软启动技术在冶金行业中的应用

软启动技术在冶金行业中的应用

徐志远 1、高安东 1

（日照钢铁有限公司，山东，日照）

摘要：三相鼠笼式异步电动机的启动方式：直接启动和降压启动。直接启动的局相限性：启动电流大、对设备有冲击性、对电网要求高。传统降压启动（星型/三角启动，定子回路串电阻、电抗器启动，自耦变压器降压启动）的特点及不足，使得软启动器优势在冶金行业中被广泛的应用。

关键词：鼠笼式异步电动机、直接启动、降压启动、软启动

引言：在冶金行业中鼠笼式异步电动机作为把电能转化为机械能的主要动力设备被广泛应用，但由于大中型（75KW~200KW）鼠笼式异步电动机直接启动时启动电流大，对电网和工作机械（风机的叶轮、水泵的抽门、电机的轴承等）的冲击力很大，而传统的降压启动虽有改进，却有很多性能限制和使用限制，很难适应迅猛发展的冶金行业的使用要求。从上世纪90年代发展起来的软启动技术成功地解决了鼠笼式异步电动机启动时启动电流大，线路压降大，电力损耗大以及对传动机械的冲击性破坏等一系列问题，使软启动器在冶金行业中快速普及，从而实现了比较稳定可靠的启动，改善了生产系统的工况，有效地延长机械系统的寿命，降低了故障率，最大限度地提高了生产设备的可用率。

鼠笼式异步电动机的启动可分为两种：直接启动和降压启动。直接启动是通过开关或接触器将额定电压直接加到电动机启动。直接启动启动转矩大，启动时间短，方式简单，设备投资少，所以在小型电动机的启动上得到广泛的应用。但是对大中型（75KW~200KW）电动机的直接启动存在以下三种限制条件：

（1）启动电流可达到额定电流的5~7倍，大启动电流虽然启动过程时间很短，不致引起电动机过热，但是可能引起供电线路的电压显著下降，这不仅会使电动机本身的启动转矩减小，造成启动困难，而且将影响接在同一电源的其它设备，严重时将使部分设备因电压过低而退出运行，甚至使电力线路继电保护装置过流保护而跳闸，使供电线路中断。我公司在2010年夏季曾因启动设备造成电网波动使烧结厂二烧车间、三烧车间和一炼铁部分设备因继电保护装置动作而跳闸，造成不可挽回的经济损失。

（2）直接启动会使被拖动的机械设备受到机械性冲击，如皮带减速机、振筛的万向节等造成软性损伤（机械变形、疲劳性老化）及硬损伤（裂纹、断裂）。如9#机振筛万向节因硬损伤被断开，造成9#机停机10分钟。

（3）直接启动要求供电变压器容量较大。一般规定对于不经常启动的电动机，若功率不大于变压器容量的30%可以直接启动，对于频繁启动的电动机，若功率不超过变压器容量的20%可以直接启动。如有照明负载，要求电动机启动时造成的电压降不超过额定电压的50%。

直接启动受到限制，不适用，需采取降压起动。传统的降压启动就是在启动时降低加到电动机定子绕组上的电压，等电动机转速升高后，在使电动机的电压恢复到额定值。降压启动一般有：星型/三角启动，定子回路串电阻、电抗器启动，自耦变压器降压起动及应用得到推广。

星型/三角降压启动是降压启动中结构简单，成本最低的一种，然而它的性能受到限制主要有：

（1）无法控制启动电流和转矩的下降程度。因为星型接法时加在每项绕组上的电压只是它在三角形接法的1/√3,所以电流为直接启动电流的1/3，转矩为直接启动转矩的1/3,从而只能适合轻载或空载启动。

（2）当从星型接法切换到三角形接法时，会出现较大的电流和转矩变化，这对机械和电器有一定的冲击会导致经常性的故障发生。

自耦变压器降压启动又称补偿器减压启动，是利用自耦变压器来降低启动时加在电动机定子绕组上的电压，达到限制启动电流的目的。变压器的副边有两个抽头，可以得到不同的输出电压，通常为电源电压的80%和65%。显然它的电压等级是分级升高的，所以其性能有以下限制：

（1）电压的分级升高在转换时会引起较大的电流和转矩变化，会导致和星型/三角降压启动一样的机械、电气故障的发生。

（2）有限的输出电压的种类（副边抽头数量有限），限制了理想启动电流的选择。因为自耦变压器降压启动是在较额定电压低的电压级别进行降压启动，它控制的电机参数是电压而非电流所以在电压波动及负载变化时，启动电流曲线将显著偏离设计理想曲线，恶化启动性能，设备在较差的工况下将大大缩短使用寿命，增加维护成本。

串电阻降压启动虽然比以上两种启动方式有一定的优点，但是在性能和使用上仍有以下限制：

（1）启动特性很难优化。原因是使用的启动电阻阻值是确定的，在使用中很难改变。虽然可以改变接线方式，但是级数较多时，将增加控制系统的复杂性，生产成本、故障率也将随之大幅度提高，因此电阻级别通常在2~5级之间，这样加在电动机定子绕组上的电压、电流等参数在分级启动时仍有很大波动。

（2）频繁启动状态下的启动性能不佳。因为在启动过程中电阻值会随着电阻的温度变化而变化，在停止到再启动过程中要长时间冷却过程。

（3）在负载较大或启动时间较长的场合下的启动特性将变坏，因为阻值随电阻温度的变化而变化。

（3）在负载大小经常变化的场合（如皮带机上有料、无料、料多、料少，振筛内料多料少或无料，风机风门全开或部分等）串电阻降压启动不能提供较佳的启动效果。

综上所述，传统的降压启动设备均有很多的性能限制和使用限制越来越难以适应冶金行业中电动机复杂使用场合的启动需要，而软启动技术的应用正好弥补了传统降压启动的不足，成功地解决了鼠笼式异步电动机启动时电流大、线路电压降大、电力损耗大以及对传动机械带来破坏性冲击力等性能问题和使用问题。

软启动技术是在晶闸管斩波技术的基础上发展起来的，利用晶闸管的斩波技术进行工频电压调节压。如下图（1），软启动器的功率部分是有3对（6个）正反向并联的晶闸管组成的；软启动器的控制部分由单片机、显示键盘、触发脉冲装置、电源变换同步检测、输出电流检测以及接受外部信号和输出信号用的接线端子等部件组成。利用显示键盘实现人机对话可对软启动器进行参数设置、查询，也可显示内部检测结果；通过显示键盘设置好以后显示正常就可由CPU给触发脉冲转装置信号触发脉冲装置通过控制晶闸管的导通角，改变其输出电压，使加在电动机定子绕组上的电压按规律慢慢达到额定电压。通过软启动器的电压、电流特性曲线下图（2）和（3）可以形象地看出软启动器给电动机一个初始电压Us(Us一般在10%~60%Ue之间自由调整)并在用户设定的时间T1（T1一般在1~60S范围内自由调整）内将负载电压均匀上升到电动机的额定电压Ue，由于软启动器自身特有的限流功能，使加在电动机定子绕组上的启动电流在启动过程中始终不超过启动限制电流Is（Is一般在2~5倍的Ie内自由设定，Ie是电动机的额定电流）；同时CPU分别给电源变换检测和输出电流检测信号有它们分别对电源和输出电流实时监测并显示在显示键盘，也可通过输出信号端子外接故障、连锁、旁路，通过接收信号端子可由外部控制软启动器实现远程控制或计算机控制。

软启动技术得以推广应用是由它以下的优越的性能特点决定的：

（1）采用单片机全数字智能控制。

（2）启动电压、电流、时间可根据负载情况灵活设定，取得最佳的电流曲线和最佳的转矩特性。

（3）通过控制晶闸管的导通角，控制软启动器的输出电压平稳升降和无触点通断，实现电动机使用最小启动电流，得到最佳转矩，平稳启停。

（4）根据负载不同有多种启动模式可供选择：如皮带机选用斜坡启动，振筛选用限流启动等。

（5）具有三相电源缺相保护、晶闸管短路保护、过热保护、启动过流保护、启动超时保护。

（6）参数可通过键盘设定，并中文液晶显示。

（7）对输入三相电源无相序要求。

随着微电子技术、大规模集成电路、电力电子技术等技术的迅猛发展，软启动技术越来越成熟，软启动器性能越来越优越，功能越来越完善，在冶金行业中应用将更加广泛。

参考文献：

1.马晓先《维修电工技术》

2.李道霖主编《电气控制与PLC原理及应用》

3.《QB42软启说明书》

4.《JJR用户手册》