摘 要：電機(jī)軟起動(dòng)器能自動(dòng)控制電機(jī)電壓，并監(jiān)控電機(jī)電流，作過載或過流保護(hù)。軟起動(dòng)器的主回路器件是可控硅，由于可控硅無自關(guān)斷能力，因此在發(fā)生短路的時(shí)候無法靠電子線路快速響應(yīng)關(guān)斷的辦法進(jìn)行短路保護(hù)，必須引入其它斷路保護(hù)機(jī)制。本文分析了快熔作軟起動(dòng)器短路保護(hù)的可行性和必要性。

 

 

Abstract:  Motor soft starter can control the voltage supplied to the motor, it can monitor the motor current to protect the overload and over current too. The main power device of soft start  is SCR, which has no self turn off ability. So the fast react electronic circuit cannot be used to switch off the short circuit current, some other method must be used to protect the soft starter  from short circuit damage. The thesis will analyze the fast fuse used as soft start short circuit protect.

 

 

引言：Danfoss軟起動(dòng)器在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有廣泛應(yīng)用。比較近我們?yōu)閹讉€(gè)用戶現(xiàn)場(chǎng)排除了軟起動(dòng)器故障，發(fā)現(xiàn)故障原因都是因?yàn)檐浧饎?dòng)器前端沒有按照Danfoss說明書的要求安裝快速保險(xiǎn)絲，在電機(jī)或電機(jī)電纜線發(fā)生相間或?qū)Φ囟搪饭收蠒r(shí)造成軟起動(dòng)器可控硅損壞，因此在此討論一下軟起動(dòng)器的短路保護(hù)問題。

 

軟起動(dòng)器的主回路功率器件為SCR可控硅，軟起動(dòng)器的工作原理為通過控制可控硅的觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通角以達(dá)到控制輸出三相交流電壓的目的。軟起動(dòng)器比較常見的故障為主回路可控硅損壞直通，短路電流的熱效應(yīng)是造成可控硅損壞的主要原因。短路電流的熱效應(yīng)用I²t值表示，短路時(shí)的電流值和短路持續(xù)的時(shí)間是短路保護(hù)的重要參考參數(shù)。SCR觸發(fā)導(dǎo)通以后沒有自關(guān)斷的能力，如果靠可控硅自然換流關(guān)斷的話，比較長(zhǎng)短路關(guān)斷延時(shí)時(shí)間將達(dá)到半個(gè)交流周波，對(duì)于50Hz的工頻電網(wǎng)而言為10mS。可控硅的短路過流耐受能力一般沒有那么強(qiáng)，所以軟起動(dòng)器要求由外部裝置提供短路過流保護(hù)。

 

下面以丹佛斯220kW軟起動(dòng)器MCD3220為例，討論一下軟起動(dòng)器的短路保護(hù)措施。

MCD3220額定輸出能力見下表：

當(dāng)起動(dòng)電流倍數(shù)為3倍時(shí)，額定電機(jī)滿載電流430A，由此推算其額定輸出電流能力為：

I_e = 430×3.0 = 1290 A

    丹佛斯軟起動(dòng)器MCD3220主回路可控硅模塊為EUPEC公司出品的T588N16TOF，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

關(guān)鍵數(shù)據(jù)1：通態(tài)電流有效值1250A，與軟起動(dòng)器的額定輸出電流能力1290A近似相同；

關(guān)鍵數(shù)據(jù)2：?jiǎn)未?0ms比較大峰值有效電流8000A，即靠可控硅自然換流關(guān)斷的話比較大短路電流不允許超過8000A；

關(guān)鍵數(shù)據(jù)3：比較高結(jié)溫（125℃）時(shí)的I²t熱耐受能力為320000A²S，這是半導(dǎo)體器件的短路熱耐受能力，短路保護(hù)的主要參考數(shù)據(jù)。

 

    短路電流到底有多大，由短路的類型和電網(wǎng)內(nèi)阻決定。短路類型有三相火線同時(shí)短路，兩相火線之間短路和單相火線接地短路，其中以三相火線同時(shí)短路比較為嚴(yán)重。我們就以此種短路形式分析短路電流。

圖二、不同電網(wǎng)容量和電網(wǎng)內(nèi)阻時(shí)的短路電流

三相火線同時(shí)短路時(shí)的短路電流為Isca：

    

  其中S為電網(wǎng)（變壓器）容量；

  Z為電網(wǎng)（變壓器加上電纜）內(nèi)阻。

 

圖二以電網(wǎng)內(nèi)阻為5%和2%為例，分別計(jì)算出Isca的值。

    MCD3220用于可能的較差的500kVA容量、5%內(nèi)阻的電網(wǎng)中時(shí)，短路電流也達(dá)到13222A，比可控硅模塊T588N16TOF能夠耐受的單次10ms比較大峰值有效電流8000A大。所以靠可控硅自然換流關(guān)斷無法作可靠的短路過流保護(hù)。因此丹佛斯軟起動(dòng)器本體只提供過載和瞬時(shí)過載兩個(gè)過載保護(hù)。

 

下圖是丹佛斯軟起動(dòng)器瞬時(shí)過載保護(hù)的整定參數(shù)。

 

通常用于短路保護(hù)的電氣裝置是斷路器和熔斷器，下面就他們的應(yīng)用進(jìn)行討論。

    選配斷路器作短路保護(hù)的話，按電機(jī)額定電流430A選，如果選用施耐德公司的產(chǎn)品，應(yīng)選擇NS630斷路器。此斷路器可以配置兩種脫扣器，其一為電磁式MA(MAE500)型脫扣器，只有短路電流保護(hù)功能，由于MCD3000自帶過載保護(hù)，所以可以選用此型號(hào)的斷路器，比較快動(dòng)作時(shí)間為固定的20ms。NS630還可配置另一種電機(jī)專用電子式脫扣器STR43ME(500A)，有短路和過載保護(hù)，短路保護(hù)比較大動(dòng)作時(shí)間為10ms。

    但是由于斷路器是一種機(jī)械裝置，機(jī)械裝置有較大的動(dòng)作滯后，所以施耐德給出總分?jǐn)鄷r(shí)間約為60ms。總分?jǐn)鄷r(shí)間與選用何種脫扣器沒有關(guān)系。另外也有文獻(xiàn)估算斷路器的分?jǐn)嘀辽傺舆t一個(gè)工頻周期，即20mS。

如果選用國(guó)產(chǎn)斷路器，以上海華通的產(chǎn)品為例，當(dāng)選用電機(jī)專用型SM30 630A或SM40 630A斷路器，比較快短路保護(hù)時(shí)間為固定的20ms，查不到也問不到總分?jǐn)鄷r(shí)間，但是由于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品多數(shù)仿制進(jìn)口產(chǎn)品，所以可以估計(jì)實(shí)際總分?jǐn)鄷r(shí)間不會(huì)優(yōu)于施耐德的產(chǎn)品。

上述傳統(tǒng)斷路器的保護(hù)動(dòng)作延時(shí)都比SCR可控硅的自然換流關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)得多，因此不適于作軟起動(dòng)器的短路過流保護(hù)。

再看一下施耐德NS斷路器的高級(jí)功能 ― reflex能量跳閘功能，據(jù)稱在短路故障時(shí)能產(chǎn)生一種強(qiáng)大氣體壓力直接作用于一個(gè)活塞機(jī)構(gòu)，使斷路器快速可靠地分?jǐn)唷Ｓ捎趧?dòng)作非常迅速，<10ms，所以如同快速熔斷器一樣，具有自然抑制短路電流的功能。其限流特性曲線如下圖：

圖三、施耐德斷路器的reflex抑制短路電流功能