張貞一

（1.中北大學(xué)，山西 太原 030051；2.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009）

電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)及在煤礦的應(yīng)用

張貞一1，2

（1.中北大學(xué)，山西 太原 030051；2.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009）

介紹了軟啟動(dòng)器的原理和特點(diǎn)，對(duì)軟啟動(dòng)器的性能做了闡述。分析了在煤礦電氣中的應(yīng)用，提出了軟啟動(dòng)器選用的一般原則。

軟啟動(dòng)器；煤礦電氣；選用原則

電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最可靠的起動(dòng)方式，但其直接起動(dòng)的電流通常約為額定電流的5～7倍。當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，直接起動(dòng)的浪涌電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，影響同一電網(wǎng)中其他負(fù)載的工作；同時(shí)過(guò)大的起動(dòng)電流還會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的供電設(shè)備產(chǎn)生影響，加速設(shè)備絕緣的老化，引發(fā)供電事故。因此考慮到電網(wǎng)及變電所供配電設(shè)備的限制，大多數(shù)的大功率電動(dòng)機(jī)都采取降壓起動(dòng)以限制起動(dòng)電流。

傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方式有：Y-△換接起動(dòng)、串電阻（電抗）器起動(dòng)、自耦補(bǔ)償器起動(dòng)、延邊三角形起動(dòng)等；其中自耦補(bǔ)償器起動(dòng)一直是容量較大的鼠籠電動(dòng)機(jī)普遍采用的起動(dòng)方式。但是這種方法不適宜頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合，且設(shè)備體積大，價(jià)格高，維護(hù)量也大。國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)早有明確規(guī)定，即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)電壓降不能超過(guò)15%。以上的幾種降壓起動(dòng)方式雖然電壓降有所減小，但其起動(dòng)電壓均為跳躍式加入，起動(dòng)電流也會(huì)對(duì)電網(wǎng)及供配電設(shè)備造成一定的沖擊，對(duì)電動(dòng)機(jī)及負(fù)載都會(huì)帶來(lái)一定的損害，影響它們的使用壽命。

從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)有不少研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)研制了軟起動(dòng)技術(shù)，這種技術(shù)的出現(xiàn)較好地解決了上述的一些問(wèn)題，隨著軟起動(dòng)技術(shù)的逐步推廣使用出現(xiàn)了各種軟啟動(dòng)器。

1 軟啟動(dòng)器

1.1 軟啟動(dòng)器的原理

軟啟動(dòng)器是一種新的電動(dòng)機(jī)控制裝置，它可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)、軟停車(chē)，還可以實(shí)現(xiàn)輕載節(jié)能及多種保護(hù)功能，國(guó)外稱(chēng)之為Soft Starter。它的基本結(jié)構(gòu)是串接于電源與被控電動(dòng)機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。通過(guò)參數(shù)設(shè)定，CPU控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而控制軟起動(dòng)器的輸出電壓和電流，使被控電動(dòng)機(jī)的輸入電壓按不同的要求而發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。

1.2 軟啟動(dòng)器的分類(lèi)

軟啟動(dòng)器分為四類(lèi)：固態(tài)晶閘管軟啟動(dòng)器、液態(tài)軟啟動(dòng)器（俗名叫液阻柜、水阻柜）、磁控軟啟動(dòng)器和變頻調(diào)速啟動(dòng)器。

1.3 軟啟動(dòng)器與變頻器的區(qū)別

軟啟動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器的輸出不僅改變電壓而且同時(shí)改變頻率，往往用在需要調(diào)速的地方；軟啟動(dòng)器實(shí)際上只是個(gè)調(diào)壓器，輸出只能改變電壓而不能改變頻率，只用在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)。變頻器具備了軟起啟動(dòng)器的所有功能，但它的價(jià)格也比軟啟動(dòng)器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。

2 軟啟動(dòng)器的性能

2.1 軟起動(dòng)

在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)軟啟動(dòng)器的電子控制電路對(duì)晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行控制，使電動(dòng)機(jī)的輸入電壓從零以設(shè)定的函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，給電動(dòng)機(jī)加以全電壓，即為軟起動(dòng)。在軟起動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)方式均可按照要求任意進(jìn)行選擇與調(diào)整，使電動(dòng)機(jī)始終處于最佳的起動(dòng)過(guò)程，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加，同時(shí)減少起動(dòng)過(guò)程中的功率損耗。

交流電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)主要有以下幾種方式：

（1）斜坡電壓軟起動(dòng)。這種軟起動(dòng)方式是最簡(jiǎn)單的。早期的軟啟動(dòng)器多數(shù)以起動(dòng)電壓為控制對(duì)象進(jìn)行控制，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中僅控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電壓與時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系增加，而不具備電流閉環(huán)的控制。其缺點(diǎn)是，在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，電流不加限制，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊性電流，不僅損壞晶閘管，而且對(duì)電網(wǎng)也有較大的影響，因此實(shí)際已很少應(yīng)用。

（2）斜坡恒流軟起動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)初期使電流以一定速率平穩(wěn)增加，當(dāng)起動(dòng)電流達(dá)到設(shè)定值后保持恒定直至起動(dòng)過(guò)程結(jié)束。起動(dòng)電流的上升變化率和恒流值都是可以任意設(shè)定的，一般根據(jù)負(fù)載情況與生產(chǎn)要求來(lái)設(shè)定。這種軟起動(dòng)方式實(shí)際中應(yīng)用最多，尤其適用于風(fēng)機(jī)類(lèi)、泵類(lèi)負(fù)載的起動(dòng)。

（3）恒流軟起動(dòng)。開(kāi)機(jī)后以最短時(shí)間使起動(dòng)電流迅速達(dá)到設(shè)定值并保持恒定，直至起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，即在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中限定起動(dòng)電流。電流的限定值通常在電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5倍～4.5倍之間選擇。通過(guò)改變限定值的大小，可以控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間。這種方式一般適用于慣性大的負(fù)載快速起動(dòng)。

（4）脈沖恒流起動(dòng)。起動(dòng)開(kāi)始有一個(gè)較大的沖擊電流，以產(chǎn)生較大的沖擊轉(zhuǎn)矩去克服負(fù)載較大的阻轉(zhuǎn)矩，使設(shè)備能夠起動(dòng)；然后進(jìn)入恒流起動(dòng)階段，直至起動(dòng)過(guò)程結(jié)束。沖擊電流的大小和維持時(shí)間是可以任意設(shè)定的。這種起動(dòng)方式適用于重載起動(dòng)的場(chǎng)合，如皮帶輸送機(jī)。

2.2 軟停車(chē)

在高層建筑的供水系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的瞬間停車(chē)將會(huì)產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，使管道及水泵遭到破壞。因此拖動(dòng)水泵類(lèi)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)在停車(chē)時(shí)，常常通過(guò)電子控制電路使晶閘管經(jīng)過(guò)0～120 s的延時(shí)從全導(dǎo)通狀態(tài)逐漸過(guò)渡到全關(guān)閉狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的安全停車(chē)。

2.3 輕載節(jié)能

電動(dòng)機(jī)在空載或輕載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)和效率都比較低，但軟啟動(dòng)器可解決上述問(wèn)題。過(guò)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化，使軟啟動(dòng)器根據(jù)變化來(lái)改變晶閘管的導(dǎo)通角，這樣電動(dòng)機(jī)的工作電壓在空載或輕載時(shí)會(huì)自動(dòng)降低，從而減少損耗，提高功率因數(shù)，達(dá)到輕載節(jié)能的目的。

2.4 故障檢測(cè)及保護(hù)

軟起動(dòng)器引入電流閉環(huán)系統(tǒng)后，可以通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流的變化，對(duì)過(guò)載、缺相等故障發(fā)出報(bào)警，并作出相應(yīng)保護(hù)，從而大大提高了電動(dòng)機(jī)工作的可靠性。

3 軟啟動(dòng)器在煤礦應(yīng)用舉例

軟啟動(dòng)器工作安全、可靠，體積小、價(jià)格低、免維護(hù)，給用戶(hù)帶來(lái)很大的方便，在煤礦的應(yīng)用也日益廣泛。

3.1 帶式輸送機(jī)

帶式輸送機(jī)擔(dān)負(fù)著煤礦原煤運(yùn)輸?shù)闹饕蝿?wù)，工作時(shí)間長(zhǎng)，工作負(fù)荷大。采用傳統(tǒng)的直接啟動(dòng)方式，往往由于運(yùn)送距離長(zhǎng)、啟動(dòng)電流大，經(jīng)常造成供電網(wǎng)電壓降低，引起磁力啟動(dòng)器及上級(jí)配電開(kāi)關(guān)跳閘，導(dǎo)致重載起動(dòng)失敗，磁力啟動(dòng)器燒毀；同時(shí)電機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊載荷引起皮帶張力劇增嚴(yán)重降低了輸送皮帶的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至拉斷皮帶，而皮帶價(jià)值約占帶式輸送機(jī)總價(jià)值的四分之三。帶式輸送機(jī)的減速器、液力偶合器、滾筒、接頭等也會(huì)不同程度出現(xiàn)損壞，維修量較大，事故率較高，影響煤礦的正常生產(chǎn)。

為了適應(yīng)高產(chǎn)高效集約化生產(chǎn)的需要，煤炭行業(yè)廣泛使用的帶式輸送機(jī)正朝著長(zhǎng)距離、高帶速、大運(yùn)量、大功率的方向發(fā)展。新型帶式輸送機(jī)的大型化要求與之配套的電機(jī)功率增大，對(duì)輸送皮帶的保護(hù)、延長(zhǎng)其使用壽命提出了更高要求。采用電機(jī)軟啟動(dòng)器，可降低了電機(jī)的起動(dòng)電流，起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)近似恒流起動(dòng)，使有效起動(dòng)轉(zhuǎn)距增加到3倍～4倍，運(yùn)輸能力和安全性能得以較大提高；同時(shí)降低了機(jī)械沖擊，皮帶機(jī)受力狀況可得到了明顯的改善，事故率大大降低。電機(jī)軟啟動(dòng)器還可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程保護(hù)。

3.2 通風(fēng)機(jī)

煤礦因生產(chǎn)的特殊性，巷道的通風(fēng)系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。礦井巷道的通風(fēng)是否順暢，風(fēng)量的足否都直接的關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)。而隨著開(kāi)采及掘進(jìn)的不斷延伸，巷道延長(zhǎng)，所需的風(fēng)量也將不斷增加，風(fēng)機(jī)的功率也將加大。四季的交替，冷熱的變化，所需的風(fēng)量也需不斷調(diào)節(jié)；傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是根據(jù)風(fēng)量所需的多少，靠調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不但浪費(fèi)電能，調(diào)節(jié)起來(lái)也不方便。原電控系統(tǒng)一般采用直接或降壓起動(dòng)，對(duì)大功率電機(jī)（一般在55 kW以上）來(lái)說(shuō)，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)也造成較大的沖擊，甚至引起供電系統(tǒng)跳閘。而且對(duì)電機(jī)的各種保護(hù)也不齊全，很容易燒毀電機(jī)。

風(fēng)機(jī)可以借助于軟啟動(dòng)器或者變頻器完成其起動(dòng)過(guò)程。目前由于變頻器價(jià)格比較高，所以軟啟動(dòng)器就發(fā)揮了它的優(yōu)點(diǎn)。軟啟動(dòng)器不但能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)，而且調(diào)節(jié)風(fēng)量時(shí)節(jié)能效果也顯著，同時(shí)還集成了很多保護(hù)功能，比如缺相、過(guò)流、短路、三相電流不平衡等保護(hù)功能。這不僅大大提高了礦井生產(chǎn)的安全性，降低了生產(chǎn)成本，提高了自動(dòng)化程度，而且節(jié)省了資金方便工人使用。

3.3 水泵

井下排水也是煤礦生產(chǎn)中的主要工作之一，它承擔(dān)排出井下全部涌水的重要任務(wù)，是保障煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中的耗電大戶(hù)，占全部生產(chǎn)用電的13%～18%。因此有效地控制排水系統(tǒng)，使其高效低耗、經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行對(duì)煤礦安全生產(chǎn)意義重大。近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，許多煤礦需要進(jìn)行改擴(kuò)建，井下用電負(fù)荷量成倍增長(zhǎng)，但由于已經(jīng)形成地面供電系統(tǒng)容量小，往往難以滿(mǎn)足像高壓排水泵等井下大功率（1000kW以上）高壓電機(jī)的起動(dòng)要求。

采用軟啟動(dòng)器控制高壓排水泵有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在排水泵運(yùn)行過(guò)程中使用軟啟動(dòng)器，具有起動(dòng)電流小、起動(dòng)速度平穩(wěn)、起動(dòng)性能可靠、對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還具有軟停機(jī)、低速制動(dòng)、輕載節(jié)能及多種保護(hù)功能，為礦井排水系統(tǒng)的安全可靠性運(yùn)行提供了保障。

4 軟啟動(dòng)器的選擇

在不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場(chǎng)合一般鼠籠異步電動(dòng)機(jī)都是可以適用的。各種泵類(lèi)負(fù)載或風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載經(jīng)常需要軟起動(dòng)與軟停車(chē)，采用軟啟動(dòng)器非常適合。如果負(fù)載經(jīng)常變化，電動(dòng)機(jī)可能長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，采用軟啟動(dòng)器也可以收到較好的節(jié)能效果。

在選用軟啟動(dòng)器時(shí)應(yīng)主要考慮以下因素：

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)軟啟動(dòng)器的廠家比較多，技術(shù)水平參差不齊，產(chǎn)品也各式各樣，但多數(shù)為地面使用的低電壓軟啟動(dòng)器，在選購(gòu)時(shí)應(yīng)注意。雖然在價(jià)格上國(guó)內(nèi)產(chǎn)品要比國(guó)外品牌產(chǎn)品低一些，但在技術(shù)上和可靠性上與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品還有一定差距。近年來(lái)隨著技術(shù)的相互滲透，國(guó)內(nèi)外軟起啟器產(chǎn)品的差距也在不斷減小，市場(chǎng)份額已經(jīng)超過(guò)了國(guó)外品牌。

應(yīng)根據(jù)負(fù)載的不同來(lái)選擇不同類(lèi)型的軟啟動(dòng)器，同時(shí)還要考慮設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的電網(wǎng)容量、設(shè)備啟動(dòng)負(fù)荷大小、啟動(dòng)頻繁程度等具體條件。對(duì)于水泵類(lèi)起動(dòng)負(fù)荷較輕的設(shè)備，可選用功能簡(jiǎn)單、操作方便軟啟動(dòng)器。按電動(dòng)機(jī)的額定功率，選用相同容量的軟啟動(dòng)器就可以了。對(duì)于煤礦用的大功率設(shè)備（200 kW以上），如大型風(fēng)機(jī)、破碎機(jī)、長(zhǎng)距離輸送機(jī)等，啟動(dòng)負(fù)荷比較重，建議選用具有限流功能、突跳加斜坡電壓功能的軟啟動(dòng)器或是轉(zhuǎn)矩控制型的軟啟動(dòng)器。軟啟動(dòng)器容量的選擇要稍大于電動(dòng)機(jī)的額定功率。此外，還應(yīng)注意選擇能夠滿(mǎn)足煤礦防爆要求的軟啟動(dòng)器產(chǎn)品。

除上述兩點(diǎn)外，還應(yīng)考慮軟啟動(dòng)器的保護(hù)功能是否完備，例如是否有缺相保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、逆相序保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等等。煤礦使用的晶閘管軟啟動(dòng)器不允許長(zhǎng)期在額定負(fù)載下運(yùn)行，因此在起動(dòng)過(guò)程完畢后要利用旁路接觸器把它短接，切除后要注意電動(dòng)機(jī)運(yùn)行回路是否具有過(guò)載保護(hù)功能。另外可選用帶有微機(jī)接口功能的軟啟動(dòng)器，通過(guò)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，對(duì)軟啟動(dòng)器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。

軟啟動(dòng)器的散熱也要適當(dāng)考慮。軟啟動(dòng)器的冷卻方式分為機(jī)械風(fēng)冷與自然風(fēng)冷兩種。機(jī)械風(fēng)冷需要冷卻風(fēng)機(jī)，有的是通電常轉(zhuǎn)的，有的靠溫度控制器來(lái)控制其運(yùn)行的。煤礦使用的晶閘管軟啟動(dòng)器一般采用自然風(fēng)冷方式。

軟啟動(dòng)器大多帶正常運(yùn)行和故障信號(hào)輔助觸點(diǎn)，供工程設(shè)計(jì)選用。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，若工藝條件許可，一臺(tái)軟啟動(dòng)器還可用于多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，大大節(jié)省投資費(fèi)用，軟啟動(dòng)器容量則按其中最大電動(dòng)機(jī)的容量進(jìn)行選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種不同的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方式，例如磁控軟起動(dòng)、SCR軟起動(dòng)和液阻軟起動(dòng)等等，其中SCR軟起動(dòng)的應(yīng)用最為廣泛。現(xiàn)在人們?yōu)榱丝刂品奖?，往往將軟啟?dòng)器、開(kāi)關(guān)、控制電路以及計(jì)量設(shè)備等設(shè)計(jì)在一個(gè)整體安裝的柜體中，構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制中心（Motor Control Center），簡(jiǎn)稱(chēng) MCC，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的各種控制及故障的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。軟啟動(dòng)器可以和可編程控制器(PLC)組合，使電動(dòng)機(jī)的控制更加方便、可靠和靈活，實(shí)現(xiàn)控制的數(shù)字化；還可以和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，使電動(dòng)機(jī)的控制智能化和網(wǎng)絡(luò)化。隨著煤礦各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的逐步建立，煤礦企業(yè)的自動(dòng)化水平不斷提高，人們現(xiàn)在可以在中央控制室里檢測(cè)和控制井下的風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備。一旦出現(xiàn)狀況人們可立即通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)了解或預(yù)測(cè)即將發(fā)生的事情并及時(shí)發(fā)出干預(yù)，這樣一來(lái)就大大降低了井下的事故發(fā)生率。這是煤炭界和社會(huì)各界都希望看到的局面，也是我們努力的方向。

［1］李艷麗.隔爆高壓電軟啟動(dòng)器在煤礦井下的應(yīng)用[J].西北煤炭,2008，03.

［2］許軍.軟起動(dòng)器在煤礦的應(yīng)用[J].陜西煤炭,2008，04.

Abstract:The paper introduces the principles and features of soft-starter and its performance.The soft-starter's application in mine electric system is analyzed and its general selection principle is proposed.

Keywords:soft-starter;mine electric system;selection principle

編輯：徐樹(shù)文

Motor Soft-starting Technology and its Application in Mines

ZHANG Zhen-yi1,2
（1.North University of China,Taiyuan 030051；2.Shanxi Vocational and Technical College of Engineering,Taiyuan 030009,China）

TD679

A

1672-5050（2010）08-0066-04

2010-06-29

張貞一（1965—），女，河北石家莊人，在讀工程碩士，副教授，從事電器（氣）自動(dòng)化研究及教學(xué)工作。