，转矩与速度关系和电流与速度关系。图1-8自藕减压起动转矩、电流1.2.4交流笼型电动机软起动对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或从额定转速缓慢停止的过程。而通常将实现上述功能的电力电子装置称之为软起动器，而将软起动器及其为运行而配置的其他多个低压电器、测量、传感、调节或多台电机控制、起动的协调（如PLC）部分等装于一个有防护的外壳中，则称之为电动机软起动装置（柜）。电动机软起动有如下特点：a、可调起动电流；b、可调起动转矩；I/IH0.250.50.751236N/NH0.51N/NH0.250.750.51.53I/IH14c、可适当调节起动时间；d、可实现软停车；e、对机械设备和管道的磨损最小；f、可实现一台软起动设备逐步（同时）起动若干台电动机；图1-9列出软起动时的转矩与速度关系和电流与速度关系。图1-9软起动的转矩、电流1.2.5交流笼型电动机各种起动方式比较本章介绍了各类电动机的起动方式，并且分别说明了它们的特点。这里再以主要电气性能，以量化的数据进行一番对比，以其做个小结，并有一比较后的基本结论，那就是软起动方式是现代电气传动的最优方式，期望这一世界性的工业基础装备尽快在我国得到普及。各种起动方式基本性能对比表起动方式电气性能全压起动星—角起动电阻调节自藕变压器软起动堵转转矩1.5～2.8MH0.5～0.9MH0.5～0.75MH0.4～0.85MH0.06～2.8MH起动电流4～8IH1.8～2.5IH1.5～6IH1.6～4IH1.5～6IH需要的接线端子数3个最小6个3个3个3个0.250.50.751MSIS1ISMS10.250.50.7510.85UUN/NHML0.60UM15典型起动方式电压、电流转矩对比表起动方式电动机端电压%电机起动电流%电机起动转矩%电动机线电流%堵转转子电流全负载电流堵转转子电流全负载电流堵转转子电流全负载电流全压起动100100600100180100600自耦变压器起动分别给出三种（80%、65%、50%）抽头电压的对比参数80%65%50%8080480641156448065653904276423905050300254525300星—角起动10033198336065390软起动0～1000～1000