軟啟動(dòng)器和變頻器在煤礦帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)用

吳濤+趙志強(qiáng)

摘 要：軟啟動(dòng)器在七八十年代提出，那時(shí)叫做晶閘管移相啟動(dòng)器。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器通常分為四部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷來(lái)調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的。本文主要針對(duì)軟啟動(dòng)器和變頻器在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)軟啟動(dòng)器和變頻器啟動(dòng)過(guò)程的調(diào)速原理進(jìn)行分析，并結(jié)合煤礦實(shí)際應(yīng)用案例，提出針對(duì)帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)裝置的選取原則。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；軟啟動(dòng)器；變頻器

前言：經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，軟啟動(dòng)器的成本不斷降低，當(dāng)國(guó)內(nèi)很多企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量非常穩(wěn)定時(shí)，軟啟動(dòng)器逐漸取代了直起、自藕減壓和星三角啟動(dòng)器?，F(xiàn)代的軟啟動(dòng)器已經(jīng)發(fā)展成為一種集軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護(hù)于一體的電機(jī)控制裝備?？蓪?shí)現(xiàn)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中無(wú)沖擊而平滑地啟動(dòng)電機(jī)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性來(lái)調(diào)節(jié)啟動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)，如限流值、啟動(dòng)時(shí)間等。軟啟動(dòng)器很好地解決了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和啟動(dòng)后旁路接觸器工作的問(wèn)題，它還具有多種電機(jī)的保護(hù)功能，因此軟啟動(dòng)器得到廣泛的應(yīng)用。

1 帶式輸送機(jī)啟動(dòng)特性及主要啟動(dòng)控制方式

帶式輸送機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)：打滑、沖擊。改善帶式輸送機(jī)的啟動(dòng)性能已成為影響其運(yùn)行的主要問(wèn)題。目前對(duì)帶式輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)可控啟動(dòng)有多種方式，大致可分為機(jī)械裝置調(diào)速和電氣軟啟動(dòng)兩大類。機(jī)械調(diào)速啟動(dòng)裝置主要有：①調(diào)速型液力耦合器；②CST可控啟動(dòng)傳輸；③液體粘滯可控離合器等多種方式。電氣軟啟動(dòng)主要有：①直流電機(jī)整流調(diào)速；②軟啟動(dòng)器（晶閘管調(diào)壓型）；③變頻裝置；④星-三角（Y-△）降壓起動(dòng)等。以上啟動(dòng)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文僅討論軟啟動(dòng)器和變頻裝置在帶式輸送機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)用效果。

2 電氣軟啟動(dòng)器工作原理

軟啟動(dòng)器以交流調(diào)壓方式限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，使電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)帶式輸送機(jī)平穩(wěn)地過(guò)渡到額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角控制負(fù)載的初始電壓，系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)加速速率和啟動(dòng)時(shí)間，逐步控制加在電機(jī)上的電壓和電流，平滑地增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，旁路接觸器短接軟啟動(dòng)器，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

3 變頻裝置工作原理

在變頻調(diào)速工作原理是：三相對(duì)稱交流電經(jīng)過(guò)整流橋后轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)直流電，再通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)、電壓可調(diào)的等效交流電，輸出給異步電機(jī)。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，通過(guò)改變電源輸出的頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。

變頻調(diào)速原理是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速在負(fù)載恒定時(shí)正比于電源頻率。改變電子元件的導(dǎo)通周期T就可改變交變電源頻率，而改變電子元件的導(dǎo)通時(shí)間就可改變交變電源電壓。

4 變頻啟動(dòng)與軟啟動(dòng)對(duì)比分析

在異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)等效電路來(lái)分析異步電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行狀況，進(jìn)而對(duì)軟啟動(dòng)與變頻器的驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行比較。

異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型包括異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的等效電路與機(jī)械特性，其中，穩(wěn)態(tài)等效電路描述了異步電機(jī)在一定轉(zhuǎn)差率下的穩(wěn)態(tài)電氣特性，而機(jī)械特性則描述了異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。

Us 定子相電壓幅值；Is定子相電流幅值；Rs定子繞組電阻；

Lls定子繞組漏感； Lm定子勵(lì)磁電感； I0勵(lì)磁電流幅值；

Llr折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組漏感； Rr折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組電阻；

Ir折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流幅值； s轉(zhuǎn)差率； np異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

4.1 軟啟動(dòng)性能分析

軟啟動(dòng)多采用降壓?jiǎn)?dòng)的方式，在降低定子電源電壓幅值的同時(shí)，并不對(duì)定子的電源頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在ω1保持恒定的條件下，若降低定子電壓的幅值，異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te將隨電壓的平方成正比地降低。顯然，在使用軟啟動(dòng)對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行降壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)程中，其電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法得到保證。

4.2 變頻器性能分析

變頻器與軟啟動(dòng)的最大區(qū)別在于，變頻器在調(diào)節(jié)定子電源電壓幅值的同時(shí)，還會(huì)同步調(diào)節(jié)定子電源的頻率，從而保持異步電機(jī)磁通的恒定，進(jìn)而確保了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)時(shí)，電機(jī)的機(jī)械特性在整個(gè)過(guò)程中并沒有發(fā)生明顯的變化，而且通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整定子電壓的頻率，還可以人為改變異步電機(jī)的機(jī)械特性，因此變頻器具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。

4.3 變頻器啟動(dòng)特性

在起動(dòng)過(guò)程中，必經(jīng)由低頻開始起動(dòng)，其電壓和頻率同時(shí)都在增加。鑒于不同電壓和不同頻率下的ns曲線不同，因而隨著頻率、電壓的遞增，它的起動(dòng)曲線是不同頻率和電壓相對(duì)應(yīng)的I-n曲線族組成，當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載起動(dòng)時(shí)，頻率由零逐步升至起動(dòng)頻率fk，當(dāng)與fk對(duì)應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)就開始起動(dòng)。隨轉(zhuǎn)速上升轉(zhuǎn)矩下降至負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，變頻器輸出頻率升至fh，電機(jī)就沿著設(shè)定的頻率曲線，最后穩(wěn)定運(yùn)行于所需要轉(zhuǎn)速的頻率線上。整個(gè)變頻電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程曲線族，是沿折線呈鋸齒形曲線變化。

4.4 變頻器與軟啟動(dòng)的性能比較

軟啟動(dòng)器優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)啟動(dòng)平滑，可以降低電機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流，減少對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)自身的沖擊。但對(duì)于帶式輸送機(jī)這類可能需要重載啟動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合，軟啟動(dòng)幾乎無(wú)法勝任。帶式輸送機(jī)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩不隨電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，而軟啟動(dòng)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始階段由于定子電壓幅值較小，無(wú)法提供足夠的轉(zhuǎn)矩，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的重載啟動(dòng)。

而變頻器可應(yīng)用于帶式輸送機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速驅(qū)動(dòng)過(guò)程中。它能有效控制帶式輸送機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車，同時(shí)在使用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中能夠動(dòng)態(tài)分配各個(gè)電機(jī)的輸出功率，精度高，波動(dòng)范圍小。

如冀中能源東龐礦井原帶式輸送機(jī)大部分采用軟啟動(dòng)器，在重載壓煤時(shí)均難以啟動(dòng)，只能人工卸煤后再啟動(dòng)?，F(xiàn)已逐步將原軟啟動(dòng)器改造更換為變頻裝置，已更換變頻裝置的帶式輸送機(jī)未發(fā)生啟動(dòng)困難現(xiàn)象。

可見變頻器不僅具有軟啟動(dòng)的所有特性，還能始終將電機(jī)的機(jī)械特性保持在理想的范圍內(nèi)，這種優(yōu)越的特性幾乎可以滿足各種負(fù)載狀況的場(chǎng)合，因此其啟動(dòng)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于軟啟動(dòng)。特別是在類似帶式輸送機(jī)這種需要重載啟動(dòng)的場(chǎng)合，使用變頻器才可滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求。

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