【文章內(nèi)容簡介】 空載啟動時，所需啟動轉(zhuǎn)矩較低，可使斜坡緩和一些。由于在啟動過程中，控制目標為電動機轉(zhuǎn)矩，即電動機的加速度，既使電網(wǎng)電壓發(fā)生波動或負載發(fā)生波動，通過控制電路自動通過增大或減小啟動器的輸出電壓，也可以維持轉(zhuǎn)矩設定值不變，保持啟動的恒加速度。此種控制方式可以使電動機以最佳的啟動加速度、以最快的時間完成平穩(wěn)的啟動，是應用最多的啟動方式。 隨著軟啟動器控制技術(shù)的發(fā)展，目前它大多采用轉(zhuǎn)矩控制 方式，也有采用電 流控制方式，即電流斜坡控制 及恒流升壓啟動方式。 此種方式間接控制電動機電流來達到控制轉(zhuǎn)矩目的，與轉(zhuǎn)矩控制方式相比啟動效果略差，但控制相對簡單。 圖 圖 ） 8 (3)電壓提升脈沖啟動方式 電壓提升脈沖啟動特性曲線如圖 所示。此種啟動方式一般可設定電壓提升脈沖限幅 U 1L 。升壓脈沖寬度一般為 5 個電源周波，即 100ms。在啟動開始階段，晶閘管在極短時間內(nèi)按設定升壓幅值啟動，可得到較大的啟動轉(zhuǎn)矩，此階段結(jié)束后 ，轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)矩控制及啟動電流限制啟動。該啟動方法適用于重載并需克服較大靜摩擦的啟動場合。 (4)轉(zhuǎn)矩控制軟停車方式 當電動機需要停車時，立即切斷電動機電源，屬自由停車。傳統(tǒng)的控制方式大都采用這種方法。但許多應用場合，不允許電動機瞬間停機。如高層建筑、樓宇的水泵系統(tǒng)，要求電動機逐漸停機，采用軟啟動器可滿足這一要求。 軟停車方式通過調(diào)節(jié)軟啟動器的輸出電壓逐漸降低而切斷電源，這一過程時間較長且一般大于自由停車時間，故稱為軟停車方式。轉(zhuǎn)矩控制軟停車方式，是在停車過程中，勻速調(diào)整電動機轉(zhuǎn)矩的下降速率，實現(xiàn)平滑減速。如圖 所示為轉(zhuǎn)矩控制軟停車特性曲線。減速時間 t1 一般是可設定的。 圖 電壓提升脈沖啟動方式 圖 轉(zhuǎn)矩控制軟停車方式 (5)制動停車方式 當電動機需要快速停機時，軟啟動器具有能耗制動功能。在實施能耗制動時，軟啟動器向電動機定子繞組通人直流電，由于軟啟動器是通過晶閘管對電動機供電，因此很容易通過改變晶閘管的控制方式而得到直流電。如圖 ，一般可設定制動電流加入的幅值 I1L 和時間 t1 ， 但制動開始到停車時間不能設定，時間長短與制動電流有關，應根據(jù)實 際應用情況，調(diào)節(jié)加入的制動電流幅值和時間來調(diào)節(jié)制動時間。 ） 9 圖 水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的分析說明 水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)因其控制性能穩(wěn)定、可靠性能強，節(jié)能效果好等特點，被廣泛地應用于高層建筑、安全消防、污水處理、工廠和電廠水泵房中。水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)需求水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行狀況，在需求水量發(fā)生變化時保持水管內(nèi)部的壓力恒定以 滿足用戶的要求，是今天比較先進、科學合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實踐運用中如何充分合理地利用專業(yè)應用的變頻器所含有的各種功能，對合理設計變頻調(diào)速系統(tǒng)、降低投資成本、保證技術(shù)質(zhì)量等方面有著重大意義。變頻調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的恒壓供水方式與曾經(jīng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投入量和運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、快速性等方面都擁有無可比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正朝著強的可靠性、全能的數(shù)字化、高的集成度等方向發(fā)展。水泵變頻調(diào)速系統(tǒng) 能適用生活用水、工業(yè)用水以及消防用水 等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點 : (1)系統(tǒng)的控制對象是管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其它一些過程控制量(如：溫度、流量、液位等 )一樣，對控制作用的響應具有延遲性。同時用于電機速度控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 (2)管網(wǎng)中因為有管道內(nèi)部的摩擦阻力、水錘效應等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵電機旋轉(zhuǎn)速度的變化與管道內(nèi)水壓的變化成正的比例關系，所以水泵變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。 (3)水泵 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有廣泛的通用性，然而面向種類繁多的供水系統(tǒng)，不同的供 水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面又存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。 (4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有工頻泵的加入減少，而工頻泵的控制 (包括工頻泵的停止和運行 )是時時發(fā)生的，同時工頻泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)，使其） 10 不確定性增加。因此我們可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是具有變化性的。 (5)當意外的情況 (如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等 )出現(xiàn)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及管網(wǎng)壓力等工況自動進行切換，保證管道內(nèi)部壓力恒定。在出現(xiàn)故障時， 執(zhí)行故障處理應用，保證在緊急的情況下仍然可以供水。 (6)水泵的電氣控制柜上設有每臺供水泵的啟動、停止按鈕及設備運行狀態(tài) 指示燈顯示功能。控制柜應留有信號接口，能夠把每臺電機的運行信號、過載信號、運行電流、變頻器頻率、主管網(wǎng)壓力返回控制室。壓力設定由控制柜上的壓力設定電位器完成。 (7)使用變壓變頻設備和軟啟動裝置進行調(diào)速，用變頻泵和工頻泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大的轉(zhuǎn)動慣量的沖擊，延長了設備的使 用壽命。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有含 PID控制器的變頻器、軟啟動器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng) ，其系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)框圖如圖 。 本設計中 兩個系統(tǒng)均為控制三 臺水泵 電機 ，采用 PID調(diào)節(jié)方法 。三 臺水泵 或兩臺水泵 中只有一 臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制 另外兩臺或一臺泵的啟動， 并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行 PID運算， 運算結(jié)果送 給變 壓變頻裝置 控制其輸出頻率，調(diào)節(jié) 水的 流量，使供水管網(wǎng) 的 壓力恒定。 圖 的結(jié)構(gòu)圖 水泵變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的控制策略 根據(jù)以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設計。硬件設備選型、變頻器選型 及相關電器 ，繪制系統(tǒng)硬件連接圖。采用變頻器的分級控制，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，） 11 并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是水泵房總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入 CPU 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的 轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的 PID 或 PI 功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置 PID 運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 兩系統(tǒng)的 主電路接線圖 兩套系統(tǒng)的主電路圖大致相同，控制電路圖略有不同。其相應的圖形見 圖 中 水提升 泵 系統(tǒng) 主回路接線圖 (一控三 )，圖 工業(yè)補給水泵系統(tǒng)主回路接線圖 (一控二 )。 圖 中水提升 泵系統(tǒng) 主回路接線圖 (一控三 ) 圖 中水提升泵系統(tǒng)工作原理 電機有兩種工作情況：在工頻電下運行和在變頻電下運行。 KM KM KM5 分別為電動機 M1 、 M2 、 M3 變頻運行時接通電源的控制接觸器， KM KM4 、 KM6 、KM KM8 、 KM9 分別為電動機 M M M3 工頻運行時接通電源的控制接觸器。 具體為：接觸器 KM1 閉合時， KM KM5 均為斷開，電動機 M1 變頻運行。當） 12 壓力檢測值低于壓力給定值時，變頻器的輸出繼電器閉合進而控制接觸器 KM2 閉合，使得電動機 M2 工頻軟啟動 開始，軟啟動結(jié)束后接觸器 KM8 閉合且 KM4 斷開，使得電動機 M2 全 壓工頻運行。如啟動后系統(tǒng)壓力大于母管壓力時，不立即切除工頻備用泵，而是首先由變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)母管壓力，以避免切除備用泵后系統(tǒng)母管壓力急劇下降造成備用泵頻繁啟動。當變頻泵調(diào)整為某一合適的頻率時，切除備用泵，改為變頻調(diào)節(jié)。當啟動 1 臺工頻備用泵仍不滿足系統(tǒng)用水要求是再啟動另外一臺工頻備用泵，以滿足系統(tǒng)用水要求。第二臺工頻泵的起動原理與第一臺工頻泵的啟動原理相同。 同時變頻器要求在電動機 M1 、 M2 、 M3 中 定時循環(huán)切換，且一周切換一次。 圖 業(yè)補給水泵 系統(tǒng) 主回路接線圖 (一控二 ) 圖 工業(yè)補給水泵系統(tǒng)工作原理 電機有兩種工作情況：在工頻電下運行和在變頻電下運行。 KM KM 分別為電動機 M1 、 M2 變頻運行時接通電源的控制接觸器， KM KM4 、 KM6 、 KM7分別為電動機 M M2 工頻運行時接通電源的控制接觸器。 具體為：接觸器 KM1 閉合時， KM3 斷開，電動機 M1 變頻運行。當壓力檢測值低于壓力給定值時，變頻器的輸出繼電器閉合進而控制接觸器 KM4 閉合，使得電動機M2 工頻軟啟動開始，軟啟動結(jié)束后接觸器 KM8 閉合且 KM4 斷開，使得 電動機 M2 全） 13 壓工頻運行。如啟動后系統(tǒng)壓力大于母管壓力時，不立即切除工頻備用泵，而是首先由變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)母管壓力，以避免切除備用泵后系統(tǒng)母管壓力急劇下降造成備用泵頻繁啟動。當變頻泵調(diào)整為某一合適的頻率時，切除備用泵，改為變頻調(diào)節(jié)。第三臺大泵則完全手動軟啟動控制。 詳細的軟啟動過程分析請參見下文中軟啟動器控制系統(tǒng)的過程分析。 軟啟動器控制系統(tǒng)的過程分析 （ 1） 一臺軟啟動器控制一臺電動機的軟啟動、軟停車或自由停車控制線路 如圖 所示型號為 Y2280S4 的 電動機利用軟啟動器啟動的控制線路圖。圖中實線框所 示為軟啟動器，其中 C 和 400 為軟啟動器控制電源進線端子； L L L3 為軟啟動器供電電源的進線端子； T T T3 為連接電動機的出線端子。 A A2， BB2， C C2 端子由軟啟動器三相晶閘 管 兩端分別直接引出，當相對應端子短接時，等價于將軟啟動器內(nèi)部可控硅晶閘管短接，但現(xiàn)在軟啟動器內(nèi)部的電流檢測環(huán)節(jié)仍起作用，即此時軟啟動器對電動機保護功能仍起作用。 PL 是軟啟動器為外部邏輯輸人提供的 +24V 電源； L+為軟啟動器邏輯輸出部分的外接輸入電源，在圖中由 PL 直接 提供。 STOP、 RUN 分別為軟停車和軟啟動控 制信號，接線方式分為：三線制控制、二線制控制和通信遠程制控制。三線制控制，要求輸入信號為脈沖輸入型；二線制控制，要求輸入信號為電平輸入型；通信遠程控制時，將 PL 與 STOP 端子短接，啟停要使用通信口遠程控制。圖 所示控制線路為三線制控制方式接線。 KAl 和 KA2 為輸出繼電器。 KAl 為可編程輸出繼電器，可設置成故障繼電器或隔離繼電器。若 KAl 設置為故障繼電器，則當軟啟動器控制電源上電時， KAl 閉合；當軟啟動器發(fā)生故障時， KAl 斷開。若 KAl 設置為隔離繼電器，則當軟啟動器接收到啟動信號時， KAl 閉合；當軟啟動 器軟停車結(jié)束時，或軟啟動器在自由停車模式下接收到停車信號時，或在運行過程中出現(xiàn)故障時， KAl 斷開。 KA2 為啟動結(jié)束繼電器，當軟啟動器完成啟動過程后， KA2 閉合；當軟啟動器接收到停車信號或出現(xiàn)故障時， KA2 斷開。 如圖 所示為電動機單向運行、軟啟動、軟停車或自由停車控制線路。 KAl 設置為隔離繼電器。此軟啟動器接有進線接觸器 KMl。當?shù)蛪簲嗦菲?QF 合閘，按下啟動按鈕 SB2，軟啟動器接受到啟動信號，則 KAl 觸點閉合， KMl 線圈上電，使其主觸點閉合，主電源加入軟啟動器。電動機按設定的啟動方式啟動，當啟動完成后， 內(nèi)部繼電器KA2 常開觸點閉合， KM2 接觸器線圈吸合，電動機通過接觸器由電網(wǎng)直接供電。但此） 14 時電動機需要加過載、缺相等保護，所以需要加熱繼電器。若發(fā)生過載、過流，則切斷接觸器 KMl 電源，則軟啟動器進線電源切除。因此電動機不需要額外增加過載保護電路。正常停車時，按停車按鈕 SBl，停止指令使 KA2 觸點斷開，旁路接觸器 KM2 跳閘，使電機軟停車，軟停車結(jié)束后， KAl 觸點斷開。按鈕 SB3 為緊急停車用，當按下 SB3時，接觸器 KMl 失電，軟啟動器內(nèi)部的 KAl 和 KA2 觸點復位，使 KM2 失電，電機自由停轉(zhuǎn)。 由于帶有旁路接觸器， 該電路有如下優(yōu)點：在電動機運行時可以避免軟啟動器產(chǎn)生的諧波；軟啟動器僅在啟動和停車時工作，可以避免長期運行使晶閘管發(fā)熱，延長了使用壽命。 圖 、軟啟動、軟停車或自由停車控制線路 （ 2） 單臺軟啟動器啟動多臺電動機 我們用一臺軟啟動器對多臺電動機進行軟啟動，可以降低控制系統(tǒng)的投入成本。通過設計適當?shù)碾娐房梢詫崿F(xiàn)對多臺電動機軟啟動、軟停車控制，但不能同時啟動或停機多臺電機，只能一臺一臺的分別啟動或停機。在這里考慮到要想實現(xiàn)一臺軟啟動器對多臺電動機既能軟啟動又能軟停車，其設計的控制線路相對較復雜一 些，而且還要使用軟） 15 啟動器內(nèi)部的一些特殊功能，所以下面僅介紹使用一臺軟啟動器對 2 臺電動機進行軟啟動、自由停車控制的電路，如圖 所示。軟啟動器的啟動、停止采用二線制控制方式，即將 RUN 和 STOP 端子連接到一起，通過一控制觸點 KA5 與 PL端子相連。