祝戰(zhàn)科，劉泉海，譚 涌

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000;2.咸陽(yáng)非金屬礦研究設(shè)計(jì)院有限公司，陜西咸陽(yáng) 712021)

1 引言

2 粉磨機(jī)需軟啟動(dòng)控制的電機(jī)及相關(guān)參數(shù)

該設(shè)備環(huán)節(jié)多，控制電機(jī)數(shù)目較多。粉磨機(jī)生產(chǎn)效率高，產(chǎn)能比大?？傃b機(jī)容量為495kW。需進(jìn)行軟啟動(dòng)控制的電機(jī)為風(fēng)機(jī)及幾臺(tái)主要粉磨室的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。超細(xì)粉磨機(jī)需要進(jìn)行軟啟動(dòng)控制電機(jī)及控制形式一覽表見表1所列。

表1 超細(xì)粉磨機(jī)需要進(jìn)行軟啟動(dòng)控制電機(jī)一覽表

這些電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流通常是額定電流的4～7倍(該電機(jī)額定電流Ie=205A)，如果正常啟動(dòng)電流達(dá)到1000A以上，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊，影響其他設(shè)備的工作，因此須采取軟啟動(dòng)的措施。

3 三相異步交流電機(jī)啟動(dòng)方法簡(jiǎn)述

三相交流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉而廣泛作用于電力拖動(dòng)生產(chǎn)的機(jī)械動(dòng)力，在機(jī)械、化工、紡織和石化等行業(yè)應(yīng)用廣泛。然而電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性卻舉步維艱。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在恒壓下直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流約為額定電流的4～7倍，其轉(zhuǎn)速要在很短的時(shí)間內(nèi)從0上升到額定轉(zhuǎn)速，會(huì)在啟動(dòng)的過程中產(chǎn)生沖擊，易導(dǎo)致電力拖動(dòng)對(duì)象的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等造成嚴(yán)重磨損甚至損壞。在啟動(dòng)瞬間大電流的沖擊下，引起電網(wǎng)電壓下降，影響到電網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)因電壓降低，電動(dòng)機(jī)本身啟動(dòng)也難以完成，造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能燒壞電機(jī)。因而如何減小異步電機(jī)瞬間啟動(dòng)的大電流沖擊，是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的首要問題。為此必須設(shè)法改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法，使電機(jī)能夠平滑啟動(dòng)，于是產(chǎn)生了各種限流啟動(dòng)的方法。

(1)定子串電阻啟動(dòng) 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在三相定子電路中串入電阻，使加在電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓低于電網(wǎng)電壓，待啟動(dòng)后，再將電阻短接，電動(dòng)機(jī)在額定電 是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨定子電壓的平方關(guān)系下降，又由于是分級(jí)啟動(dòng)，啟動(dòng)特性不平滑，故它只適用于空載或輕載啟動(dòng)場(chǎng)合，在啟動(dòng)過程中，電阻上消耗的能量大，不適用經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。本設(shè)備要求有重載啟動(dòng)，因此此法不可用。

(2)Y/△啟動(dòng) 凡是在正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩?zé)o嚴(yán)格要求，又要限制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，且定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電機(jī)，可以采用Y/△啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)將定子接成星形，待電動(dòng)機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再改為三角形。電動(dòng)機(jī)接成星形，啟動(dòng)電流只有原來(lái)三角形連接的1/3。Y/△屬降壓?jiǎn)?dòng)，它是以犧牲功率為代價(jià)來(lái)?yè)Q取低電壓的實(shí)現(xiàn)。其主要缺點(diǎn)是當(dāng)啟動(dòng)從星形切換到三角形接法時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的二次電流和轉(zhuǎn)矩變動(dòng)，易引起機(jī)械和電氣應(yīng)力，導(dǎo)致故障［4］。本設(shè)備不適用此法。

(3)自耦變壓器啟動(dòng) 自藕變壓器啟動(dòng)既適用于正常運(yùn)行時(shí)三角聯(lián)結(jié)的電動(dòng)機(jī)，也適用于星形聯(lián)結(jié)的電動(dòng)啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)，先通過三相自藕變壓器將電動(dòng)機(jī)定子電壓降低，啟動(dòng)后再將自藕變壓器切除，使電動(dòng)機(jī)定子電壓恢復(fù)到額定值。設(shè)自藕變壓器原副邊降壓比為K，根據(jù)自藕變壓器上抽頭的不同，壓降比K也不同，不同的K可以滿足對(duì)不同起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求。與直接啟動(dòng)相比(定子繞組的聯(lián)結(jié)方式相同)，自藕變壓器啟動(dòng)的起動(dòng)電流、定子電壓減小至原來(lái)的K倍，電源電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩都減小到原來(lái)的K平方倍。自藕變壓器的變比在一定范圍內(nèi)可調(diào)，但是其有限的輸出電壓變比級(jí)數(shù)，限制了理想啟動(dòng)電流的選擇，且自藕變壓器的造價(jià)較高。

4.要將企業(yè)勞動(dòng)保護(hù)工作作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)推進(jìn)。企業(yè)勞動(dòng)保護(hù)工作涉及管理的諸多層級(jí)和關(guān)系，企業(yè)工會(huì)需依法履行勞動(dòng)保護(hù)職責(zé)，如充分行使《勞動(dòng)法》、《安全生產(chǎn)法》、《工會(huì)法》等授予工會(huì)組織在勞動(dòng)保護(hù)工作中的參與權(quán)、代表權(quán)、知情權(quán)和監(jiān)督權(quán)，在企業(yè)宣傳普及安全勞動(dòng)保護(hù)知識(shí)，以及監(jiān)督國(guó)家有關(guān)勞動(dòng)保護(hù)、安全技術(shù)、環(huán)境衛(wèi)生等法律法規(guī)在企業(yè)的貫徹落實(shí)情況，及時(shí)解決影響職工健康和安全的各類問題等。同時(shí)，還要與安全監(jiān)察部門開展協(xié)調(diào)監(jiān)管工作，尤其是探索出新時(shí)期勞動(dòng)保護(hù)、廣泛監(jiān)督的工作內(nèi)容、發(fā)展思路和方式方法。

綜合以上啟動(dòng)方式可知，它們都不能為電動(dòng)機(jī)提供可以調(diào)節(jié)的平穩(wěn)無(wú)級(jí)加速，無(wú)法適應(yīng)特定的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)要求，啟動(dòng)電流和啟動(dòng)加速力矩的控制也無(wú)法達(dá)到特定值以下，無(wú)法完全避免機(jī)械及電氣沖擊。壓下運(yùn)行。此法適用于低壓電機(jī)。這種方法的缺點(diǎn)

4 軟啟動(dòng)的工作原理

軟啟動(dòng)器有如三相全控橋式整流電路，它是電力電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物。主要工作原理是將三組反并聯(lián)晶閘管連接在電源與所需啟動(dòng)的電機(jī)之間。啟動(dòng)時(shí)，控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)的端電壓逐漸增大直至全電壓，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)電流過大而跳閘或?qū)ζ渌O(shè)備造成沖擊而影響使用。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，控制電路用其他接觸器代替已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供工頻電壓，這樣可以降低軟啟動(dòng)器晶閘管的熱損耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。停機(jī)時(shí)，則可通過控制晶閘管的關(guān)斷速度，調(diào)節(jié)電機(jī)的兩端的電壓逐漸下降至零，實(shí)現(xiàn)軟停車?？梢?，軟啟動(dòng)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)晶閘管交流調(diào)壓器。改變晶閘管的觸發(fā)角，就可調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓。在整個(gè)啟動(dòng)過程中，軟啟動(dòng)器的輸出是一個(gè)平滑的升壓過程(且可具有限流功能)，直到晶閘管全導(dǎo)通，電機(jī)在額定電壓下工作。

軟啟動(dòng)的特點(diǎn)(與傳統(tǒng)減壓起動(dòng)方式比較):

(1)啟動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)沖擊電流。軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)電機(jī)過程中，逐漸改變晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)啟動(dòng)電流從零平穩(wěn)上升到最大值。整個(gè)過程運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)電機(jī)供電電源可靠性高，對(duì)機(jī)械負(fù)載的沖擊轉(zhuǎn)矩減少，對(duì)電機(jī)本身沖擊小，延長(zhǎng)電機(jī)和整個(gè)設(shè)備使用壽命。

(2)可以實(shí)現(xiàn)平滑減速直到停機(jī)，即具有軟停車的功能。它可以克服突然斷電對(duì)設(shè)備機(jī)械部分的沖擊等弊病，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

(3)軟啟動(dòng)器的各種參數(shù)可調(diào)?？筛鶕?jù)負(fù)載特性以及電網(wǎng)特性進(jìn)行選擇，以調(diào)整到最佳的狀態(tài)。

軟啟動(dòng)和傳統(tǒng)啟動(dòng)方式性能指標(biāo)比較見表2。

表2 軟啟動(dòng)和傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式比較性能指標(biāo)

目前三種最新的三相異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)控制方式:

(1)晶閘管移相調(diào)壓?jiǎn)?dòng)，分為電動(dòng)機(jī)的電壓斜坡軟啟動(dòng)和限流軟啟動(dòng)。

(2)大功率IGBT斬波調(diào)壓?jiǎn)?dòng)，分為電動(dòng)機(jī)的電壓斜坡軟啟動(dòng)和限流軟啟動(dòng)。

(3)三相全控橋變頻啟動(dòng)，采用三相全控橋逆變器，電動(dòng)機(jī)PWM變頻啟動(dòng)。

晶閘管移相調(diào)壓的主電路圖見圖1，晶閘管SCR組成移相控制三相交流調(diào)壓電路，三相電網(wǎng)經(jīng)三組反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓后送至電動(dòng)機(jī)定子，通過控制晶閘管觸發(fā)角的大小，可改變電動(dòng)機(jī)定子加載電壓的大小，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流可被限制在期望值上。

圖1 晶閘管移相調(diào)壓主電路

在軟啟動(dòng)器的控制面板上，可顯示電機(jī)電流、報(bào)警信號(hào)及設(shè)定的參數(shù)值;以數(shù)字形式設(shè)置電機(jī)保護(hù)值、電機(jī)運(yùn)行方式;手動(dòng)操作啟、停電機(jī)。軟啟動(dòng)器的工作原理是軟啟動(dòng)器收到啟動(dòng)命令后，按所設(shè)定的啟動(dòng)方式進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，確定可控硅的觸發(fā)輸出電壓信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程完成后，軟啟動(dòng)器控制交流接觸器吸合，短接所有可控硅，使電動(dòng)機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的能源損耗。

5 軟啟動(dòng)器的控制模式

收到外部啟、停命令后，按照預(yù)先設(shè)定的啟、停方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?？蛇x的啟、停控制模式有以下幾種，本機(jī)采用限流軟啟動(dòng)控制模式。

(1)限流軟啟動(dòng)控制模式 如圖2所示，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其輸出電流從零迅速增加，直至輸出電流達(dá)到設(shè)定的電流限幅值Im，然后保證輸出電流在不大于該值的情況下，電壓逐漸升高，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，完成啟動(dòng)。

圖2 限流啟動(dòng)過程

(2)電壓斜坡啟動(dòng)控制模式 如圖3所示，U1為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需最小轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的初始電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然后按設(shè)定的速率逐漸增加，直至達(dá)到電網(wǎng)電壓后，接觸器吸合，啟動(dòng)過程完成。

圖3 電壓諧波控制過程

(3)突跳起動(dòng) 這些起動(dòng)開始階段，讓晶閘管在極短的時(shí)間內(nèi)全導(dǎo)通后回落，再按原設(shè)定的值線性上升，進(jìn)入恒流起動(dòng);該起動(dòng)方法適用于重載并需克服摩擦的起動(dòng)場(chǎng)合，如圖4所示。

圖4 突跳啟動(dòng)過程

6 大功率電機(jī)的一拖四軟方案

本設(shè)備控制系統(tǒng)中，主風(fēng)機(jī)，一室電機(jī)，二室電機(jī)，三室電機(jī)均為110kW的大功率電機(jī)。系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)采用軟啟動(dòng)器進(jìn)行啟動(dòng)，并且采用1個(gè)軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)4臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)。具體啟動(dòng)過程如下。

(1)按照啟動(dòng)要求，首先合上QF1，通過繼電器KA1控制接觸器KM1吸合，軟啟動(dòng)器接通M1主風(fēng)機(jī)開始啟動(dòng)。當(dāng)主風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流至額定值時(shí)，KM1斷開，主風(fēng)機(jī)脫離軟啟動(dòng)器，同時(shí)KM2接通，電機(jī)運(yùn)行在額定電流值，主風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完畢。

(2)主風(fēng)機(jī)啟動(dòng)正常后，通過繼電器KA3控制接觸器KM3吸合，軟啟動(dòng)器接通M2一室電機(jī)開始啟動(dòng)。當(dāng)一室電機(jī)啟動(dòng)至額定電流時(shí)，KM3斷開，KM4吸合，一室電機(jī)脫離軟啟動(dòng)器，電機(jī)運(yùn)行在額定電流值，一室電機(jī)啟動(dòng)完畢。依次，軟啟動(dòng)器將啟動(dòng)二室電機(jī)和三室電機(jī)。若電源出現(xiàn)故障，造成系統(tǒng)停機(jī)，則系統(tǒng)需在帶載或重載的條件下重新啟動(dòng)。啟動(dòng)過程為，先將電源切斷，然后按照上述軟啟動(dòng)的過程依次啟動(dòng)各電機(jī)。系統(tǒng)控制的電氣原理圖如圖5、6所示。

圖5 軟啟動(dòng)器工作主回路

7 控制系統(tǒng)軟啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

在手動(dòng)狀態(tài)下，分別啟動(dòng)一室和二室，記錄在不同時(shí)間下軟啟動(dòng)器面板顯示的電流。粉磨機(jī)一、二室使用軟啟動(dòng)器后的啟動(dòng)電流圖如圖7所示。

圖7 一、二室空載啟動(dòng)電流圖

圖6 軟啟動(dòng)器工作控制、指示回路

分析說(shuō)明:一室和二室的工作狀況一致，機(jī)械結(jié)構(gòu)也相同，因此啟動(dòng)電流一樣。由于這2個(gè)工作室的主軸經(jīng)過動(dòng)平衡，殼體是鑄件，剛性很好。因此，啟動(dòng)過程非常平穩(wěn)，最大電流只有600A，啟動(dòng)時(shí)間較短。30s已完成啟動(dòng)。運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期啟動(dòng)效果。

三室空載啟動(dòng)和設(shè)備帶負(fù)載運(yùn)行的啟動(dòng)電流也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，在此不再贅述。

8 結(jié)語(yǔ)

選擇啟動(dòng)方式的原則是既保護(hù)電機(jī)、延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，又保護(hù)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備，同時(shí)降低設(shè)備維護(hù)和管理工作量，保證選擇設(shè)備的可靠性。

經(jīng)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，證明本方案解決了設(shè)備4個(gè)110kW電機(jī)的啟動(dòng)問題，啟動(dòng)過程平穩(wěn)，切換正常，可靠，方案切實(shí)可行。在試驗(yàn)過程中，筆者還進(jìn)行了設(shè)備的急停后重載啟動(dòng)工作，也獲得了成功。下一步要在元器件選型上進(jìn)一步考慮，在節(jié)約成本上做文章，推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。

［1］ 祝戰(zhàn)科.對(duì)撞式超細(xì)粉磨分級(jí)系統(tǒng)電氣控制裝置的研制［D］.西安:西安交通大學(xué)，2012.

［2］ 西安西普電力電子有限公司.數(shù)字式交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器說(shuō)明書［Z］.2011.

［3］ 趙志國(guó).基于單片機(jī)的交流異步電機(jī)軟啟動(dòng)器節(jié)能運(yùn)行研究［J］.民營(yíng)科技，2010(5):55.

［4］ 杜 江.三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)及節(jié)能運(yùn)行技術(shù)的研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2007.