電動機軟啟動器工作原理及其在探礦工程中的應(yīng)用分析
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vango001 發(fā)布時間：2012-06-20 14:57:44
關(guān)鍵字：電動機 軟啟動器 探礦工程
前 言
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和 計算機控制技術(shù)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(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便，對 供電 系統(tǒng)和電氣設(shè)備 沖擊小且控制元件不易 損壞以及維護方便等諸多優(yōu)點正逐步取代傳統(tǒng)的控制裝置。 這項新技術(shù)的誕生使電動機的啟停技術(shù)發(fā)生了劃時代的變化。
在眾多生產(chǎn)領(lǐng)域中，由于三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)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(qū)動的。按常規(guī)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(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，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(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，而且電動機的容量愈大，造成這種現(xiàn)象也就愈嚴重。同時由于是硬性啟動也會給供電系統(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機 啟動問題由來已久，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(dǎo)通角，使電動機電壓平穩(wěn)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(xù)可調(diào)，這樣就會減輕沖擊電流對電動機及供電設(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(shù)實施信息搜索、檢測，及時調(diào)整可控硅的觸發(fā)脈沖，能夠?qū)﹄妱訖C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(shè)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(yīng)用領(lǐng)域可以涵蓋工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電動機傳動設(shè)備，是傳統(tǒng)啟動方式理想的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目前國內(nèi)已有十幾家在生產(chǎn)電動機軟啟動器，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 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(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(jù)預(yù)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(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，電動機逐漸加速，完成啟動過程。
電動機啟動結(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，在電動機運行過程中，如出現(xiàn)過載、過流、缺相等故障時，電腦芯片會及時發(fā)出指令，切斷主電源。
3 電動機軟啟動器的特點
這里結(jié)合探礦工程中的空壓機站的實例控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，談一下電動機軟啟動器的應(yīng)用特點?？諌簷C的動力采用的是三相異步電動機（ 75KW ） , 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jiān)視報警和關(guān)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(fā)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(tǒng)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(fā)啟動完成信號?？删幊炭刂破鹘?jīng)過 10 秒鐘的延時，導(dǎo)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(tǒng)進入空載狀態(tài)， 3 秒鐘后向電動機軟啟動器發(fā)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(tǒng)啟動系統(tǒng)相比都有顯著的改善和提高。主要體現(xiàn)在以下特點：
（ 1 ）在結(jié)構(gòu)上采用電動機軟啟動器作為控制輸出執(zhí)行元件，控制邏輯用 PLC 可編程控制器實現(xiàn)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，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。同時具有外控功能，可根據(jù)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(wǎng)或發(fā)電設(shè)備的沖擊，將啟動電流控制在安全范圍內(nèi)，改善了原控制系統(tǒng)因啟動電流較大沖擊廠用電源而影響其它設(shè)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(fā)生CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，同時也節(jié)約了能源。
（ 4 ）軟啟動、軟停車方式，降低設(shè)備的振動和噪聲，減少機械應(yīng)力，延長發(fā)電設(shè)備及機械傳動系統(tǒng)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(tǒng)各種不良運行情況，有利于保護設(shè)備的安全運行。
（ 6 ）控制盤上的顯示功能，便于在現(xiàn)場全面了解設(shè)備運行情況。
（ 7 ）數(shù)字化參數(shù)設(shè)定及顯示功能直觀、方便、省時。
4 結(jié)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(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機平穩(wěn)啟動這一基本要求外，還具有很多優(yōu)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(shù)設(shè)置簡單。
經(jīng)過筆者在探礦工程中多年實踐，發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)矩要求很高的電動機驅(qū)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(shè)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(shè)備。同時CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，目前所生產(chǎn)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(yīng)用是一大阻礙。
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