電動機軟啟動器工作原理及其在探礦工程中的應用分析

關鍵字：電動機 軟啟動器 探礦工程 
    前 言
    隨著科學技術的飛速發展和 計算機控制技術的日趨成熟，近年來一種以計算機為核心，采用雙向可控硅為主控回路的智能化新型控制器 “ 電動機 軟啟動器 ” 已經在工業生產 領域 中嶄露頭角 ，它以控制方式靈活簡便，對 供電 系統和電氣設備 沖擊小且控制元件不易 損壞以及維護方便等諸多優點正逐步取代傳統的控制裝置。 這項新技術的誕生使電動機的啟停技術發生了劃時代的變化。 
    
    在眾多生產領域中，由于三相異步電動機具有結構簡單、運行可靠、維修簡便、價格適宜等特點，在電力拖動機械中有 90% 以上是由三相異步電動機驅動的。按常規慣例，對較大容量的三相異步電動機的啟動，一般均采用星—角啟動、電抗器啟動或者是自耦減壓啟動。這幾種啟動方式由于技術比較成熟，所以目前在工農業生產中仍然在大范圍的應用。但是不管采用什么方式啟動，由于三相異步電動機的啟動電流瞬時會形成一個很高的沖擊電流，（直接啟動電流值是電動機額定電流的 4 ～ 8 倍） 這給供電設備或電網中的電源電壓在一定范圍內形成短暫的降壓現象，而且電動機的容量愈大，造成這種現象也就愈嚴重。同時由于是硬性啟動也會給供電系統和電氣設備造成一定的傷害。中大功率的三相異步電動機 啟動問題由來已久，電氣技術人員一直在試圖找出一種能夠徹底解決問題的辦法。 
    
    三相異步電動機軟啟動裝置又稱無觸點恒流啟動，它在電動機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通角，使電動機電壓平穩增加，并將電動機的啟動電流控制在電動機額定電流值的 1 ～ 2.5 倍之間，并連續可調，這樣就會減輕沖擊電流對電動機及供電設備或者電網的損害，改善了供電系統的穩定性。 
    
    同時電動機軟啟動器對三相異步電動機的啟動或運行過程中的各項參數實施信息搜索、檢測，及時調整可控硅的觸發脈沖，能夠對電動機的過載、過流、缺相等故障及時反饋到處理器中進行辨別和處理，有效地保護了電動機和電氣設備。三相異步電動機軟啟動器的科技含量高，保護功能比較完善，并且啟動能力強，對 5.5 ～ 500KW 的三相異步電動機均可啟動。它的應用領域可以涵蓋工農業生產中的電動機傳動設備，是傳統啟動方式理想的更新換代產品。目前國內已有十幾家在生產電動機軟啟動器，工作原理大體相似，筆者根據多年在探礦工程應用情況并結合 KMPR系列電動機軟啟動裝置進行了一番探討。 
    
    2 電動機軟啟動器的工作原理 
    
    KMPR系列電動機軟啟動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。控制部分的核心是一塊 CPU 電腦芯片【 80C 196KC 】（電氣原理見圖 1 ），將三對可控硅橋串接在電動機的三相供電線路上，利用可控硅的電子開關特性，通過控制其觸發導通角的大小來改變可控硅的開通程度，由此來改變電動機輸入電壓和輸入電流的大小，已達到控制電動機的啟動特性。
    
    由鍵盤輸入或外部控制按鈕將指示信號輸入到軟啟動器的電腦芯片中，芯片根據預置的程序啟動電動機。啟動模式有兩種，斜坡電壓啟動和限流啟動，如圖 2 是斜坡電壓啟動的理論圖形。
     
    限流軟啟動控制模式：如圖 3 所示，電動機啟動時，其輸出電壓從零迅速增加，直至輸出電流達到設定的電流限幅值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，電動機逐漸加速，完成啟動過程。
    
    電動機啟動結束后，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，控制系統仍然工作，在電動機運行過程中，如出現過載、過流、缺相等故障時，電腦芯片會及時發出指令，切斷主電源。 
    3 電動機軟啟動器的特點 
    
    這里結合探礦工程中的空壓機站的實例控制工程網版權所有，談一下電動機軟啟動器的應用特點。空壓機的動力采用的是三相異步電動機（ 75KW ） , 控制系統結構如圖 4 所示，主要包括電動機軟啟動器、 PLC 可編程控制器、壓力傳感器、進氣電磁閥、監視報警和關機保護功能。其工作原理是當氣罐氣壓降至空壓機啟動值時， PLC 可編程控制器向電動機軟啟動器發出啟動命令，軟啟動器通過可控硅控制電動機的啟動電壓和電流，使空壓機系統平滑啟動到空載。當電壓達到額定值時，接觸器吸合，可控硅短路，三相電源直接加在電動機上，軟啟動器啟動完成，并向可編程控制器發啟動完成信號。可編程控制器經過 10 秒鐘的延時，導通進氣電磁閥，空壓機帶載運行，向氣罐打氣；當氣罐氣壓達停機值時，可編程控制器切斷進氣電磁閥，使空壓機系統進入空載狀態， 3 秒鐘后向電動機軟啟動器發停機令，在軟啟動器的控制下，電動機逐漸減速至完全停機。 
     
    
    運行情況表明，其可靠性、功能和性能與原傳統啟動系統相比都有顯著的改善和提高。主要體現在以下特點： 
    
    （ 1 ）在結構上采用電動機軟啟動器作為控制輸出執行元件，控制邏輯用 PLC 可編程控制器實現，使得系統結構簡單明了，采用數字監控和數字設定，提高了控制系統的可靠性，也便于維護。同時具有外控功能，可根據使用情況進行連接，方便控制。 
    
    （ 2 ）電動機軟啟動器對電動機提供平滑漸進的啟動過程，減少啟動電流對電網或發電設備的沖擊，將啟動電流控制在安全范圍內，改善了原控制系統因啟動電流較大沖擊廠用電源而影響其它設備正常運行的狀況。 
    
    （ 3 ）啟動過程采用雙向可控硅，啟動過程完成后，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機使觸點易拉弧、粘連、燒壞等故障的發生CONTROL ENGINEERING China版權所有，同時也節約了能源。 
    
    （ 4 ）軟啟動、軟停車方式，降低設備的振動和噪聲，減少機械應力，延長發電設備及機械傳動系統地使用壽命。 
    
    （ 5 ）具有過流、過載、電源缺相等多種保護功能，同時可以檢測到負載所涉及（如空壓機）系統各種不良運行情況，有利于保護設備的安全運行。 
    
    （ 6 ）控制盤上的顯示功能，便于在現場全面了解設備運行情況。 
    
    （ 7 ）數字化參數設定及顯示功能直觀、方便、省時。 
    
    4 結束語 
    
    電動機軟啟動器的研制階段起始于二十世紀八十年代，經過這么多年的發展，技術不斷成熟，功能日趨完善。除了完全能夠滿足電動機平穩啟動這一基本要求外，還具有很多優點，比如可靠性高、維護量小、對電動機的保護功能齊全以及參數設置簡單。 
    
    經過筆者在探礦工程中多年實踐，發現目前電動機軟啟動器仍有一個缺陷，那就是不能長時間用于啟動轉矩要求很高的電動機驅動裝置上，這種局限性主要因為，軟啟動器實際上是靠將自身電壓斜坡式抬升至最大值（而在停機過程中設定電壓是逐漸下降達到停機）來完成工作。由于扭矩與電壓平方成正比，這就使電動機不能從一開始就達到最大扭矩，因此，目前的電動機軟啟動器比較適合于一些空載或輕載的啟動設備。同時CONTROL ENGINEERING China版權所有，目前所生產的電動機軟啟動器的價格不菲，市場價格不容易被人接受，這對今后的普及和應用是一大阻礙。