電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器研究

王震

中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)洗選中心大柳塔洗煤廠， 陜西 神木縣 719315

電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器研究

王震

中國(guó)神華神東煤炭集團(tuán)洗選中心大柳塔洗煤廠， 陜西 神木縣 719315

異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能及無(wú)須維護(hù)的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。然而由于其起動(dòng)時(shí)要產(chǎn)生較大沖擊電流，同時(shí)由于起動(dòng)應(yīng)力較大，使負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。本文對(duì)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器的硬件和軟件流程等理論進(jìn)行了研究。參照美AB公司SMCPLUS軟起動(dòng)器，研究軟起動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)控制器降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的目的。

軟啟動(dòng)；控制器

1、軟啟動(dòng)裝置的簡(jiǎn)介

目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動(dòng)機(jī)，有相當(dāng)多的異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)，白白地浪費(fèi)了大量的電能。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的:

1.1 由于大部分電機(jī)采用直接起動(dòng)方式，除了可能對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)造成沖擊和引發(fā)事故之外，超出正常8～10倍的起動(dòng)電流會(huì)造成巨大的能量損耗；

1.2 在進(jìn)行電功機(jī)容量選配時(shí)，往往片面追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動(dòng)機(jī)容量過(guò)大，造成“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率和功率降低；

1.3 從電動(dòng)機(jī)所拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械自身的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮，往往要求電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)功能，若用定速定壓拖動(dòng)，勢(shì)必造成大量額外電能損失。

根據(jù)以上相互矛后的要求和電網(wǎng)的實(shí)際情況，通常采用的啟動(dòng)方式有以?xún)煞N方式:一種是在額定電壓下的直接起動(dòng)方式，另一種是降壓起動(dòng)方式。

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ma直接與所加電壓的二次方有關(guān)，也就是說(shuō)，只要降低電機(jī)接線端子上的電壓就會(huì)影響這些值，軟起動(dòng)的工作原理是通過(guò)串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管，改變其導(dǎo)通角使電機(jī)的端子電壓從預(yù)定的值上升到額定電壓。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通角進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的工作電壓，使電動(dòng)機(jī)的工作電壓按照規(guī)劃好的模式由大到小連續(xù)增加，從而使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流在一定范圍內(nèi)變化。

對(duì)比軟起動(dòng)方式和降壓起動(dòng)方式，我們可以看出降壓起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)過(guò)程中是一個(gè)固定不變的量，而且，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降的倍數(shù)至少要大于起動(dòng)電流下降的倍數(shù)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降無(wú)窮大是降壓起動(dòng)的一個(gè)重要問(wèn)題，而軟起動(dòng)方式時(shí)，雖然在起動(dòng)的瞬間起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的初始值不大，但在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不斷增加，在起動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。這樣軟起動(dòng)就解決了在降低起動(dòng)電流的時(shí)候又不使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降的確問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用軟起動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，國(guó)外如AB公司雖然有這種產(chǎn)品，但在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的價(jià)格較高，不利于國(guó)內(nèi)應(yīng)用這種先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品。所以，國(guó)內(nèi)急需開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)而且性能先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器。國(guó)內(nèi)的各企業(yè)、高校和科研單位也一直在進(jìn)行著軟起動(dòng)系統(tǒng)的研制工作。己有的產(chǎn)品多為單一功能或少功能的系統(tǒng)，具有較多集成功能的產(chǎn)品到目前為止仍沒(méi)有出現(xiàn)。

2、軟啟動(dòng)控制器的研究

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)外施電壓的平方成正比。因此，只要做到能無(wú)級(jí)、平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的外施電壓，即可使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性變軟，達(dá)到軟起動(dòng)的目的。

電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)是一種連續(xù)無(wú)級(jí)漸升壓限流起動(dòng)方式，其主要思想是通過(guò)軟件控制，使電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，定子電壓由某一初始值逐漸上升至全電壓，并在電壓上升過(guò)程中，限制起動(dòng)電流的增加，以實(shí)現(xiàn)小電流起動(dòng)，大電流運(yùn)作。即軟起動(dòng)是以軟件控制代替常規(guī)繼電器線路控制來(lái)滿足電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)升壓起動(dòng)。軟起動(dòng)器是一種以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)思想為基礎(chǔ)，硬件以微處理器控制為核心，以無(wú)觸點(diǎn)可控硅為主要控制器件的交流調(diào)壓裝置，在軟件的支持下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)升壓限流起動(dòng)，并在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后繼續(xù)參與電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制的器件。

根據(jù)以上原理，能夠滿足無(wú)級(jí)、平滑地調(diào)節(jié)輸出主電壓的主電路器件只有無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)較為合適。目前國(guó)內(nèi)外廠家生產(chǎn)的軟起動(dòng)器，按其主電路采用的器件主要分為磁控式軟起動(dòng)器和電子式軟起動(dòng)器。磁控式軟起動(dòng)器主要執(zhí)行元件是磁放大器，采用調(diào)感調(diào)壓原理，起動(dòng)時(shí)在電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)一個(gè)自飽和電抗器，使起動(dòng)電流在電抗器上產(chǎn)生電壓降，然后再通過(guò)磁飽和逐步減小阻抗，使加在繞線端的電壓逐步上升，完成起動(dòng)過(guò)程。

設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器首先要考慮它所要完成的功能，然后根據(jù)這些功能確定它所要檢測(cè)的參量，最后設(shè)計(jì)完成這些功能的各個(gè)模塊。根據(jù)要完成的軟起動(dòng)器所要實(shí)現(xiàn)的功能，確定軟起動(dòng)控制器需要檢測(cè)、輸出的參量如下:

2.1 檢測(cè)電源電壓，用以判斷電源電壓是否為正常狀態(tài)，檢測(cè)的項(xiàng)目有:過(guò)壓、欠壓、斷相、逆序；

2.2 檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的工作電流，用以判斷故障情況和能量消耗、以及功率因數(shù)角的大小；

2.3 檢測(cè)開(kāi)關(guān)元件的溫度和壓降，用以判斷開(kāi)關(guān)元件是否正常工作；

2.4 檢測(cè)軟起動(dòng)控制器的啟動(dòng)命令，用以起動(dòng)電動(dòng)機(jī)；

2.5 檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的雙斜坡起動(dòng)方式選擇信號(hào)；

2.6 輸出故障報(bào)警信號(hào)和旁路信號(hào)；

2.7 控制參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)可以設(shè)定和顯示。

在軟起動(dòng)的起動(dòng)過(guò)程，首先應(yīng)該確定軟起動(dòng)的初始起動(dòng)電壓(百分比)，這個(gè)初始電壓必須滿足機(jī)械設(shè)備所需的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；其次要確定降壓起動(dòng)的時(shí)間(即調(diào)節(jié)電壓上升率)。有的產(chǎn)品采用“恒電流”的軟起動(dòng)方式，它是通過(guò)“起動(dòng)電流限制值”的整定(一般此值為額定電流的2.0～3.6倍)來(lái)完成起動(dòng)過(guò)程的(軟停止過(guò)程與軟起動(dòng)過(guò)程程序相反)。我們所設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)器，其基本技術(shù)性能包括:

2.7.1 初始起動(dòng)電壓，一般可在10%～60%額定電壓的范圍內(nèi)調(diào)整；

2.7.2 起動(dòng)時(shí)間一般為0.5～30s連續(xù)可調(diào)，有的產(chǎn)品其可調(diào)時(shí)間可能更短或更長(zhǎng)一些(調(diào)節(jié)軟起動(dòng)時(shí)間實(shí)為調(diào)節(jié)電壓的上升率)；

2.7.3 起動(dòng)電流限制值一般整定為(2.0～3.6)Ie；

2.7.4 軟停止時(shí)間一般為0.5～240s可調(diào)，相當(dāng)?shù)碾妷航禐?00%～30%；

2.7.5 初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為5%～90%

軟起動(dòng)器應(yīng)具備過(guò)電流及速斷保護(hù)、斷線保護(hù)、品閘管等的過(guò)熱保護(hù)和進(jìn)線電源逆序保護(hù)(對(duì)于不允許反轉(zhuǎn)的設(shè)備應(yīng)有這種保護(hù))。設(shè)置進(jìn)線電源逆序保護(hù)的目的是當(dāng)送電時(shí)，如電源相序與原要求不一致時(shí)，起動(dòng)器則不能工作，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信弓。這種保護(hù)對(duì)那些不允許反轉(zhuǎn)的設(shè)備是必不可少的。

除了上述基本功能外，還有一些附加的技術(shù)性能和保護(hù)功能，例如有的產(chǎn)品具有節(jié)能功能的選擇開(kāi)關(guān)，它可使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓調(diào)節(jié)至與實(shí)際的負(fù)載相適應(yīng)，避免電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于空載或輕載狀態(tài)，從而達(dá)到改善功率因數(shù)和節(jié)能目的。有的產(chǎn)品還具備不平衡保護(hù)，等等。軟起動(dòng)器為電力電子產(chǎn)品，可以很方便地與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接，從而可方便地實(shí)現(xiàn)工廠的自動(dòng)化控制。

由于軟起動(dòng)器仍然屬于降壓起動(dòng)的范疇，因此，它的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩有所降，對(duì)需要重載起動(dòng)的設(shè)備，仍然采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)較為合適。因?yàn)槔@線式異步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)外加轉(zhuǎn)子繞組阻抗的辦法，降低它的起動(dòng)電流，但同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。

3、結(jié)語(yǔ)

本結(jié)主要介紹了軟起動(dòng)器的基本原理和類(lèi)型。電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)是一種連續(xù)無(wú)級(jí)漸升壓限流起動(dòng)方式，其主要思想是通過(guò)軟件控制，使電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，定子電壓由某一初始值逐漸上升至全電壓，并在電壓上升過(guò)程中，限制起動(dòng)電流的增加，以實(shí)現(xiàn)小電流起動(dòng)，大電流工作。即軟起動(dòng)是以軟件控制代替常規(guī)繼電器線路控制來(lái)滿足電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)升壓起動(dòng)。

[1]丁健，史中.一種基于模糊控制的新型軟起動(dòng)器.電力電子技術(shù)，1998，(1):4～6

[2]周希章.電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速.機(jī)械工業(yè)出版社，198 4:1～2

[3]劉競(jìng)成.交流調(diào)速系統(tǒng).上海交通大學(xué)出版社，1984:6

TM32

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.24.071