摘 要：介紹了三相鼠籠型異步電動機(jī)常用的幾種啟動方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹了施耐德ATS46軟啟動器的特點(diǎn)及在1＃連鑄泵站中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：軟啟動器；轉(zhuǎn)矩控制；鼠籠型異步電動機(jī)
Abstract：This paper introduces the usual several starting modes for the three —phase squirrel—cage asynch— onous motor and their adavantages and shortages，emphatically introduces the characteristics of Shinade ATS softstarting and its application in the No．1 continous casting lines pumping station．
Key Words：soft starting，torque controlling，squirrel—cage asynchronous motor
1 前言
作為應(yīng)用最廣泛的拖動設(shè)備，鼠籠型三相異步電動機(jī)在直接啟動時會產(chǎn)生較高的啟動轉(zhuǎn)矩，從而引起電網(wǎng)較大的電壓降、損壞機(jī)械設(shè)備、還會降低電機(jī)的壽命。必須采取措施采用降壓啟動。
2 鼠籠型異步電動機(jī)啟動方式比較
對于降壓啟動一般有以下幾種常用方式：“Y一△”降壓啟動、自耦降壓啟動、磁控式軟啟動、電子式軟啟動。
“Y一△”啟動裝置需6根出線，而且故障率太高。元器件維修費(fèi)也高，切換時會出現(xiàn)較高的電流轉(zhuǎn)矩峰值。所以僅適用于空載或低阻性轉(zhuǎn)矩啟動。自耦降壓啟動其體積大且故障率高，是笨重復(fù)雜的設(shè)備，啟動時會出現(xiàn)大的電壓降和高電流峰值，存在二次大的沖擊電流，維護(hù)工作量大，一般不能頻繁啟動。
磁控式軟啟動器利用控磁調(diào)壓原理，對電動機(jī)進(jìn)行軟啟動。在啟動過程中電壓無級平滑地從初始值上升到全壓，使電動機(jī)在啟動過程中有一個電壓勻速增加的過程。其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、過載能力強(qiáng)、無二次沖擊電流。但它在啟動時仍存在一次沖擊電流，且不可調(diào)，適用負(fù)載能力一般。一般不能頻繁啟動，整機(jī)體積較大。
電子式軟啟動器可以限制啟動期間的壓降，沒有沖擊轉(zhuǎn)矩和電流，力矩勻速平滑上升，能保護(hù)傳動機(jī)械、設(shè)備和人員，節(jié)省能源。啟動電流可視負(fù)載輕重調(diào)整。這種軟啟動器體積小、故障率與維修費(fèi)較低，是實際應(yīng)用中的首選。
這種軟啟動器一般都采用大功率晶閘管作為主回路的開關(guān)元件，通過控制它的導(dǎo)通角進(jìn)行智能化控制，它既能保證電動機(jī)在負(fù)載要求的啟動特性下平滑啟動，又能降低對電網(wǎng)的沖擊。除各種啟動方式外，還有一些可選功能，如軟停車、泵控制、預(yù)置慢速、智能制動、準(zhǔn)確停車、低速制動等。同時還能實現(xiàn)直接計算機(jī)通信控制。
3 軟啟動器工作原理
軟啟動器由串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路構(gòu)成?？刂凭чl管組的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)施加在電機(jī)上的電壓，以實現(xiàn)軟啟動和軟停止的功能。其工作原理如圖1。
幾種軟啟動方式比較：
3．1 電壓斜坡啟動
電壓斜坡軟啟動器從零開始以線性斜坡增加電機(jī)端電壓，直至額定電壓。它是將傳統(tǒng)的有級降壓為無級，啟動時間可調(diào)。這種啟動方式缺點(diǎn)是啟動轉(zhuǎn)矩較小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線上升對拖動系統(tǒng)不利，且當(dāng)電壓斜坡升至額定電壓時，如果電機(jī)仍未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，電機(jī)將以全電壓提供啟動電流直至達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。見圖1、圖 2。
3．2 電流限幅啟動
當(dāng)使用電流限幅啟動時，電機(jī)端電壓基本保持為常數(shù)，用在輕載啟動的負(fù)載。采用純限流技術(shù)時，電機(jī)加速性能基本上與機(jī)電式降壓啟動器一樣。實際應(yīng)用中，常把電壓斜坡和電流限幅結(jié)合在一起使用。當(dāng)啟動電流小于電流限幅值時，電機(jī)電壓為線性斜坡電壓，當(dāng)電流值達(dá)到限幅值時，軟啟動器將調(diào)節(jié)斜坡電壓，維持電流限幅值。從這兩種啟動方式的特性來看，雖然電壓斜坡或電流限幅技術(shù)減小了沖擊電流和力矩，但電機(jī)啟動性能仍取決于電機(jī)特性，而非實際負(fù)載需求。對于重型負(fù)載來說，并不能真正減小沖擊電流。
3．3 轉(zhuǎn)矩控制啟動
轉(zhuǎn)矩控制啟動用在重載啟動 ，它是將電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，它的優(yōu)點(diǎn)是啟動平滑，柔性好，對拖動系統(tǒng)有更好的保護(hù)，它的目的是保護(hù)拖動系統(tǒng)，延長拖動系統(tǒng)的使用壽命。同時降低電機(jī)起動時對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載啟動方式。
4 軟啟動器的選用
4．1 選型：根據(jù)負(fù)載性質(zhì)選擇。
4．2 選規(guī)格：根據(jù)電動機(jī)的標(biāo)稱功率、電流Q負(fù)載性質(zhì)選擇啟動器，一般軟啟動器容量稍大于電動機(jī)工作電流即可，還要考慮保護(hù)功能是否完備，如過電流保護(hù)、過壓保護(hù)、單項接地保護(hù)、上下口斷相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、相位顛倒保護(hù)等。
5 施耐德A1 tistart46軟啟動器的特點(diǎn)
施耐德Ahistart46軟啟動器（17一l200A）啟動時采用施耐德專利技術(shù)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩斜坡上升更快速，損耗更低。具有電動機(jī)和軟啟動器綜合熱保護(hù)功能，能全時連續(xù)檢測電機(jī)電流，提供電機(jī)最可靠和完整的保護(hù)，此保護(hù)功能在啟動結(jié)束旁路后仍能起作用，這是其他任何軟啟動器都不具備的。
施耐德A1 tistart46軟啟動器是一種新型的力矩控制軟啟動裝置，它在保持加速力矩的同時，實時計算定子和轉(zhuǎn)子的功率。在整個加速周期內(nèi)連續(xù)計算電機(jī)功率因數(shù)和定子損耗，通過檢測電壓和電流來計算功率因數(shù)，并在扣除定子損耗后，得到實際的轉(zhuǎn)子功率和電機(jī)力矩。以往的軟啟動技術(shù)需要測速反饋信號來反映電機(jī)的實際速度，以獲得線性的速度斜坡。
ATS力矩控制的優(yōu)點(diǎn)主要有：
· 線性速度斜坡與電機(jī)負(fù)載無關(guān)
· 控制功率因數(shù)，減少電流沖擊
· 標(biāo)準(zhǔn)力矩斜坡，適用于變負(fù)載力矩控制
· 恒力矩加速曲線
· 通過鍵盤讀取電動機(jī)的力矩值，與實際應(yīng)用配合很方便
· 可在力矩負(fù)載點(diǎn)施加減速斜坡，獲得最大的線性減速斜坡
· 不需要反饋裝置，實現(xiàn)最佳控制。
6 ATS46軟啟動器的應(yīng)用
ATS46軟啟動器在水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等不需要調(diào)速的場合應(yīng)用比較廣泛。特殊鋼廠1＃連鑄機(jī)泵站就首次成功采用了ATS46軟啟動器。l＃連鑄泵站有兩臺220kW凈環(huán)泵及兩臺110kW濁環(huán)泵，均為一用一備，但不排除兩臺泵同時運(yùn)行的可能。設(shè)計采用了一拖二方式，即一臺軟起帶兩臺水泵，可依次起動兩臺水泵。軟啟動結(jié)束后，用旁路接觸器斷開軟啟動器，可避免功率元件長時間工作發(fā)熱。當(dāng)一臺水泵因故障停機(jī)時，可自動開啟備用水泵，保證正常供水。
由于ATS46系列軟啟動器提供了過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)，單項接地保護(hù)，上下口斷相保護(hù)，三相不平衡保護(hù)，相位顛倒保護(hù)等完備的保護(hù)措施并且具有故障自診斷功能，通過操作面板上的液晶顯示屏可以顯示功率因數(shù)、電動機(jī)溫度、負(fù)載狀態(tài)、電動機(jī)電流等參數(shù)，還可以顯示運(yùn)行故障代碼，為故障的排除提供了極大的方便。為實現(xiàn)集中／機(jī)旁控制及配合電動閥門的開閉，控制上采用了Momentumn系列PLC，避免了控制回路繁雜的接線，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。 2002年4月投入至今，該啟動器運(yùn)行情況良好。
7 結(jié)束語
傳統(tǒng)降壓起動方式由于其自身缺點(diǎn)已逐漸被新型電子式軟啟動器替代。在軟啟動器中，又以轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)最為先進(jìn)。ATS系列軟啟動器是一種特殊的力矩控制系統(tǒng)，其主要功率元件與其他軟起并無區(qū)別，差別在于控制算法，它改善了交流感應(yīng)電動機(jī)的啟動性能，是其他降壓起動方式無法比擬的。它的使用為今后的智能控制集成打下了良好的基礎(chǔ)。 1 引言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各行各業(yè)煤炭的需求量也越來越大,各大型煤炭企業(yè)紛紛開辟新的礦井來擴(kuò)大規(guī)模,并且利用各種技術(shù)降低生產(chǎn)成本，因此變頻器在煤炭行業(yè)的需求也就越來越大。
主扇風(fēng)機(jī)是煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的一部分，它可以說是每一個井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產(chǎn)中最重要的一個環(huán)節(jié)。長期以來，礦井主扇風(fēng)機(jī)的功率都比較大，而且一天24小時不間斷運(yùn)行，礦井所需的風(fēng)量都是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板或葉片角度來實現(xiàn)，根據(jù)反風(fēng)及開采后期運(yùn)行工況要求，所設(shè)計的通風(fēng)機(jī)及拖動的電動機(jī)的功率，通常遠(yuǎn)大于煤礦正常生產(chǎn)所需的運(yùn)行功率。風(fēng)機(jī)設(shè)計上余量特別大，在相當(dāng)長的時間風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，因此，煤礦通風(fēng)系統(tǒng)中存在著極為嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象，能源浪費(fèi)非常突出。
2 現(xiàn)場簡介
崔莊煤礦位于山東省濟(jì)寧市微山縣，其主扇風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著整個礦井的通風(fēng)任務(wù)，要求安全穩(wěn)定性極高，因為風(fēng)機(jī)一旦停機(jī)，短時間內(nèi)就將造成全礦無法正常生產(chǎn)，控制方式采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的大小來調(diào)整風(fēng)量，這樣，不論生產(chǎn)的需求大小，風(fēng)機(jī)都要全速運(yùn)轉(zhuǎn)，而運(yùn)行工況的變化則使得能量以風(fēng)門節(jié)流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費(fèi)和設(shè)備損耗，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，設(shè)備使用壽命縮短，設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用高居不下，針對這種情況，礦領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過論證，最后決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37系列的高壓變頻調(diào)速器，現(xiàn)場設(shè)備如圖1所示：
圖1 現(xiàn)場設(shè)備圖
3 風(fēng)光高壓變頻器的突出特點(diǎn)
（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作為中央處理器，運(yùn)算速度更快，讓控制更精準(zhǔn)。系統(tǒng)升級更方便。
（2）飛車啟動功能：能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。
（3）瞬間掉電再啟動功能：運(yùn)行過程中高壓瞬時掉電三秒鐘內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機(jī)，高壓恢復(fù)后變頻自動運(yùn)行到掉電前的頻率。
（4）線電壓自動均衡技術(shù)（采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
（5）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)（專利號ZL 2003 2 0107356.2 ），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機(jī)產(chǎn)品采用了更長壽命的電力電容。
（6）運(yùn)行過程中外部頻率給定信號出現(xiàn)故障（短路或開路），整機(jī)維持故障前的運(yùn)行頻率不變，并能給出報警信號。
（7）單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設(shè)備可靠性更高。
（8）具有雙路AC控制電源，一路為干式變壓器變壓以后的AC電源，一路為外部控制電源，這樣在調(diào)試過程中，無需加入高壓主電，就可以檢測輸出波形的正常與否。對于在現(xiàn)場安裝調(diào)試以及人員培訓(xùn)很方便，同時也大大提高了培訓(xùn)和運(yùn)行的安全性。
4 現(xiàn)場技術(shù)參數(shù)
電動機(jī)參數(shù)如下表1所示：
表1：
風(fēng)機(jī)類型：軸流風(fēng)機(jī)。
設(shè)備布置采用抽出式通風(fēng)方式，配備反風(fēng)道反風(fēng)，扇風(fēng)機(jī)與電動機(jī)設(shè)于主機(jī)房內(nèi)，主機(jī)房為雙層工業(yè)廠房，風(fēng)道為半地下式。吸風(fēng)側(cè)設(shè)兩個立閘門，兩個水平反風(fēng)門，擴(kuò)散器側(cè)兩個水平反風(fēng)門，每個風(fēng)門各用一臺風(fēng)門絞車進(jìn)行操縱，風(fēng)門絞車采用就地操作。
傳動方式：直接傳動。
調(diào)節(jié)方式：手動操作風(fēng)門絞車控制立閘門 （改變管路阻力特性曲線）。5 變頻改造前存在的問題
（1）原工礦使用的為轉(zhuǎn)子串電阻啟動方式，啟動不穩(wěn)定，造成了大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)壽命大大降低；
（2）轉(zhuǎn)子串電阻啟動時，控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷容易損壞，維護(hù)工作量大；
（3）啟動時電流過大，對電網(wǎng)沖擊很大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性；
（4）主扇風(fēng)機(jī)設(shè)計上余量大，主扇風(fēng)機(jī)一直處在較輕負(fù)載下運(yùn)行，由于采用檔板調(diào)節(jié)，因此造成能源浪費(fèi)，增加了生產(chǎn)成本；
（5）自動化程度低，影響整體系統(tǒng)安全性。
6 變頻控制方案
為了滿足安全生產(chǎn)，選用一套6KV變頻調(diào)速器，通過切換，可以在變頻器故障狀態(tài)下，切換到工頻狀態(tài)運(yùn)行，其主回路如下圖2所示：
圖2 主回路圖
QS1、QS2、QS3為三臺高壓隔離閘刀，QS1、QS3處于變頻運(yùn)行回路上，KM1、KM2為變頻上電瞬間實現(xiàn)限流電阻切換時所用，K10為用戶工、變頻轉(zhuǎn)換改造時加的一個轉(zhuǎn)換開關(guān)。變頻運(yùn)行時，QS1、QS3閉合， QS2斷開，K10打到變頻位置；變頻上電后，通過內(nèi)部程序KM2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3S后，KM1吸合，KM2斷開變頻可以投入運(yùn)行。工頻運(yùn)行時，QS1、QS3斷開，QS2閉合，K10打到工頻位置，實現(xiàn)原來的串電阻啟動方式。
這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應(yīng)用，QS1、QS2、QS3不能同時閉合，這三個閘刀在機(jī)械和電氣上都實現(xiàn)了互鎖。
另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關(guān)柜也實現(xiàn)互鎖，實現(xiàn)高壓故障連跳功能。
風(fēng)光高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，由控制柜、變壓器柜、單元柜和開關(guān)柜組成。
每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，其電路結(jié)構(gòu)見下圖3所示，
圖3 功率單元主回路
高質(zhì)量電源輸入：輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過移相，為功率單元提供電源對于6KV而言相當(dāng)于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波（尤其是低次諧波）的產(chǎn)生。變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE 519-1992和 GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量最嚴(yán)格要求，無需安裝輸入濾波器并保護(hù)周邊設(shè)備免受諧波干擾。正常調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)大于 0.96。無需功率因數(shù)補(bǔ)償電容，減少無功輸入，降低供電容量。
完美的輸出性能：單元脈寬調(diào)制疊波輸出， 6KV系列每相5個單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，其輸出波形如下圖4所示：
圖4 變頻器輸出波形
7 現(xiàn)場應(yīng)用情況
崔莊礦選用型號JD-BP37-400F風(fēng)光變頻器，于2008年10月20日開始安裝調(diào)試，2008年10月25日一次性投運(yùn)成功。變頻運(yùn)行后，風(fēng)門全部打開，運(yùn)行頻率43Hz，運(yùn)行電流24A，負(fù)壓1700Pa,不僅完全滿足煤礦生產(chǎn)工藝要求,而且用戶操作非常方便。變頻器運(yùn)行非常穩(wěn)定。
8 節(jié)能計算
按工頻和變頻運(yùn)行實際電流計算，計算數(shù)據(jù)取2008年技術(shù)測定：
工頻運(yùn)行時，風(fēng)門開度為2m左右，運(yùn)行電流在43A。
工頻運(yùn)行時功率和一天耗電量：
P1= 1.732×6×43×0.77=344.08KW
N1=344.08×24=8257.90KW?h。
變頻器運(yùn)行時，風(fēng)門全開，運(yùn)行電流在24A，由變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度來滿足風(fēng)量要求。
變頻運(yùn)行時功率和一天耗電量：
P2=1.732×6×24×0.958=238.93KW
N2=238.93×24=5734.32KW?h。
節(jié)電率：
（N1-N2）/N1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。
節(jié)約電費(fèi)計算：
以該礦電價0.6元/ KW?h計算，工頻24小時耗電費(fèi)：
8257.90×0.6=4954.74元。
變頻24小時耗電費(fèi)：
5734.32×0.6=3440.59元。
變頻改造后，日節(jié)約電費(fèi)：
4954.74-3440.59=1514.15元。
一年以300天為標(biāo)準(zhǔn)計算，年節(jié)約電費(fèi)：
1514.15×300=454244.4元。
9 其他效益
（1）實現(xiàn)電機(jī)軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護(hù)費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命；
（2）系統(tǒng)安全、可靠，具有變頻故障轉(zhuǎn)工頻功能，確保風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行；
（3）控制方便、靈活，自動化水平高；
（4）輸入諧波含量小，不對電網(wǎng)造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項目的普通異步電動機(jī)；
（5）界面全為純中文操作，非常符合國人特點(diǎn)；
（6） 安全保護(hù)功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護(hù)功能外，還設(shè)有外圍連鎖保護(hù)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性；
（7）采集各臺扇風(fēng)機(jī)運(yùn)行的工藝參數(shù)、電器參數(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行的狀況。
主扇風(fēng)機(jī)可由PLC進(jìn)行控制，嚴(yán)格按控制程序進(jìn)行控制，并對扇風(fēng)機(jī)正常切換和故障切換進(jìn)行控制和操作指導(dǎo)，且在控制柜實現(xiàn)硬件閉鎖控制。
在控制站顯示扇風(fēng)系統(tǒng)工藝參數(shù)表、電氣參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)（工作、停止、故障）以及報警參數(shù)表等。
自動建立數(shù)據(jù)庫，對于重要的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)自動生成趨勢曲線。
當(dāng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時，利用運(yùn)行記錄的曲線對故障進(jìn)行分析和處理。
在條件具備時，可實現(xiàn)遠(yuǎn)控，達(dá)到“無人值守”。
10 結(jié)束語
崔莊煤礦主扇風(fēng)機(jī)經(jīng)過變頻改造之后,不僅達(dá)到了良好的節(jié)能效果,并且使整套通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了一個大臺階。隨著國家對節(jié)能減排工作的越來越重視，煤礦企業(yè)通過各種措施降低生產(chǎn)成本，其中變頻技術(shù)起到了關(guān)鍵作用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，適應(yīng)了國家建設(shè)資源節(jié)約型社會的潮流。
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