淺談軟啟動器在高速公路隧道風(fēng)機中的應(yīng)用

■陳捷統(tǒng)

（福建暢祥公路工程有限公司，三明365001）

淺談軟啟動器在高速公路隧道風(fēng)機中的應(yīng)用

■陳捷統(tǒng)

（福建暢祥公路工程有限公司，三明365001）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。軟啟動器在高速公路隧道風(fēng)機中的應(yīng)用已是必不可少。本文主要結(jié)合A BB軟啟動器在福建高速公路隧道風(fēng)機控制系統(tǒng)工程實例，通過對一次電路圖和二次回路原理圖介紹，并結(jié)合A BB軟啟動器的性能來實現(xiàn)對隧道風(fēng)機設(shè)備的有效控制，從而分析軟啟動器在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的原理、特點及存在的問題和解決思路。使得相關(guān)人員能全面、深入的了解A BB-P S T 85/600型軟啟動器的使用方法。

高速公路軟啟動器控制應(yīng)用

1 前言

近年來，高速公路飛速發(fā)展。自1997年12月15日福建省第一條高速公路---泉廈高速公路誕生開始，至2015年底通車?yán)锍掏黄?000km。高速公路橫穿于福建八閩大地高山峻嶺中，大量風(fēng)機安裝在隧道中。僅三明境內(nèi)高速公路隧道就安裝功率37kW風(fēng)機756臺（1臺風(fēng)機配1臺軟啟動器），倘若把高速公路比喻成一個朝氣蓬勃的年輕人的話，那么高速公路隧道風(fēng)機就是保障它正常運轉(zhuǎn)的肝臟。只有隧道風(fēng)機正常運轉(zhuǎn)才能將隧道內(nèi)尾氣、粉塵或一旦發(fā)生火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧等污濁空氣及時排出洞外，實現(xiàn)隧道內(nèi)新鮮潔凈的空氣循環(huán)流動。當(dāng)前我國經(jīng)濟已經(jīng)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段，我省高速公路通車?yán)锍淘絹碓介L，對風(fēng)機的安全運轉(zhuǎn)要求越來越高，對電機的控制要求越來越高，電機的起動方法也越來越受到重視。

電機驅(qū)動的設(shè)備一般都是企業(yè)的核心設(shè)備，直接影響企業(yè)的生產(chǎn)狀況，因此我們應(yīng)該對其起動給予特別的關(guān)注，合理的選擇啟動裝置將給我司帶來很大的經(jīng)濟效益。

2 軟啟動器的原理、特點及其保護功能

2.1 軟啟動器的原理

軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新型電機控制裝置，國外稱為Softstarters。其主要工作原理是將軟啟動器串接于電源與被控電機之間，啟動時控制其內(nèi)部三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機的輸入電壓從零值以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系在設(shè)定時間內(nèi)逐漸上升，直至啟動結(jié)束賦予電機全壓。使用軟啟動器起動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時，起動過程結(jié)束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機正常運轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，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。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。如圖1、圖2、圖3所示的是直接起動、星/三角起動和軟起動在電動機電壓（V）、電動機電流（I）和電動機力矩（T）時的不同表現(xiàn)。

圖1

圖2

圖3

2.2 軟啟動器的特點

（1）采用微處理器全數(shù)字自控監(jiān)控。啟動時起動電流以恒定的斜率平穩(wěn)上升，對電網(wǎng)無沖擊電流，不會造成大的電壓降落，保證了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。起動轉(zhuǎn)矩、電流、電壓、時間可按負(fù)載不同而設(shè)定，可取得最佳的電流沖擊和最佳的轉(zhuǎn)矩控制特性，極大地減少了電動機轉(zhuǎn)矩對負(fù)載的沖擊，也滿足了不同工作對象對啟動轉(zhuǎn)矩的不同要求，保護了被驅(qū)動機構(gòu)。

（2）電動機起動不受電網(wǎng)電壓波動的影響。由于在晶閘管的移相電路中，引入了電流反饋，因而使電動機在起動過程中保持恒流、平穩(wěn)起動。同時，由于以起動電流為定值整定，當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動時，通過控制電路自動增大或減小晶閘管導(dǎo)通角來維持原始設(shè)定值，可保護起動電流恒定。有的軟啟動器還采用雙電源隔離，保證控制部分不受各種強電干擾。

（3）根據(jù)工作對象的不同，電動機可選擇多種啟停方式。一般在電動機軟啟動的初始轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)選擇，可根據(jù)用戶要求在起動轉(zhuǎn)矩的平開始，電動機的定子電壓在斜坡加速時間內(nèi)無級增加，加速的斜坡時間由用戶設(shè)定。電動機可以自由停車和軟停車，軟停車時間可調(diào)節(jié)。軟停車特性大大延長電氣觸點壽命。

（4）結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，無噪聲，占地小。作為無觸點控制，軟啟動器使用壽命比傳統(tǒng)的接觸器大大延長，若使用得當(dāng)，可長達(dá)幾十年，全免維修，而且安裝、操作、使用簡便。軟啟動器平滑、漸進(jìn)的啟動過程可降低設(shè)備的振動和噪聲，延長電動機和被驅(qū)動機械的壽命，并改善了工人的勞動環(huán)境。

（5）可選擇過電流、過載、電源斷相等多種保護，保證了設(shè)備和電動機的安全。軟啟動可提供設(shè)備的監(jiān)控保護的快速故障診斷信息，如限流、過載、斷相、轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)等。保護整定值可由用戶指定，保護性能可靠。有的軟啟動器還具有相序自動識別、相序保護功能。

2.3 軟啟動器的保護功能

（1）過載保護功能：軟啟動器引進(jìn)了電流控制環(huán)，因而隨時跟蹤檢測電機電流的變化狀況。通過增加過載電流的設(shè)定和反時限控制模式，實現(xiàn)了過載保護功能，使電機過載時，關(guān)斷晶閘管并發(fā)出報警信號。

（2）缺相保護功能：工作時，軟啟動器隨時檢測三相線電流的變化，一旦發(fā)生斷流，即可作出缺相保護反應(yīng)。

（3）過熱保護功能：通過軟啟動器內(nèi)部熱繼電器檢測晶閘管散熱器的溫度，一旦散熱器溫度超過允許值后自動關(guān)斷晶閘管，并發(fā)出報警信號。

（4）其它功能：通過電子電路的組合，還可在系統(tǒng)中實現(xiàn)多種聯(lián)鎖保護。

3 電動機直接啟動的缺點及應(yīng)用軟啟動器的優(yōu)點

3.1 電動機直接起動的缺點

3.1.1 引起電網(wǎng)電壓波動，影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的運行

交流電動機在全壓直接起動時，起動電流會達(dá)到額定電流的4～7倍，當(dāng)電機的容量相對較大時，該起動電流會引起電網(wǎng)電壓的急劇下降，影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運行，特別是引起隧道照明燈亮度突然下降，影響高速行駛車輛安全。

3.1.2 對電網(wǎng)的影響

對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：

（1）超大型電機直接起動的大電流對電網(wǎng)的沖擊幾乎類似于三相短路對電網(wǎng)的沖擊，常常會引發(fā)功率振蕩，使電網(wǎng)失去穩(wěn)定。

（2）起動電流中含有大量的高次諧波，會與電網(wǎng)電路參數(shù)引起高頻諧振，造成繼電保護誤動作、自動控制失靈等故障。

3.1.3 傷害電機絕緣，降低電機壽命

（1）大電流產(chǎn)生的焦耳熱反復(fù)作用于導(dǎo)線外絕緣，使絕緣加速老化、壽命降低。

（2）大電流產(chǎn)生的機械力使導(dǎo)線相互摩擦，降低絕緣壽命。

3.1.4 電動力對電機的傷害

（1）大電流在電機定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會造成風(fēng)機風(fēng)葉夾緊松動、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。

（2）整條傳動鏈（從電動機到受驅(qū)動的設(shè)備）都會受到劇烈的應(yīng)力。

3.1.5 傷害機械設(shè)備

全壓直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩大約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，這么大的力矩突然加在靜止的機械設(shè)備上，會加速齒輪磨損甚至打齒、加速風(fēng)葉疲勞甚至折斷風(fēng)機風(fēng)葉等，若折斷的風(fēng)葉吹到路上對高速行駛車輛造成嚴(yán)重危害。

3.2 應(yīng)用軟啟動器的優(yōu)點

軟啟動的轉(zhuǎn)矩不會超過額定轉(zhuǎn)矩，上述弊端可以完全克服。當(dāng)采用減壓起動時，上述危害只有一定程度的降低，而獨立變壓器供電方式直接起動只能在電網(wǎng)電壓波動方面有所緩解，其它方面的危害都照樣存在，當(dāng)采用軟啟動時，起動電流一般為額定電流的2～3倍，電網(wǎng)電壓波動率一般在10%以內(nèi)，對其它設(shè)備的影響非常小，且最大電流降低一半左右，瞬間發(fā)熱量僅為直起的1/4左右，絕緣壽命會大大延長。軟啟動時電機端電壓可以從零起調(diào)，可完全免除過電壓傷害。

4 ABB-PST系列軟啟動器在福建省高速公路隧道風(fēng)機中的應(yīng)用

4.1 ABB-PST系列軟啟動器特性

PST系列是基于微處理器的軟啟動器，該設(shè)計應(yīng)用了最新技術(shù)，為電動機提供軟啟動和軟停止功能。最新版PST軟啟動器提供了一種全新的功能叫力矩控制，使用此功能，可以調(diào)節(jié)電動機輸入電壓，從而使力矩控制按預(yù)先設(shè)定的曲線對電動機的啟動和停止進(jìn)行控制。且PST軟啟動器標(biāo)配有多個先進(jìn)的電動機保護功能。四個按鍵的鍵盤和邏輯結(jié)構(gòu)的菜單。使安裝、調(diào)試，以及操作都變得簡單；還有10種語言可供選擇。

（1）優(yōu)異的限電流能力：限制電流范圍可在2～5倍Ie之間調(diào)整，啟動階段電流曲線平滑，可優(yōu)先限制電機升溫，并提高變壓器的起動容量，與直接起動相比使用軟啟動器降壓啟動時，啟動容量至少可提升30%～50%。

(2)齊全的保護功能：提高針對自身、電機及機械設(shè)備的保護功能，完全代替了傳統(tǒng)的保護功能，簡化了設(shè)計，并且在啟動結(jié)束、軟啟動器旁路后仍具有保護功能。

4.2 ABB-PST 85/600型軟啟動器的應(yīng)用實例

由于軟啟動器在電機控制系統(tǒng)中對電機的起動、運行狀態(tài)、停止均能有效的控制，并且在電機不需要調(diào)速的情況下，軟啟動器相比變頻器既經(jīng)濟又實用，因此近幾年來軟啟動器在電機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛，其主要用于控制泵類和風(fēng)機類負(fù)載。福建高速公路三明段的756臺隧道風(fēng)機（37kW），1臺風(fēng)機配1臺軟啟動器（大部分采用ABB-PST 85/600型軟啟動器）。現(xiàn)介紹ABB-PST 85/600型軟啟動器在泉南高速三明段蓮花山隧道風(fēng)機的應(yīng)用：

蓮花山隧道單洞里程為3565m，共安裝風(fēng)機13臺其中A道7臺、B道6臺；當(dāng)單臺37k W風(fēng)機全壓啟動時最大啟動電流達(dá)到336A，而采用ABB-PST 85/600型軟啟動器啟動時最大啟動電流降到228A，為全壓啟動時的67.8%，有效避免因啟動電流過大所造成隧道照明亮度突然下降、繼電保護誤動作及自動控制失靈等現(xiàn)象；且采用ABB-PST 85/600型軟啟動器啟動時，電動機最大起啟轉(zhuǎn)矩由原來的200 N·m變成126N·m，不超過額定轉(zhuǎn)矩，從而有效保護齒輪，減少齒輪磨損甚至打齒，消除風(fēng)葉因疲勞折斷，吹到路上對高速行駛車輛所造成的危害，增加安全性能。

ABB-PST 85/600型軟啟動器二次控制的各接線端子及功能詳見圖4、圖5。

圖4 ABB-PST 85/600型軟啟動器面板各端子（二次回路）接線圖

圖5 ABB-PST 85/600型軟啟動器外接按鈕控制接線圖

4.3 ABB-PST 85/600型軟啟動器的設(shè)定

（1）啟動曲線

設(shè)定啟動時電壓提升的時間，可調(diào)時間為1～30s，隧道風(fēng)機啟動時間設(shè)為10s。

（2）停止曲線

設(shè)定停止時電壓下降的速度，可調(diào)時間為0～30s，選用0s可直接停止被控設(shè)備，隧道風(fēng)機軟停時間設(shè)為10s。

（3）初始電壓Uini

設(shè)定初始電壓以及停止電壓的范圍，可以在30%～70%范圍內(nèi)分五檔選擇，高速公路隧道風(fēng)機其初始電壓以及停止電壓值應(yīng)設(shè)在40%位置。

4.4 （37kW）隧道風(fēng)機啟、停的一、二次電路原理圖

電路原理圖詳見圖6、圖7。

圖6 風(fēng)機控制一次電路原理圖

QF:主斷路器；1KM:起動接觸器；2KM：旁路接觸器；1KH:熱繼電器；S1:控制電源開關(guān)；1KA、2KA：中間繼電器；PLC：遠(yuǎn)程輸出節(jié)點。

隧道風(fēng)機的啟、停工作，首先，合上QF、S1等ABBPST 72型軟啟動器顯示rdy（準(zhǔn)備好），可以起動軟啟；然后也可通過PLC輸出1KA得電，STOP與RUN有+24V信號輸入，KM1吸合，軟起起動，由軟啟動器通過其內(nèi)部觸點延時接通旁路接觸器2KM電源，接觸器動作使軟啟動器不帶負(fù)載運行，直至停車時再次投入，這樣可以防止軟啟動器長時間帶載發(fā)熱，確保系統(tǒng)正常運行的同時又可延長其使用壽命。但由于軟啟動器被旁路后不能對電機實施過載保護，因此加設(shè)熱繼電器1KH來實現(xiàn)過載保護功能。

4.5 ABB-PST 85/600型軟啟動器的常見故障及解決方法

（1）軟啟動器無啟動信號

①檢查旁路接觸器主觸點是否卡在閉合位置，若觸點已燒融則需更換接觸器。

②若旁路接觸器完好則軟啟動器內(nèi)部的晶閘管可能被擊穿或者已損壞，此時需更換軟啟動器。

（2）電機不啟動

①檢查端子1和2是否接通工作電壓。

②檢查啟動信號是否正常，端子5和6之間啟動時應(yīng)閉合，端子4和6之間應(yīng)短接。

③檢查主回路接線是否正確，主電壓應(yīng)接于軟啟動器端子1L1、3L2、5L3。

④檢查熱過載繼電器是否脫扣，處于過載保護狀態(tài)。

⑤檢查軟啟動器是否過熱，如果軟啟動器太熱的話，即使復(fù)位后故障依然存在。檢查軟啟動器風(fēng)扇工作是否正常，以及冷卻風(fēng)道是否被灰塵和雜物堵塞。

（3）電機啟動時或運行過程中突然停止

圖7 風(fēng)機控制二次回路原理圖

①檢查主回路是否缺相；

②檢查熱繼電器是否動作；

③檢查軟啟動器是否過熱；

④排除了以上故障后還是不能故障復(fù)位則微處理器出現(xiàn)了故障，需更換內(nèi)部電路板。

4.6 ABB-PST 85/600型軟啟動器存在的問題及解決思路

ABB-PST 85/600型軟啟動器外形尺寸小巧、嶄新魅力的設(shè)計決定了內(nèi)部電路板的電路都是緊湊設(shè)計，風(fēng)機軟啟低壓板原先采用都是PSPCB-LV/T普通板。高速公路車輛多，特別是上坡車道尾氣多、粉塵大，油污粉塵附著板上造成軟啟保護，經(jīng)常是一個月要進(jìn)行一次軟啟低壓板清洗保養(yǎng)，否則風(fēng)機就不能正常運行。為解決該問題，我們積極與ABB廠家溝通后,決定將PSPCB-LV/T板進(jìn)行鍍膜改成PSPCB-LV/T-T鍍膜板，油煙、粉塵吸附問題得到了很大的改善。因采用PSPCB-LV/T普通板數(shù)量較多，若一次性更換成本巨大（約530萬），公司機電部擬逐年進(jìn)行更換，更換計劃如下：2016年下半年對故障的36臺（三明南段28臺、大田段8臺）軟啟動器低壓板進(jìn)行更換；2017年對時間在3個月內(nèi)需要清洗保養(yǎng)的軟啟動器低壓板進(jìn)行更換；2018年對時間在3個月以上需要清洗保養(yǎng)的軟啟動器低壓板進(jìn)行更換。

5 結(jié)語

ABB-PST 85/600型軟啟動器在福建高速公路隧道風(fēng)機控制系統(tǒng)應(yīng)用實例可知：外加軟啟動器為風(fēng)機提供了先進(jìn)的可控硅保護且與使用電壓控制相比，使用力矩控制，使電機得到了更加線性的加速或減速的過程，最高程度的確保風(fēng)機運行的穩(wěn)定性和最大程度的減少維護。

高速公路是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，高速公路的道路暢通不僅僅關(guān)系到高速公路本身的社會形象，更關(guān)系到沿線地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。通過系統(tǒng)了解軟啟動器的性能、用途后可以解決處理隧道風(fēng)機控制系統(tǒng)中的一些問題，從而可以更有效的控制動力設(shè)備，使得隧道風(fēng)機能夠更穩(wěn)定、安全的運行，為高速公路的暢通保障護航!

[1]劉利,王棟.電動機軟啟動器實用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社.

[2]霍俊儀,萬東梅.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)仿真教學(xué)探討[J].中國科技信息,2005（12）.

[3]吳志宏.電動機的節(jié)能措施[N].中國電力報,2000.

[4]成文;電動機啟動障礙原因及排除[N].河南科技報,2000.

[5]楊德印.電動機的軟啟動技術(shù)[N].電子報;2010.

[6]郭斌.電機軟啟動器性能分析與工業(yè)應(yīng)用[D].天津大學(xué),2010.

[7]張運波,劉淑榮.工廠電氣控制技術(shù)[M].高等教育出版社,2004.

[8]唐懷斌．工業(yè)控制的進(jìn)展與趨勢[J].

[9]鄢景華.自動控制原理[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.200.

[10]王君艷.交流調(diào)速[M].高等教育出版社.2003.8.

[11]JTG/T D70/2-2014,公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計細(xì)則[M].

[12]JTG H12-2015,公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范[S].