郭 強(qiáng)

(浙江工商大學(xué) 環(huán)保設(shè)計(jì)研究院， 浙江 杭州 310005)

0 引 言

智能型軟起動(dòng)器利用高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片控制三對(duì)雙向反向并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，逐步增加起動(dòng)過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)的端電壓，限制起動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

我國(guó)工業(yè)及民用中大量使用籠型異步電動(dòng)機(jī)，用電量非常巨大，因而降低電動(dòng)機(jī)的能耗是節(jié)能減排的重要措施。

降低電動(dòng)機(jī)的能耗特別是起動(dòng)、停止過(guò)程中的能耗，目前選用4類智能控制器： (1) 早期適用于功率在100kW以下異步電動(dòng)機(jī)，主要利用“星-三角”(Y—△)起動(dòng)，起動(dòng)電流可限制在3倍額定電流以下，也采用一次回路串電阻起動(dòng)和自耦變壓器起動(dòng)；(2) 智能型軟起動(dòng)器，其可有效控制和調(diào)節(jié)起動(dòng)電流，適用于功率在1.5～800kW的異步電動(dòng)機(jī)；(3) 適用頻繁調(diào)速的變頻控制器，其節(jié)能效果更好，但價(jià)格較高，一般用于電機(jī)須調(diào)速的場(chǎng)合；(4) 近年發(fā)展起來(lái)的控制與保護(hù)開(kāi)關(guān)電器(Control and Protective Switching Device, CPS)，其適用于55kW以下的三相異步電動(dòng)機(jī)，將斷路器、接觸器、電動(dòng)機(jī)保護(hù)器等諸多功能結(jié)構(gòu)集成于一體，使其性價(jià)比更高，但因功率較小，使其使用范圍不夠廣泛。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)環(huán)保治理的要求和投入明顯加強(qiáng)，大功率水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備已被廣泛采用。在環(huán)保治理過(guò)程中，設(shè)備的調(diào)整、切換較頻繁，因而在這一領(lǐng)域推廣使用智能型軟起動(dòng)設(shè)備，具有更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 軟起動(dòng)器的工作原理

由于異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)其電流可達(dá)額定電流的7～8倍，早期的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器采用“Y—△”和串自耦變壓器等方式降壓起動(dòng)，但其起動(dòng)電流無(wú)法調(diào)整，特別是在大功率電機(jī)起動(dòng)時(shí)，對(duì)局部電網(wǎng)的影響較大。軟起動(dòng)器的原理也是降壓起動(dòng)，其起動(dòng)和停止時(shí)的電流可控、可調(diào)，從而使電網(wǎng)的運(yùn)行更安全。軟起動(dòng)器利用可控性晶閘管，將三對(duì)反向并聯(lián)的晶閘管串接到電動(dòng)機(jī)的三相供電電路上，控制晶閘管觸發(fā)極的時(shí)序，逐步增大其導(dǎo)通角，從而控制輸出給電動(dòng)機(jī)的端電壓大小，達(dá)到減小起動(dòng)電流，減小對(duì)電機(jī)和軸上機(jī)械沖擊的目的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束時(shí)，DSP控制繼電器、接觸器，由接觸器的觸點(diǎn)短接晶閘管，使電動(dòng)機(jī)在額定電流、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。晶閘管只在軟起動(dòng)、軟停車時(shí)使用，正常運(yùn)行由接觸器實(shí)現(xiàn)。軟起動(dòng)器的原理如圖1所示。圖1中，CT1、CT2、CT3為精密電流測(cè)量互感器；PT1、PT2、PT3為2mA/2mA電壓型電流測(cè)量互感器；K1-1、K1-2、K1-3為接觸器K的三組常開(kāi)觸點(diǎn)。

圖1 軟起動(dòng)器原理圖

2 軟起動(dòng)器的起動(dòng)特性

軟起動(dòng)器的起動(dòng)控制有“電壓/電流”控制和“轉(zhuǎn)矩/速度”控制兩種類型，前者又有電壓斜坡起動(dòng)、電流限幅起動(dòng)、沖擊脈沖起動(dòng)三種形式；后者具有更小的起動(dòng)電流和能耗。

2.1 “電壓/電流”控制起動(dòng)型

2.1.1 電壓斜坡起動(dòng)

電壓斜坡起動(dòng)適用于輕載電動(dòng)機(jī)，有單速率斜坡起動(dòng)、雙速率斜坡起動(dòng)、單速加突跳起動(dòng)三種。

單速率斜坡起動(dòng)是以一個(gè)起始電壓U0(一般取額定電壓的30%～70%)和某一端電壓增加速率起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。起動(dòng)過(guò)程按確定的速率改變晶閘管的導(dǎo)通角，逐步增加到電壓零點(diǎn)附近，然后接通接觸器，晶閘管退出工作，完成起動(dòng)。

雙速率斜坡起動(dòng)，從起始電壓U0開(kāi)始以較低速率v1增大晶閘管導(dǎo)通角，后一階段以較高速率v2增大晶閘管導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)端電壓以較高速率接近電機(jī)額定電壓，最后接通接觸器，晶閘管退出工作而完成電機(jī)起動(dòng)。

單速加突跳起動(dòng)是以起始電壓U0和較高速率增大晶閘管導(dǎo)通角，在端電壓接近電機(jī)額定電壓時(shí)，以突跳方式全導(dǎo)通晶閘管增加到電動(dòng)機(jī)的額定電壓，然后接通接觸器，晶閘管退出工作，完成電機(jī)起動(dòng)。

這3種起動(dòng)方式根據(jù)實(shí)際需要，起動(dòng)電流可限在2～4倍電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行電流；起動(dòng)時(shí)間可隨意調(diào)整，一般設(shè)為1～30s、1～60s、1～120s。

2.1.2 電流限幅起動(dòng)

該起動(dòng)方式根據(jù)負(fù)載輕重可設(shè)定最大限止電流IM為2～5倍額定運(yùn)行電流，負(fù)載重時(shí)設(shè)大些，輕時(shí)設(shè)小些，控制較簡(jiǎn)單。電機(jī)起動(dòng)后，反電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速增加而增加，起動(dòng)電流逐步減小。當(dāng)采樣電流有效值IIM時(shí)，暫停改變導(dǎo)通角，起動(dòng)電流隨轉(zhuǎn)速增加而減小。根據(jù)A/D檢測(cè)精度，該方式須設(shè)電流檢測(cè)誤差帶，在誤差帶內(nèi)不控制，否則會(huì)引起振蕩。起動(dòng)時(shí)間可設(shè)為： 1～30s、1～60s、1～120s。電流限幅起動(dòng)也適用于輕載電動(dòng)機(jī)。

2.1.3 沖擊起動(dòng)

沖擊起動(dòng)用于機(jī)械慣性較大的重負(fù)載，如球磨機(jī)、電纜絞線機(jī)等。該起動(dòng)在0.1～1.5s時(shí)間內(nèi)加一個(gè)沖擊起動(dòng)電壓U，然后降到起始電壓U0，再以單速率增加到額定電壓。根據(jù)負(fù)載慣性的大小，沖擊起動(dòng)的電壓可在額定電壓的(50%～100%)內(nèi)調(diào)節(jié)，沖擊的脈沖寬度可在0.1～1.5s內(nèi)調(diào)節(jié)。

2.2 “轉(zhuǎn)矩/速度”控制起動(dòng)型

該方式是將電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩從小到大線性上升，故起動(dòng)平滑，主要用于重載起動(dòng)。

2.3 軟起動(dòng)器起動(dòng)過(guò)程的波形圖

電機(jī)是一感性元件，電流滯后于電壓一個(gè)功率因數(shù)角φ。φ剛起動(dòng)時(shí)較大，結(jié)束時(shí)較小，起動(dòng)過(guò)程中是變化的。晶閘管觸發(fā)角α起始為 120°～150°。晶閘管導(dǎo)通角θ=π-α+φ。晶閘管的導(dǎo)通角θ、觸發(fā)角α、功率因數(shù)角φ的關(guān)系如圖2所示。

圖2 晶閘管導(dǎo)通θ、觸發(fā)角α、功率因數(shù)角φ的關(guān)系

二對(duì)極異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速n與功率因數(shù)角φ的關(guān)系如圖3所示。同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，異步轉(zhuǎn)速為1450r/min。起動(dòng)時(shí)，φ=58°，cosφ=0.53；異步轉(zhuǎn)速時(shí)，φ≈30°，cosφ≈0.866?？梢?jiàn)異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的效率很低。因而在電機(jī)應(yīng)用較多的場(chǎng)合，使用功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)和動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置是非常必要的。

圖3 電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速n功率因數(shù)角φ的關(guān)系

3 軟起動(dòng)器的保護(hù)功能

軟起動(dòng)器具有過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限、起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)、運(yùn)行時(shí)阻塞、缺相及三相電流不平衡、單相金屬性對(duì)地短路(矢量型和地電流型)、相序、起動(dòng)超時(shí)、電機(jī)超溫、過(guò)壓、欠壓等多種保護(hù)。

3.1 過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限保護(hù)

過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)反時(shí)限保護(hù)與電流的平方成反比，且相應(yīng)于電動(dòng)機(jī)6倍電流的設(shè)定動(dòng)作時(shí)間。計(jì)算式為

(1)

I——電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中采樣電流有效值；

Ie——電機(jī)額定電流；

tR——6倍Ie電流下的整定時(shí)間，tR=5、10、15、20、30、40s；

T1——電機(jī)過(guò)載保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

3.2 缺相及三相電流不平衡保護(hù)(定時(shí)限)

計(jì)算式為

=(10～60)%+OFF(退出保護(hù))

式中：Δ——三相電流不平衡率；

Imax——三相中最大相電流；

Imin——三相中最小相電流；

保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可設(shè)1～30s。

4 軟起動(dòng)器的應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)家對(duì)于環(huán)境治理的投入逐年增加，治理標(biāo)準(zhǔn)也逐步提高，管理力度也大大增強(qiáng)。大中型離心風(fēng)機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)及水泵在環(huán)保治理領(lǐng)域已被廣泛使用。由于環(huán)保治理項(xiàng)目在日常的運(yùn)行管理中有著自體的特殊性——需要經(jīng)常調(diào)整風(fēng)機(jī)與水泵的起停臺(tái)數(shù)，故在當(dāng)前節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新的要求下，減少電動(dòng)機(jī)能耗，提高運(yùn)行效率具有極

為重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。軟起動(dòng)器在這方面體現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越性已被業(yè)內(nèi)人士廣泛重視。對(duì)電動(dòng)機(jī)幾種起動(dòng)方式和軟起動(dòng)器的一些性能加以說(shuō)明，如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)幾種起動(dòng)方式和軟起動(dòng)器的性能

5 結(jié) 語(yǔ)

異步電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流可達(dá)7～8倍額定電流，易造成電機(jī)發(fā)熱和機(jī)械損壞，也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。早期常用“Y—△”(星形-三角形)限流起動(dòng)，適用于較小的異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)載起動(dòng)或低轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，在“Y—△”轉(zhuǎn)換時(shí)有沖擊電流和轉(zhuǎn)矩峰值，參數(shù)無(wú)法調(diào)整。軟起動(dòng)器利用改變晶閘管的導(dǎo)通角逐步調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的起動(dòng)電流。起動(dòng)和停止時(shí)的電流、時(shí)間均可控、可調(diào)，起動(dòng)電流可限止在2～4倍電機(jī)額定電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)結(jié)束后由接觸器取代晶閘管而穩(wěn)定運(yùn)行，適用于1.5～800kW三相異步電動(dòng)機(jī)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊小。

由于軟起動(dòng)器的諸多優(yōu)點(diǎn)，其已在環(huán)保行業(yè)的大型水泵、風(fēng)機(jī)及污水處理過(guò)程中得到應(yīng)用，既可降低起動(dòng)電流，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，又能提高電機(jī)的使用壽命。另外，對(duì)于在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要頻繁起動(dòng)的電氣設(shè)備，軟起動(dòng)器具有很多優(yōu)點(diǎn)，值得大力推廣。

【參考文獻(xiàn)】

[1] GB 14048.6—2008 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第4-2部分： 接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器，交流半導(dǎo)體電動(dòng)機(jī)控制器起動(dòng)器(含軟起動(dòng)器)[S].

[2] JB/T 10736—2007 電動(dòng)機(jī)保護(hù)器[S].