煤礦大型電機的啟動控制方式探析

摘 要：隨著煤礦開采的機械化程度越來越高，煤礦生產中使用的大型機械設備越來越多，例如通風機、空氣壓縮機、提升機等，這些大型設備一般是由大功率的電機驅動，在啟動時會產生較大的啟動電流，對整個電網產生較大的壓降，給其它設備工作造成影響，嚴重時會導致電網故障。本文對煤礦常用的幾種大電機啟動方式進行了詳細分析、比較。

關鍵詞：煤礦；大型電機；啟動控制

1 煤礦企業常見的大型電機啟動方式

1.1 直接全壓啟動

經過開關或是接觸器，將電源電壓直接加到電機的定子繞組上啟動電機。顯然，全壓啟動方式的優點是控制方便、維護簡單，而在實踐中，其缺點也是非常明顯的。例如：（1）整個電網降壓非常嚴重，使其它設備不能同時啟動；（2）沖擊電流會對控制開關的真空管造成嚴重損害，造成其使用壽命的下降；（3）啟動電流中含有大量的高次諧波，進而形成高頻諧振，導致繼電保護誤動作；（4）較大的啟動電流發生焦耳熱反復作用，會導致導線絕緣老化加速，同時，較大的啟動電流也會損壞電機絕緣性能，加速電機老化。直接全壓啟動方式適合啟動設備離變電所距離比較近，較好地解決了直接全壓啟動電網降壓的問題（例如在供電系統中采用電容進行壓降補償）的情況下。

1.2 自耦降壓啟動

在電機啟動時利用自耦變壓器來降低加在電機定子繞組上的電壓，在電機啟動后再將電機與自耦變壓器脫離，實現電機的全壓運行，這就是自耦降壓啟動。其缺點是設備體積較大，投資較貴。其控制特點具體體現在：（1）通過自耦變壓器作用；（2）啟動有躍變過程，會對電機以及大型機械的壽命造成影響；（3）會有較大的噪音產生；（4）不能實現功率輸出控制；（5）可以通過對自耦變壓器抽頭位置的選擇實現不同壓降的啟動。

1.3 串聯電抗器啟動

串聯電抗器在電機電路中的作用主要有三點：一是限制短路電流，二是限制電網中的高次諧波，三是改變電力系統的無功功率運行狀況，并通過電抗器數量的調整來調整電網的運行電壓。其使用效果和自耦變壓器類似，適用于400V或600V系統，但其運行時噪音較小，一般低于45dB。

1.4 采用可控硅變頻技術啟動

該技術通過可控硅電路（可控硅變頻器）進行直接的交-交變頻，而不是改變電機的啟動電壓，從而切底克服了機組變換的缺點，但它還是有一定的缺陷，例如對可控硅的維護費用較大、啟動時在電機內部產生高頻磁場會引起電機發熱以及形成對附近的通訊設備信號的干擾等，同時，雖然可控硅變頻器成本較高，生產技術難度也不低，但由于其的另一優點，還是在煤礦大電機中得到了較為廣泛的應用，那就是可控硅具有可控調速性能，所以在煤礦的主通風機氣動控制以及采煤機的牽引裝置中得到了廣泛應用。

1.5 軟啟動

大功率電機的軟啟動是通過電機軟啟動器來實現的。電機軟啟動器采用了先進的電力電子技術、微處理技術以及智能化的控制技術，能有效限制交流異步電動機啟動時的電流，廣泛應用于煤礦企業的風機、水泵以及輸送機械等大型機械的啟動。其工作原理是利用可控硅技術，通過設定時間形成固定的降壓啟動模式從而限制啟動電流，電機在啟動結束后再恢復全電壓工作。軟啟動的實質還是降壓啟動，但和傳統降壓啟動有比較明顯的優勢，例如啟動時無沖擊電流、恒流啟動、可以無極調整至最佳啟動電流等，其過程降壓值是連續平滑處理。軟啟動具有操作簡單方便，同時啟動時電壓、電流變化都比較平緩，比較適合不需要調速、集中啟動以及頻繁關停的大功率電機采用，例如煤礦水泵等的啟動。電機的軟啟動又可以分為多種方式，例如斜坡升壓、斜坡恒流、階躍啟動以及脈沖沖擊啟動等。

2 大電機啟動控制方式的比較

以上幾種大電機啟動方式在煤礦生產中經常會運用到，它們各有各的優缺點，在實際運用中，需要針對實際需要，選擇最好的控制方式。

2.1 對電網的影響比較

其中直接全壓啟動影響最大，自耦降壓以及串聯電抗器啟動影響次之，可控硅變頻技術和軟啟動影響較小。

2.2 對開關、電機及相關設備的影響

全壓直接啟動由于沒有對接觸電流采取分流或抑制措施，沖擊電流最大，自耦降壓以及串聯電抗器啟動則通過增加變壓器或是電抗器的方式減少了電流對設備的沖擊，而可控硅變頻技術以及軟啟動較大程度的限制了啟動電流，沖擊電流非常少。

2.3 可控制、可調速性能

在全電壓直接啟動以及自動自耦降壓啟動、串聯電抗器啟動中，都不具備可控制、可調速性能，而采取可控硅變頻技術啟動既可以控制又可以調速，軟啟動則不可以調速。

2.4 工作環境的適應性

煤礦井下環境惡劣，粉塵、瓦斯、有害氣體以及空氣水分比重較大，通風條件等不佳，在進行啟動方式的選擇時要充分考慮電機對環境的適應性。自耦降壓和串聯電抗器啟動需要較大的大電感元器件，散熱要求較高，顯然不適合在井下環境中使用。而全壓直接啟動對電網影響過大，不利于礦區電網的供電安全，屬于逐步淘汰的啟動方式。比較適合煤礦井下工作的啟動控制方式主要是可控硅變頻技術啟動以及軟啟動。具體來說，軟啟動方式適合大功率負荷電機，例如礦山壓風機、水泵等，可控硅變頻則適合煤礦主通風機、采煤機等，這樣就可以較好的解決隨著井巷延伸調整通風能力需要和采煤工作面采煤速度等。

2.5 運行、維護成本比較

全壓直接啟動簡單方便，成本最低，自耦降壓、串聯抗電器啟動次之，然后是軟啟動，這三者中由于前兩者零部件較多，故障發生幾率相對較高，后者使用軟啟動器實現啟動功能，維護保養比較方便，運行成本較低。成本最高的是可控硅變頻器，可控硅變頻器具有軟啟動的功能，其輸出不但改變了電壓還改變了頻率，其結構比軟啟動器要復雜的多，設備成本和維護成本都比軟啟動器要高。

2.6 環保節能

由于可控硅變頻器具有可控制、可調速的功能，相對而言，節能減排具有明顯優勢，而全壓啟動和自耦降壓啟動噪音較大，對環境影響較大。

3 結束語

煤礦井下設備例如采煤機、提升機、膠帶機等的安全運行，關系到煤礦企業的生產效率。煤礦企業的開采、運輸離不開這些大型機械，推進煤礦企業電氣自動化，就必須對這些重要設備采取最為有效的方式進行運行控制，其中啟動方式的科學選擇就是重要方面。

參考文獻

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