電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器工作原理及其在探礦工程中的應(yīng)用分析

前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的日趨成熟，近年來一種以計(jì)算機(jī)為核心，采用雙向可控硅為主控回路的智能化新型控制器 “ 電動(dòng)機(jī) 軟啟動(dòng)器 ” 已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn) 領(lǐng)域 中嶄露頭角 ，它以控制方式靈活簡(jiǎn)便，對(duì) 供電 系統(tǒng)和電氣設(shè)備 沖擊小且控制元件不易 損壞以及維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)正逐步取代傳統(tǒng)的控制裝置。 這項(xiàng)新技術(shù)的誕生使電動(dòng)機(jī)的啟停技術(shù)發(fā)生了劃時(shí)代的變化。

在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，由于三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修簡(jiǎn)便、價(jià)格適宜等特點(diǎn)，在電力拖動(dòng)機(jī)械中有 90% 以上是由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。按常規(guī)慣例，對(duì)較大容量的三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，一般均采用星—角啟動(dòng)、電抗器啟動(dòng)或者是自耦減壓?jiǎn)?dòng)。這幾種啟動(dòng)方式由于技術(shù)比較成熟，所以目前在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中仍然在大范圍的應(yīng)用。但是不管采用什么方式啟動(dòng)，由于三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流瞬時(shí)會(huì)形成一個(gè)很高的沖擊電流，（直接啟動(dòng)電流值是電動(dòng)機(jī)額定電流的 4 ～ 8 倍） 這給供電設(shè)備或電網(wǎng)中的電源電壓在一定范圍內(nèi)形成短暫的降壓現(xiàn)象，而且電動(dòng)機(jī)的容量愈大，造成這種現(xiàn)象也就愈嚴(yán)重。同時(shí)由于是硬性啟動(dòng)也會(huì)給供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成一定的傷害。中大功率的三相異步電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng)問題由來已久，電氣技術(shù)人員一直在試圖找出一種能夠徹底解決問題的辦法。

三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)裝置又稱無(wú)觸點(diǎn)恒流啟動(dòng)，它在電動(dòng)機(jī)與輸入電源之間串接一組大功率的雙向可控硅，由控制電路采用電子智能化控制改變可控硅的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)電壓平穩(wěn)增加，并將電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流控制在電動(dòng)機(jī)額定電流值的 1 ～ 2.5 倍之間，并連續(xù)可調(diào)，這樣就會(huì)減輕沖擊電流對(duì)電動(dòng)機(jī)及供電設(shè)備或者電網(wǎng)的損害，改善了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時(shí)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)或運(yùn)行過程中的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)施信息搜索、檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整可控硅的觸發(fā)脈沖，能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的過載、過流、缺相等故障及時(shí)反饋到處理器中進(jìn)行辨別和處理，有效地保護(hù)了電動(dòng)機(jī)和電氣設(shè)備。三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的科技含量高，保護(hù)功能比較完善，并且啟動(dòng)能力強(qiáng)，對(duì) 5.5 ～ 500KW 的三相異步電動(dòng)機(jī)均可啟動(dòng)。它的應(yīng)用領(lǐng)域可以涵蓋工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)設(shè)備，是傳統(tǒng)啟動(dòng)方式理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)已有十幾家在生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器，工作原理大體相似，筆者根據(jù)多年在探礦工程應(yīng)用情況并結(jié)合 CMC系列電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)裝置進(jìn)行了一番探討。

2 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的工作原理

CMC系列電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器主要有大功率雙向可控硅、交流接觸器以及電子控制部分組成?？刂撇糠值暮诵氖且粔K CPU 電腦芯片【 80C 196KC 】（電氣原理見圖 1 ），將三對(duì)可控硅橋串接在電動(dòng)機(jī)的三相供電線路上，利用可控硅的電子開關(guān)特性，通過控制其觸發(fā)導(dǎo)通角的大小來改變可控硅的開通程度，由此來改變電動(dòng)機(jī)輸入電壓和輸入電流的大小，已達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性。

由鍵盤輸入或外部控制按鈕將指示信號(hào)輸入到軟啟動(dòng)器的電腦芯片中，芯片根據(jù)預(yù)置的程序啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)模式有兩種，斜坡電壓?jiǎn)?dòng)和限流啟動(dòng)，如圖 2 是斜坡電壓?jiǎn)?dòng)的理論圖形。

限流軟啟動(dòng)控制模式：如圖 3 所示，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其輸出電壓從零迅速增加，直至輸出電流達(dá)到設(shè)定的電流限幅值Ｉ m ，然后保證輸出電流在不大于該值的情況下，電壓逐漸升高，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，完成啟動(dòng)過程。

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后，交流接觸器的吸合為了避免能量損耗，在旁路掉可控硅元件后，控制系統(tǒng)仍然工作，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，如出現(xiàn)過載、過流、缺相等故障時(shí)，電腦芯片會(huì)及時(shí)發(fā)出指令，切斷主電源。
3 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的特點(diǎn)

這里結(jié)合探礦工程中的空壓機(jī)站的實(shí)例控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，談一下電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的應(yīng)用特點(diǎn)?？諌簷C(jī)的動(dòng)力采用的是三相異步電動(dòng)機(jī)（ 75KW ） , 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，主要包括電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器、 PLC 可編程控制器、壓力傳感器、進(jìn)氣電磁閥、監(jiān)視報(bào)警和關(guān)機(jī)保護(hù)功能。其工作原理是當(dāng)氣罐氣壓降至空壓機(jī)啟動(dòng)值時(shí)， PLC 可編程控制器向電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器發(fā)出啟動(dòng)命令，軟啟動(dòng)器通過可控硅控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓和電流，使空壓機(jī)系統(tǒng)平滑啟動(dòng)到空載。當(dāng)電壓達(dá)到額定值時(shí)，接觸器吸合，可控硅短路，三相電源直接加在電動(dòng)機(jī)上，軟啟動(dòng)器啟動(dòng)完成，并向可編程控制器發(fā)啟動(dòng)完成信號(hào)?？删幊炭刂破鹘?jīng)過 10 秒鐘的延時(shí)，導(dǎo)通進(jìn)氣電磁閥，空壓機(jī)帶載運(yùn)行，向氣罐打氣；當(dāng)氣罐氣壓達(dá)停機(jī)值時(shí)，可編程控制器切斷進(jìn)氣電磁閥，使空壓機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入空載狀態(tài)， 3 秒鐘后向電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器發(fā)停機(jī)令，在軟啟動(dòng)器的控制下，電動(dòng)機(jī)逐漸減速至完全停機(jī)。

運(yùn)行情況表明，其可靠性、功能和性能與原傳統(tǒng)啟動(dòng)系統(tǒng)相比都有顯著的改善和提高。主要體現(xiàn)在以下特點(diǎn)：

（ 1 ）在結(jié)構(gòu)上采用電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器作為控制輸出執(zhí)行元件，控制邏輯用 PLC 可編程控制器實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，采用數(shù)字監(jiān)控和數(shù)字設(shè)定，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，也便于維護(hù)。同時(shí)具有外控功能，可根據(jù)使用情況進(jìn)行連接，方便控制。

（ 2 ）電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)提供平滑漸進(jìn)的啟動(dòng)過程，減少啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)或發(fā)電設(shè)備的沖擊，將啟動(dòng)電流控制在安全范圍內(nèi)，改善了原控制系統(tǒng)因啟動(dòng)電流較大沖擊廠用電源而影響其它設(shè)備正常運(yùn)行的狀況。

（ 3 ）啟動(dòng)過程采用雙向可控硅，啟動(dòng)過程完成后，接觸器短接可控硅的控制方式，避免了用接觸器直接控制電動(dòng)機(jī)使觸點(diǎn)易拉弧、粘連、燒壞等故障的發(fā)生CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，同時(shí)也節(jié)約了能源。

（ 4 ）軟啟動(dòng)、軟停車方式，降低設(shè)備的振動(dòng)和噪聲，減少機(jī)械應(yīng)力，延長(zhǎng)發(fā)電設(shè)備及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)地使用壽命。

（ 5 ）具有過流、過載、電源缺相等多種保護(hù)功能，同時(shí)可以檢測(cè)到負(fù)載所涉及（如空壓機(jī)）系統(tǒng)各種不良運(yùn)行情況，有利于保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行。

（ 6 ）控制盤上的顯示功能，便于在現(xiàn)場(chǎng)全面了解設(shè)備運(yùn)行情況。

（ 7 ）數(shù)字化參數(shù)設(shè)定及顯示功能直觀、方便、省時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的研制階段起始于二十世紀(jì)八十年代，經(jīng)過這么多年的發(fā)展，技術(shù)不斷成熟，功能日趨完善。除了完全能夠滿足電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)這一基本要求外，還具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可靠性高、維護(hù)量小、對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)功能齊全以及參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單。

經(jīng)過筆者在探礦工程中多年實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)目前電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器仍有一個(gè)缺陷，那就是不能長(zhǎng)時(shí)間用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求很高的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置上，這種局限性主要因?yàn)?，軟啟?dòng)器實(shí)際上是靠將自身電壓斜坡式抬升至最大值（而在停機(jī)過程中設(shè)定電壓是逐漸下降達(dá)到停機(jī)）來完成工作。由于扭矩與電壓平方成正比，這就使電動(dòng)機(jī)不能從一開始就達(dá)到最大扭矩，因此，目前的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器比較適合于一些空載或輕載的啟動(dòng)設(shè)備。同時(shí)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，目前所生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的價(jià)格不菲，市場(chǎng)價(jià)格不容易被人接受，這對(duì)今后的普及和應(yīng)用是一大阻礙。