6ES7223-1BM22-0XA8型号介绍

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鼠笼型异步电动机；起动技术；软起动技术；水泵 
1.电动机起动的现状
三相鼠笼型异步电动机因其具有结构简单、运行可靠、维修方便、惯性小、价格便宜等诸多优点，在农田排灌中作为电能转化为机械能的主要动力设备而被广泛采用。但由于其起动电流大，对电网的影响和对工作机械（如水泵、拍门等）的冲击力都很大，因而在起动过程中必须采取一些技术措施对起动电流和冲击力（起动电磁转矩）加以合理而有效的控制，实现比较稳定的起动，从而改善系统设备工况，有效延长系统寿命，减少故障率的发生。
异步电动机的起动问题，一直为业内人士所关注。异步电动机的起动方式从原理上讲只有两种：直接起动和降压起动。直接起动，就是将处于静止状态的电动机直接加上额定电压，使电动机在额定电压作用下直接完成起动过程。直接起动转矩大，起动时间短，起动控制方式简单，设备投资少，因此在中小型电动机的起动上得到广泛的采用。但直接起动方式也受到许多限制，主要表现在下列三个方面：
（1）起动电流可大到电动机额定电流的4～7倍，部分国产电动机的起动电流实际测量甚**达8～12倍。如果直接起动较大的电动机，过大的起动电流将造成电网电压显著下降，影响同一电网其它电气设备和电子设备的正常运行，严重时将使部分设备因电压过低而退出运行，甚至使电力线路继电保护装置过流保护动作而跳闸，使线路供电中断。
（2）直接起动会使被拖动的工作机械受到机械性冲击，对于水泵性负载来说，过高的起动转矩对叶片、轴承、拍门等造成软性损伤（机械变形、疲劳性老化）及硬性损伤（裂纹、断裂等）是较为常见的，甚至会因水流对管道的冲击力（及反作用力）过大而产生严重的水锤效应损坏设备。
（3）直接起动要求供电变压器容量较大，而对农田排灌泵站供电的变压器容量往往达不到直接起动对电网容量的要求。
在不允许直接起动的情况下，就要采用降压起动的起动方式，即降低电动机端电压进行起动。降压起动一般有星／三角起动，定子电路中串接电阻、电抗器起动，自耦变压器降压起动及本文推荐的软起动等方法。
星形／三角形起动器是降压起动器中结构*简单、成本*低的一种，然而它的性能受到限制，主要表现在：
（1）无法控制电流和转矩下降程度，这些值是固定的，为额定值的1／3。
（2）当起动器从星形接法切换到三角形接法时，通常会出现较大的电流和转矩变动。这将引起机械和电气应力，导致经常性故障的发生。
自耦变压器式起动器比星形／三角形起动器提供了更多的控制手段，可以通过变压器抽头改变I段起动电压（典型为65％和80％两挡起动分接头）。然而它的电压是分级升高的，所以其性能受如下限制：
（1）电压的阶跃性变化（分级转换时产生）引起较大的电流和转矩变动，同星形／三角形起动器性能限制“2”一样会导致机械、电气经常性故障的发生。
（2）有限的输出电压种类（起动电压分接头数量有限），限制了理想起动电流的选择。因为自耦变压器式起动器控制是使用较额定电压低的电压级别进行降压起动，它控制的电机参数为电压而非电流，所以当电网电压波动及负载变化（如排灌站水位落差变化）时，起动电流曲线将显著偏离设计理想曲线，从而恶化起动性能，设备在较差的工况下将大大缩短使用寿命，增加维护成本。
电阻式起动器也能提供比星形／三角形起动器更好的起动控制。然而它同样有一些性能、使用上的限制，包括：
（1）起动特性很难优化。原因是制造起动器时电阻值是确定的，在使用中很难改变，虽然可以通过转换分接头来进行分级起动，但当级数较多时，势必增加控制系统的复杂性，而制造成本、故障率也将随之大幅度提高，所以一般电阻式起动器均在2～5级间。这样，加在电动机定子绕组上的电压、电流等主要电量参数在分级起动时仍有很大的波动。
    （2）频繁起动场合下的起动特性不好。原因是在起动过程中电阻值会随着电阻的温度变化，在停止到再起动过程中需经长时间冷却过程。
（3）负载较大或起动时间较长的场合下的运行特性变坏，原因是电阻值随着电阻器温度的变化而变化。
（4）在负载大小经常变化的应用场合（如排灌站水位落差变化较大），电阻式起动器不能提供理想的起动效果。
综上所述，传统的降压起动设备均有诸多性能限制和使用限制，越来越难以适应不断发展的电动机复杂使用场合的起动需要。 
2.软起动技术的工作原理
软起动技术是在晶闸管斩波技术的基础上发展起来的，利用晶闸管斩波技术进行工频电压调节的原理如图1所示。
    在50Hz正弦波每个半周内固定时间（过零延时t1）给晶闸管VT1门极以一个触发脉冲，则根据晶闸管特性，在触发脉冲结束后，晶闸管将在半周内剩余时间维持导通（见图1（b）中阴影部分），直至电压再次过零，这样只要调节VT1触发脉冲出现的时间，则输出电压u0将会在0～100％输入电压（ui）内得到调节。如果将晶闸管斩波调压技术应用于三相电源，再加入现代电子技术如单片机控制技术等即可制成软起动器，从而在大型三相鼠笼式交流异步电动机的起动上得以应用。
软起动电动机时的电压、电流特性曲线见图2。从电压特性曲线u＝f（t）可以看出，从起动开始软起动器给交流异步电动机一个初始电压Ust（Ust一般在10％～60％Ue间自由调整）并在用户设定的起动时间Tst（Tst一般在1～60s范围内自由设定）内将负载电压均匀上升到电动机额定电压Ue。由于软起动器自身特有的限流功能，起动电流在起动期间始终不超过起动限制电流ILIM（ILIM一般在2～5Ie内自由设定）。
    为了比较起动外特性，在此给出了应用中*常见的传统起动方式———自耦变压器降压起动时的电压、电流特性曲线（见图3）。从图3可以看出，两级起动的两个阶段均产生很大的起动冲击电流，对电网形成冲击，而两个较大的级落电压0→Ust与Ust→Ue又会发生非常大的转矩突变，产生机械冲击。而电动机软起动时无论在电流曲线还是电压曲线上看，均已将电冲击及机械性冲击减小到*低的程度。 
3.软起动技术的应用
用软起动器组成软起动控制系统可以采取两种型式：（1）在线式控制软起动系统和旁路切换式软起动系统（见图4、图5）。图中K0、K1～Kn为空气断路器；RQ、RQ1～RQn为软起动器；KM11～KMn1、KM12～KMn2为交流接触器；M1～Mn为电动机。
    在线式控制软起动系统采取“一带一”方式，即每一台负载电动机的起动由相应的软起动器来完成，选用长期工作制的软起动器，可以对电动机实现起动—运行—停止的全过程控制，并且主接线及控制系统均很简捷。
旁路切换式软起动系统是多台电动机共用同一台软起动器。当一台电动机起动完成后，旁路接触器吸合将电动机转为电网供电脱开软起动器直接运行，这样软起动器在完成一台电动机的起动后可以再控制另一台电动机的起动。旁路切换式软起动系统在控制电动机台数较多时可以大大降低系统成本，而且软起动器均工作在短时工作制，可以大大降低软起动器的故障率，唯一不足的是增加了主接线及整个系统的复杂性。
随着科技水平的发展，对电动机的控制机理和技术指标要求越来越高，传统的降压起动设备已无法满足各行业的需要。近年来，随着软起动设备逐步国产化，将使软起动技术的应用成为今后大型鼠笼型异步电动机起动方式的主流，并将*终取代传统的起动方式，在排灌站水泵控制上得到全面的推广。

由于生产过程中系统烟气量波动较频繁，且波动范同较大，为达到调节准确、减小对电网的冲击、节省能源的目的，在S02风机中采用了高压变频调速技术。从3个方面论述了变频调速的技术方案的优缺点，从高压变频调速系统的工作原理、系统结构、控制系统组成等方面阐述了高压变频器的技术特点．从而论证了高压变频器在使用中的优越性及显着的节电效果。

    近年来．高压变频调速技术已越来越多的应用在各行各业，以达到节约电能、改善电机系统寿命、提高产品质量的目的高压变频器在全世界的应用比低压变频器晚．其主要原冈是受逆变器开关器件制造水平的制约近十年来．随着新器件的问世．器件耐压水平不断提高．高压变频器得到了迅速发展和广泛应用[1]。按我国的电压标准．通常把额定电压3kv以上的电机称为高压电动机．其主要电压等级为3、6、10kV等，文中将用于这些电压等级电动机的变频器称为高压变频器。

    应用高压变频器的优势

    某企业生产装置中有一台1400kW、l0kV的S0，风机，其是丁艺流程中的关键设备。由于生产过程中系统炯气量波动较频繁．且波动范围较大．如果川传统的前导可调机构来调节风机的流量和压力，渊节范围受到限制．一般在40％～100％．且调节线性太差．跟不上工况变化速度，故能耗很高：而用变频调节响应极快．基本与工况变化同步．可满足工艺的需要，且风机启动运行平滑，不会对电机、轴承、风机产生较大的冲击．可达到调节准确、节省能源的目的。

    根据异步电动机转速公式：n=60f（1一s）/p，可以看出．转差率s变化不大，可视为恒定，一旦电机制造完成电机极对数p也是常数．所以电机转速n与电源频率f是成正比的。只要改变频率f，即可改变电机转速．当频率厂在0～50Hz之间变化时，电机转速调节范围是非常宽的根据流体力学流量与风机转速的关系可知．电机功率P与转速n的立方成正比．随着转速的降低。电机功率以转速的3次方关系递减因此随着电机转速的降低．电机消耗的电能下降幅度很大。可见，使用高压变频器对SO2风机调速的节电效果将非常显着．经估算．2～3年就可以收回成本。

    变频调速技术方案

    变频调速一般有以下3种方案可以实施应用：①高一高方式，即采用10kv（6kv）电压等级的变频器，直接由电网l0kV（6kV）供电，电机选用高压电机；②高一低一高方式，就是先将高压电源变成低压电源．采用低压变频器变频后再升压．电机选用高压电机；③高一低方式，就是用一台单独的变压器，将l0kV（6kv）高压降至380V，采用低压变频器，用低压电动机。

    对比3个方案．使用高一高变频器．在变频器故障时可以直接启动．有定型产品．性能良好，稳定可靠，但费用较高：高一低一高方式无定型产品．要重新设计电路，电路烦琐庞大．要增加两台变压器．费用也较高；高一低方式中变频器直接使用低压电源，需要设一台降压变压器当降压变压器的容量比较小时，在变频器故障后，电机不能直接启动。如果降压变压器容量过大．会增加增容费用同时变压器还有一定的电能损耗从经济的角度出发．对于800～1000kW以上的风机、水泵等电机．建议采用6kv或10kV直接高一高方式的高压变频器：对于40O～800kW的电机．建议采用6kV／660v进线变压器、660V高压变频器及660V电动机：对于400kW以下的电动机．宜采用高一低方案．即采用6kV／380V降压变压器．380V级变频器及380V电动机.在某企业工程中，S0风机为l400kW．电网电压为10kV，综合比较，选择了直接高一高变频调速方案为了充分保系统的可靠性．变频器同时加装工频旁路装置。 变频器异常，不能正常运行时．电机可以自动切换到工频运行状态下运行．以保证生产的需要．其一次系统接线。

    QF为用户侧高压开关柜内断路器，K1、K2、K3为同一柜内真空接触器；QS1、QS2为同一柜内隔离开关，与变频器配套提供。K2、K1电气互锁，以防止高压工频电反送人高压变频器。

    在变频运行时，手动合隔离开关OS1、OS2，此时高压变频器输出开关接点允许用断路器QF合闸。QF合闸后，在DCS（或PLC）上可启动高压变频器，高压变频装置自动合K1、K2真空接触器。

    当高压变频装置本体故障（如每相故障单元数大于2、高压变频器功率单元超温、散热冷却风机故障），高压变频器自动分开K1、K2，待电机电压衰减到额定电压的1O％左右，延时合K3高压变频装置自动切换到工频继续运行．以提高系统的可靠性变频到工频切换大约在3s以内完成。

    当高压变频器检测到电机故障（如三相电流不平衡、三相电压不平衡、过流、过载），高压变频器自动封锁脉冲停止输出，并跳开真空接触器K1、K2、K3，同时输出跳闸接点用于跳开断路器QF。

    高压变频器技术特点

    目前高压变频器的主电路拓扑方面主要有3电平（或更多电平）电压型高压变频器和单元串联多电平电压型高压变频器。罗宾康HARMONY系列、国产高压变频器多采用单元串联多电平电压型高压变频器，现以其为例．阐述高压变频器技术特点变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成[1]。

    （1）系统结构：高压变频调速系统的结构见图2，由移相变压器、功率单元和控制器组成。如：10kV系列有24个功率单元．每8个功率单元串联构成一相。每个功率单元结构上完全一致，可以互换。其电路结构见图3，其为基本的交一直一交单相逆变电路．整流侧为二极管三相全桥．通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。

    （2）输入侧结构：输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为3组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24脉冲系列、3O脉冲系列、42脉冲系列、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形（网侧电压电流谐波指标满足IEEE519一l992和GBT/14549-93的要求）．使其负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。由于变压器副边绕组的独立性．使每个功率单元的主回路相对独立．类似于常规低压变频器．便于采用现有的成熟技术。

    （3）输出侧结构：输出侧由每个功率模块的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电．通过对每个单元的PWM波形进行重组．可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好dv／dt小．对电缆和电机的绝缘无损坏．无须输出滤波器就可以延长输出电缆长度．可直接用于普通电机。同时．电机的谐波损耗大大减少．负载机械轴承和叶片的振动。当某一个功率模块出现故障时．通过控制使输出端子短路．可将此单元旁路退出系统．变频器可降额运行．由此可避免很多场合下停机造成的损失。

    （4）控制器：控制器由高速单片机、嵌入式人机界面和PLC共同构成单片机实现PWM控制、嵌人式人机界面提供友好的全中文bbbbbbS监控和操作界面．同时可以实现远程监控和网络化控制内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理．可以和用户现场灵活接口．满足用户的特殊需要。变频器可运行于闭环模式或开环模式。在开环模式下．运行频率南界面设定或通过DCS（或PLC）设定（数字方式或模拟方式）在闭环模式下。可以设定并调节被控量（比如压力）的期望值．变频器根据被控量的实际值自动调节变频器的输出频率．控制电机的转速．使被控量的实际值自动逼近期望值控制器可与上级DCS系统直接连接．对变频器进行启动、停车、急停、报警或设定运行频率。

    应用效果

    主要应用效果如下：①使用变频器后风机可以实现变频软起动．避免了起动电流的冲击．不仅对电网没有任何冲击，而且还可以随时起动或停止；②使用变频器后，风机的送风量不再需要由风门来调节．而是由变频器通过变频调节风机的转速来实现．调节范围可以从0％～l00％．可以根据生产需要随意调节风量，减少了不必要的浪费：③变频节能运行，节约了大量能源使用变频器后．不再使风机一直处于满负荷工作状态．节能率非常高：④由于高压变频器能平滑调节电机负载的转速．使之与原来相比在较低转速下运行．从而大大减少了负载以及电机的机械磨损，同时降低了轴承、轴瓦的温度，有效减少了检修费用，延长了设备的使用寿命：⑤高压变频器为高一高电压源型单元串联多电平结构．功率因数可高达0．95．不仅无需功率补偿．还可提高电网的功率因数．减少了无功损失．减少了线损：⑥系统完善的监控性能和高可靠性提高了工作效率．可实现参数的实时恒定运行．提高了系统运行的安全稳定性．减少了检修和维护的工作量。

    高压变频器的使用不仅能取得显着直接的经济效益，还具有较好的间接经济效益。从节能角度看．在SO2风机中采用高压变频器调速．年节电率能达到30％以上。目前在各行各业．如火力发电、城市供水、石油、化工、冶金、水泥等行业也越来越多的得以应用，应用前景十分广阔。PLC控制技术、Profibus总线技术和高压变频技术的完美结合．使得集成自动化程度高．运行稳定，操作简单，节能效果更加明显。