潘文強

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033602)

0 引 言

礦井的主要通風機是礦井通風系統(tǒng)中最主要、也是最重要的設備，隨著近年來國內大型煤化工項目的發(fā)展，機電設備的供電可靠性也越來越受到各礦井的關注。對于主要通風機使用的電機，其啟動方式的選擇對主要通風機的運行安全有著較為直接的影響。

筆者基于工程實際項目案例，結合主要通風機電機的不同啟動方式的運行情況進行比對，分析主要通風機電機全壓啟動、軟啟動、變頻啟動的優(yōu)勢及劣勢[1]，為通風機的運行安全提供一定的參考。

1 通風機電機啟動方式應用概述

我國煤碳行業(yè)在早期開采時對礦井通風風量需求較低，在主要通風機選用的電機功率較小的情況下，對啟動方式的選擇沒有特別的需求，常采用的是全壓起動的方式，這也是最為簡單、可靠的一種起動方式。但全壓起動會的弊端也十分明顯，啟動電流大、沖擊電網，而電壓的下降,將直接影響其他運行中的設備的穩(wěn)定性。

因此，我國通用用電設備的相關標準規(guī)范有明確規(guī)定：電動機啟動時，需要保證端子電壓滿足機械啟動轉矩的要求，且配電系統(tǒng)電壓波動要控制在一定范圍內，以免影響配電系統(tǒng)中其它設備的正常工作與運行。而礦井主要通風機作為礦井的一類負荷，其重要性不言而喻，因此主要通風機配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要，顯然，使用全壓啟動的方式僅能滿足于小功率的風機電機，在大功率風機電機啟動的問題上，全壓啟動難以適用。

隨著煤炭行業(yè)產能逐步提升，礦井生產對風量的需求也逐步增高，大功率風機電機被普遍采用，全壓啟動方式無法滿足我國通用用電設備的相關標準規(guī)范，其缺點及危害逐漸暴露，為解決全壓啟動對電網沖擊大、啟動沖擊轉矩高等問題，對于中、大功率的電動機在標準規(guī)范中通常不允許直接采用全壓啟動的方式，而是通過降低電機啟動時的電壓的方式來實現(xiàn)電機的啟動，即為降壓軟啟動[2]。降壓軟啟動能穩(wěn)步提升電機啟動時的轉矩，符合主要通風機的機械特性曲線。降壓軟啟動技術雖然解決了以上問題，卻只能全壓運行，無法精確控制電機的輸出功率，對于需要精確控制主要通風機風量及節(jié)能降耗等方面仍存在短板。

隨著科技進步，變頻調速技術在主要通風機的應用，這種通過變頻器對輸出交流電頻率的改變來精確控制電機的轉數和轉矩的方式，不但能夠實現(xiàn)主要通風機的軟啟動,而且完美解決了主要通風機的調速、節(jié)能等方面的問題，可以說變頻調速技術是電機軟啟動技術的一個革命,也是今后的發(fā)展方向。

2 啟動方式分析比較

2.1 啟動方式介紹

主要通風機電機的啟動方式可以分為全壓啟動、軟啟動、變頻啟動三種，文中將結合工程實際項目案例對以上三種啟動方式、控制原理進行分析，并通過對比總結不同項目的優(yōu)缺點。

2.2 啟動方式與控制原理

2.2.1 項目一

啟動方式：全壓啟動。因項目一使用的風機電機功率較小，啟動時對電網的沖擊符合全壓啟動的標準，因此本項目可以選擇全壓啟動的方式。本項目使用的是FBCDZ-№22對旋軸流式通風機，電機功率2×250 kW，電壓10 kV，頻率50 Hz，額定電流19A。啟動時啟動電流為80A左右，啟動時間：5s(單臺電機)。該主要通風機在啟動時需要對兩臺電機進行分步啟動，即先啟動一級電機，待電機運行正常后再啟動二級電機，以減小沖擊電流。

控制原理：如圖1所示，通過電機出線柜KM(P)開關合閘即可直接啟動電機，通過切換換向隔離柜的換向開關KM(Z)、KM(F)，可以控制電機正、反轉實現(xiàn)通風、反風的功能，但只能通過對調節(jié)風機風葉角度來實現(xiàn)對主扇風機風量的調整。

圖1 全壓啟動控制原理圖

2.2.2 項目二

啟動方式：軟啟動。本項目使用的是FCZ№28/1600礦用動葉可調軸流通風機，電機功率1600 kW，電壓10 kV，頻率50 Hz，額定電流125 A。啟動時啟動電流由0～110 A逐步增加，啟動時間：50 s。該主要通風機僅使用單臺電機，啟動方式采用自勵式高壓固態(tài)軟啟動方式，執(zhí)行單元為CPLQ型高壓自勵式固態(tài)軟起動器，核心部件采用磁控電抗器降壓軟起動，通過低壓晶閘管勵磁控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電動機的平穩(wěn)起停。既無機械部件，也避免了高壓晶閘管易擊穿損壞的風險，保證系統(tǒng)的高可靠性。

控制原理：如圖2所示，電機開始軟啟動時，通過對高壓開關柜送電，此時KM(Z)或KM(F)閉合，QS(S)、QS(X)閉合，KM(P)斷開，高壓自勵式固態(tài)軟起動器供電電源接通，并由CPGD控制器根據控制要求調節(jié)晶閘管的導通角來控制勵磁繞組，使電動機電壓的平穩(wěn)提升，當三相異步電動機的轉速達到其額定轉速時，軟起動結束，隨后KM(P)閉合，QS(S)、QS(X)斷開。軟啟動器的加入可以實現(xiàn)電機平穩(wěn)啟動，通過切換換向開關KM(Z)、KM(F)可以使電機反轉實現(xiàn)反風，但只能通過對調節(jié)風機風葉角度來實現(xiàn)對主扇風機風量的調整。

圖2 自勵式軟啟動控制原理圖

2.2.3 項目三

啟動方式：變頻啟動。此項目使用的是FECDZ-NO34對旋軸流式通風機，電機功率2×800 kW，電壓6 kV，頻率50 Hz，額定電流109A，變頻器使用西門子羅賓康品牌PH-10-6-1000型高壓變頻器，可以實現(xiàn)兩臺電機同時啟動，根據現(xiàn)場實際風量要求，頻率給定47 Hz，在啟動時頻率由0～47 Hz逐步增加，啟動電流由0～90 A逐步增加，直至達到47 Hz、103A穩(wěn)定運行，啟動時間：40 s。

控制原理：正常啟動時，通過高壓開關柜對變頻器送電，變頻器啟動后，通過逐步增加電機電源的頻率，實現(xiàn)對電機的軟啟動，同時變頻器可以將頻率固定在0～50 Hz的任意值，來實現(xiàn)對電機轉速0～100%的連續(xù)調節(jié)；反風時，無需換向開關，只需將變頻器輸出頻率調整為相應的負值即可使電機反轉實現(xiàn)反風。

同時，配合電源切換柜的使用，可以實現(xiàn)不切換風機而切換供電電源的功能，如圖3所示，1#、2#變頻器電源取自I回路，3#、4#變頻器電源取自II回路，每臺變頻器由單獨的高壓開關柜進行供電，正常狀態(tài)下，1#、2#變頻器驅動1#風機，3#、4#變頻器驅動2#風機，通過對切換柜KM1～KM8的控制，可以實現(xiàn)由I回路變頻器驅動2#主要通風機，在高壓線路單回路供電故障時無需切換主要通風機，而快速恢復主通風機的正常運行。

圖3 變頻啟動控制原理圖

3 啟動方式應用對比結果

根據三個項目的應用情況，總結出部分數據如表1所列。

表1 啟動方式對比

(1) 項目一使用全壓啟動的方式，優(yōu)勢在于過程直接、控制回路簡單、啟動時間比較短，但啟動電流、沖擊轉矩較大，啟動時還需要對兩臺電機分別啟動，操作過程較為繁瑣，且需要配備專用的換向開關才能實現(xiàn)風機反風。

(2) 項目二使用軟啟動的方式，對比全壓啟動，其電壓、電流由零逐步提升到額定值，使電機在啟動過程中的啟動電流由直接啟動時出現(xiàn)的沖擊電流變?yōu)橹鸩缴叩目煽仉娏鳌Ｏ藳_擊轉矩，有效保護了機械設備，對電機以及相關機械設備的使用壽命有很大程度的提高，同時也大幅提升了供電系統(tǒng)的安全性。但軟啟動方式也需要配備專用的換向開關才能實現(xiàn)風機反風。

(3) 項目三使用變頻啟動的方式，具備軟啟動方式所有的功能，同時變頻啟動可實現(xiàn)對轉速0～100%的連續(xù)調節(jié)、任意值給定；在電網波動、電壓下降等情況下，變頻器通過降額運行仍能完全適應，相比較軟啟動方式，其安全性能有大幅提升；其次，眾所周知，變頻啟動在節(jié)能方面有有很強的作用，經實地考證，項目三的節(jié)電率可達35%；此外，變頻器作為高端設備，配備了非常多種類的接口，功能也有很多，將變頻器作為智能化控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，能夠實現(xiàn)的功能也更為豐富，可以滿足風機的使用場景中對電機的絕大部分控制要求。變頻啟動方式無需配備專用的換向開關即可實現(xiàn)反風。但因變頻器的價格昂貴，所以在性價比方面要遠低于軟啟動方式，同時，變頻器的結構復雜，在維護、保養(yǎng)、檢修、故障排除等方面對員工的專業(yè)素質有一定的考驗。

綜合考慮，當電機的大小符合全壓啟動的要求時，采用全壓啟動的方式最為簡單、直接、有效；從電機啟動穩(wěn)定性、經濟性方面考慮可以采用軟啟動的方式；在有特殊工況要求或者時經濟條件充裕的情況下可以選擇變頻啟動的方式。

4 結 語

當前煤炭行業(yè)的技術革新日新月異，電機的啟動方式也在不斷更新迭代，主要通風機作為礦井重要負荷，在供電、啟動、控制等方面的安全穩(wěn)定性備受重視，通過對不同啟動方式的分析比較，筆者認為，全壓啟動以及一些傳統(tǒng)的降壓啟動方式已無法滿足各行各業(yè)的需要，軟啟動和變頻啟動的方式將成為風機電機的主要啟動方式，并將逐步替代全壓啟動方式[4]。