吳澤榮

（挖金灣煤業(yè)公司電訊科， 山西 大同 037042）

引言

由于煤礦開采環(huán)境復雜，很多企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，紛紛采購現(xiàn)代化開采機器。目前，應用比較廣泛的電機設備為鼠籠電動機[1]。該電動機可以在空氣潮濕、惡劣的環(huán)境中運行，但是由于頻繁啟動電動機，增加了負荷波動幅度，從而對電機的穩(wěn)定運行造成了嚴重影響。為了降低頻繁啟動對電機運行造成的影響，本文采將10 kV級高壓隔爆本安型軟啟動器應用到實際開采現(xiàn)場展開詳細研究。

1 高壓隔爆本安型軟啟動器的電路組成與工作原理

該設備主要由本質(zhì)安全型與隔爆型組成，其控制線路與主線路的安裝位置均在隔爆外殼，以滿足隔爆要求，除了具有較強的隔爆性以外，其耐爆性也較強[2]。另外，軟啟動器可以實時控制信號，提高了電機運行的安全性。如果線路發(fā)生故障，將產(chǎn)生能量非常小的電火花，不會發(fā)生煤塵與瓦斯點燃現(xiàn)象。

軟啟動器采用電子技術(shù)與微處理技術(shù)，形成一種新型電動機減壓啟動器，不僅能夠降低啟動機械的應力，還可以降低電機啟動電流，具備高安全性保護功能。該裝置的啟動方式主要有兩種，分別是軟啟動方式與直接啟動方式[3]。前者應用較多的控制方式為電壓斜坡控制方式、限流控制方式，具備報警指示、雙參數(shù)控制、電壓控制、可編程低速電動控制等功能。

軟啟動器具有較強的過負載能力，工作頻率在45～66 Hz之間，支持電壓波動范圍在+10%～-25%，如圖1所示。

啟動器的主開關(guān)器件設置在主電路上，采用單向晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)到電路中，通過改變晶閘管的開通相位來調(diào)節(jié)軟啟動器的輸出電壓，如圖2所示。

圖1 裝置工作原理圖

圖2 軟啟動器的主電路原理圖

2 軟啟動器在煤礦井下的應用分析

2.1 項目背景

本項目位于陜西省榆林市神木縣，投資公司為中國神華能源股份有限公司，總井田面積可達169.7 km2，設置了7個采煤層，預計年生產(chǎn)原煤800萬t。本次研究將軟啟動器安裝在煤礦井下來控制電機的啟動，從而為煤礦供電系統(tǒng)安全與穩(wěn)定運行提供有效保障。

2.2 裝置線路連接

2.2.1 主線路連接

軟啟動器主線路采用三相交流電源進行供電，電源裝置通過自動空氣短路器與軟啟動器的T端、S端、R 端相連；W、V、U端與 L13、L12、L11端之間通過旁路接觸器KM主觸點相互連接；為了實時檢測電機運行過程中的電流，在 L13、L12、L11端與 T、S、R 端之間采用電流互感器實現(xiàn)測量；電機的外圍接口分別與W、V、U端相連。軟啟動器自身具有較高的安全性，其內(nèi)部的電子式電機過電流保護裝置可以防止電流過大，對電機造成損壞。

2.2.2 控制線路連接

軟啟動器控制線路中的旁路接觸器線圈通過其內(nèi)部的熔斷器與旁路的繼電器常開觸點與交流電源連接。該裝置的12號端子及11號端子與測量范圍在0～20 mA之間的直流電表外接，主要用于檢測電機電流。6號端子與5號端子作為故障輸出端子，如果軟啟動器在運行過程中發(fā)生故障或者供電線路異常閉合的情況下，這兩個端子輸出的信號可以作為控制信號、故障預警信號。4號端子、3號端子為多功能編程輸出端子，可以將其作為線路工作狀態(tài)下產(chǎn)生信號或者多功能定時器產(chǎn)生信號的輸出端子。根據(jù)煤礦開采功能需求，本次研究將上述輸出端子進行靈活組合，設計出一個應用控制電路，如圖3所示。

圖3 軟啟動器外圍電路連接原理圖

2.3 泵模式、硬啟動、脈沖啟動應用效果分析

為了保證設備可以長期無故障連續(xù)運行，本次研究除了采取軟啟動方式以外，在開采裝置系統(tǒng)內(nèi)部還設置了硬啟動、脈沖啟動與泵控。本系統(tǒng)的設計方案為：采取“一拖多電機”設計思想，線路中設置3臺1 000 kW電機拖動水泵，每一個高壓線路均配備一個供電電源，這樣每一臺軟啟動器可以有多個電源提供電能，從而實現(xiàn)雙調(diào)節(jié)。另外，本次設計還設置了兩套不同特性的電機，根據(jù)實際工程情況，開啟其中一臺電機即可。這種設計能夠降低成本，有助于后期維護操作。

將該裝置投入到實際工程中應用發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)試泵控程序，可以同時控制3條扭矩曲線與電壓斜坡曲線，依據(jù)實際工程情況，做出準確的選擇，從而達到減小峰值扭矩的目的。通過曲線的選取來有效控制電機的運行，以此防止電機突然停止工作，出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。如圖4所示為斜坡軟啟動與限流啟動控制的測試效果圖，經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，電流斜坡軟啟動效果更好一些，且對于特殊負載情況的應用效果較好。

通過觀察圖4中左側(cè)曲線效果圖，可將其看作兩段不同的曲線，如式1所示。

圖4 斜坡軟啟動與限流啟動控制的測試效果圖

式中：q為斜坡軟啟動點；t為裝置運行時間；y為電壓百分數(shù)/電流百分數(shù)；k、b為常數(shù)；p為斜坡軟啟動點對應的電壓百分數(shù)。

通過觀察圖4中右側(cè)曲線效果圖，可將其看作兩段不同的曲線，如式2所示。

式中：q為限流啟動點；t為裝置運行時間；y為電壓百分數(shù)/電流百分數(shù)；k、b為常數(shù)；p為t-δ時刻下對應的電壓百分數(shù)。

2.4 應用結(jié)果分析

將多次測試結(jié)果進行整理，可以得到該裝置在1 024 h運行時間內(nèi)產(chǎn)生故障的次數(shù)，將其與傳統(tǒng)啟動方式進行對比，如表1所示。

表1 軟啟動器與傳統(tǒng)啟動設備產(chǎn)生故障次數(shù)對比表

通過觀察表1中的數(shù)據(jù)可知軟啟動器在煤礦井下的應用效果較好，與傳統(tǒng)啟動方式相比，降低了50%以上的故障率，可以廣泛應用。

3 軟啟動器安裝接線注意事項

為了將軟啟動器的作用全部發(fā)揮出來，在接線過程中需要注意的事項如下：

1）連接控制盒與可控硅之間的線路，并用萬用表測試電阻，如果該阻值低于100 kΩ，則立即更換電阻，保證其在規(guī)定值以上。

2）該裝置的 L13、L12、L11為進線端，分別與前一級的開關(guān)相連接，W、V、U為出線端，這些接口需要與電動機相連接。

3）當前使用比較多的軟啟動器，其電壓設置主要有兩種，分別是1 140 V、660 V。客戶可以根據(jù)實際情況選取合適的電壓等級，要求軟啟動器銘牌上標注的額定電流高于被控制電機的額定電流。

4 結(jié)語

運用10 kV級高壓隔爆本安型軟啟動器，可最大限度地清除高壓大功率泵啟動和關(guān)閉系統(tǒng)的機械沖擊，消除設備啟動過程中對電網(wǎng)的影響，值得被廣泛運用于地下煤炭開采行業(yè)。

[1] 佚名.QJGR系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓真空交流軟啟動器[J].工礦自動化，2015（9）：92.

[2] 陳中洋，呂朝帥，趙文艷.355機座號10 kV高壓隔爆型三相異步電動機試制討論[J].電氣防爆，2015（3）：10-13.

[3] 方章英.基于礦用隔爆兼本質(zhì)安全型軟啟動器研究與應用[J].煤礦機械，2014，35（1）：171-173.