基于软启动技术的大型粉磨机启动研究*

祝战科，刘泉海，谭 涌

(1.陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000;2.咸阳非金属矿研究设计院有限公司，陕西咸阳 712021)

1 引言

2 粉磨机需软启动控制的电机及相关参数

该设备环节多，控制电机数目较多。粉磨机生产效率高，产能比大。总装机容量为495kW。需进行软启动控制的电机为风机及几台主要粉磨室的驱动电机。超细粉磨机需要进行软启动控制电机及控制形式一览表见表1所列。

表1 超细粉磨机需要进行软启动控制电机一览表

这些电机启动时电流通常是额定电流的4～7倍(该电机额定电流Ie=205A)，如果正常启动电流达到1000A以上，会对电网造成较大冲击，影响其他设备的工作，因此须采取软启动的措施。

3 三相异步交流电机启动方法简述

三相交流电机因其结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉而广泛作用于电力拖动生产的机械动力，在机械、化工、纺织和石化等行业应用广泛。然而电动机的启动特性却举步维艰。这是因为电动机在恒压下直接启动，启动电流约为额定电流的4～7倍，其转速要在很短的时间内从0上升到额定转速，会在启动的过程中产生冲击，易导致电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。在启动瞬间大电流的冲击下，引起电网电压下降，影响到电网内其它设备的正常运行。同时因电压降低，电动机本身启动也难以完成，造成电机堵转，严重时可能烧坏电机。因而如何减小异步电机瞬间启动的大电流冲击，是电动机运行中的首要问题。为此必须设法改善电动机的启动方法，使电机能够平滑启动，于是产生了各种限流启动的方法。

(1)定子串电阻启动 电动机启动时，在三相定子电路中串入电阻，使加在电动机绕组上的电压低于电网电压，待启动后，再将电阻短接，电动机在额定电 是启动转矩随定子电压的平方关系下降，又由于是分级启动，启动特性不平滑，故它只适用于空载或轻载启动场合，在启动过程中，电阻上消耗的能量大，不适用经常启动的电动机。本设备要求有重载启动，因此此法不可用。

(2)Y/△启动 凡是在正常运行时，负载对电动机启动力矩无严格要求，又要限制电动机启动电流，且定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电机，可以采用Y/△启动。启动时将定子接成星形，待电动机接近额定转速时再改为三角形。电动机接成星形，启动电流只有原来三角形连接的1/3。Y/△属降压启动，它是以牺牲功率为代价来换取低电压的实现。其主要缺点是当启动从星形切换到三角形接法时，会出现较大的二次电流和转矩变动，易引起机械和电气应力，导致故障［4］。本设备不适用此法。

(3)自耦变压器启动 自藕变压器启动既适用于正常运行时三角联结的电动机，也适用于星形联结的电动启动。启动时，先通过三相自藕变压器将电动机定子电压降低，启动后再将自藕变压器切除，使电动机定子电压恢复到额定值。设自藕变压器原副边降压比为K，根据自藕变压器上抽头的不同，压降比K也不同，不同的K可以满足对不同起动电流和起动转矩的要求。与直接启动相比(定子绕组的联结方式相同)，自藕变压器启动的起动电流、定子电压减小至原来的K倍，电源电流和启动转矩都减小到原来的K平方倍。自藕变压器的变比在一定范围内可调，但是其有限的输出电压变比级数，限制了理想启动电流的选择，且自藕变压器的造价较高。

4.要将企业劳动保护工作作为一项系统工程来推进。企业劳动保护工作涉及管理的诸多层级和关系，企业工会需依法履行劳动保护职责，如充分行使《劳动法》、《安全生产法》、《工会法》等授予工会组织在劳动保护工作中的参与权、代表权、知情权和监督权，在企业宣传普及安全劳动保护知识，以及监督国家有关劳动保护、安全技术、环境卫生等法律法规在企业的贯彻落实情况，及时解决影响职工健康和安全的各类问题等。同时，还要与安全监察部门开展协调监管工作，尤其是探索出新时期劳动保护、广泛监督的工作内容、发展思路和方式方法。

综合以上启动方式可知，它们都不能为电动机提供可以调节的平稳无级加速，无法适应特定的电动机软启动要求，启动电流和启动加速力矩的控制也无法达到特定值以下，无法完全避免机械及电气冲击。压下运行。此法适用于低压电机。这种方法的缺点

4 软启动的工作原理

软启动器有如三相全控桥式整流电路，它是电力电子技术与自动控制技术融合发展的产物。主要工作原理是将三组反并联晶闸管连接在电源与所需启动的电机之间。启动时，控制晶闸管的导通角，使电机的端电压逐渐增大直至全电压，使电机实现平滑启动，降低启动电流，避免启动电流过大而跳闸或对其他设备造成冲击而影响使用。当电机转速达到额定转速后，控制电路用其他接触器代替已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供工频电压，这样可以降低软启动器晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。停机时，则可通过控制晶闸管的关断速度，调节电机的两端的电压逐渐下降至零，实现软停车。可见，软启动器实质上是一个晶闸管交流调压器。改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。在整个启动过程中，软启动器的输出是一个平滑的升压过程(且可具有限流功能)，直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作。

软启动的特点(与传统减压起动方式比较):

(1)启动平稳，无冲击电流。软启动器在启动电机过程中，逐渐改变晶闸管导通角，使电机启动电流从零平稳上升到最大值。整个过程运行平稳，对电机供电电源可靠性高，对机械负载的冲击转矩减少，对电机本身冲击小，延长电机和整个设备使用寿命。

(2)可以实现平滑减速直到停机，即具有软停车的功能。它可以克服突然断电对设备机械部分的冲击等弊病，延长设备使用寿命。

(3)软启动器的各种参数可调。可根据负载特性以及电网特性进行选择，以调整到最佳的状态。

软启动和传统启动方式性能指标比较见表2。

表2 软启动和传统的启动方式比较性能指标

目前三种最新的三相异步电动机的软起动控制方式:

(1)晶闸管移相调压启动，分为电动机的电压斜坡软启动和限流软启动。

(2)大功率IGBT斩波调压启动，分为电动机的电压斜坡软启动和限流软启动。

(3)三相全控桥变频启动，采用三相全控桥逆变器，电动机PWM变频启动。

晶闸管移相调压的主电路图见图1，晶闸管SCR组成移相控制三相交流调压电路，三相电网经三组反并联晶闸管调压后送至电动机定子，通过控制晶闸管触发角的大小，可改变电动机定子加载电压的大小，电动机的启动转矩和启动电流可被限制在期望值上。

图1 晶闸管移相调压主电路

在软启动器的控制面板上，可显示电机电流、报警信号及设定的参数值;以数字形式设置电机保护值、电机运行方式;手动操作启、停电机。软启动器的工作原理是软启动器收到启动命令后，按所设定的启动方式进行有关计算，确定可控硅的触发输出电压信号，以控制电动机的启动过程。当电动机启动过程完成后，软启动器控制交流接触器吸合，短接所有可控硅，使电动机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。

5 软启动器的控制模式

收到外部启、停命令后，按照预先设定的启、停方式实现对电机的控制。可选的启、停控制模式有以下几种，本机采用限流软启动控制模式。

(1)限流软启动控制模式 如图2所示，电动机启动时，其输出电流从零迅速增加，直至输出电流达到设定的电流限幅值Im，然后保证输出电流在不大于该值的情况下，电压逐渐升高，电动机逐渐加速，完成启动。

图2 限流启动过程

(2)电压斜坡启动控制模式 如图3所示，U1为电动机启动所需最小转矩对应的初始电压。当电动机启动时，软启动器的输出电压迅速上升到整定值U1，然后按设定的速率逐渐增加，直至达到电网电压后，接触器吸合，启动过程完成。

图3 电压谐波控制过程

(3)突跳起动 这些起动开始阶段，让晶闸管在极短的时间内全导通后回落，再按原设定的值线性上升，进入恒流起动;该起动方法适用于重载并需克服摩擦的起动场合，如图4所示。

图4 突跳启动过程

6 大功率电机的一拖四软方案

本设备控制系统中，主风机，一室电机，二室电机，三室电机均为110kW的大功率电机。系统在启动时采用软启动器进行启动，并且采用1个软启动器实现4台电机的启动。具体启动过程如下。

(1)按照启动要求，首先合上QF1，通过继电器KA1控制接触器KM1吸合，软启动器接通M1主风机开始启动。当主风机启动电流至额定值时，KM1断开，主风机脱离软启动器，同时KM2接通，电机运行在额定电流值，主风机启动完毕。

(2)主风机启动正常后，通过继电器KA3控制接触器KM3吸合，软启动器接通M2一室电机开始启动。当一室电机启动至额定电流时，KM3断开，KM4吸合，一室电机脱离软启动器，电机运行在额定电流值，一室电机启动完毕。依次，软启动器将启动二室电机和三室电机。若电源出现故障，造成系统停机，则系统需在带载或重载的条件下重新启动。启动过程为，先将电源切断，然后按照上述软启动的过程依次启动各电机。系统控制的电气原理图如图5、6所示。

图5 软启动器工作主回路

7 控制系统软启动试验结果及分析

在手动状态下，分别启动一室和二室，记录在不同时间下软启动器面板显示的电流。粉磨机一、二室使用软启动器后的启动电流图如图7所示。

图7 一、二室空载启动电流图

图6 软启动器工作控制、指示回路

分析说明:一室和二室的工作状况一致，机械结构也相同，因此启动电流一样。由于这2个工作室的主轴经过动平衡，壳体是铸件，刚性很好。因此，启动过程非常平稳，最大电流只有600A，启动时间较短。30s已完成启动。运行状态良好，达到了设计的预期启动效果。

三室空载启动和设备带负载运行的启动电流也达到了设计要求，在此不再贅述。

8 结语

选择启动方式的原则是既保护电机、延长电机使用寿命，又保护电网和机械设备，同时降低设备维护和管理工作量，保证选择设备的可靠性。

经设备长时间运行，证明本方案解决了设备4个110kW电机的启动问题，启动过程平稳，切换正常，可靠，方案切实可行。在试验过程中，笔者还进行了设备的急停后重载启动工作，也获得了成功。下一步要在元器件选型上进一步考虑，在节约成本上做文章，推进系统产业化。

［1］ 祝战科.对撞式超细粉磨分级系统电气控制装置的研制［D］.西安:西安交通大学，2012.

［2］ 西安西普电力电子有限公司.数字式交流电动机软起动器说明书［Z］.2011.

［3］ 赵志国.基于单片机的交流异步电机软启动器节能运行研究［J］.民营科技，2010(5):55.

［4］ 杜 江.三相感应电动机软启动及节能运行技术的研究［D］.天津:河北工业大学，2007.