电动机软起动器在水泥企业的使用

摘要：本文针对水泥企业使用的笼型异步电动机工况，通过分析软起动器的工作原理及常用的几种起动方式，阐述了水泥企业软起动器的使用及选型时应注意事项。 

关键词：软起动器 起动转矩 冲击电流 晶闸管 触发角 自由停车 软停车 制动停车 

一、概述

    笼型异步电机由于结构简单、控制方便、效率高等优点而被水泥企业广泛地应用于机械设备的拖动中。在实际使用中，电动机在起动或停止过程中还存在着一系列问题。全压起动时要产生较大的冲击电流（一般为额定电流Ie的5～8倍）。电动机容量越大，起动时冲击电流对电网及其负载冲击就越大，特别是大容量电机直接起动会对电网及其他负载造成干扰，甚至危害电网的安全运行；同时由于起动应力较大，使负载设备的使用寿命降低。在停机时，如果拖动系统突然失去转矩，靠系统的摩擦转矩克服系统的惯性滑行停车，也给拖动系统带来诸多问题。

    解决办法有两个：一是增大配电容量；二是采用限制电机起动电流的起动设备。如果仅仅为起动电机而增大配电容量，从经济角度来说，显然不可取。为此，在水泥厂设计时，对低压大电机需要配备限制电机起动电流的起动设备，常用的有Y/Δ起动，自藕降压起动等方式来实现。这些方法虽然靠接触器切换电压实施启动降压，可以达到降低电流的目的，但没有从根本上解决起动瞬时电流尖峰冲击问题。起动转距基本固定不可调，起动过程中都存在二次冲击电流，对负载机械有冲击转距，且受电网波动的影响，一旦出现电网电压向下浮动，会造成电机堵转、起动过程接触器带载切换，易造成触点的拉弧、损坏等方面问题。严重时烧毁开关、电动机，影响电网其它设备运行。 

    随着电力电子技术的发展，软起动器作为一个新型电动机起动装置可以克服以上缺点，它是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装置。目前，水泥企业笼型异步电机的降压起动设备正逐步被软起动器取代。

二、软起动器的工作原理及主要特点

    软起动器的工作原理 软起动主要由串接于电源与被控电动机之间三对反并联晶闸管调压电路构成。现代软起动器基本上都采用了电力电子技术和微机控制技术，以单片微机作为ZY控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，因此，软起动器具备了很强的功能和灵活性。整个起动过程是数字化程序软件控制下自动进行。利用三对晶闸管的电子开关特性，通过起动器中的单片机，控制其触发脉冲的迟早来改变触发角的大小。而触发导通角的大小，又改变晶闸管的导通时间，*终改变加到定子绕组的三相电压的大小。异步电动机定子调压的结果，一方面其转矩近似与定子电压的平方成正比，另一方面电动机的电流又和定子电压成正比。电动机的起动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，以满足不同的负载起动特性。电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动。电动机工作在额定电压的机械特性上。电动机的起动转矩和起动电流的*大值可根据负载情况设定。

软起动器常用的几种起动方式：

1、限流起动 电机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值（Is）的软起动方式。其输出电压从零开始迅速增长，直到输出电流达到预先设置的电流限值Is，然后保持输出电流I<Is的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。使电机转速逐渐升高，直到额定转速。这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整。对电网影响小，其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间。损失起动力矩，对电动机不利。

2、斜坡电压起动 这种起动方式*简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升，它是将传统的降压起动从有级变成了无级，主要用在重载起动，它的缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且起动时间长有损于电机。

3、转矩控制起动 用在重载起动，它是将电动机的起动转矩由小到大线性上升，它的优点是起动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，它的目的是保护拖动系统，延长拖动系统的使用寿命。同时降低电机起动时对电网的冲击，是*优的重载起动方式，它的缺点是起动时间较长。

4、 转矩加突跳控制起动与转矩控制起动 相仿也是用在重载起动，不同的是在起动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩，然后转矩平滑上升，缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，应用时要特别注意。

5、 电压控制起动是用在轻载起动的场合，在保证起动压降下发挥电动机的*大起动转矩，尽可能的缩短了起动时间，是*优的轻载软起动方式。

    综上所述不难看出，*适用*先进的起动方式应是电压控制起动和转矩控制起动及转矩加突跳控制起动。目前的软起动器多是限电流起动和斜波电压起动，它是*原始*低级*简单的起动方式，还有的是限流起动和转矩加突跳控制起动。唯有电压控制和纯转矩控制及转矩加突跳控制起动较为先进。

常用停机方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。

1、 自由停车 传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的。即惯性停车（断电自停）；

2、软停车 电动机停机时，软起动器将额定电压按软停车设定的时间缓慢降至起始电压Us后停止输出的一种停车方式，它可以消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击。

    如皮带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机，软停车功能正好能满足此要求。晶闸管在收到软停机信号后，导通角渐减，经一定时间才过渡到全关，即电动机端电压渐减至零。停车时间可按实际需要设定。

3、制动停车 向电机输入直流电流，从而加快制动，制动时间可调，主要用于惯性力矩大的负载或需快速停机的场合，在一定的场合代替了反接制动停车。

三、软起动器的选型及注意事项

    目前软起动器的生产厂家很多，有进口也有国产的，原理基本相同。软起动器是一种新型的、性能优良的起动装置，它结合了电力电子技术、自动控制技术和微处理器技术，与传统起动设备相比，具备完善的电机软启动和软停车功能，可保证电机连续而平滑的启动，消除了机械冲击和大电流冲击，有效的延长了电机的寿命和保护了用电线路和负载。目前在市场上有影响力的基本上都是国外产品，如施耐德的TE、罗克韦尔的A-B、ABB、西门子的产品等。
    
    水泥企业在选用软起动器时应主要考虑以下问题：

    1、选择软起动器注意负载是标准负载还是重载负载。根据负载性质的不同来选择不同类型的起动器。
    （1）如果负载是离心泵（消防泵、喷淋泵、水泵等），则需利用泵控制功能，减少起动和停止时液流冲击所产生的系统水锤现象的发生，所以必须用选带泵控制功能的软起动器，如另带欠载保护或相位颠倒保护的则更好；    

    （2）负载是通风机的话，利用软起动功能，减少皮带磨损和机械冲击，并可利用停机时制动转矩功能；

    （3）负载是搅拌机、破碎机、提升机等，利用双斜坡起动和预置低速运行，避免机械损坏；

    （4）负载是输送设备，可利用软起动和预置低速功能，实现平滑开停，软停车消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击，避免产品移位和液体溢出；

    （5）具有通讯端口可实现网络通讯与远程控制。若有计算机联网要求，在选择软起动器时注意它的智能化程度，是否带微机接口，接口是否带有通讯地址和程序，是否能达到通讯控制以及故障自珍诊断功能等。

    2、根据电动机的标称功率、电流及负载性质选择起动器。一般软起动器容量稍大于电动机工作电流即可，对水泥厂的一些重载负荷时应加大一档使用，如：破碎机、球磨机、提升机、长皮带、搅拌机、风机等，同时适当考虑散热因素。

    3、其他方面，还要考虑是否保护功能完备

    （1） 如过电流保护、过压保护、单项接地保护、上下口断相保护、三相不平衡保护、相位颠倒保护等。不带过载保护的，必须另加热继电器保护。
    
    （2） 有的软起动器一般不带短路保护，需外加快速熔断器并与晶闸管容量匹配，它能使晶闸管在连接负载发生短路时受到保护，低压断路器一般不能保护软起动器。进线电抗器可限制主电源的谐波干扰，当几台起动器接于同一电源时建议使用进线电抗器。
   
    （3） 软起动器至电动机的接线要特别注意，大部分是3根出线，但部分产品也有6根出线的。软起动器可安装在有功率因素补偿器的系统中，但电容器必须位于软起动器的电源进线一侧，以避免电容器放电损坏软起动器的晶闸管，另外在电源和电容之间接入电感线圈。软起动器大多带正常运行和故障信号辅助触点，供工程设计选用。 
    
    （4） 软起动器允许长期在额定负载工况下运行，可以用旁路接触器，在起动完毕后把它短接。切除后要注意电动机运行回路是否还有过载热保护功能。在实际应用过程中，若工艺条件许可，用一台软起动器起动多台电动机时，其容量应根据电动机中*大的起动负荷考虑，可大大节省投资费用。    

    （5） 机柜内安装软起动器时要考虑散热空间。软起动器在通过电流时将会产生热耗散，安装时应注意在其上、下方留出一定空间，软起正上方不能放电器元件，以使空气能流过其功率模块。当软起动器额定电流较大时，要采用风机降温，风机的电源可取自电机控制系统的二次回路。机械风冷的还要考虑倾斜度等。自然风冷的无此要求。运行方式分在线型和非在线型，选型时尽量选用非在线型。

    （6） 参数测试功能部分品牌软起动器还带有参数显示窗口，可以通过按键在显示窗口选择显示电机的运行参数，如三相电压值、三相电流值、功率因数、运行时间等，而无需增加任何仪表，此功能可使用户很方便地查询电机在运行过程中的各种参数。

四、结束语

    通过以上所述，软起动器的应用解决以往电机起动中的问题，在水泥行业，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用，特别适用于需要软起动与软停车的各种泵类负载或风机类负载；对于变负载工况，电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行的场合，应用软起动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能效果。在水泥厂工程设计和工程改造中，要想改善工艺提高自动化水平，降低成本提高企业效益，对电动机的起动就必须首先采用先进的起动设备——电机软起动器。正是因为软起动器有多种的控制方式，以及控制方式的灵活性和可靠性，受到用户的欢迎， 具有广泛的应用前景，它已在水泥企业得到越来越广泛的使用。