基于軟啟動技術的大型粉磨機啟動研究*

祝戰(zhàn)科，劉泉海，譚 涌

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西咸陽 712000;2.咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西咸陽 712021)

1 引言

2 粉磨機需軟啟動控制的電機及相關參數(shù)

該設備環(huán)節(jié)多，控制電機數(shù)目較多。粉磨機生產(chǎn)效率高，產(chǎn)能比大?？傃b機容量為495kW。需進行軟啟動控制的電機為風機及幾臺主要粉磨室的驅(qū)動電機。超細粉磨機需要進行軟啟動控制電機及控制形式一覽表見表1所列。

表1 超細粉磨機需要進行軟啟動控制電機一覽表

這些電機啟動時電流通常是額定電流的4～7倍(該電機額定電流Ie=205A)，如果正常啟動電流達到1000A以上，會對電網(wǎng)造成較大沖擊，影響其他設備的工作，因此須采取軟啟動的措施。

3 三相異步交流電機啟動方法簡述

三相交流電機因其結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉而廣泛作用于電力拖動生產(chǎn)的機械動力，在機械、化工、紡織和石化等行業(yè)應用廣泛。然而電動機的啟動特性卻舉步維艱。這是因為電動機在恒壓下直接啟動，啟動電流約為額定電流的4～7倍，其轉速要在很短的時間內(nèi)從0上升到額定轉速，會在啟動的過程中產(chǎn)生沖擊，易導致電力拖動對象的傳動機構等造成嚴重磨損甚至損壞。在啟動瞬間大電流的沖擊下，引起電網(wǎng)電壓下降，影響到電網(wǎng)內(nèi)其它設備的正常運行。同時因電壓降低，電動機本身啟動也難以完成，造成電機堵轉，嚴重時可能燒壞電機。因而如何減小異步電機瞬間啟動的大電流沖擊，是電動機運行中的首要問題。為此必須設法改善電動機的啟動方法，使電機能夠平滑啟動，于是產(chǎn)生了各種限流啟動的方法。

(1)定子串電阻啟動 電動機啟動時，在三相定子電路中串入電阻，使加在電動機繞組上的電壓低于電網(wǎng)電壓，待啟動后，再將電阻短接，電動機在額定電 是啟動轉矩隨定子電壓的平方關系下降，又由于是分級啟動，啟動特性不平滑，故它只適用于空載或輕載啟動場合，在啟動過程中，電阻上消耗的能量大，不適用經(jīng)常啟動的電動機。本設備要求有重載啟動，因此此法不可用。

(2)Y/△啟動 凡是在正常運行時，負載對電動機啟動力矩無嚴格要求，又要限制電動機啟動電流，且定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電機，可以采用Y/△啟動。啟動時將定子接成星形，待電動機接近額定轉速時再改為三角形。電動機接成星形，啟動電流只有原來三角形連接的1/3。Y/△屬降壓啟動，它是以犧牲功率為代價來換取低電壓的實現(xiàn)。其主要缺點是當啟動從星形切換到三角形接法時，會出現(xiàn)較大的二次電流和轉矩變動，易引起機械和電氣應力，導致故障［4］。本設備不適用此法。

(3)自耦變壓器啟動 自藕變壓器啟動既適用于正常運行時三角聯(lián)結的電動機，也適用于星形聯(lián)結的電動啟動。啟動時，先通過三相自藕變壓器將電動機定子電壓降低，啟動后再將自藕變壓器切除，使電動機定子電壓恢復到額定值。設自藕變壓器原副邊降壓比為K，根據(jù)自藕變壓器上抽頭的不同，壓降比K也不同，不同的K可以滿足對不同起動電流和起動轉矩的要求。與直接啟動相比(定子繞組的聯(lián)結方式相同)，自藕變壓器啟動的起動電流、定子電壓減小至原來的K倍，電源電流和啟動轉矩都減小到原來的K平方倍。自藕變壓器的變比在一定范圍內(nèi)可調(diào)，但是其有限的輸出電壓變比級數(shù)，限制了理想啟動電流的選擇，且自藕變壓器的造價較高。

4.要將企業(yè)勞動保護工作作為一項系統(tǒng)工程來推進。企業(yè)勞動保護工作涉及管理的諸多層級和關系，企業(yè)工會需依法履行勞動保護職責，如充分行使《勞動法》、《安全生產(chǎn)法》、《工會法》等授予工會組織在勞動保護工作中的參與權、代表權、知情權和監(jiān)督權，在企業(yè)宣傳普及安全勞動保護知識，以及監(jiān)督國家有關勞動保護、安全技術、環(huán)境衛(wèi)生等法律法規(guī)在企業(yè)的貫徹落實情況，及時解決影響職工健康和安全的各類問題等。同時，還要與安全監(jiān)察部門開展協(xié)調(diào)監(jiān)管工作，尤其是探索出新時期勞動保護、廣泛監(jiān)督的工作內(nèi)容、發(fā)展思路和方式方法。

綜合以上啟動方式可知，它們都不能為電動機提供可以調(diào)節(jié)的平穩(wěn)無級加速，無法適應特定的電動機軟啟動要求，啟動電流和啟動加速力矩的控制也無法達到特定值以下，無法完全避免機械及電氣沖擊。壓下運行。此法適用于低壓電機。這種方法的缺點

4 軟啟動的工作原理

軟啟動器有如三相全控橋式整流電路，它是電力電子技術與自動控制技術融合發(fā)展的產(chǎn)物。主要工作原理是將三組反并聯(lián)晶閘管連接在電源與所需啟動的電機之間。啟動時，控制晶閘管的導通角，使電機的端電壓逐漸增大直至全電壓，使電機實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動電流過大而跳閘或?qū)ζ渌O備造成沖擊而影響使用。當電機轉速達到額定轉速后，控制電路用其他接觸器代替已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供工頻電壓，這樣可以降低軟啟動器晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。停機時，則可通過控制晶閘管的關斷速度，調(diào)節(jié)電機的兩端的電壓逐漸下降至零，實現(xiàn)軟停車。可見，軟啟動器實質(zhì)上是一個晶閘管交流調(diào)壓器。改變晶閘管的觸發(fā)角，就可調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓。在整個啟動過程中，軟啟動器的輸出是一個平滑的升壓過程(且可具有限流功能)，直到晶閘管全導通，電機在額定電壓下工作。

軟啟動的特點(與傳統(tǒng)減壓起動方式比較):

(1)啟動平穩(wěn)，無沖擊電流。軟啟動器在啟動電機過程中，逐漸改變晶閘管導通角，使電機啟動電流從零平穩(wěn)上升到最大值。整個過程運行平穩(wěn)，對電機供電電源可靠性高，對機械負載的沖擊轉矩減少，對電機本身沖擊小，延長電機和整個設備使用壽命。

(2)可以實現(xiàn)平滑減速直到停機，即具有軟停車的功能。它可以克服突然斷電對設備機械部分的沖擊等弊病，延長設備使用壽命。

(3)軟啟動器的各種參數(shù)可調(diào)?？筛鶕?jù)負載特性以及電網(wǎng)特性進行選擇，以調(diào)整到最佳的狀態(tài)。

軟啟動和傳統(tǒng)啟動方式性能指標比較見表2。

表2 軟啟動和傳統(tǒng)的啟動方式比較性能指標

目前三種最新的三相異步電動機的軟起動控制方式:

(1)晶閘管移相調(diào)壓啟動，分為電動機的電壓斜坡軟啟動和限流軟啟動。

(2)大功率IGBT斬波調(diào)壓啟動，分為電動機的電壓斜坡軟啟動和限流軟啟動。

(3)三相全控橋變頻啟動，采用三相全控橋逆變器，電動機PWM變頻啟動。

晶閘管移相調(diào)壓的主電路圖見圖1，晶閘管SCR組成移相控制三相交流調(diào)壓電路，三相電網(wǎng)經(jīng)三組反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓后送至電動機定子，通過控制晶閘管觸發(fā)角的大小，可改變電動機定子加載電壓的大小，電動機的啟動轉矩和啟動電流可被限制在期望值上。

圖1 晶閘管移相調(diào)壓主電路

在軟啟動器的控制面板上，可顯示電機電流、報警信號及設定的參數(shù)值;以數(shù)字形式設置電機保護值、電機運行方式;手動操作啟、停電機。軟啟動器的工作原理是軟啟動器收到啟動命令后，按所設定的啟動方式進行有關計算，確定可控硅的觸發(fā)輸出電壓信號，以控制電動機的啟動過程。當電動機啟動過程完成后，軟啟動器控制交流接觸器吸合，短接所有可控硅，使電動機直接投網(wǎng)運行，避免不必要的能源損耗。

5 軟啟動器的控制模式

收到外部啟、停命令后，按照預先設定的啟、停方式實現(xiàn)對電機的控制。可選的啟、停控制模式有以下幾種，本機采用限流軟啟動控制模式。

(1)限流軟啟動控制模式 如圖2所示，電動機啟動時，其輸出電流從零迅速增加，直至輸出電流達到設定的電流限幅值Im，然后保證輸出電流在不大于該值的情況下，電壓逐漸升高，電動機逐漸加速，完成啟動。

圖2 限流啟動過程

(2)電壓斜坡啟動控制模式 如圖3所示，U1為電動機啟動所需最小轉矩對應的初始電壓。當電動機啟動時，軟啟動器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然后按設定的速率逐漸增加，直至達到電網(wǎng)電壓后，接觸器吸合，啟動過程完成。

圖3 電壓諧波控制過程

(3)突跳起動 這些起動開始階段，讓晶閘管在極短的時間內(nèi)全導通后回落，再按原設定的值線性上升，進入恒流起動;該起動方法適用于重載并需克服摩擦的起動場合，如圖4所示。

圖4 突跳啟動過程

6 大功率電機的一拖四軟方案

本設備控制系統(tǒng)中，主風機，一室電機，二室電機，三室電機均為110kW的大功率電機。系統(tǒng)在啟動時采用軟啟動器進行啟動，并且采用1個軟啟動器實現(xiàn)4臺電機的啟動。具體啟動過程如下。

(1)按照啟動要求，首先合上QF1，通過繼電器KA1控制接觸器KM1吸合，軟啟動器接通M1主風機開始啟動。當主風機啟動電流至額定值時，KM1斷開，主風機脫離軟啟動器，同時KM2接通，電機運行在額定電流值，主風機啟動完畢。

(2)主風機啟動正常后，通過繼電器KA3控制接觸器KM3吸合，軟啟動器接通M2一室電機開始啟動。當一室電機啟動至額定電流時，KM3斷開，KM4吸合，一室電機脫離軟啟動器，電機運行在額定電流值，一室電機啟動完畢。依次，軟啟動器將啟動二室電機和三室電機。若電源出現(xiàn)故障，造成系統(tǒng)停機，則系統(tǒng)需在帶載或重載的條件下重新啟動。啟動過程為，先將電源切斷，然后按照上述軟啟動的過程依次啟動各電機。系統(tǒng)控制的電氣原理圖如圖5、6所示。

圖5 軟啟動器工作主回路

7 控制系統(tǒng)軟啟動試驗結果及分析

在手動狀態(tài)下，分別啟動一室和二室，記錄在不同時間下軟啟動器面板顯示的電流。粉磨機一、二室使用軟啟動器后的啟動電流圖如圖7所示。

圖7 一、二室空載啟動電流圖

圖6 軟啟動器工作控制、指示回路

分析說明:一室和二室的工作狀況一致，機械結構也相同，因此啟動電流一樣。由于這2個工作室的主軸經(jīng)過動平衡，殼體是鑄件，剛性很好。因此，啟動過程非常平穩(wěn)，最大電流只有600A，啟動時間較短。30s已完成啟動。運行狀態(tài)良好，達到了設計的預期啟動效果。

三室空載啟動和設備帶負載運行的啟動電流也達到了設計要求，在此不再贅述。

8 結語

選擇啟動方式的原則是既保護電機、延長電機使用壽命，又保護電網(wǎng)和機械設備，同時降低設備維護和管理工作量，保證選擇設備的可靠性。

經(jīng)設備長時間運行，證明本方案解決了設備4個110kW電機的啟動問題，啟動過程平穩(wěn)，切換正常，可靠，方案切實可行。在試驗過程中，筆者還進行了設備的急停后重載啟動工作，也獲得了成功。下一步要在元器件選型上進一步考慮，在節(jié)約成本上做文章，推進系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化。

［1］ 祝戰(zhàn)科.對撞式超細粉磨分級系統(tǒng)電氣控制裝置的研制［D］.西安:西安交通大學，2012.

［2］ 西安西普電力電子有限公司.數(shù)字式交流電動機軟起動器說明書［Z］.2011.

［3］ 趙志國.基于單片機的交流異步電機軟啟動器節(jié)能運行研究［J］.民營科技，2010(5):55.

［4］ 杜 江.三相感應電動機軟啟動及節(jié)能運行技術的研究［D］.天津:河北工業(yè)大學，2007.