李學(xué)棟

（天津渤化工程有限公司,天津300193）

化工行業(yè)的低壓配電系統(tǒng)中, 含有大量的感應(yīng)電動機(jī)，且很多情況下都需重載啟動。多年來，大功率電機(jī)的啟動、重載啟動的問題倍受關(guān)注。傳統(tǒng)的電機(jī)啟動方式分為全壓啟動和降壓啟動。全壓啟動時，啟動電流大(約4～7 倍額定電流In)、功率因數(shù)低，不僅增大變壓器及電機(jī)的損耗，而且會對配電系統(tǒng)造成沖擊。而傳統(tǒng)的降壓啟動(如自耦降壓啟動或Y-△啟動)，雖可降低啟動電流(自耦降壓啟動約 1.7～4 倍 In；Y-△啟動約 1.8～2.6 倍In），但還是相對較大，功率因數(shù)較低。所以全壓啟動和降壓啟動還是屬于大電流啟動方式。

隨著軟啟動器的出現(xiàn)，不但電機(jī)啟動過程中過大啟動電流沖擊電網(wǎng)的問題得到了解決,提高了供電系統(tǒng)的質(zhì)量，而且抑制了啟動過程中過大轉(zhuǎn)距，提高了用電設(shè)備的壽命，降低了運(yùn)維費(fèi)用。

1 電動機(jī)軟啟動器的工作原理

軟啟動器以單片機(jī)為CPU、以可控硅（晶閘管）為執(zhí)行元件。工作中，軟啟動器采集電機(jī)功率因數(shù)角，自動判斷電機(jī)負(fù)載率，并根據(jù)控制算法輸出觸發(fā)脈沖，調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角來改變輸出電壓(圖1)，從而調(diào)節(jié)啟動電流、啟動轉(zhuǎn)矩[1]。

圖1

圖2

軟啟動器啟動可使電機(jī)在空載、輕載啟動運(yùn)行時端電壓降低、啟動電流減小，如此一來不僅可以減小電機(jī)損耗、減小電網(wǎng)對電機(jī)的輸入功率，也可以減小大電機(jī)啟動時對電網(wǎng)的沖擊。

通過軟啟動器啟動電機(jī)，隨著轉(zhuǎn)速加快，晶閘管電壓逐漸變大直至整個導(dǎo)通，電機(jī)完成啟動。此后，晶閘管被旁路接觸器所代替，如此一來，不僅能減少對晶閘管的消耗，延長軟啟動器壽命，還能避免電網(wǎng)被諧波所污染。

不僅如此，軟啟動器還能在電機(jī)停車時發(fā)揮相反的作用，讓電壓逐步減小到最低，以免在停車的時候受到?jīng)_擊力的作用。

2 電動機(jī)軟啟動器的啟動方式[2～8]

2.1 限流啟動：電機(jī)在啟動過程中限制啟動電流不超過某一設(shè)定值(Is)的軟啟動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，直到輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)置的電流限值Is，然后在保持輸出電流I＜Is 的條件下逐漸升高電壓到額定電壓。使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。此種啟動方式的優(yōu)點(diǎn)是啟動電流小且能按需要調(diào)整，對電網(wǎng)影響小。缺點(diǎn)是在啟動時難以知道啟動壓降，不能充分利用壓降空間。損失啟動力矩，對電機(jī)不利。所以在控制電機(jī)啟動時，需根據(jù)實(shí)際情況，將限流啟動和其他啟動方式配合使用。

2.2 斜坡電壓啟動：顧名詞義，啟動時電機(jī)定子端電壓逐步線性上升，即從原始的降壓啟動從有級變成了無級，隨著電壓升高，電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也逐漸增大。當(dāng)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩大于阻尼轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之和時，電機(jī)開始啟動，并最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。此啟動方式只需調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之和時間成一定函數(shù)關(guān)系，較為簡便。

斜坡電壓啟動適用于重載啟動(圖2)，如引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵及一些內(nèi)部物料粘稠的機(jī)泵。但也有其缺點(diǎn)，即初始轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性拋物線型上升對拖動系統(tǒng)不利。且過長的啟動時間不僅有損于電機(jī)，晶閘管也會因巨大的重聚電流而出現(xiàn)破損的情況。

2.3 轉(zhuǎn)矩控制啟動：該方法是指將電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升。其優(yōu)點(diǎn)是平滑啟動、柔韌度好，針對拖動系統(tǒng)有獨(dú)特的保護(hù)，能有效延長拖動系統(tǒng)的使用壽命，也能降低電機(jī)啟動對電網(wǎng)的沖擊，是目前最好的啟動方式，也是重載啟動的最優(yōu)選擇。缺點(diǎn)是它啟動時間較長。

2.4 轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動：和上述方法相仿也適用于重載啟動，不同之處在于啟動的瞬間，此種啟動方式使用突跳轉(zhuǎn)矩去克服電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩，而后轉(zhuǎn)矩逐漸上升，可縮短啟動時間。但是，突跳會向配電系統(tǒng)發(fā)送尖脈沖、干擾其它負(fù)荷，使用時需要注意這個問題。

2.5 電壓控制啟動：該方式適用于輕載啟動的地方，在確保啟動壓降下，讓電機(jī)以最大啟動轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)，使啟動時間大大縮短，是最優(yōu)的輕載軟啟動方式。

3 電動機(jī)軟啟動器在化工項(xiàng)目中的應(yīng)用及工作特點(diǎn)

在化工項(xiàng)目中，除工藝專業(yè)使用很多大容量機(jī)泵，如熔鹽泵、氫壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)外，公用工程相關(guān)專業(yè)也不乏其數(shù)，例如循環(huán)水泵、脫鹽水泵、冷凍機(jī)等。且化工行業(yè)還有其特點(diǎn)，根據(jù)工藝生產(chǎn)流程，廠內(nèi)生產(chǎn)裝置區(qū)占地面積大、用電設(shè)備多且布置集中，而儲運(yùn)區(qū)域尤其是各類罐區(qū)，用電負(fù)荷又很分散。并且根據(jù)工藝要求，很多時候變配電站無法充分靠近負(fù)荷中心，導(dǎo)致電設(shè)備配電距離遠(yuǎn)。

大容量機(jī)泵所配電機(jī)，若直接啟動則會對所在配電系統(tǒng)造成沖擊，使系統(tǒng)母線電壓下降，影響系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的正常運(yùn)行。若采用傳統(tǒng)降壓啟動，雖可部分減小對配電系統(tǒng)的沖擊，但仍無法完全消除，且無論自耦降壓啟動或Y－△啟動，都有其各自的缺點(diǎn)，如Y－△啟動需在電機(jī)端采用兩種接線形式，也需兩根電纜進(jìn)行配電，若配電距離很遠(yuǎn)則經(jīng)濟(jì)上比較浪費(fèi)。雖可利用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動，但較高的價格及大量晶閘管在線運(yùn)行造成的諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，使之難以作為電機(jī)軟啟動的主要方式，而更多的應(yīng)用于生產(chǎn)上需要變頻控制的機(jī)泵。

化工行業(yè)所使用的機(jī)泵，一般通過現(xiàn)場控制按鈕或工藝自動控制系統(tǒng)給出干接點(diǎn)信號，通過硬接線形式送至控制回路，隨后由軟啟動器采集主回路參數(shù)并控制電壓、電流的升高，當(dāng)電機(jī)端電壓到達(dá)額定電壓之后，旁路接觸器自動閉合，并短接可控硅回路，電機(jī)連通三相電源，最終完成啟動的所有步驟。軟啟動器主回路的接線圖見圖3 所示。

圖3

當(dāng)然也可直接通過軟啟動器自帶的RS485 接口，采用 Modbus 或 Profibus 通訊協(xié)議，由工藝自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測。

此外，目前的軟啟動器產(chǎn)品還具有很多保護(hù)功能，配合著硬件電路，軟件設(shè)計(jì)有過壓、欠壓、斷相、過載等保護(hù)程序，動作可靠程度高。且通過RS485 接口軟啟動器可與其它直啟電機(jī)的馬達(dá)保護(hù)器通訊接口相連，接入工藝自動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全廠工藝生產(chǎn)的高度自動化。

在化工工程應(yīng)用中，各類氣體壓縮機(jī)、冷凍機(jī)等撬裝設(shè)備的主電機(jī)不僅容量大且需頻繁啟停，此時應(yīng)用軟啟動器則能明顯體現(xiàn)出優(yōu)勢。軟啟動器不僅結(jié)構(gòu)緊湊、接線簡明、發(fā)熱量低、功能強(qiáng)大，且通過大幅度減小沖擊和振動，可以降低設(shè)備本體所承受的機(jī)械應(yīng)力，延長設(shè)備使用壽命。經(jīng)過多項(xiàng)化工、石化行業(yè)工程實(shí)際運(yùn)用的考驗(yàn)，無論設(shè)備頻繁啟停，還是長時間運(yùn)行等各類工況，軟啟動器都經(jīng)受了考驗(yàn)。

4 結(jié)語

軟啟動器有效的解決了全壓和降壓啟動過程中電流過大而帶來的各種問題。不僅可以使電動機(jī)安全平穩(wěn)的啟動，還能減小對配電系統(tǒng)的沖擊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對電動機(jī)運(yùn)行的保護(hù)，還能提高工藝生產(chǎn)自動化的程度，不僅能穩(wěn)定配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，還能延長電動機(jī)的機(jī)械使用壽命.....功能相較于之前多了許多，而各項(xiàng)操作又相對容易。但軟啟動器也不可一概而論，這其中限電流啟動和斜波電壓啟動，就是比較原始比較簡單的啟動方式。最適用最先進(jìn)的啟動方式應(yīng)是電壓控制啟動和轉(zhuǎn)矩控制啟動及轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動。對于頻繁啟停的設(shè)備，軟啟動器可有效降低啟動電流，減小啟動應(yīng)力，延長電機(jī)使用壽命，同時減小配電容量，避免增容節(jié)約投資。