C +＋和三维平台环境
2026/1/8 20:42:33
摘 要
本文研究了一种新式的电子软起动器——西门子公司SIRIUS 3RW55系列在钢厂中的应用。首先阐述了选题的理论意义和现实意义，分析了国内外关于软起动器的研究现状，并提出了研究方法和技术路线。介绍三相交流异步电机和软起动器的工作原理，特别是3RW55软起动器的起动原理及其应用范围。在此基础上，本文设计了一套针对钢厂的电子软起动器改造方案，包括改造内容、材料清单、主要设备硬件特征以及线路和电机保护措施。通过某钢厂的实际选型数据表展示了改造效果和传动系统保证指标。研究结果表明，采用3RW55软起动器可以显著改善钢厂的电动机起动性能，减少电网冲击，提高设备可靠性和使用寿命，同时实现节能降耗。
关键词：电子软起动器；三相交流异步电动机；钢厂应用
ABSTRACT
This article studies the application of a new type of electronic soft starter - Siemens SIRIUS 3RW55 series in steel mills. Firstly, the theoretical and practical significance of the topic was elaborated, and the research status of soft starters at home and abroad was analyzed. The research methods and technical routes were proposed. Introduce the working principles of three-phase AC asynchronous motors and soft starters, especially the starting principle and application scope of 3RW55 soft starter. On this basis, this article designs a set of electronic soft starter renovation plans for steel mills, including renovation content, material list, main equipment hardware features, and circuit and motor protection measures. The actual selection data table of a certain steel plant shows the transformation effect and transmission system guarantee indicators. The research results indicate that the use of 3RW55 soft starter can significantly improve the starting performance of electric motors in steel plants, reduce grid impact, improve equipment reliability and service life, and achieve energy conservation and consumption reduction.
Key words:Electronic soft starter; Three phase AC asynchronous motor; Steel plant application
目录
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1 研究意义 1
1.1.1理论意义 1
1.1.2 现实意义 1
1.2选题来源 1
1.3 国内外研究现状 2
1.4 研究方法和技术路线 3
1.4.1 研究方法 3
1.4.2 技术路线 3
2 相关理论基础 5
2.1 三相交流异步电机和软起动器的工作原理 5
2.1.1 三相交流电机 5
2.1.2 传统的软起动器的工作方式 6
2.2 软起动器的起动原理 10
2.3 3RW55软起动器的应用范围 11
3 电子软起动器方案 13
3.1 软起动改造方案 13
3.1.1改造方案 13
3.1.2改造内容 13
3.1.3 材料清单 14
3.1.4主要设备硬件特征 15
3.2 线路保护和电机保护 15
3.3 电机保护 16
4 3RW55软起动器的设计 18
4.1 设计 18
4.2 串行接口与组态软件 18
4.3 选型与模拟程序 18
4.4 一般负载或重载起动 18
4.5 正常起动 19
4.6重载起动 19
4.7 超重载起动 20
5 3RW55软起动器的控制 21
5.1 菜单结构、浏览、更改参数 21
5.2 菜单结构与浏览 21
5.3 更改电机参数 22
5.4某钢厂实际选型数据 23
5.4.1 选型说明 23
5.4.2 项目升级改造 23
5.4.3 改造效果 25
5.4.4 传动系统保证指标 26
6总结 27
参考文献 28
1 绪论
1.1 研究意义
1.1.1理论意义
世界各地许多知名的电气公司都生产高性能软起动器。在中国，软起动器在各个领域的使用越来越普遍，软起动器已经进入各个行业，每年为国家节省大量电力。目前，中国制造的各种软起动器的计算机控制测试设备，无论是否为外国品牌，一般都是从国外进口的。与国产设备相比，从国外进口的检测设备存在成本高、维护响应延迟、现代化和更换困难等缺点。因此，开发具有自主知识产权的软件起动器测试系统具有以下优点：
（1） 这项技术并没有过时。近年来，随着变频调速技术的发展，软起动器不断更新换代，相关测试设备也不断完善。适当的测试技术不断改进。本文使用的虚拟仪器技术在国内外都非常先进。
（2） 小心处理，及时响应。本地化自主研发的软起动测试系统，开发技术和系统工程师属于开发人员，可以确保在测试系统故障时提供周到的服务和及时的响应，在第一时间提供适当的服务，最大限度地减少用户的损失。
（3） 价格优势。价格是进口设备的一小部分或十几个。国产检测设备生产和运输成本低，而且还有各种额外的进口费用，这使得价格优势非常显著。
1.1.2 现实意义
随着软起动器在中国的使用越来越多，国内设计技术和生产水平的提高，由于价格、服务和国家技术水平等原因，许多国际大型企业越来越重视检测设备的生产地点。自主研发的软起动器测试系统将越来越受到人们的重视，具有非常广阔的应用前景，特别是对于国内软起动器的研发。。
1.2选题来源
在钢铁行业中，电动机特别是三相交流异步电动机，是驱动各种生产设备的关键部件。然而，传统的电动机起动方式，如直接起动、星-三角起动等，往往伴随着较大的电流冲击，这不仅会对电网造成冲击，还可能对机械设备产生损害，缩短其使用寿命。随着电力电子技术的不断发展，软起动器作为一种新型的电动机起动和控制设备应运而生。它通过控制电动机的起动电流，实现了电动机的平滑起动，有效地减少了起动时的电流冲击，降低了对电网和机械设备的影响。此外，软起动器还具备多种保护功能，如过载保护、缺相保护等，进一步提高了电动机的运行安全性和可靠性。在钢厂中，由于生产设备的复杂性和对生产效率的高要求，电动机的起动和控制显得尤为重要。因此，将新式的电子软起动器应用于钢厂，不仅可以解决传统起动方式带来的问题，还可以提高电动机的起动性能和运行效率，为钢厂的生产提供有力的技术支持。。
1.3 国内外研究现状
目前，发达国家的软起动产品主要包括以软起动晶闸管和软起动逆变器为代表的半导体软起动装置。变频装置通常用于需要速度调节的生产工厂；软起动晶闸管通常用于运行较轻的负载，如风扇和泵；变频软起动通常用于起动负载相对较大且功率特别高的情况。经过多年的发展，发达国家的许多知名电气公司都开发了自己独特品牌的晶闸管软起动装置。如ABB、施耐德GE、西门子TE、托尼摩托车、CT、AEG等。
短期内，软起动的发展主要表现为各种电压降低或软起动电流限制的形式。从理论上讲，高成本产品也有相对较大的市场份额，但在不同的应用场景和工作条件下，人们往往对不同的产品性能有不同的要求，这导致了不同的软起动产品在市场上占有一席之地。人们对产品性能的关注主要分为主观方面和客观方面。主观方面主要指技术人员、维修人员和用户单位的知识和技术水平。此外，对于一些有老化知识的单位，往往不选择最新的高科技产品。客观方面主要指起动负荷、使用频率、防尘防爆要求、使用环境条件等。例如，北方的用户可能会担心用于平稳软起动的电解液是否会冻结。
从长远来看，未来软起动的主要市场是变频软起动技术。随着电子技术的快速发展，这种新能源产品的生产水平和工艺在不断提高的同时价格也在下降。变频器的价格也在逐渐下降，而其可靠性却在日益提高。在不久的将来，变频软起动的应用领域将越来越广泛，不再是奢侈品。可变软起动频率可以在未来占据大部分软起动设备市场。事实上，变频软起动之所以获胜，是因为它可以在限制电流的同时获得较大的起动扭矩，从而实现软起动和软停止等各种起动功能。¡
中国软起动器市场现在非常大，年需求量约为6亿元人民币甚至更高。如果发动机生产机制不发生革命性变化，软起动器将成为发动机起动器的主要产品，这意味着该产品的市场将在5-6年内持续增长，因此该产品的前景将非常广阔。然而，也有业内人士猜测，如果IGBT等新能源产品的生产水平继续提高，销售价格继续下降，导致变频器价格再次下跌，这可能会夺走部分软起动器市场，甚至取代它们。从两个角度来看，人们对五到六年内发生这种情况的期望并不高。与软起动器相比，变频器具有额外的直流链路，因此它们没有价格优势。在许多情况下，电机可以满负荷运行，而不需要变速调节。变频器的节能优势不能得到充分利用。因此，软起动市场前景广阔。
综合各种文献和资料，未来软起动器的发展为：
（1）控制高水平化。现有的软起动器控制方法各有优缺点，没有通用的控制方法。一些应用场景需要多种控制方法的组合，因此实现高水平控制是软起动器发展的未来方向之一。
（2）小型化。由于电源设备的加热限制和现有的冷却技术，目前大多数软起动器都很笨重，然而，随着电源设备冷却方法的改变和控制元件集成的发展，软起动器逐渐变小，这有利于它们的易用性和安装性，如接触器和继电器等电气元件。
（3）无污染化。由于软起动器产生的高次谐波污染电网，随着可持续发展战略的提出，人们越来越关注环境问题，因此绿色无污染软起动器将是软起动器未来发展的重要方向。
（4）数字化。软起动器控制方法可以用数字处理器实现复杂的操作。基于32位高速微处理器的数字控制模板具有足够的能力来实现各种控制算法。Windows操作系统的引入允许自由设计，图形控制技术也取得了长足的进步。因此，软起动器的数字化将是一个重要的发展方向
1.4 研究方法和技术路线
1.4.1 研究方法
1）通过广泛查阅国内外关于电子软起动器技术的文献，了解当前的研究进展、技术特点及应用案例，为后续研究提供理论基础和参考依据。2）对新式电子软起动器的工作原理、控制策略及性能参数进行理论分析。通过这些研究方法，可以全面评估新式电子软起动器在钢厂的应用效果，提出改进建议，为钢铁行业的绿色发展和技术升级贡献力量。
1.4.2 技术路线
技术路线如下：
图1.1 技术路线
2 相关理论基础
传统冶金公司使用软起动器起动电机，通常由双向晶闸管控制，并配备接触旁路开关方法。其缺点是：系统结构复杂、体积大、能耗高、故障点多。2022年10月，我们采用西门子最新的3RW55系列软起动器对钢铁厂的泵和风机负载进行技术改造。该系列电子软起动器采用类似于电子复合开关的设计技术，同时设计磁继电器和双向晶闸管，消除了旁路触点，使电机的主电路非常简单。软起动器的体积和重量减少到原来的一半和四分之一，系统控制功能更加高效。。
2.1 三相交流异步电机和软起动器的工作原理
2.1.1 三相交流电机
三相交流电机的应用领域,三相交流电机以其结实耐用、简单的结构型式和免维护的优点，广泛应用于商业、工业和手工业领域。
问题：如果采用直接接通的方式，则三相交流电机起动时的电流特性和转矩特性，可能会对馈电电网和负载机器造成干扰和起动冲击。
起动电流：
三相交流电机具有很高的直接起动电流 I（起动）。视电机规格而定，该电流可能在额定工作电流的 3~15倍之间，可将电机额定电流的 7~8 倍假设为典型值。 由此可得知下列缺点：
•供电网络的负荷较高。也就是说，在电机起动过程中，供电网络的设计规格必须适应这种较高的负荷。
起动转矩：
直接起动转矩和堵转转矩通常可假定为在额定转矩的 2～4 倍之间。对于负载机器而言，这就意味与额定工况成正比出现的起动力和加速力，会使机器和输送材料承受很高的机械负荷。
由此可知下列缺点 ：
机器的机械系统所承受的负荷较大
设备磨损和维护所产生的费用增加
图2.1 一个三相异步电机的典型起动特性
图2.2 一个三相异步电机的典型起动转矩特性
2.1.2 传统的软起动器的工作方式
传统的软起动器每相有两个反向并联的晶闸管，一个晶闸管用于正半周，另一个用于负半周。通过相位控制，在可选的起动时间范围内，使用各种调整方法将电机电压的有效值从可调起动电压或起动扭矩增加到额定电机电压。电机的电流与施加到电机上的电压成比例变化。因此，起动电流将因施加到电机的电压系数而减小。扭矩与施加到电机的电压呈平方关系。因此，起动扭矩将与施加到电机的电压呈平方关系减小。
西门子电机 1LG4253AA (55 kW)
400 V 时的额定参数：
Pe ： 55kW
Ie ： 100A
I 直接起动：
大约 700 A
Me ： 355 Nm
M 直接起动：
大约 700 Nm
设置起动电压： 50 %（电源电压的二分之一）
=> I 起动 为直接起动时接通电流的二分之一（大约 350 A）
=> M 起动 为直接起动时起动转矩的四分之一（大约 175 Nm）
下图所示为连接一个软起动器后，三相异步电机的起动电流和起动转矩曲线。
图2.3 三相交流异步电机的电流下降特性
插图 使用软起动器进行起动时，三相交流异步电机的电流下降特性。
图2.4 三相交流异步电机的转矩下降特性
三相交流异步电动机起动软起动器时转矩下降的特点。该钢铁厂最初使用西门子3RW44系列软起动器和AB电机保护进行协调控制，以执行液压电机、风扇和水泵的软起动。由于缺乏备件，软起动器性能和发动机保护降低，迫切需要升级和改造软起动器系统。我们选择了西门子3RW55系列软起动器和西门子电机保护，大大优化了系统设备的配置结构，提高了系统控制功能。新型3RW55电子软起动器具有内置接触开关，采用双向晶闸管设计和封装。它具有体积小、起动温度低、起动能力强、不需要旁路触点等特点。主电路和控制电路大大简化，得到了用户的广泛认可。
图2.5 某钢厂新软起动器的外观图片
图2.6 某钢厂软起动器的电流波形
图2.7 某钢厂软起动器的转矩波形
2.2 软起动器的起动原理
在起动过程中，由于电子软起动器对电机电压的控制，电机中产生的输入电流和起动扭矩也得到了调节。停止过程中的原理是相同的，可以缓慢消除电机中产生的扭矩，实现设备的软停止。在此过程中，频率保持恒定，与电网频率相同，这与起动和停止调节频率的频率传感器的过程不同。当发动机起动加速完成时，晶闸管将完全导通，从而将整个电源电压施加到电机端子。由于在运行过程中不需要调整电机电压，晶闸管将由内部安装的旁路触点桥接。这可以减少连续运行期间晶闸管功率损失产生的热量排放。因此，它还可以降低开关柜环境的加热温度。
下图所示为软起动器 3RW55 的工作原理：