应用于煤矿企业中的智能软启动器设计

0、引言

长期以来，各种各样的软启动技术不断出现，就三相交流异步电动机降压启动来说，从传统的串电阻、电抗器、自藕变压器和启动等发展到智能软启动、热变电阻、液体变阻以及变频变压等各种现代的软启动，可以说是百花开放，并且已经在多个领域内广泛应用。但是，就煤矿企业来说，由于各种原因，现代启动技术的应用则相对滞后，以笔者所在的相对比较现代化的永煤集团为例，除需要调速的场合外，现在主要使用的软启动方式仍旧是液力偶合器和传统的降压启动，应用现代软启动技术的设备仅有10余台。

1、传统软启动的缺点

由于其电动机的启动电流仍然较高，达到额定电流的4～6倍，所以多数情况下，不能完全满足要求。传统的降压启动虽然可以人为地满足启动电流的要求，然而它们又存在着以下缺点：属于有级启动、启动特性不理想、切除时造成二次冲击电流无法解决、装置复杂、不能频繁启动等。所以，应用现代的软启动技术就势在必行，智能软启动器作为现代启动技术的应用之一，同液态变阻软启动、热变电阻软启动以及变频变压软启动相比较，在目前情况下，更适合于煤矿企业使用。

2、智能软启动器

2.1智能软启动器的概念

智能软启动器是以技术成熟的传统的电力电子器件一一晶闸管为开关元件，结合现代的微电脑技术发展而成的现代电机启动技术，是一种集电机软启动、软停车和多种保护功能于一体的新型电机控制装置。它最早出现在美国，在国外称为SoftStarter。随着其智能化程度的不断提高，在国内常称为智能软启动器。

2.2智能软启动器的主要功能特点

(1)控制电动机平滑启动，减小冲击电流，避免冲击电网;(2)启动电流可根据负载情况调整，减小启动损耗，以最小电流产生最佳的转矩;(3)启动电压可调，保证电机启动的最小启动转矩，避免电动机过热和能源浪费;(4)启动时间可调，在设定的范围内，电机转速逐渐上升，避免转速冲击;可频繁启动;(5)自由停机和软停机可选，软停机时间可调;(6)具有缺相、相序、过热、启动过程过流、过载的检测及保护，过流过载值可调;(7)智能化设计，可以与上位控制计算机接口(一般为RS232或RS485串行通迅接口)。实现远程集中自动化控制。

2.3智能软启动器的工作原理

由于电动机的转矩与加在定子端的电压的平方成正比，而电动机电流与定子端的电压成正比，因此，可以通过控制电动机的输入电压对加速转矩和启动电流进行限制。


智能软启动器主回路采用三对反并联可控硅(原理图见图1)，利用可控硅的电子开关特性，通过控制其触发导通角的大小来改变可控硅的开通程度，从而控制电动机的输入电压，达到控制加速转矩和启动电流的目的，实现电动机的软启动。

工作时，当软启动器接到控制信号时，由微处理器根据设定进行有关计算，确定可控硅的触发信号，通过控制可控硅的导通角，使装置按设定方式输出相应的电压，使电动机按设定值平滑启动，启动结柬后，由控制器发出信号，使旁路接触器吸合，可控硅暂停工作，使电动机直接投网运行，避免不必要的能耗。

当软启动控制器接收到停车指令时，(若原设定为自由停车方式)，则先控制断开旁路接触器，然后逐渐改变可控硅的导通角，使旁路接触器完成无弧切断。如果电机的停机方式设定在软停机方式，则控制可控硅的触发脉冲，完成设定的停机过程。

2.4智能软启动器的控制模式

斜坡电压控制模式：这种控制模式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使输出电压呈线性上升。其缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，如果要增大初始转矩，则必须增大初始电压，不能限定启动电流。

限流控制模式：在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至启动完毕(如图2)。启动过程中，电流上升变化的速率可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类轻载启动的负载。

转矩控制模式：电机启动时，根据设定的程序，通过控制可控硅的触发角，使启动转矩线性上升(如图3)。优点是启动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，延长拖动系统的使用寿命，同时降低电机启动时对电网的冲击，是最优的重载启动方式，它的缺点是启动时间较长。

其它模式：主要是在上述三种控制模式基础上加上突跳而衍生出来的三种模式通过在启动的瞬间加脉冲电压，利用突跳转矩克服电机静转矩，从而缩短启动时间。该种方式主要用在重载场合，但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，应用时应特别注意。

2.5软启动器的新增功能

近年来，多数软启动器都增加了节能功能，它根据异步电动机的降压经济运行原理，通过实施监测负载状况，自动跟踪调整电动机上的输人电压，以保证电动机的输出转矩与负载相适应，从而既能够使电动机保持最佳工作状况，又达到降低功耗、无功损耗和提高功率因数的目的，同时还减少了整个输电线路和电动机的热损耗。

3、选购及使用中应注意的问题

(1)根据设备启动和停车的需要选择软启动器最优的启动模式和停车性能。一般来说，对于泵、风机类负载，可以选用任一种启动模式，但对于皮带机、刮板机等易重载启动的设备最好选用转矩控制模式;

(2)根据使用场合选择是否需要节能功能。由于软启动器本质上属于“降压启动”，不具备无级调速和功率平衡的功能。一般来说，如果负载率超过50%，则软启动器的节能效果就不明显，相反，软启动器在节能运行状态下，旁路接触器不闭合，属在线运行，可控硅需要不停的工作，降低使用寿命。另外对于不变荷载，即便负荷率很低，也不适宜使用节能运行[2]。

(3)根据使用场合的重要性选择在线或非在线型、近年来的软启动多数都属于非在线型，但仍有部分软启动器属于在线型。应尽量选用非在线型，以减少事故率，提高软启动器使用寿命。

(4)看保护是否齐全。一方面看软启动器的保护是否齐全。另一方面应注意现在软启动器的各项保护都仅在启动过程中起作用，电动机一旦运行，保护功能将不起作用，所以需要另外增设保护器件，这对地面设备来说相对简单，但对井下来说则往往需另设一台启动器。

(5)根据长远发展选择通讯及远程控制功能。选择软起动要注意它是否带微机接口，接口是否带有通讯地址和程序，能否达到远程通讯控制功能等。

在地面供水、供热、电厂、钢厂等领域已经迅速普及和广泛应用，煤炭企业的工程技术人员在设计选型时应优先考虑应用现代的启动技术，不断提高煤矿企业的自动化水平。

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