電動機的軟啟動技術(shù)及在煤礦的應(yīng)用

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）

電動機的軟啟動技術(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）

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

軟啟動器；煤礦電氣；選用原則

電動機全壓起動是最簡單、最經(jīng)濟、最可靠的起動方式，但其直接起動的電流通常約為額定電流的5～7倍。當電動機功率較大時，直接起動的浪涌電流會對電網(wǎng)造成很大的沖擊，影響同一電網(wǎng)中其他負載的工作；同時過大的起動電流還會對電動機的供電設(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)的大功率電動機都采取降壓起動以限制起動電流。

傳統(tǒng)的降壓起動方式有：Y-△換接起動、串電阻（電抗）器起動、自耦補償器起動、延邊三角形起動等；其中自耦補償器起動一直是容量較大的鼠籠電動機普遍采用的起動方式。但是這種方法不適宜頻繁起動的場合，且設(shè)備體積大，價格高，維護量也大。國家有關(guān)部門對電動機起動早有明確規(guī)定，即電動機起動時的電網(wǎng)電壓降不能超過15%。以上的幾種降壓起動方式雖然電壓降有所減小，但其起動電壓均為跳躍式加入，起動電流也會對電網(wǎng)及供配電設(shè)備造成一定的沖擊，對電動機及負載都會帶來一定的損害，影響它們的使用壽命。

從二十世紀八十年代開始，國內(nèi)有不少研究機構(gòu)開發(fā)研制了軟起動技術(shù)，這種技術(shù)的出現(xiàn)較好地解決了上述的一些問題，隨著軟起動技術(shù)的逐步推廣使用出現(xiàn)了各種軟啟動器。

1 軟啟動器

1.1 軟啟動器的原理

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

1.2 軟啟動器的分類

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

1.3 軟啟動器與變頻器的區(qū)別

軟啟動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改變頻率，往往用在需要調(diào)速的地方；軟啟動器實際上只是個調(diào)壓器，輸出只能改變電壓而不能改變頻率，只用在電動機起動時。變頻器具備了軟起啟動器的所有功能，但它的價格也比軟啟動器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。

2 軟啟動器的性能

2.1 軟起動

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

交流電動機的軟起動主要有以下幾種方式：

（1）斜坡電壓軟起動。這種軟起動方式是最簡單的。早期的軟啟動器多數(shù)以起動電壓為控制對象進行控制，整個起動過程中僅控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電壓與時間成一定的函數(shù)關(guān)系增加，而不具備電流閉環(huán)的控制。其缺點是，在電動機的起動過程中，電流不加限制，有時會產(chǎn)生較大的沖擊性電流，不僅損壞晶閘管，而且對電網(wǎng)也有較大的影響，因此實際已很少應(yīng)用。

（2）斜坡恒流軟起動。在電動機的起動初期使電流以一定速率平穩(wěn)增加，當起動電流達到設(shè)定值后保持恒定直至起動過程結(jié)束。起動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)負載情況與生產(chǎn)要求來設(shè)定。這種軟起動方式實際中應(yīng)用最多，尤其適用于風機類、泵類負載的起動。

（3）恒流軟起動。開機后以最短時間使起動電流迅速達到設(shè)定值并保持恒定，直至起動過程結(jié)束，即在整個起動過程中限定起動電流。電流的限定值通常在電動機額定電流的1.5倍～4.5倍之間選擇。通過改變限定值的大小，可以控制電動機的起動時間。這種方式一般適用于慣性大的負載快速起動。

（4）脈沖恒流起動。起動開始有一個較大的沖擊電流，以產(chǎn)生較大的沖擊轉(zhuǎn)矩去克服負載較大的阻轉(zhuǎn)矩，使設(shè)備能夠起動；然后進入恒流起動階段，直至起動過程結(jié)束。沖擊電流的大小和維持時間是可以任意設(shè)定的。這種起動方式適用于重載起動的場合，如皮帶輸送機。

2.2 軟停車

在高層建筑的供水系統(tǒng)中，電動機的瞬間停車將會產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，使管道及水泵遭到破壞。因此拖動水泵類負載的電動機在停車時，常常通過電子控制電路使晶閘管經(jīng)過0～120 s的延時從全導(dǎo)通狀態(tài)逐漸過渡到全關(guān)閉狀態(tài)，從而實現(xiàn)電動機的安全停車。

2.3 輕載節(jié)能

電動機在空載或輕載運行時功率因數(shù)和效率都比較低，但軟啟動器可解決上述問題。過監(jiān)測電動機負載的變化，使軟啟動器根據(jù)變化來改變晶閘管的導(dǎo)通角，這樣電動機的工作電壓在空載或輕載時會自動降低，從而減少損耗，提高功率因數(shù)，達到輕載節(jié)能的目的。

2.4 故障檢測及保護

軟起動器引入電流閉環(huán)系統(tǒng)后，可以通過檢測電動機電流的變化，對過載、缺相等故障發(fā)出報警，并作出相應(yīng)保護，從而大大提高了電動機工作的可靠性。

3 軟啟動器在煤礦應(yīng)用舉例

軟啟動器工作安全、可靠，體積小、價格低、免維護，給用戶帶來很大的方便，在煤礦的應(yīng)用也日益廣泛。

3.1 帶式輸送機

帶式輸送機擔負著煤礦原煤運輸?shù)闹饕蝿?wù)，工作時間長，工作負荷大。采用傳統(tǒng)的直接啟動方式，往往由于運送距離長、啟動電流大，經(jīng)常造成供電網(wǎng)電壓降低，引起磁力啟動器及上級配電開關(guān)跳閘，導(dǎo)致重載起動失敗，磁力啟動器燒毀；同時電機起動時的沖擊載荷引起皮帶張力劇增嚴重降低了輸送皮帶的使用壽命，嚴重時甚至拉斷皮帶，而皮帶價值約占帶式輸送機總價值的四分之三。帶式輸送機的減速器、液力偶合器、滾筒、接頭等也會不同程度出現(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正朝著長距離、高帶速、大運量、大功率的方向發(fā)展。新型帶式輸送機的大型化要求與之配套的電機功率增大，對輸送皮帶的保護、延長其使用壽命提出了更高要求。采用電機軟啟動器，可降低了電機的起動電流，起動過程平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)近似恒流起動，使有效起動轉(zhuǎn)距增加到3倍～4倍，運輸能力和安全性能得以較大提高；同時降低了機械沖擊，皮帶機受力狀況可得到了明顯的改善，事故率大大降低。電機軟啟動器還可對電機實現(xiàn)全過程保護。

3.2 通風機

煤礦因生產(chǎn)的特殊性，巷道的通風系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用。礦井巷道的通風是否順暢，風量的足否都直接的關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)。而隨著開采及掘進的不斷延伸，巷道延長，所需的風量也將不斷增加，風機的功率也將加大。四季的交替，冷熱的變化，所需的風量也需不斷調(diào)節(jié)；傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是根據(jù)風量所需的多少，靠調(diào)節(jié)風門來實現(xiàn)的，不但浪費電能，調(diào)節(jié)起來也不方便。原電控系統(tǒng)一般采用直接或降壓起動，對大功率電機（一般在55 kW以上）來說，起動時間長，起動電流大，對電網(wǎng)也造成較大的沖擊，甚至引起供電系統(tǒng)跳閘。而且對電機的各種保護也不齊全，很容易燒毀電機。

風機可以借助于軟啟動器或者變頻器完成其起動過程。目前由于變頻器價格比較高，所以軟啟動器就發(fā)揮了它的優(yōu)點。軟啟動器不但能實現(xiàn)平穩(wěn)起動，而且調(diào)節(jié)風量時節(jié)能效果也顯著，同時還集成了很多保護功能，比如缺相、過流、短路、三相電流不平衡等保護功能。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，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)濟可靠地運行對煤礦安全生產(chǎn)意義重大。近年來，隨著煤礦開采深度的增加，許多煤礦需要進行改擴建，井下用電負荷量成倍增長，但由于已經(jīng)形成地面供電系統(tǒng)容量小，往往難以滿足像高壓排水泵等井下大功率（1000kW以上）高壓電機的起動要求。

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

4 軟啟動器的選擇

在不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場合一般鼠籠異步電動機都是可以適用的。各種泵類負載或風機類負載經(jīng)常需要軟起動與軟停車，采用軟啟動器非常適合。如果負載經(jīng)常變化，電動機可能長期處于輕載運行，采用軟啟動器也可以收到較好的節(jié)能效果。

在選用軟啟動器時應(yīng)主要考慮以下因素：

國內(nèi)生產(chǎn)軟啟動器的廠家比較多，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器，在選購時應(yīng)注意。雖然在價格上國內(nèi)產(chǎn)品要比國外品牌產(chǎn)品低一些，但在技術(shù)上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品還有一定差距。近年來隨著技術(shù)的相互滲透，國內(nèi)外軟起啟器產(chǎn)品的差距也在不斷減小，市場份額已經(jīng)超過了國外品牌。

應(yīng)根據(jù)負載的不同來選擇不同類型的軟啟動器，同時還要考慮設(shè)備現(xiàn)場的電網(wǎng)容量、設(shè)備啟動負荷大小、啟動頻繁程度等具體條件。對于水泵類起動負荷較輕的設(shè)備，可選用功能簡單、操作方便軟啟動器。按電動機的額定功率，選用相同容量的軟啟動器就可以了。對于煤礦用的大功率設(shè)備（200 kW以上），如大型風機、破碎機、長距離輸送機等，啟動負荷比較重，建議選用具有限流功能、突跳加斜坡電壓功能的軟啟動器或是轉(zhuǎn)矩控制型的軟啟動器。軟啟動器容量的選擇要稍大于電動機的額定功率。此外，還應(yīng)注意選擇能夠滿足煤礦防爆要求的軟啟動器產(chǎn)品。

除上述兩點外，還應(yīng)考慮軟啟動器的保護功能是否完備，例如是否有缺相保護、短路保護、過載保護、逆相序保護、過壓保護、欠壓保護等等。煤礦使用的晶閘管軟啟動器不允許長期在額定負載下運行，因此在起動過程完畢后要利用旁路接觸器把它短接，切除后要注意電動機運行回路是否具有過載保護功能。另外可選用帶有微機接口功能的軟啟動器，通過計算機聯(lián)網(wǎng)，對軟啟動器進行遠程控制和監(jiān)視。

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

軟啟動器大多帶正常運行和故障信號輔助觸點，供工程設(shè)計選用。在實際應(yīng)用過程中，若工藝條件許可，一臺軟啟動器還可用于多臺電動機的起動，大大節(jié)省投資費用，軟啟動器容量則按其中最大電動機的容量進行選擇。

5 結(jié)束語

隨著電動機軟啟動技術(shù)和電力電子器件的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了各種不同的電動機軟起動方式，例如磁控軟起動、SCR軟起動和液阻軟起動等等，其中SCR軟起動的應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn)在人們?yōu)榱丝刂品奖悖鶎④泦悠?、開關(guān)、控制電路以及計量設(shè)備等設(shè)計在一個整體安裝的柜體中，構(gòu)成電動機控制中心（Motor Control Center），簡稱 MCC，以實現(xiàn)對電動機的各種控制及故障的監(jiān)測和報警。軟啟動器可以和可編程控制器(PLC)組合，使電動機的控制更加方便、可靠和靈活，實現(xiàn)控制的數(shù)字化；還可以和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，使電動機的控制智能化和網(wǎng)絡(luò)化。隨著煤礦各種監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的逐步建立，煤礦企業(yè)的自動化水平不斷提高，人們現(xiàn)在可以在中央控制室里檢測和控制井下的風機、水泵等設(shè)備。一旦出現(xiàn)狀況人們可立即通過工業(yè)以太網(wǎng)了解或預(yù)測即將發(fā)生的事情并及時發(fā)出干預(yù)，這樣一來就大大降低了井下的事故發(fā)生率。這是煤炭界和社會各界都希望看到的局面，也是我們努力的方向。

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

［2］許軍.軟起動器在煤礦的應(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）自動化研究及教學(xué)工作。