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交流电动机并网控制器在建筑电气中应用

时间:2011-01-27 来源:未知 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:

        交流电动机是广泛用于各领域的重要动力设备.电动机数值可观的启动电流及其对供电系统的影响长期困扰着人们,传统的各种启动方式都有这样或那样的弊端。自变频调速器问世以后,交流电动机的软启动很好地解决了这一问题但当前大量出现的问题是电动机升速到接近额定转速切换到电网电源过程中,常常造成很大的冲击并引起电动机保护跳闸,使切换失败。交流电动机并网控制器很好地解决了这一问题,实践证明电动机的电源切换是能无扰动平滑切入电网的。

1 前言
  交流电动机广泛用于国民经济的各个领域,特别是同步电动机更以其很高的节能效率及能向电网提供无功功率受到人们的青睐。然而异步电动机可观的启动电流,以及同步电动机不具备自行启动能力的缺陷一直困扰着人们。变频调速器的问世成功地解决了这两个问题.即用零启升速的软启动方式完全消除了启动电流及同步电动机启动难所带来的问题。但变频调速器作为启动电源带来了新的问题,即当电动机软启动升速到接近额定转速时,需要实施电动机的电源切换.即从变频调速器供电切换到电网供电。而长期以来人们所使用的切换方法导致电动机经常受到极大的冲击.甚至诱发电动机保护动作使切换失败。究其原因.是人们忽视了电源的切换必须遵循交流电机同期(或同步)三准则的,即必须在变频电源与电网电源的电压、频率相近时捕捉两电源电压相角差为零的瞬间完成电源切换。而当前普遍流行的切换方式却忽视了最重要的相角差条件,这是损害电机的重要原因。例如,当今不论在水厂还是在建筑物中的恒压供水系统,常用的控制模式就是根据水压的变化,通过变频调速器按用水量及水压的大小依次将水泵启动.切人工频电网,或是按总的供水量切除多余的水泵。而每次在将水泵切人工频电网时都难以避免设备受到电磁力的冲击,甚至跳闸。在石油、化工、电力、机械制造等行业都有类似情况,这是应予以重视并彻底根除的大面积技术缺陷问题。
2 电源切换过程描述
  图1给出了交流电动机电源切换的示意图.变频调速器的三相输出电源Us,及电网电源Us分别经自动转换开关ATS给电动机供电。启动程序是:变频调速器按预先设定的升频及升压方式,通过ATS开关使电动机逐步由零升压及升频,并网控制器实时监测Uv,及Us的频差、压差及相角差, 当变频器输出电压Uv,与电网电源电压Us的频差△f及压差△f/达到预先设定的值时,并网控制器将在相角差△δ到达0°之前,即相当于ATS开关固有合闸时间tk 的瞬间,对ATS开关发出切换控制命令,实现电源无扰动切换。考虑到在ATS开关切换过程中, 电动机将会在相当于开关合闸时间t 的时段内失去电源而进入惰转减速状态,因此,并网控制器应具备计及这一因素的自适应功能。也就是要考虑在切换过程中控制器测量到的△f及△U值会有一定程度的增加,发出切换命令的提前控制角要向增大方向作一定的修正。
交流电动机并网控制器在建筑电气中应用
3 并网控制器原理简介
并网控制器是基于微处理器的智能控制器.考虑到电动机的工作环境较恶劣,控制器在防护及温度适应性方面具有良好的品质。控制器的主要输入信号是变频器的输出电压和电网电源电压.直接取自相电压或线电压。控制器电源由电网电源的相电压或线电压提供,内部有专门的稳压模块,保证电压在有较大幅度的波动时仍能正常工作。控制器输出用以驱动ATS开关的接点容量为AC400V,5A。
  控制器从输入的Uv和Us单相电压获取两电压的实时电压差△U= Us一Uv、频率差af= fs一fv及相角差△φ 的信息,根据预先设定的ATS开关切换时间tk 、容许切换频差△f,及容许切换压差△Uy ,控制器按计及频差△f及△f的一阶导数d△f/dt及二阶导数d2△f/dt2 的微分方程快速求解,发出控制切换命令的提前角δk,如图2所示,其数学表达式如下:
交流电动机并网控制器在建筑电气中应用
交流电动机并网控制器在建筑电气中应用

  式中ω=2π(fs-fv)△f=2π为两电压的角频率差, 可以看到,当Uv升速过程中与Us之间的相角差为δk时,控制器发出切换命令,经过ATS开关的切换时间tk 后,恰好在Uv 与Us重合时ATS开关在已切断变频电源Uv的前提下给电动机接入Us,ATS开关因在机械上实现了两路输入电压的互锁。因此,完全杜绝了目前使用两个接触器(或断路器)时可能发生的Uv与Us 短路现象。
  为保证在Uv的升速过程中不失时机地捕捉到切换时机, 控制器还采用了理想提前角δk的预测算法,确保不错过首次出现的切换时机。控制器外形尺寸为180mm ×45mm ×122mm.控制器面板上设有简洁的人机交互界面,如图3所示。
交流电动机并网控制器在建筑电气中应用
3.1 同步表
  由12个LED发光二极管组成圆形同步表,两相邻LED的相角差为30°, 同步表的功能是:
a. 指示在Uv,及Us 两输入端接入两同频率交流电压的相角差, 即用以“核相”。
  b. 指示在Uv及Us 两输入端接入两不同频率交流电压的瞬时相角差, 及两电压的频差极性,如LED灯顺时针方向闪亮,表明Uv的频率高于Us ,反之则为fv  c. 同步表圆心处的红色LED灯闪亮,表明正在实施切换操作,持续点亮时间为控制器预置ATS开关切换时间设定值的2倍。
3.2 参数设置拨码开关
  有三组参数设置拨码开关:
a. ATS开关切换时问设置拨码开关共三位,每位有0~9十个状态,三位开关设置值为000~999 ms。
  b. 允许频差设置拨码开关一位,0~9十个状态,设置值为0~0.9 Hz。
  c. 允许压差设置拨码开关一位,0~9十个状态,设置值为5%、6%、7%、8%、9%、10%、12%、14% 、16% 、20% 额定电压。
3.3 状态指示灯
  a. 电源指示灯。
  b. 控制器故障报警灯。
3.4 工作/标定选择开关
  确定控制器当前是处在并网工作状态或电压值标定状态。
3.5 复位按钮及标定按钮
  对控制器实施复位操作或执行电压标定。
3.6 接线端子排
  接线端子设在控制器下方底部,用以对外连接,接人信号有7类:
  a. 电网工频电压端子,可选择输入IOOVAC、220V AC、380V AC、660V AC。
  b. 变频器电压端子, 可选择输入100V AC、220V AC、380V AC、660V AC。
  c. 切换操作输出接点(两个)。
  d. 升频、降频控制接点。
  e. 闭锁切换操作接点。
  f. 切换开关辅助接点(两个)。
  g. 控制器电源。
4 结束语
  变频调速器的出现为改善交流电动机的启动条件,以及提高电动机拖动设备如水泵、风机等的节能效率起到了积极的作用,因此变频器得到了广泛的应用 近年来我国丰富的稀土元素又促进了稀土永磁步电动机的发展,同步电动机较之异步电动机的高效率及能向系统提供无功功率的优势更受到人们的青睐,为实现我国节能减排重要国策起到了强有力的支撑作用。随着交流电动机与变频凋速器的匹配联动,电动机在完成启动过程后转由电网电源供电的切换操作就显得非常重要。据不完全统计,当前几乎所有电动机由变频电源切换到电网电源的操作都只是遵循频率和电压相近的原则,而忽视了最重要的相角相近的原则。因此,电源切换频频产生对电动机的冲击甚至跳闸,造成损毁设备的严重后果。本文介绍的并网控制器从根本上杜绝了前述问题.这对于大量使用的同步电动机及在定子断电时转子可能还残存剩磁的异步电动机是不可或缺的安全保障。

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