淺談軟啟動(dòng)器的特點(diǎn)及在化工工程中的應(yīng)用

李學(xué)棟

（天津渤化工程有限公司,天津300193）

化工行業(yè)的低壓配電系統(tǒng)中, 含有大量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，且很多情況下都需重載啟動(dòng)。多年來(lái)，大功率電機(jī)的啟動(dòng)、重載啟動(dòng)的問(wèn)題倍受關(guān)注。傳統(tǒng)的電機(jī)啟動(dòng)方式分為全壓?jiǎn)?dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)。全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流大(約4～7 倍額定電流In)、功率因數(shù)低，不僅增大變壓器及電機(jī)的損耗，而且會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)造成沖擊。而傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)(如自耦降壓?jiǎn)?dòng)或Y-△啟動(dòng))，雖可降低啟動(dòng)電流(自耦降壓?jiǎn)?dòng)約 1.7～4 倍 In；Y-△啟動(dòng)約 1.8～2.6 倍In），但還是相對(duì)較大，功率因數(shù)較低。所以全壓?jiǎn)?dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)還是屬于大電流啟動(dòng)方式。

隨著軟啟動(dòng)器的出現(xiàn)，不但電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中過(guò)大啟動(dòng)電流沖擊電網(wǎng)的問(wèn)題得到了解決,提高了供電系統(tǒng)的質(zhì)量，而且抑制了啟動(dòng)過(guò)程中過(guò)大轉(zhuǎn)距，提高了用電設(shè)備的壽命，降低了運(yùn)維費(fèi)用。

1 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的工作原理

軟啟動(dòng)器以單片機(jī)為CPU、以可控硅（晶閘管）為執(zhí)行元件。工作中，軟啟動(dòng)器采集電機(jī)功率因數(shù)角，自動(dòng)判斷電機(jī)負(fù)載率，并根據(jù)控制算法輸出觸發(fā)脈沖，調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)改變輸出電壓(圖1)，從而調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩[1]。

圖1

圖2

軟啟動(dòng)器啟動(dòng)可使電機(jī)在空載、輕載啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)端電壓降低、啟動(dòng)電流減小，如此一來(lái)不僅可以減小電機(jī)損耗、減小電網(wǎng)對(duì)電機(jī)的輸入功率，也可以減小大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

通過(guò)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電機(jī)，隨著轉(zhuǎn)速加快，晶閘管電壓逐漸變大直至整個(gè)導(dǎo)通，電機(jī)完成啟動(dòng)。此后，晶閘管被旁路接觸器所代替，如此一來(lái)，不僅能減少對(duì)晶閘管的消耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器壽命，還能避免電網(wǎng)被諧波所污染。

不僅如此，軟啟動(dòng)器還能在電機(jī)停車時(shí)發(fā)揮相反的作用，讓電壓逐步減小到最低，以免在停車的時(shí)候受到?jīng)_擊力的作用。

2 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式[2～8]

2.1 限流啟動(dòng)：電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中限制啟動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值(Is)的軟啟動(dòng)方式。其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，直到輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)置的電流限值Is，然后在保持輸出電流I＜Is 的條件下逐漸升高電壓到額定電壓。使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。此種啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小且能按需要調(diào)整，對(duì)電網(wǎng)影響小。缺點(diǎn)是在啟動(dòng)時(shí)難以知道啟動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間。損失啟動(dòng)力矩，對(duì)電機(jī)不利。所以在控制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際情況，將限流啟動(dòng)和其他啟動(dòng)方式配合使用。

2.2 斜坡電壓?jiǎn)?dòng)：顧名詞義，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)定子端電壓逐步線性上升，即從原始的降壓?jiǎn)?dòng)從有級(jí)變成了無(wú)級(jí)，隨著電壓升高，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩也逐漸增大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于阻尼轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩之和時(shí)，電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，并最終達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。此啟動(dòng)方式只需調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之和時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系，較為簡(jiǎn)便。

斜坡電壓?jiǎn)?dòng)適用于重載啟動(dòng)(圖2)，如引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵及一些內(nèi)部物料粘稠的機(jī)泵。但也有其缺點(diǎn)，即初始轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性拋物線型上升對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)不利。且過(guò)長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)間不僅有損于電機(jī)，晶閘管也會(huì)因巨大的重聚電流而出現(xiàn)破損的情況。

2.3 轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)：該方法是指將電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升。其優(yōu)點(diǎn)是平滑啟動(dòng)、柔韌度好，針對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有獨(dú)特的保護(hù)，能有效延長(zhǎng)拖動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命，也能降低電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是目前最好的啟動(dòng)方式，也是重載啟動(dòng)的最優(yōu)選擇。缺點(diǎn)是它啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4 轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)：和上述方法相仿也適用于重載啟動(dòng)，不同之處在于啟動(dòng)的瞬間，此種啟動(dòng)方式使用突跳轉(zhuǎn)矩去克服電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩，而后轉(zhuǎn)矩逐漸上升，可縮短啟動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)向配電系統(tǒng)發(fā)送尖脈沖、干擾其它負(fù)荷，使用時(shí)需要注意這個(gè)問(wèn)題。

2.5 電壓控制啟動(dòng)：該方式適用于輕載啟動(dòng)的地方，在確保啟動(dòng)壓降下，讓電機(jī)以最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)，使啟動(dòng)時(shí)間大大縮短，是最優(yōu)的輕載軟啟動(dòng)方式。

3 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器在化工項(xiàng)目中的應(yīng)用及工作特點(diǎn)

在化工項(xiàng)目中，除工藝專業(yè)使用很多大容量機(jī)泵，如熔鹽泵、氫壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)外，公用工程相關(guān)專業(yè)也不乏其數(shù)，例如循環(huán)水泵、脫鹽水泵、冷凍機(jī)等。且化工行業(yè)還有其特點(diǎn)，根據(jù)工藝生產(chǎn)流程，廠內(nèi)生產(chǎn)裝置區(qū)占地面積大、用電設(shè)備多且布置集中，而儲(chǔ)運(yùn)區(qū)域尤其是各類罐區(qū)，用電負(fù)荷又很分散。并且根據(jù)工藝要求，很多時(shí)候變配電站無(wú)法充分靠近負(fù)荷中心，導(dǎo)致電設(shè)備配電距離遠(yuǎn)。

大容量機(jī)泵所配電機(jī)，若直接啟動(dòng)則會(huì)對(duì)所在配電系統(tǒng)造成沖擊，使系統(tǒng)母線電壓下降，影響系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的正常運(yùn)行。若采用傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)，雖可部分減小對(duì)配電系統(tǒng)的沖擊，但仍無(wú)法完全消除，且無(wú)論自耦降壓?jiǎn)?dòng)或Y－△啟動(dòng)，都有其各自的缺點(diǎn)，如Y－△啟動(dòng)需在電機(jī)端采用兩種接線形式，也需兩根電纜進(jìn)行配電，若配電距離很遠(yuǎn)則經(jīng)濟(jì)上比較浪費(fèi)。雖可利用變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，但較高的價(jià)格及大量晶閘管在線運(yùn)行造成的諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，使之難以作為電機(jī)軟啟動(dòng)的主要方式，而更多的應(yīng)用于生產(chǎn)上需要變頻控制的機(jī)泵。

化工行業(yè)所使用的機(jī)泵，一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制按鈕或工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)給出干接點(diǎn)信號(hào)，通過(guò)硬接線形式送至控制回路，隨后由軟啟動(dòng)器采集主回路參數(shù)并控制電壓、電流的升高，當(dāng)電機(jī)端電壓到達(dá)額定電壓之后，旁路接觸器自動(dòng)閉合，并短接可控硅回路，電機(jī)連通三相電源，最終完成啟動(dòng)的所有步驟。軟啟動(dòng)器主回路的接線圖見(jiàn)圖3 所示。

圖3

當(dāng)然也可直接通過(guò)軟啟動(dòng)器自帶的RS485 接口，采用 Modbus 或 Profibus 通訊協(xié)議，由工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)。

此外，目前的軟啟動(dòng)器產(chǎn)品還具有很多保護(hù)功能，配合著硬件電路，軟件設(shè)計(jì)有過(guò)壓、欠壓、斷相、過(guò)載等保護(hù)程序，動(dòng)作可靠程度高。且通過(guò)RS485 接口軟啟動(dòng)器可與其它直啟電機(jī)的馬達(dá)保護(hù)器通訊接口相連，接入工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全廠工藝生產(chǎn)的高度自動(dòng)化。

在化工工程應(yīng)用中，各類氣體壓縮機(jī)、冷凍機(jī)等撬裝設(shè)備的主電機(jī)不僅容量大且需頻繁啟停，此時(shí)應(yīng)用軟啟動(dòng)器則能明顯體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。軟啟動(dòng)器不僅結(jié)構(gòu)緊湊、接線簡(jiǎn)明、發(fā)熱量低、功能強(qiáng)大，且通過(guò)大幅度減小沖擊和振動(dòng)，可以降低設(shè)備本體所承受的機(jī)械應(yīng)力，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。經(jīng)過(guò)多項(xiàng)化工、石化行業(yè)工程實(shí)際運(yùn)用的考驗(yàn)，無(wú)論設(shè)備頻繁啟停，還是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等各類工況，軟啟動(dòng)器都經(jīng)受了考驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

軟啟動(dòng)器有效的解決了全壓和降壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程中電流過(guò)大而帶來(lái)的各種問(wèn)題。不僅可以使電動(dòng)機(jī)安全平穩(wěn)的啟動(dòng)，還能減小對(duì)配電系統(tǒng)的沖擊，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的保護(hù)，還能提高工藝生產(chǎn)自動(dòng)化的程度，不僅能穩(wěn)定配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，還能延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命.....功能相較于之前多了許多，而各項(xiàng)操作又相對(duì)容易。但軟啟動(dòng)器也不可一概而論，這其中限電流啟動(dòng)和斜波電壓?jiǎn)?dòng)，就是比較原始比較簡(jiǎn)單的啟動(dòng)方式。最適用最先進(jìn)的啟動(dòng)方式應(yīng)是電壓控制啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)及轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)。對(duì)于頻繁啟停的設(shè)備，軟啟動(dòng)器可有效降低啟動(dòng)電流，減小啟動(dòng)應(yīng)力，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，同時(shí)減小配電容量，避免增容節(jié)約投資。