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克服电机控制器面临的挑战

July 24, 2019

电动机分为两种类型:交流(AC)电机和直流(DC)电机。交流电机又可分为同步电机和异步电机。同步电机应用于对速度和精度要求极高的场合,包括同步时钟、电子设备中的定时器以及录音设备等。异步电机(又称感应电机)能够在可变速度下运行,维护成本低且耐用,因此在工业领域应用广泛。在起重、搅拌、抽水、压缩和钻孔等应用中,感应电机操作简便,且比同步电机和直流电机更具成本效益。

在两种主要的感应(异步)电机类型中,即单相电机和三相电机,单相电机通常仅限于电负载较小的应用场合,例如家用电器,因为单相电机无法自启动。三相电机系统在工业和商业领域的应用要广泛得多,因为它们所需的铜线更少,因此成本更低、体积更小、效率更高,运行也更平稳(振动更小)。

Sensata DRMS混合电机启动器为感应电机提供了最佳解决方案,在同一设备中集成了6项功能,包括正反转、软启动/软停止、电机过载保护以及主电源隔离继电器功能。

控制器至关重要

电机系统依赖于启动器(或称控制器),因为它 控制电机的运行性能 ,通过启动、停止、正转、反转、加速和减速来控制电机,同时保护电机免受过载或故障的影响。

最基本的控制器是电机与电源之间的一个开/关开关,而更复杂的控制器则可控制电机的速度和转矩。

直接在线启动器(DOL,或称全电压启动器)是最基本的电机启动器类型;通电后,它们会立即将电机端子与电源连接。如果电机的高浪涌电流不会导致供电电路出现过大的电压降,那么DOL启动器就非常适用。它们适用于小型水泵、压缩机、风扇和传送带。然而,全电压启动器无法提供反馈。

此外,对于异步电机(例如三相感应电机)而言,由于其启动电流通常高达满载电流的六到七倍,DOL启动器将无法保护电机免受浪涌电流的冲击。

保护设备并延长其使用寿命

电机控制器面临多种形式的磨损。尤其是三相感应电机启动器,必须应对浪涌电流和电弧等破坏性因素。

浪涌电流,也称为开关合闸浪涌或输入浪涌电流,是电机开始加速至全速运行时所吸取的高水平电流。在此期间,电机往往需要吸取高达正常运行负载七到十倍的电流。电流过载虽然持续时间不到一秒,但会引发转矩浪涌,从而对机器造成机械应力,尤其是在启停循环频繁的情况下更为明显。基本的DOL启动器无法保护电机免受浪涌电流的冲击。因此,控制器需要具备保护机制,以充分缓冲下游设备所受到的冲击。

电弧——即电流流经气体时导致气体发生电击穿并放电的现象——最常出现在触点反复断开(分断)和闭合(接通)电路的电机控制器中。电弧会产生大量热量,可能熔化甚至汽化部分触点表面,从而损坏电机控制器。

除了应对浪涌电流和电弧问题外,三相感应电机启动器还需要具备软启动和软停止功能。软启动和软停止可以防止设备损坏,也能保护由压缩机、传送带和闸门系统所移动的笨重物体。由于这些物体质量较大,即使在低速下也具有相当大的动量。

软启动器和变频驱动器均可通过降低浪涌电流以及由频繁启停所引发的后续发热,来保护设备并延长电机的使用寿命。

电机启动器的主要类型

电机软启动器,又称降压固态启动器,可在电机启动期间暂时降低电流负载和转矩浪涌,同时平稳地提升电机转速。因此,软启动器能够降低电机和转轴所承受的机械应力,并延长系统的使用寿命。软启动器可根据具体应用进行定制。它们有助于避免泵类应用中的压力浪涌,并能平稳地启动传送带运行,从而最大限度地减少抖动、应力或打滑现象。由于软启动器的电气复杂程度高于全电压启动器,因此往往会面临成本效益方面的问题。

变频驱动器(VFD)利用机电驱动系统,通过改变电机的输入频率和电压来控制电机的速度和转矩。因此,变频驱动器能够降低启动电机所需的电流。变频驱动器可轻松与自动控制系统对接。变频驱动器还具有极高的能效,有助于降低用电高峰需求。然而,由于价格较高,且对温度和电压浪涌等环境因素较为敏感,变频驱动器在全球市场的普及率相对较低。

尽管软启动器和变频驱动器已经为电机带来了显著的优势,制造商仍在不断开发功能更强、价格更低的系统。

混合电机启动器的优势

Sensata的DRMS系列混合电机启动器可在同一设备中提供多达六项功能:正反转、软启动/软停止、电机过载保护以及主电源隔离继电器功能。

凭借软启动/软停止功能, Sensata的DRMS系列混合电机启动器 为传送系统带来了尤为显著的优势。除了机电继电器功能外,DRMS系列混合电机启动器还配备了固态继电器功能,该功能利用半导体实现无触点操作,从而实现快速且无磨损的电源控制。

凭借固态继电器所带来的性能表现以及机电继电器的可靠性,DRMS系列混合电机启动器能够更有效地缓解高浪涌电流所带来的破坏性影响、由此产生的机械应力以及系统中间隙的形成。因此,这种继电器组合功能实现了更高的性能和一致性、更低的功耗、更高的安全性以及更长的设备使用寿命。

此外,DRMS系列混合电机启动器结构紧凑,宽度仅为22.5毫米,可将电机启动器所需的安装空间减少多达75%。最后,与价格在400美元至1200美元之间的变频驱动器相比,DRMS设备提供了更经济实惠的选择。

DRMS系列混合电机启动器可供机器制造商、配电柜设计师或制造商以及生产设施用于传送系统、闸门系统和压缩机。此外,与其他同类产品相比,这些混合电机启动器具有更高的400V最大电机额定电压;这一更高的最大电机额定值使DRMS系列混合电机启动器能够应用于比其他产品更广泛的工业场景中。

结论

用于感应电机的电机启动器需要经历多次启停循环。在比较不同电机启动器时,需要考虑的因素包括性能、耐用性、可靠性、尺寸、价格,以及对设备免受浪涌电流和其他潜在破坏性现象影响的保护能力。直接在线启动器可靠性高,但自我保护能力有限,对电机所驱动资产的保护也十分有限。变频驱动器可提供更强的保护,但价格较为昂贵。混合电机启动器在这些因素之间取得了良好的平衡,因此对于驱动高价值资产的电机而言,值得给予高度关注。

如需了解有关Sensata DRMS系列的更多信息,请访问 Masterelectronics.com

本文由Master Electronics赞助。所有观点均为作者个人观点。——John Koon [来源: Engineering.com]

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