淺談軟啟動器在高速公路隧道風機中的應用

■陳捷統

（福建暢祥公路工程有限公司，三明365001）

淺談軟啟動器在高速公路隧道風機中的應用

■陳捷統

（福建暢祥公路工程有限公司，三明365001）

隨著科學技術的飛速發展，智能控制系統得到了廣泛的應用。軟啟動器在高速公路隧道風機中的應用已是必不可少。本文主要結合A BB軟啟動器在福建高速公路隧道風機控制系統工程實例，通過對一次電路圖和二次回路原理圖介紹，并結合A BB軟啟動器的性能來實現對隧道風機設備的有效控制，從而分析軟啟動器在控制系統中應用的原理、特點及存在的問題和解決思路。使得相關人員能全面、深入的了解A BB-P S T 85/600型軟啟動器的使用方法。

高速公路軟啟動器控制應用

1 前言

近年來，高速公路飛速發展。自1997年12月15日福建省第一條高速公路---泉廈高速公路誕生開始，至2015年底通車里程突破5000km。高速公路橫穿于福建八閩大地高山峻嶺中，大量風機安裝在隧道中。僅三明境內高速公路隧道就安裝功率37kW風機756臺（1臺風機配1臺軟啟動器），倘若把高速公路比喻成一個朝氣蓬勃的年輕人的話，那么高速公路隧道風機就是保障它正常運轉的肝臟。只有隧道風機正常運轉才能將隧道內尾氣、粉塵或一旦發生火災產生的煙霧等污濁空氣及時排出洞外，實現隧道內新鮮潔凈的空氣循環流動。當前我國經濟已經進入了一個新的發展階段，我省高速公路通車里程越來越長，對風機的安全運轉要求越來越高，對電機的控制要求越來越高，電機的起動方法也越來越受到重視。

電機驅動的設備一般都是企業的核心設備，直接影響企業的生產狀況，因此我們應該對其起動給予特別的關注，合理的選擇啟動裝置將給我司帶來很大的經濟效益。

2 軟啟動器的原理、特點及其保護功能

2.1 軟啟動器的原理

軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新型電機控制裝置，國外稱為Softstarters。其主要工作原理是將軟啟動器串接于電源與被控電機之間，啟動時控制其內部三相反并聯晶閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓從零值以預設函數關系在設定時間內逐漸上升，直至啟動結束賦予電機全壓。使用軟啟動器起動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時，起動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。如圖1、圖2、圖3所示的是直接起動、星/三角起動和軟起動在電動機電壓（V）、電動機電流（I）和電動機力矩（T）時的不同表現。

圖1

圖2

圖3

2.2 軟啟動器的特點

（1）采用微處理器全數字自控監控。啟動時起動電流以恒定的斜率平穩上升，對電網無沖擊電流，不會造成大的電壓降落，保證了電網電壓的穩定。起動轉矩、電流、電壓、時間可按負載不同而設定，可取得最佳的電流沖擊和最佳的轉矩控制特性，極大地減少了電動機轉矩對負載的沖擊，也滿足了不同工作對象對啟動轉矩的不同要求，保護了被驅動機構。

（2）電動機起動不受電網電壓波動的影響。由于在晶閘管的移相電路中，引入了電流反饋，因而使電動機在起動過程中保持恒流、平穩起動。同時，由于以起動電流為定值整定，當電網電壓上下波動時，通過控制電路自動增大或減小晶閘管導通角來維持原始設定值，可保護起動電流恒定。有的軟啟動器還采用雙電源隔離，保證控制部分不受各種強電干擾。

（3）根據工作對象的不同，電動機可選擇多種啟停方式。一般在電動機軟啟動的初始轉矩范圍內選擇，可根據用戶要求在起動轉矩的平開始，電動機的定子電壓在斜坡加速時間內無級增加，加速的斜坡時間由用戶設定。電動機可以自由停車和軟停車，軟停車時間可調節。軟停車特性大大延長電氣觸點壽命。

（4）結構簡單，重量輕，無噪聲，占地小。作為無觸點控制，軟啟動器使用壽命比傳統的接觸器大大延長，若使用得當，可長達幾十年，全免維修，而且安裝、操作、使用簡便。軟啟動器平滑、漸進的啟動過程可降低設備的振動和噪聲，延長電動機和被驅動機械的壽命，并改善了工人的勞動環境。

（5）可選擇過電流、過載、電源斷相等多種保護，保證了設備和電動機的安全。軟啟動可提供設備的監控保護的快速故障診斷信息，如限流、過載、斷相、轉子堵轉等。保護整定值可由用戶指定，保護性能可靠。有的軟啟動器還具有相序自動識別、相序保護功能。

2.3 軟啟動器的保護功能

（1）過載保護功能：軟啟動器引進了電流控制環，因而隨時跟蹤檢測電機電流的變化狀況。通過增加過載電流的設定和反時限控制模式，實現了過載保護功能，使電機過載時，關斷晶閘管并發出報警信號。

（2）缺相保護功能：工作時，軟啟動器隨時檢測三相線電流的變化，一旦發生斷流，即可作出缺相保護反應。

（3）過熱保護功能：通過軟啟動器內部熱繼電器檢測晶閘管散熱器的溫度，一旦散熱器溫度超過允許值后自動關斷晶閘管，并發出報警信號。

（4）其它功能：通過電子電路的組合，還可在系統中實現多種聯鎖保護。

3 電動機直接啟動的缺點及應用軟啟動器的優點

3.1 電動機直接起動的缺點

3.1.1 引起電網電壓波動，影響同電網其它設備的運行

交流電動機在全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的4～7倍，當電機的容量相對較大時，該起動電流會引起電網電壓的急劇下降，影響同電網其它設備的正常運行，特別是引起隧道照明燈亮度突然下降，影響高速行駛車輛安全。

3.1.2 對電網的影響

對電網的影響主要表現在兩個方面：

（1）超大型電機直接起動的大電流對電網的沖擊幾乎類似于三相短路對電網的沖擊，常常會引發功率振蕩，使電網失去穩定。

（2）起動電流中含有大量的高次諧波，會與電網電路參數引起高頻諧振，造成繼電保護誤動作、自動控制失靈等故障。

3.1.3 傷害電機絕緣，降低電機壽命

（1）大電流產生的焦耳熱反復作用于導線外絕緣，使絕緣加速老化、壽命降低。

（2）大電流產生的機械力使導線相互摩擦，降低絕緣壽命。

3.1.4 電動力對電機的傷害

（1）大電流在電機定子線圈和轉子鼠籠條上產生很大的沖擊力，會造成風機風葉夾緊松動、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。

（2）整條傳動鏈（從電動機到受驅動的設備）都會受到劇烈的應力。

3.1.5 傷害機械設備

全壓直接起動時的起動轉矩大約為額定轉矩的2倍，這么大的力矩突然加在靜止的機械設備上，會加速齒輪磨損甚至打齒、加速風葉疲勞甚至折斷風機風葉等，若折斷的風葉吹到路上對高速行駛車輛造成嚴重危害。

3.2 應用軟啟動器的優點

軟啟動的轉矩不會超過額定轉矩，上述弊端可以完全克服。當采用減壓起動時，上述危害只有一定程度的降低，而獨立變壓器供電方式直接起動只能在電網電壓波動方面有所緩解，其它方面的危害都照樣存在，當采用軟啟動時，起動電流一般為額定電流的2～3倍，電網電壓波動率一般在10%以內，對其它設備的影響非常小，且最大電流降低一半左右，瞬間發熱量僅為直起的1/4左右，絕緣壽命會大大延長。軟啟動時電機端電壓可以從零起調，可完全免除過電壓傷害。

4 ABB-PST系列軟啟動器在福建省高速公路隧道風機中的應用

4.1 ABB-PST系列軟啟動器特性

PST系列是基于微處理器的軟啟動器，該設計應用了最新技術，為電動機提供軟啟動和軟停止功能。最新版PST軟啟動器提供了一種全新的功能叫力矩控制，使用此功能，可以調節電動機輸入電壓，從而使力矩控制按預先設定的曲線對電動機的啟動和停止進行控制。且PST軟啟動器標配有多個先進的電動機保護功能。四個按鍵的鍵盤和邏輯結構的菜單。使安裝、調試，以及操作都變得簡單；還有10種語言可供選擇。

（1）優異的限電流能力：限制電流范圍可在2～5倍Ie之間調整，啟動階段電流曲線平滑，可優先限制電機升溫，并提高變壓器的起動容量，與直接起動相比使用軟啟動器降壓啟動時，啟動容量至少可提升30%～50%。

(2)齊全的保護功能：提高針對自身、電機及機械設備的保護功能，完全代替了傳統的保護功能，簡化了設計，并且在啟動結束、軟啟動器旁路后仍具有保護功能。

4.2 ABB-PST 85/600型軟啟動器的應用實例

由于軟啟動器在電機控制系統中對電機的起動、運行狀態、停止均能有效的控制，并且在電機不需要調速的情況下，軟啟動器相比變頻器既經濟又實用，因此近幾年來軟啟動器在電機控制系統中的應用較為廣泛，其主要用于控制泵類和風機類負載。福建高速公路三明段的756臺隧道風機（37kW），1臺風機配1臺軟啟動器（大部分采用ABB-PST 85/600型軟啟動器）。現介紹ABB-PST 85/600型軟啟動器在泉南高速三明段蓮花山隧道風機的應用：

蓮花山隧道單洞里程為3565m，共安裝風機13臺其中A道7臺、B道6臺；當單臺37k W風機全壓啟動時最大啟動電流達到336A，而采用ABB-PST 85/600型軟啟動器啟動時最大啟動電流降到228A，為全壓啟動時的67.8%，有效避免因啟動電流過大所造成隧道照明亮度突然下降、繼電保護誤動作及自動控制失靈等現象；且采用ABB-PST 85/600型軟啟動器啟動時，電動機最大起啟轉矩由原來的200 N·m變成126N·m，不超過額定轉矩，從而有效保護齒輪，減少齒輪磨損甚至打齒，消除風葉因疲勞折斷，吹到路上對高速行駛車輛所造成的危害，增加安全性能。

ABB-PST 85/600型軟啟動器二次控制的各接線端子及功能詳見圖4、圖5。

圖4 ABB-PST 85/600型軟啟動器面板各端子（二次回路）接線圖

圖5 ABB-PST 85/600型軟啟動器外接按鈕控制接線圖

4.3 ABB-PST 85/600型軟啟動器的設定

（1）啟動曲線

設定啟動時電壓提升的時間，可調時間為1～30s，隧道風機啟動時間設為10s。

（2）停止曲線

設定停止時電壓下降的速度，可調時間為0～30s，選用0s可直接停止被控設備，隧道風機軟停時間設為10s。

（3）初始電壓Uini

設定初始電壓以及停止電壓的范圍，可以在30%～70%范圍內分五檔選擇，高速公路隧道風機其初始電壓以及停止電壓值應設在40%位置。

4.4 （37kW）隧道風機啟、停的一、二次電路原理圖

電路原理圖詳見圖6、圖7。

圖6 風機控制一次電路原理圖

QF:主斷路器；1KM:起動接觸器；2KM：旁路接觸器；1KH:熱繼電器；S1:控制電源開關；1KA、2KA：中間繼電器；PLC：遠程輸出節點。

隧道風機的啟、停工作，首先，合上QF、S1等ABBPST 72型軟啟動器顯示rdy（準備好），可以起動軟啟；然后也可通過PLC輸出1KA得電，STOP與RUN有+24V信號輸入，KM1吸合，軟起起動，由軟啟動器通過其內部觸點延時接通旁路接觸器2KM電源，接觸器動作使軟啟動器不帶負載運行，直至停車時再次投入，這樣可以防止軟啟動器長時間帶載發熱，確保系統正常運行的同時又可延長其使用壽命。但由于軟啟動器被旁路后不能對電機實施過載保護，因此加設熱繼電器1KH來實現過載保護功能。

4.5 ABB-PST 85/600型軟啟動器的常見故障及解決方法

（1）軟啟動器無啟動信號

①檢查旁路接觸器主觸點是否卡在閉合位置，若觸點已燒融則需更換接觸器。

②若旁路接觸器完好則軟啟動器內部的晶閘管可能被擊穿或者已損壞，此時需更換軟啟動器。

（2）電機不啟動

①檢查端子1和2是否接通工作電壓。

②檢查啟動信號是否正常，端子5和6之間啟動時應閉合，端子4和6之間應短接。

③檢查主回路接線是否正確，主電壓應接于軟啟動器端子1L1、3L2、5L3。

④檢查熱過載繼電器是否脫扣，處于過載保護狀態。

⑤檢查軟啟動器是否過熱，如果軟啟動器太熱的話，即使復位后故障依然存在。檢查軟啟動器風扇工作是否正常，以及冷卻風道是否被灰塵和雜物堵塞。

（3）電機啟動時或運行過程中突然停止

圖7 風機控制二次回路原理圖

①檢查主回路是否缺相；

②檢查熱繼電器是否動作；

③檢查軟啟動器是否過熱；

④排除了以上故障后還是不能故障復位則微處理器出現了故障，需更換內部電路板。

4.6 ABB-PST 85/600型軟啟動器存在的問題及解決思路

ABB-PST 85/600型軟啟動器外形尺寸小巧、嶄新魅力的設計決定了內部電路板的電路都是緊湊設計，風機軟啟低壓板原先采用都是PSPCB-LV/T普通板。高速公路車輛多，特別是上坡車道尾氣多、粉塵大，油污粉塵附著板上造成軟啟保護，經常是一個月要進行一次軟啟低壓板清洗保養，否則風機就不能正常運行。為解決該問題，我們積極與ABB廠家溝通后,決定將PSPCB-LV/T板進行鍍膜改成PSPCB-LV/T-T鍍膜板，油煙、粉塵吸附問題得到了很大的改善。因采用PSPCB-LV/T普通板數量較多，若一次性更換成本巨大（約530萬），公司機電部擬逐年進行更換，更換計劃如下：2016年下半年對故障的36臺（三明南段28臺、大田段8臺）軟啟動器低壓板進行更換；2017年對時間在3個月內需要清洗保養的軟啟動器低壓板進行更換；2018年對時間在3個月以上需要清洗保養的軟啟動器低壓板進行更換。

5 結語

ABB-PST 85/600型軟啟動器在福建高速公路隧道風機控制系統應用實例可知：外加軟啟動器為風機提供了先進的可控硅保護且與使用電壓控制相比，使用力矩控制，使電機得到了更加線性的加速或減速的過程，最高程度的確保風機運行的穩定性和最大程度的減少維護。

高速公路是國民經濟發展的重要支柱，高速公路的道路暢通不僅僅關系到高速公路本身的社會形象，更關系到沿線地區的經濟發展。通過系統了解軟啟動器的性能、用途后可以解決處理隧道風機控制系統中的一些問題，從而可以更有效的控制動力設備，使得隧道風機能夠更穩定、安全的運行，為高速公路的暢通保障護航!

[1]劉利,王棟.電動機軟啟動器實用技術[M].北京：中國電力出版社.

[2]霍俊儀,萬東梅.電氣控制與PLC應用技術仿真教學探討[J].中國科技信息,2005（12）.

[3]吳志宏.電動機的節能措施[N].中國電力報,2000.

[4]成文;電動機啟動障礙原因及排除[N].河南科技報,2000.

[5]楊德印.電動機的軟啟動技術[N].電子報;2010.

[6]郭斌.電機軟啟動器性能分析與工業應用[D].天津大學,2010.

[7]張運波,劉淑榮.工廠電氣控制技術[M].高等教育出版社,2004.

[8]唐懷斌．工業控制的進展與趨勢[J].

[9]鄢景華.自動控制原理[M].哈爾濱工業大學出版社.200.

[10]王君艷.交流調速[M].高等教育出版社.2003.8.

[11]JTG/T D70/2-2014,公路隧道通風照明設計細則[M].

[12]JTG H12-2015,公路隧道養護技術規范[S].