電動機軟起動器在水泥企業(yè)的使用
摘要：本文針對水泥企業(yè)使用的籠型異步電動機工況，通過分析軟起動器的工作原理及常用的幾種起動方式，闡述了水泥企業(yè)軟起動器的使用及選型時應注意事項。
關(guān)鍵詞：軟起動器 起動轉(zhuǎn)矩 沖擊電流 晶閘管 觸發(fā)角 自由停車 軟停車 制動停車
一、概述
籠型異步電機由于結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、效率高等優(yōu)點而被水泥企業(yè)廣泛地應用于機械設(shè)備的拖動中。在實際使用中，電動機在起動或停止過程中還存在著一系列問題。全壓起動時要產(chǎn)生較大的沖擊電流（一般為額定電流Ie的5～8倍）。電動機容量越大，起動時沖擊電流對電網(wǎng)及其負載沖擊就越大，特別是大容量電機直接起動會對電網(wǎng)及其他負載造成干擾，甚至危害電網(wǎng)的**運行；同時由于起動應力較大，使負載設(shè)備的使用壽命降低。在停機時，如果拖動系統(tǒng)突然失去轉(zhuǎn)矩，靠系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩克服系統(tǒng)的慣性滑行停車，也給拖動系統(tǒng)帶來諸多問題。
解決辦法有兩個：一是增大配電容量；二是采用限制電機起動電流的起動設(shè)備。如果僅僅為起動電機而增大配電容量，從經(jīng)濟角度來說，顯然不可取。為此，在水泥廠設(shè)計時，對低壓大電機需要配備限制電機起動電流的起動設(shè)備，常用的有Y/Δ起動，自藕降壓起動等方式來實現(xiàn)。這些方法雖然靠接觸器切換電壓實施啟動降壓，可以達到降低電流的目的，但沒有從根本上解決起動瞬時電流尖峰沖擊問題。起動轉(zhuǎn)距基本固定不可調(diào)，起動過程中都存在二次沖擊電流，對負載機械有沖擊轉(zhuǎn)距，且受電網(wǎng)波動的影響，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)電壓向下浮動，會造成電機堵轉(zhuǎn)、起動過程接觸器帶載切換，易造成觸點的拉弧、損壞等方面問題。嚴重時燒毀開關(guān)、電動機，影響電網(wǎng)其它設(shè)備運行。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，軟起動器作為一個新型電動機起動裝置可以克服以上缺點，它是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護于一體的新穎電機控制裝置。目前，水泥企業(yè)籠型異步電機的降壓起動設(shè)備正逐步被軟起動器取代。
二、軟起動器的工作原理及主要特點
軟起動器的工作原理 軟起動主要由串接于電源與被控電動機之間三對反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓電路構(gòu)成?，F(xiàn)代軟起動器基本上都采用了電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)，以單片微機作為中央控制器控制核心來完成測量及各種控制算法，因此，軟起動器具備了很強的功能和靈活性。整個起動過程是數(shù)字化程序軟件控制下自動進行。利用三對晶閘管的電子開關(guān)特性，通過起動器中的單片機，控制其觸發(fā)脈沖的遲早來改變觸發(fā)角的大小。而觸發(fā)導通角的大小，又改變晶閘管的導通時間，*終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。異步電動機定子調(diào)壓的結(jié)果，一方面其轉(zhuǎn)矩近似與定子電壓的平方成正比，另一方面電動機的電流又和定子電壓成正比。電動機的起動轉(zhuǎn)矩和初始電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現(xiàn)，而定子電壓又是通過可控硅的導通相角來控制的，所以不同的初始相角可實現(xiàn)不同的端電壓，以滿足不同的負載起動特性。電動機起動過程中，晶閘管的導通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機從零開始加速，直到晶閘管全導通，從而實現(xiàn)電動機的無級平滑起動。電動機工作在額定電壓的機械特性上。電動機的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的*大值可根據(jù)負載情況設(shè)定。
軟起動器常用的幾種起動方式：
1、限流起動 電機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值（Is）的軟起動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，直到輸出電流達到預先設(shè)置的電流限值Is，然后保持輸出電流I<Is的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。使電機轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按需要調(diào)整。對電網(wǎng)影響小，其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間。損失起動力矩，對電動機不利。
2、斜坡電壓起動 這種起動方式*簡單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調(diào)整晶閘管導通角，使之與時間成一定函數(shù)關(guān)系增加。顧名思義是電壓由小到大斜坡線性上升，它是將傳統(tǒng)的降壓起動從有級變成了無級，主要用在重載起動，它的缺點是初始轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性拋物線型上升對拖動系統(tǒng)不利，且起動時間長有損于電機。
3、轉(zhuǎn)矩控制起動 用在重載起動，它是將電動機的起動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，它的優(yōu)點是起動平滑，柔性好，對拖動系統(tǒng)有更好的保護，它的目的是保護拖動系統(tǒng)，延長拖動系統(tǒng)的使用壽命。同時降低電機起動時對電網(wǎng)的沖擊，是*優(yōu)的重載起動方式，它的缺點是起動時間較長。
4、 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動與轉(zhuǎn)矩控制起動 相仿也是用在重載起動，不同的是在起動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩克服電機靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，縮短起動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負荷，應用時要特別注意。
5、 電壓控制起動是用在輕載起動的場合，在保證起動壓降下發(fā)揮電動機的*大起動轉(zhuǎn)矩，盡可能的縮短了起動時間，是*優(yōu)的輕載軟起動方式。
綜上所述不難看出，*適用*先進的起動方式應是電壓控制起動和轉(zhuǎn)矩控制起動及轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動。目前的軟起動器多是限電流起動和斜波電壓起動，它是*原始*低級*簡單的起動方式，還有的是限流起動和轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動。唯有電壓控制和純轉(zhuǎn)矩控制及轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動較為先進。
常用停機方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動停車。
1、 自由停車 傳統(tǒng)的控制方式都是通過瞬間停電完成的。即慣性停車（斷電自停）；
2、軟停車 電動機停機時，軟起動器將額定電壓按軟停車設(shè)定的時間緩慢降至起始電壓Us后停止輸出的一種停車方式，它可以消除了由于自由停車帶來的拖動系統(tǒng)反慣性沖擊。
如皮帶運輸機、升降機等許多負荷并不宜突然停機，軟停車功能正好能滿足此要求。晶閘管在收到軟停機信號后，導通角漸減，經(jīng)一定時間才過渡到全關(guān)，即電動機端電壓漸減至零。停車時間可按實際需要設(shè)定。
3、制動停車 向電機輸入直流電流，從而加快制動，制動時間可調(diào)，主要用于慣性力矩大的負載或需快速停機的場合，在一定的場合代替了反接制動停車。
三、軟起動器的選型及注意事項
目前軟起動器的生產(chǎn)廠家很多，有進口也有國產(chǎn)的，原理基本相同。軟起動器是一種新型的、性能優(yōu)良的起動裝置，它結(jié)合了電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和微處理器技術(shù)，與傳統(tǒng)起動設(shè)備相比，具備完善的電機軟啟動和軟停車功能，可保證電機連續(xù)而平滑的啟動，消除了機械沖擊和大電流沖擊，有效的延長了電機的壽命和保護了用電線路和負載。目前在市場上有影響力的基本上都是國外產(chǎn)品，如施耐德的TE、羅克韋爾的A-B、ABB、西門子的產(chǎn)品等。
水泥企業(yè)在選用軟起動器時應主要考慮以下問題：
1、選擇軟起動器注意負載是標準負載還是重載負載。根據(jù)負載性質(zhì)的不同來選擇不同類型的起動器。
（1）如果負載是離心泵（消防泵、噴淋泵、水泵等），則需利用泵控制功能，減少起動和停止時液流沖擊所產(chǎn)生的系統(tǒng)水錘現(xiàn)象的發(fā)生，所以必須用選帶泵控制功能的軟起動器，如另帶欠載保護或相位顛倒保護的則更好；
（2）負載是通風機的話，利用軟起動功能，減少皮帶磨損和機械沖擊，并可利用停機時制動轉(zhuǎn)矩功能；
（3）負載是攪拌機、破碎機、提升機等，利用雙斜坡起動和預置低速運行，避免機械損壞；
（4）負載是輸送設(shè)備，可利用軟起動和預置低速功能，實現(xiàn)平滑開停，軟停車消除了由于自由停車帶來的拖動系統(tǒng)反慣性沖擊，避免產(chǎn)品移位和液體溢出；
（5）具有通訊端口可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊與遠程控制。若有計算機聯(lián)網(wǎng)要求，在選擇軟起動器時注意它的智能化程度，是否帶微機接口，接口是否帶有通訊地址和程序，是否能達到通訊控制以及故障自珍診斷功能等。
2、根據(jù)電動機的標稱功率、電流及負載性質(zhì)選擇起動器。一般軟起動器容量稍大于電動機工作電流即可，對水泥廠的一些重載負荷時應加大一檔使用，如：破碎機、球磨機、提升機、長皮帶、攪拌機、風機等，同時適當考慮散熱因素。
3、其他方面，還要考慮是否保護功能完備
（1） 如過電流保護、過壓保護、單項接地保護、上下口斷相保護、三相不平衡保護、相位顛倒保護等。不帶過載保護的，必須另加熱繼電器保護。
（2） 有的軟起動器一般不帶短路保護，需外加快速熔斷器并與晶閘管容量匹配，它能使晶閘管在連接負載發(fā)生短路時受到保護，低壓斷路器一般不能保護軟起動器。進線電抗器可限制主電源的諧波干擾，當幾臺起動器接于同一電源時建議使用進線電抗器。
（3） 軟起動器至電動機的接線要特別注意，大部分是3根出線，但部分產(chǎn)品也有6根出線的。軟起動器可安裝在有功率因素補償器的系統(tǒng)中，但電容器必須位于軟起動器的電源進線一側(cè)，以避免電容器放電損壞軟起動器的晶閘管，另外在電源和電容之間接入電感線圈。軟起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。
（4） 軟起動器允許長期在額定負載工況下運行，可以用旁路接觸器，在起動完畢后把它短接。切除后要注意電動機運行回路是否還有過載熱保護功能。在實際應用過程中，若工藝條件許可，用一臺軟起動器起動多臺電動機時，其容量應根據(jù)電動機中*大的起動負荷考慮，可大大節(jié)省投資費用。
（5） 機柜內(nèi)安裝軟起動器時要考慮散熱空間。軟起動器在通過電流時將會產(chǎn)生熱耗散，安裝時應注意在其上、下方留出一定空間，軟起正上方不能放電器元件，以使空氣能流過其功率模塊。當軟起動器額定電流較大時，要采用風機降溫，風機的電源可取自電機控制系統(tǒng)的二次回路。機械風冷的還要考慮傾斜度等。自然風冷的無此要求。運行方式分在線型和非在線型，選型時盡量選用非在線型。
（6） 參數(shù)測試功能部分品牌軟起動器還帶有參數(shù)顯示窗口，可以通過按鍵在顯示窗口選擇顯示電機的運行參數(shù)，如三相電壓值、三相電流值、功率因數(shù)、運行時間等，而無需增加任何儀表，此功能可使用戶很方便地查詢電機在運行過程中的各種參數(shù)。
四、結(jié)束語
通過以上所述，軟起動器的應用解決以往電機起動中的問題，在水泥行業(yè)，籠型異步電動機凡不需要調(diào)速的各種應用場合都可使用，特別適用于需要軟起動與軟停車的各種泵類負載或風機類負載；對于變負載工況，電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于滿負荷運行的場合，應用軟起動器（不帶旁路接觸器）則具有輕載節(jié)能效果。在水泥廠工程設(shè)計和工程改造中，要想改善工藝提高自動化水平，降低成本提高企業(yè)效益，對電動機的起動就必須首先采用先進的起動設(shè)備——電機軟起動器。正是因為軟起動器有多種的控制方式，以及控制方式的靈活性和可靠性，受到用戶的歡迎， 具有廣泛的應用前景，它已在水泥企業(yè)得到越來越廣泛的使用。
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