大功率設(shè)備軟啟動(dòng)的方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較

摘要：本文簡要介紹了大功率設(shè)備軟啟動(dòng)的幾種常見方式，固態(tài)軟啟動(dòng)、液態(tài)軟啟動(dòng)、采用液力耦合器的軟啟動(dòng)技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)比較。著重介紹了三相晶閘管電子軟啟動(dòng)技術(shù)的工作原理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。并通過應(yīng)用實(shí)例說明了軟啟動(dòng)的可行性和必要性。
關(guān)鍵詞：大功率設(shè)備 軟啟動(dòng) 電動(dòng)機(jī) 晶閘管
0 引言
大功率設(shè)備的應(yīng)用十分廣泛。在生產(chǎn)過程中，電動(dòng)機(jī)要經(jīng)常啟動(dòng)、停止，其啟動(dòng)性能的優(yōu)劣對生產(chǎn)影響很大，這是因?yàn)榇蠊β孰妱?dòng)機(jī)，其強(qiáng)大的啟動(dòng)電流會造成較大的線路電壓降落，引起電網(wǎng)電壓降低，不僅影響其他用電設(shè)備的正常工作，而且對動(dòng)力變壓器也會產(chǎn)生較大的沖擊，所以，選擇合理的啟動(dòng)方式受到相關(guān)技術(shù)人員的高度重視[1]。
1 軟啟動(dòng)簡述
1.1 軟啟動(dòng)與一般降壓啟動(dòng)的區(qū)別 在啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，可以通過降低加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓來減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。軟啟動(dòng)是在規(guī)定的啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，用調(diào)壓裝置將啟動(dòng)電壓，連續(xù)平穩(wěn)地上升，直至達(dá)到額定電壓。可用n=f(M)來表示異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。
軟啟動(dòng)是從初始電壓開始，電壓平衡連續(xù)的增大。從圖1中的0.5U所標(biāo)注的曲線連續(xù)的平滑的向右平行移動(dòng)，一直平穩(wěn)到與額定電壓Ue所指的曲線重合時(shí)為止，那么電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就會平滑地增大，一直到轉(zhuǎn)矩為最大值Mm時(shí)為止，啟動(dòng)結(jié)束。這樣，在啟動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是平滑的而不是跳躍的，啟動(dòng)過程是平穩(wěn)的，所以叫軟啟動(dòng)[2]。
若采用一般降壓啟動(dòng)，假設(shè)啟動(dòng)電壓U=0.5Ue，則電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩為0.25M，即啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩僅有電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的1/4。如果在此時(shí)將電壓增加到電動(dòng)機(jī)的額定電壓Ue，那么電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就會瞬間由1/4跳到M，這種的啟動(dòng)過程是不平滑、不平穩(wěn)的，因此又稱為硬啟動(dòng)，在要求穩(wěn)啟動(dòng)的場合不應(yīng)采用這種啟動(dòng)方式。
1.2 固態(tài)（晶閘管電子）軟啟動(dòng)的原理 在大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，三相晶閘管軟啟動(dòng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其啟動(dòng)過程平穩(wěn)，諧波的含量，轉(zhuǎn)矩的沖擊以及沖擊的電流都相對較小，且價(jià)格適中，技術(shù)較為成熟。晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)器采用反并聯(lián)接線的晶閘管、連接在電動(dòng)機(jī)的三相繞組上，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角大小，使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流可隨著設(shè)定的規(guī)律變化而改變。這樣人們就可以根據(jù)需要來選擇和調(diào)節(jié)電動(dòng)的啟動(dòng)方式與啟動(dòng)時(shí)電流的大小，從而可使電動(dòng)機(jī)可依據(jù)繼電器的保護(hù)性能而達(dá)到最優(yōu)的啟動(dòng)過程。晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)的工作原理]。
2 晶閘管的軟啟動(dòng)方式
2.1 電壓斜坡式軟啟動(dòng) 通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸入電壓的升高速率來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，適用于不同斜率電壓升高量的啟動(dòng)，是一種常見的啟動(dòng)方式。
U1(30％)為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需最小轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的初始電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然后按設(shè)定的速率逐漸增加，直至達(dá)到電網(wǎng)電壓。此種軟啟動(dòng)一般適用于輕載或空載的啟動(dòng)，也適用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大的設(shè)備，如普通車床、沖床及抽水泵等[4]。
2.2 階躍恒流式軟啟動(dòng) 對于一些啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求比較大的設(shè)備（如采用斜坡啟動(dòng)）通常不能用正常地方式啟動(dòng)，需要采用階躍恒流式的軟啟動(dòng)方式，在初始啟動(dòng)時(shí)，將電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流瞬間增大到所設(shè)定的啟動(dòng)電流值I、并保持電流大小直至完成啟動(dòng)過程，如圖4所示。這種啟動(dòng)方式在啟動(dòng)瞬間的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，適用于較大負(fù)載的啟動(dòng)，如一些帶負(fù)載啟動(dòng)的設(shè)備。該啟動(dòng)方式即為乙烯裝置空壓機(jī)電機(jī)采用的啟動(dòng)方式[5]。
2.3 脈沖恒流式軟啟動(dòng) 它可附加在限流軟啟動(dòng)方式中，適用于需要較高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，從而較快地完成電機(jī)啟動(dòng)過程。用戶可自行選擇脈沖時(shí)間。該方式啟動(dòng)初始階段有一個(gè)較大的啟動(dòng)沖擊電流，大于設(shè)定的恒流啟動(dòng)值I，從而產(chǎn)生較大的沖擊矩去克服較大的靜摩擦轉(zhuǎn)矩，以此啟動(dòng)設(shè)備，進(jìn)而即進(jìn)入恒流啟動(dòng)階段，直至啟動(dòng)完畢。如圖5所示。脈沖恒流軟啟動(dòng)方式的啟動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩大，適用于皮帶輸送機(jī)、粉碎機(jī)的滿載啟動(dòng)等重載啟動(dòng)。
3 液態(tài)軟啟動(dòng)
水電阻啟動(dòng)器是根據(jù)電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)理論，在電動(dòng)機(jī)的定子回路中串入一適當(dāng)?shù)目烧{(diào)節(jié)式水電阻進(jìn)行分壓，充分利用水電阻的可調(diào)性能與可恢復(fù)性能優(yōu)良，熱容量相對較大的特點(diǎn)，通過控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)電極的極板運(yùn)動(dòng)，改變定、動(dòng)極板之間的距離，從而改變水電阻阻值的大小，促使同步變化水電阻的阻值與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，達(dá)到恒電流啟動(dòng)的目的。使用該啟動(dòng)器來啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，可使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)步加速至額定轉(zhuǎn)速，并縮短其啟動(dòng)的時(shí)間，在啟動(dòng)完成后，星點(diǎn)接觸器便會自動(dòng)接入并旁路的水電阻，電動(dòng)機(jī)將在額定電壓下運(yùn)行。

4 液態(tài)(水電阻)與固態(tài)(晶閘管)軟啟動(dòng)器的比較[6]
5 采用液力耦合器的軟啟動(dòng)技術(shù)
5.1 若從工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度看，液力耦合器的輸出轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)速之比一般不能高于95％，即不能同步運(yùn)行輸入與輸出軸，因而會損失較多功率，發(fā)熱情況十分嚴(yán)重，這將會明顯降低傳動(dòng)系統(tǒng)的效率。如果大功率設(shè)備的長期運(yùn)行，這種功率損失會顯著提高企業(yè)的生產(chǎn)成本、導(dǎo)致企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的下滑。
5.2 在采用調(diào)速型液力耦合器作為軟啟動(dòng)裝置時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流仍然較大(5～8倍的額定電流)，因此需要嚴(yán)格限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)。與其他調(diào)速方式相比，由于受到原理結(jié)構(gòu)的制約，調(diào)速型液力耦合器的有效調(diào)速范圍較小，其可控性也較差。
5.3 調(diào)速型液力耦合器體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，并且具有高速旋轉(zhuǎn)的大直徑部件，當(dāng)它分別與電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)聯(lián)接之后，所占空間更大，在安裝空間有限的場合無法正常使用。用液力耦合器作為軟啟動(dòng)傳動(dòng)裝置的主要優(yōu)點(diǎn)在于液力耦合器的技術(shù)相對成熟，價(jià)格合理，井下的隔爆要求易于實(shí)現(xiàn)，尤其是采用水介質(zhì)的液力耦合器具有優(yōu)良的隔爆性能，目前主要應(yīng)用在刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等煤礦機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中[7]。
6 結(jié)語
由于固態(tài)(晶閘管)電機(jī)軟啟動(dòng)器具有優(yōu)良的特性，所以其應(yīng)用越來越廣泛。我國中(高)密度纖維板生產(chǎn)企業(yè)正在用這種啟動(dòng)器來逐步取代液態(tài)(水電阻)啟動(dòng)器；但由于液態(tài)(水電阻)啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格相對便宜，故目前也有一定的應(yīng)用。三相晶閘管調(diào)壓軟啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)了大容量電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)，消除了因大容量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)造成對電網(wǎng)沖擊的可能，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，與其它同類啟動(dòng)方式的產(chǎn)品相比，采用軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式可以減小設(shè)備易損件的更換周期，降低運(yùn)行成本，有效地保證了生產(chǎn)的正常、連續(xù)運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
[1]唐振鵬.上灣洗煤廠6kV電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的分析與改進(jìn).煤炭工程.2009.
[2]張以都.國內(nèi)外重載機(jī)械設(shè)備軟啟動(dòng)技術(shù)的研究.煤炭科學(xué)技術(shù).2001.
[3]王傳成.利用晶閘管交流調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)大功率三相異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng).中國設(shè)備工程.2003.
[4]馬自玫.隔爆高壓軟啟動(dòng)設(shè)備在煤礦井下的應(yīng)用.煤炭科學(xué)技術(shù).2004.
[4]周芹剛，孫本勝.大功率電機(jī)啟動(dòng)方式的比較與選擇.氯堿工業(yè)[8].2007.
[5]李軍，盧勇.軟啟動(dòng)技術(shù)在大型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用.動(dòng)力與電氣工程.2009.
[6]石戰(zhàn)平.淺談中(高)密度纖維板廠10kV高壓電機(jī)啟動(dòng)；林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備37[7]；2009.
[7]薄祥群，江衛(wèi)，田素華；高壓大功率電動(dòng)機(jī)自動(dòng)電液變阻軟啟動(dòng)的研究與應(yīng)用；中國設(shè)備工程；2007