大功率裝置軟啟動的方式及優缺點比較

摘要：本文簡要介紹了大功率裝置軟啟動的幾種常見方式，固態軟啟動、液態軟啟動、採用液力耦合器的軟啟動技術及其優缺點比較。著重介紹了三相閘流體電子軟啟動技術的工作原理，結構特點。並通過應用例項說明了軟啟動的可行性和必要性。
關鍵詞：大功率裝置  軟啟動  電動機  閘流體
        0 引言
        大功率裝置的應用十分廣泛。在生產過程中，電動機要經常啟動、停止，其啟動效能的優劣對生產影響很大，這是因為大功率電動機，其強大的啟動電流會造成較大的線路電壓降落，引起電網電壓降低，不僅影響其他用電裝置的正常工作，而且對動力變壓器也會產生較大的衝擊，所以，選擇合理的啟動方式受到相關技術人員的高度重視[1]。

        1 軟啟動簡述
        1.1 軟啟動與一般降壓啟動的區別 在啟動電動機時，可以通過降低加到電動機定子繞組的電壓來減小電動機的啟動電流。軟啟動是在規定的啟動時間內，用調壓裝置將啟動電壓，連續平穩地上升，直至達到額定電壓。可用n=fM來表示非同步電動機的機械特性。
        軟啟動是從初始電壓開始，電壓平衡連續的增大。從圖1中的0.5U所標註的曲線連續的平滑的向右平行移動，一直平穩到與額定電壓Ue所指的曲線重合時為止，那麼電動機的轉矩就會平滑地增大，一直到轉矩為最大值Mm時為止，啟動結束。這樣，在啟動過程中電動機的轉矩是平滑的而不是跳躍的，啟動過程是平穩的，所以叫軟啟動[2]。
        若採用一般降壓啟動，假設啟動電壓U=0.5Ue，則電動機啟動時的轉矩為0.25M，即啟動時的轉矩僅有電動機最大轉矩的1/4。如果在此時將電壓增加到電動機的額定電壓Ue，那麼電動機的轉矩就會瞬間由1/4跳到M，這種的啟動過程是不平滑、不平穩的，因此又稱為硬啟動，在要求穩啟動的場合不應採用這種啟動方式。 
        1.2 固態（閘流體電子）軟啟動的原理 在大容量電動機啟動時，三相閘流體軟啟動已經得到廣泛的應用，其啟動過程平穩，諧波的含量，轉矩的衝擊以及衝擊的電流都相對較小，且價格適中，技術較為成熟。閘流體調壓軟啟動器採用反並聯接線的閘流體、連線在電動機的三相繞組上，在電動機啟動過程中，通過調節閘流體的導通角大小，使電動機的啟動電流可隨著設定的規律變化而改變。這樣人們就可以根據需要來選擇和調節電動的啟動方式與啟動時電流的大小，從而可使電動機可依據繼電器的保護效能而達到最優的啟動過程。閘流體調壓軟啟動的工作原理]。
        2 閘流體的軟啟動方式
        2.1 電壓斜坡式軟啟動 通過調節電動機輸入電壓的升高速率來實現電動機的軟啟動，適用於不同斜率電壓升高量的啟動，是一種常見的啟動方式。
        U130％為電動機啟動所需最小轉矩對應的初始電壓。當電動機啟動時，軟啟動器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然後按設定的速率逐漸增加，直至達到電網電壓。此種軟啟動一般適用於輕載或空載的啟動，也適用於啟動轉矩隨著轉速的增大而增大的裝置，如普通車床、衝床及抽水泵等[4]。 
        2.2 階躍恆流式軟啟動 對於一些啟動轉矩要求比較大的裝置（如採用斜坡啟動）通常不能用正常地方式啟動，需要採用階躍恆流式的軟啟動方式，在初始啟動時，將電動機的啟動電流瞬間增大到所設定的啟動電流值I、並保持電流大小直至完成啟動過程，如圖4所示。這種啟動方式在啟動瞬間的啟動轉矩較大，適用於較大負載的啟動，如一些帶負載啟動的裝置。該啟動方式即為乙烯裝置空壓機電機採用的啟動方式[5]。 
        2.3 脈衝恆流式軟啟動 它可附加在限流軟啟動方式中，適用於需要較高啟動轉矩的裝置，從而較快地完成電機啟動過程。使用者可自行選擇脈衝時間。該方式啟動初始階段有一個較大的啟動衝擊電流，大於設定的恆流啟動值I，從而產生較大的衝擊矩去克服較大的靜摩擦轉矩，以此啟動裝置，進而即進入恆流啟動階段，直至啟動完畢。如圖5所示。脈衝恆流軟啟動方式的啟動衝擊轉矩大，適用於皮帶輸送機、粉碎機的滿載啟動等過載啟動。 
        3 液態軟啟動
        水電阻啟動器是根據電動機降壓啟動理論，在電動機的定子迴路中串入一適當的可調節式水電阻進行分壓，充分利用水電阻的可調效能與可恢復效能優良，熱容量相對較大的特點，通過控制系統來調節傳動機構，帶動電極的極板運動，改變定、動極板之間的距離，從而改變水電阻阻值的大小，促使同步變化水電阻的阻值與電動機轉差率，達到恆電流啟動的目的。使用該啟動器來啟動電機時，可使電動機穩步加速至額定轉速，並縮短其啟動的時間，在啟動完成後，星點接觸器便會自動接入並旁路的水電阻，電動機將在額定電壓下執行。

 4 液態水電阻與固態閘流體軟啟動器的比較[6]
        5 採用液力耦合器的軟啟動技術
        5.1 若從工作原理和機械結構的角度看，液力耦合器的輸出轉速和輸入轉速之比一般不能高於95％，即不能同步執行輸入與輸出軸，因而會損失較多功率，發熱情況十分嚴重，這將會明顯降低傳動系統的效率。如果大功率裝置的長期執行，這種功率損失會顯著提高企業的生產成本、導致企業的經濟效益的下滑。
        5.2 在採用調速型液力耦合器作為軟啟動裝置時，電動機的啟動電流仍然較大5～8倍的額定電流，因此需要嚴格限制電動機的啟動次數。與其他調速方式相比，由於受到原理結構的制約，調速型液力耦合器的有效調速範圍較小，其可控性也較差。
        5.3 調速型液力耦合器體積龐大，系統複雜，並且具有高速旋轉的大直徑部件，當它分別與電動機和減速機聯接之後，所佔空間更大，在安裝空間有限的場合無法正常使用。用液力耦合器作為軟啟動傳動裝置的主要優點在於液力耦合器的技術相對成熟，價格合理，井下的隔爆要求易於實現，尤其是採用水介質的液力耦合器具有優良的隔爆效能，目前主要應用在刮板輸送機、帶式輸送機、轉載機等煤礦機械裝置的傳動系統中[7]。
        6 結語
        由於固態閘流體電機軟啟動器具有優良的特性，所以其應用越來越廣泛。我國中高密度纖維板生產企業正在用這種啟動器來逐步取代液態水電阻啟動器；但由於液態水電阻啟動器結構簡單，價格相對便宜，故目前也有一定的應用。三相閘流體調壓軟啟動實現了大容量電動機的平穩啟動，消除了因大容量電動機的啟動造成對電網衝擊的可能，保證電力系統的安全穩定執行，與其它同類啟動方式的產品相比，採用軟啟動器的啟動方式可以減小裝置易損件的更換週期，降低執行成本，有效地保證了生產的正常、連續執行。
參考文獻：
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[3]王傳成.利用閘流體交流調壓器實現大功率三相非同步電動機的軟啟動.中國裝置工程.2003.
[4]馬自玫.隔爆高壓軟啟動裝置在煤礦井下的應用.煤炭科學技術.2004.
[4]周芹剛，孫本勝.大功率電機啟動方式的比較與選擇.氯鹼工業[8].2007.
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[6]石戰平.淺談中高密度纖維板廠10kV高壓電機啟動；林業機械與木工裝置37[7]；2009.
[7]薄祥群，江衛，田素華；高壓大功率電動機自動電液變阻軟啟動的研究與應用；中國裝置工程；2007