ICM2系列电动机软起动器在循环水泵上的应用

2022-11-04

三相交流电动机从发明以来, 经历了漫长的岁月。由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉, 而广泛作用于电力拖动生产机械中, 在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。然而, 电动机在恒压下直接起动, 其起动电流约为额定电流的5~8倍, 其转速要在很短时间内从零升至额定转速, 会在起动过程中产生冲击, 很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。在起动瞬间大电流的冲击下, 将引起电网电压降低, 严重威胁着邻近用电设备的安全运行。同时由于电压降低, 电动机本身起动也难以完成, 造成电机堵转, 严重时, 可能烧坏电动机。因而如何减少异步电动机起动瞬间的大电流的冲击, 是电动机运行中的首要问题。为此必须设法改善电动机的起动方法, 使电动机达到平滑无冲击的起动。

传统的改善电动机起动冲击的起动方式一般有星三角降压起动、自耦降压起动、定子串电抗 (电阻) 降压起动及磁控降压起动等。这些起动方式虽都能降低起动电流, 但起动特性不理想, 起动过程变换时产生较大的冲击电流, 并存在起动控制设备复杂、成本高等缺点。因此, 不能根本解决直接起动存在的问题。

随着现代电力电子技术及微电子技术的快速发展, 数字式软起动器便应运而生。它是传统的星三角降压起动、自耦降压起动、定子串电抗 (电阻) 降压起动及磁控降压起动理想的更新换代产品。

本文通过对ICM2系列数字式软起动的工作原理及特点的阐述, 并与传统起动器进行特性的比较, 提出其性能的优越性。并结合实例来描述ICM软起动器在45kW循环水泵上的应用。

1 ICM2系列数字式软起动器的工作原理及特点

1.1 ICM2系列数字式软起动器的工作原理

I C M 2系列数字式软起动器是采用SCR功率组件, 以微处理器为控制核心的新型电动机起动设备, 其工作原理是采用三对反并联的晶闸管串联于电动机的三相供电电路上, 利用晶闸管的电子开关特性, 通过控制晶闸管的导通角来改变其电压的大小, 以达到控制电动机的软起动过程。其硬件原理图如图1所示。

如图1所示, ICM2系列数字式软起动器主要由电压检测回路、电流检测回路、微处理器 (CPU) 、存储器、可控硅 (SCR) 、触发回路、显示器、操作键盘等部分组成。

电动机起动时, CPU接受键盘输入命令, 检测电动机回路的可靠性, 调用存储器予置的数据, 控制SCR导通角, 以改变电动机输入电压, 从而达到限制回路起动电流, 保证电动机平稳起动的目的。CPU还通过内部检测回路, 判断电动机起动是否结束, 当起动结束时, 输出控制接点控制旁路接触器JC, 使JC触点无流合上, 使电动机直接投入运行。

电动机软停止时, SCR投入工作, 将电流切换到SCR回路。JC触点无流断开, CPU通过控制SCR的导通角, 使电机电压慢慢降到零, 电机平稳停机。

电动机工作时, 软起动器内的检测器一直监视着电动机的运行状态, 并将监测到的参数送给CPU进行处理, CPU将监测参数进行分析、存储、显示。因此, 电动机软起动器还具有测量回路参数及对电机提供可靠保护的功能。

由于软起动器采用了单片机控制, 可根据负载特性任意设置各种起动参数, 因此具有较强的负载适应性。

1.2 ICM2系列数字式软起动器的主要起动、停车方式

(1) 电压斜坡起动。

如图2所示, 电机起动时, 电压迅速上升到最小起动转矩所对应的初始电压U1, 然后依设定的起动时间t逐渐上升, 直至电网额定电压Ue。图中, U1, t可调。由于电压从初始值到额定值是线性变化 (初始值可保证电动机的最大起动力矩) , 所以整个起动过程可保证电动机平稳起动。

(2) 限流起动。

如图3所示, 电机起动时, 输入电压从零迅速增加, 直到输出电流上升到设定的限流值lq, 然后保证输出电流在不大于lq下, 电压逐渐上升, 电机加速, 完成起动过程。lq可在电机额定电流le的2~4倍间选择。

(3) 软停车。

如图4所示, 电机停车时, 通过控制电压的下降时间, 延长停车时间以减轻停车过程中负载的移位或物体溢出。

1.3 ICM2系列数字式软起动器与传统起动器的性能比较

根据以上描述的ICM2系列数字式软起动器的特性, 我们与两种常见的传统起动方式进行了性能上的比较, 见表1。

通过表1的性能比较, 我们不难看出, 数字式软起动器的特性大大由于传统的起动方式。

1.4 ICM2系列数字式软起动器的主要特点

由于软起动器采用了计算机技术, 更具有传统起动方式无法比拟的优点:

(1) 单片机全数字自动控制, 控制方式灵活多样。

(2) 起动转矩电流、电压、时间可按负载不同灵活设定, 取得最佳的电流冲击和最佳的转矩控制特性。

(3) 对电动机提供了平滑的渐进起动过程, 减少起动电流对电网的冲击, 降低了起动时的力矩冲击, 延长电机及相关机械设备的寿命。

(4) 旁路接触器触点为无流合、断, 延长接触器使用寿命。

(5) 运行期间, 电机通过旁路接触器直接与电网相连, 以降低晶闸管的热损耗, 延长软起动器的使用寿命, 提高其工作效率, 使电网避免了谐波污染;旁路接触器还可以作为一种备用手段, 紧急关头或晶闸管故障时, 使电机投入直接起动, 增加了运行的可靠性。

(6) 提供完善的电机保护, 如:缺相、过流、过载、热过载等。

(7) 提供多种控制方式:键盘操作或外控端子操作, 便于异地控制或自动控制。

(8) 具有直观的人机对话界面, 键盘操作, 方便用户监视数据, 调整参数。

(9) 具有RS485数字输出端口, 可以与智能监控系统网络连接, 实现状态信号的传送, 符合现代智能化发展的需求。

2 ICM2系列数字式软起动器的应用范围

原则上, 异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用。但根据软起动器的特性, 其实际上是靠将自身电压斜坡式抬升至最大值 (而在停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平) 来完成工作的。由于扭矩与电压平方成正比。因此, 连接的电动机不能从一开始就达到最大扭矩。因此, 软起动器更适合于水泵、风扇、传送带、引风机等中轻载易起动的设备。由于这些设备应用广泛, 基本上分布于各行各业中, 因此, ICM2系列数字式软起动器也可应用于各个行业。

3 ICM2系列数字式软起动器在循环泵上的实际应用

在行业内, 通常只要电动机容量大于等于30kw, 为了保证厂内其他负荷的用电质量, 就可选择使用软起动器。以数字式软起动器为核心, 辅以输入端断路器, 软起动器旁路接触器, 以及二次侧组成电动机控制柜, 可以完成两地控制等多种控制方式选择。另外, 软起动器可显示电流、电压和故障运行、工作状态等信号, 可实现电动机的全面保护。

下面以一台45kW循环水泵为例来看ICM2系列软起动器的实际应用。如图5所示为一台45kW循环水泵的控制原理图。

图5左边部分为水泵的主回路, 右边部分为二次控制回路, 其中主回路上配置有QF断路器、ICM2软起动器和KM旁路接触器。另从图中可看出, 循环水泵实现的是三地控制, 即本地控制柜、现场操作箱、DCS自动控制系统。其对水泵的起停控制是通过中间继电器KA来起停ICM2软起动实现的。按下起动按钮时KA继电器动作, KA的接点接入ICM2软起动器的RUN端子, ICM2接收到KA的命令后就开始起动, 当起动完成后I C M 2输出一组接点 (D14/D16) 来控制旁路接触器KM, 使水泵通过K M运行。当要停止时, 按下停止按钮, KA继电器返回, ICM2收到停止命令后控制旁路接触器KM断开, 使电机通过软起动器回路进行停车控制。

另外对于水泵的保护功能也由ICM2软起动器来完成, 当检测到水泵有故障时, ICM2的故障接点 (D11/D13) 和旁路控制接点 (D14/D16) 断开, 使水泵能够停止运行, 保护了电机。

对于循环水泵, 传统的停机都是通过瞬间停电来完成的。而许多应用场合是不允许瞬间停机的, 因为这样可能会产生很大的“水锤”效应, 使管道, 甚至水泵遭到损坏。为减少和防止“水锤”效应, 需要电机逐渐停机, 即软停车。而采用ICM2软起动器正好就满足了这一要求。因此在泵站中, 应用软停车技术就可避免泵站的“拍门”损坏, 大大减少了维修费用和维修工作量。