交流電機(jī)軟起動(dòng)器在造紙行業(yè)的應(yīng)用
鄭州大學(xué) 李永剛
摘要:本文分析了幾種傳統(tǒng)電機(jī)起動(dòng)方式的特點(diǎn)及存在的問題，介紹了STR系列數(shù)字式軟起動(dòng)器的工作原理和性能特點(diǎn)，并結(jié)合100噸紙漿工程介紹了軟起動(dòng)器的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：STR軟起動(dòng)器；直接起動(dòng)；降壓起動(dòng)；紙漿工程
0 前言
交流電機(jī)電子軟起動(dòng)器的原理最早提出于上世紀(jì)七八十年代，上世紀(jì)九十年代初國內(nèi)最早由西安西普電力電子有限公司開發(fā)出了軟起動(dòng)器。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)軟起動(dòng)器的生產(chǎn)技術(shù)和質(zhì)量品質(zhì)得到很大提高，目前國內(nèi)產(chǎn)品品質(zhì)和性能基本與國外品牌接近。綜合產(chǎn)品品質(zhì)和市場占有國內(nèi)知名的軟起動(dòng)品牌主要有西安西普、上海雷諾爾、長沙奧托等，同時(shí)日趨激烈的市場競爭也推動(dòng)了產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步與市場的成長成熟，軟起動(dòng)器進(jìn)入了發(fā)展的黃金階段。當(dāng)前軟起動(dòng)器的應(yīng)用行業(yè)非常廣泛，如鋼鐵冶金、有色冶金、建材、水工業(yè)、環(huán)保領(lǐng)域、造紙、選煤焦化、石油化工、機(jī)械、暖通制冷等行業(yè)。
1 傳統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式及存在問題
1.1全壓起動(dòng)（直接起動(dòng)）
將電動(dòng)機(jī)的定子直接接入電網(wǎng)，電機(jī)定子可獲得電網(wǎng)的全電壓，該起動(dòng)方法稱為電動(dòng)機(jī)的全壓起動(dòng)，全壓起動(dòng)的特點(diǎn)：高起動(dòng)電流,一般為額定電流的4~7倍；高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,一般為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的0.9~1.3倍；起動(dòng)時(shí)間最短；存在很大的電流和轉(zhuǎn)矩的尖峰沖擊；起動(dòng)裝置價(jià)格便宜。
過大的起動(dòng)電流導(dǎo)致線路產(chǎn)生較大的壓降，影響電網(wǎng)上其它設(shè)備的正常運(yùn)行，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般情況下起動(dòng)電流在電網(wǎng)中引起的電壓降不超過電網(wǎng)額定電壓的10%（頻繁起動(dòng)）或15%（不頻繁起動(dòng)）就允許直接起動(dòng)。
1.2串電阻（或電抗）降壓起動(dòng)
串電阻（或電抗）降壓起動(dòng)就是通常所說的定子電路串聯(lián)電阻（或電抗），起動(dòng)時(shí)電流會(huì)在電阻（或電抗）上產(chǎn)生壓降，降低了電機(jī)定子繞組上的電壓，起動(dòng)電流也從而減小。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，起動(dòng)階段功率因數(shù)較高，不足是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小過多，適于輕載和不頻繁起動(dòng)。串電阻起動(dòng)時(shí)電能損耗大，起動(dòng)成本高，一般用于小容量電機(jī)起動(dòng)，較大容量電機(jī)多用串電抗起動(dòng)。
1.3星-三角降壓起動(dòng)
電機(jī)繞組的6個(gè)端子均引到電機(jī)接線板上，電機(jī)起動(dòng)時(shí)定子繞組接成星形，起動(dòng)完成后轉(zhuǎn)變成三角形。星三角起動(dòng)的特點(diǎn)：起動(dòng)時(shí)接成星形的定子繞組的電壓和電流只有三角形接法時(shí)的0.577倍；星形起動(dòng)時(shí)的三相線電流為三角形接法直接起動(dòng)電流的1/3；星形起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也只有三角形接法直接起動(dòng)時(shí)的1/3，一般用于輕載起動(dòng)；起動(dòng)時(shí)間較長；星三角切換時(shí)產(chǎn)生較大電流和轉(zhuǎn)矩的尖峰沖擊；星三角降壓起動(dòng)裝置相對經(jīng)濟(jì)，允許多次起動(dòng)，但需引出6根主線。
1.4自耦降壓起動(dòng)
將電機(jī)的定子通過可有級(jí)調(diào)整電壓的自耦變壓器接至電網(wǎng)的降壓起動(dòng)方式稱為自耦降壓起動(dòng)。其特點(diǎn)是：需加一臺(tái)有抽頭可調(diào)起動(dòng)電壓和電流的自耦變壓器，如QJ2型的抽頭分別為電源電壓的55%、64%、73%，根據(jù)允許的起動(dòng)電流和所需的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩選擇抽頭電壓；起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低的比值相同，相對串電阻起動(dòng)方式限流效果相同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，可用于較大負(fù)載起動(dòng)；起動(dòng)時(shí)間較長；在電壓轉(zhuǎn)換瞬間有尖峰電流和尖峰轉(zhuǎn)矩；起動(dòng)設(shè)備體積較大，價(jià)格較高，不能頻繁起動(dòng)。
1.5串飽和電抗降壓起動(dòng)（磁控降壓）
飽和電抗器是帶有直流勵(lì)磁繞組的交流電抗器，改變直流勵(lì)磁電流就可控制鐵心的飽和程度，從而改變交流電抗值。電機(jī)起動(dòng)時(shí)鐵心不飽和，電抗大，因而定子電壓降低，實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)。該起動(dòng)方式的特點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)區(qū)域恒流軟起動(dòng)；適應(yīng)負(fù)載能力一般，對環(huán)境要求不高；起動(dòng)特性硬，起始電壓約200V，用戶不能調(diào)整；存在1次較大尖峰電流和尖峰轉(zhuǎn)矩沖擊；設(shè)備占用空間大；一般不能頻繁起動(dòng)。
直接起動(dòng)和傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方式，由于存在1~2次很大的起動(dòng)沖擊尖峰電流（4Ie ~6Ie以上）和很大的突跳轉(zhuǎn)矩沖擊，尤其對中大容量電機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)危害很大，突跳轉(zhuǎn)矩沖擊使軸承、齒輪磨損加重甚至損壞，減速箱故障率高，皮帶磨損嚴(yán)重甚至拉斷，沖擊電流導(dǎo)致電機(jī)繞組絕緣老化，電器設(shè)備壽命下降，設(shè)備維護(hù)率高，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)。所以一般地工業(yè)生產(chǎn)中55KW~90KW以上的電機(jī)在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下盡量采用軟起動(dòng)方式。
2 STR系列數(shù)字式電機(jī)軟起動(dòng)器性能特點(diǎn)
STR智能電子軟起動(dòng)器內(nèi)部主回路如圖1示，采用三對反并聯(lián)晶閘管串接于交流電機(jī)的定子回路上，通過微處理器控制其觸發(fā)角的變化來改變晶閘管的開通程度，由此來改變電動(dòng)機(jī)輸入電壓的大小，以 達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的目的。當(dāng)起動(dòng)完成后，軟起動(dòng)器輸出達(dá)到額定電壓，對于STRA系列軟起動(dòng)器內(nèi)置旁路接觸器自動(dòng)吸合，將電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。STRB系列軟起動(dòng)器無內(nèi)置旁路接觸器，但有自動(dòng)旁路輸出接口，可自動(dòng)控制外配旁路接觸器吸合。
STR智能電子軟起動(dòng)器有如下特點(diǎn)：
1）、起動(dòng)電流可調(diào)，調(diào)整范圍一般為0.2~4倍電機(jī)額定電流 ；
2）、起始轉(zhuǎn)矩可調(diào),一般通過調(diào)整初始電壓(0~380V)進(jìn)行調(diào)整；
3）、起動(dòng)時(shí)間可根據(jù)負(fù)載情況適當(dāng)調(diào)節(jié)；
4）、有自由停機(jī)及軟停機(jī)兩種停機(jī)模式，可根據(jù)負(fù)載及工況選擇設(shè)定；
5）、具有電流限副和電壓斜坡兩種起動(dòng)模式，用戶可根據(jù)不同負(fù)載及具體要求自行設(shè)置選擇；
6）、具有點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行功能，該功能對用戶試車或一些負(fù)載的定位等非常方便；
7）、具有14個(gè)外控端子，為用戶實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)控制、遠(yuǎn)程控制及系統(tǒng)自動(dòng)化控制提供方便；
8）、操作方式有三種：鍵盤、外控端子、鍵盤及外控端子均可；
9）、外部控制可采用三線控制和兩線控制方式；
10）、可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)軟起動(dòng)器依次起動(dòng)若干臺(tái)電機(jī)；
11）、可使用于頻繁起停的場合；
12）、具有多種保護(hù)功能，如過流、過載、缺相、過熱等，對控制單臺(tái)電機(jī)時(shí)無需另加電機(jī)保護(hù)電路；
13）、全數(shù)字開放式用戶操作顯示鍵盤，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、修改、參數(shù)顯示、保護(hù)顯示、起動(dòng)、停機(jī)、復(fù)位等；
14）、從根本上解決了傳統(tǒng)起動(dòng)方式起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流突變帶來的不良后果，是傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方式的理想換代產(chǎn)品。
圖1 STR軟起動(dòng)器控制電機(jī)電氣原理圖
3 STRB軟起動(dòng)器在100噸紙漿工程中的應(yīng)用
3.1工程配套情況
新鄉(xiāng)鴻泰紙業(yè)公司新上100噸紙漿生產(chǎn)線中75KW以上電機(jī)全部采用了西安西普電力電子有限公司生產(chǎn)的STRB系列產(chǎn)品，共有16臺(tái)軟起動(dòng)器，其中STRB075-3型5臺(tái)，STRB090-3型2臺(tái)，STRB110-3型5臺(tái)，STRB160-3型2臺(tái)，STRB187-3型1臺(tái)，STRB250-3型1臺(tái)，均采用一臺(tái)軟起動(dòng)器拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)負(fù)載的方案（一拖一方案），電氣主回路如圖1示。
控制柜采用PGL型噴塑箱體，顏色為駝灰色，尺寸2200×1000×800mm（高×寬×深）3臺(tái)，2200×800×800mm（高×寬×深）2臺(tái)。由于采用一拖一軟起控制方案，電器元件很少，元器件前后兩側(cè)安裝，一臺(tái)1000mm寬控制柜內(nèi)可以安裝4套軟起控制回路，一臺(tái)800mm寬控制柜內(nèi)可以安裝2套軟起控制回路，大大節(jié)省安裝空間，16臺(tái)軟起動(dòng)器布置示意如圖2。
圖2 PGL軟起動(dòng)柜及16臺(tái)軟起動(dòng)器回路布置示意（俯視圖）
3.2軟起動(dòng)柜控制功能
軟起動(dòng)柜面板配置交流電壓表和交流電流表，顯示每臺(tái)軟起動(dòng)柜的三相電壓及每臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行電流值。軟起動(dòng)柜設(shè)有就地（手動(dòng)）、DCS（自動(dòng)）操作轉(zhuǎn)換開關(guān)。轉(zhuǎn)換開關(guān)置“就地”位置時(shí)，利用軟起動(dòng)柜面板上的起動(dòng)、停止按扭控制設(shè)備起停。操作轉(zhuǎn)換開關(guān)置“DCS”位置時(shí)，由DCS控制系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)備起停。操作轉(zhuǎn)換開關(guān)置“停止”位置時(shí)，軟起動(dòng)柜處于停止?fàn)顟B(tài)。控制柜面板設(shè)有每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行、停止、故障指示燈。
3.3軟起動(dòng)柜接口
軟起動(dòng)柜留有DCS控制每臺(tái)軟起動(dòng)器控制回路的“起動(dòng)”“停止”兩對無源開關(guān)接點(diǎn)，留有供DCS監(jiān)視用的每臺(tái)軟起動(dòng)器控制回路“運(yùn)行”“停止”“故障”三對無源開關(guān)接點(diǎn)，留有供DCS監(jiān)視用的每臺(tái)軟起動(dòng)器設(shè)備的電流信號(hào)接口，由電流互感器提供，電流范圍為交流0~5mA，同時(shí)該信號(hào)還用于軟起動(dòng)柜面板電流表監(jiān)視。根據(jù)DCS控制要求，軟起動(dòng)柜內(nèi)提供DCS監(jiān)視每臺(tái)柜三相電壓的監(jiān)測接口（三個(gè)端子），每二端子電壓值為市電電壓（交流Φ380V）。
全部軟起動(dòng)設(shè)備帶負(fù)載調(diào)試一次試車成功，目前該生產(chǎn)線已正常投產(chǎn)。相比公司原有紙漿生產(chǎn)線的傳統(tǒng)降壓啟動(dòng)設(shè)備，電機(jī)起動(dòng)電流小，對電網(wǎng)及機(jī)械設(shè)備的沖擊明顯降低，達(dá)到了很好軟起、軟停效果，用戶非常滿意。
參考文獻(xiàn)
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Application Of AC Motor Soft Starter In The Paper Industry
ZhengZhou University Li Yonggang
Abstract：This paper analyses the characteristics and the existing problems of several traditional AC asynchronous motor start equipments.Then the operating principle and features of STR series digital AC motor soft starter are introduced. Finally the applied circumstances of STR soft starters are introduced in a pulp production line of 100 tons per day.
Keywords: STR Soft Starter； Full voltage starter； Voltage decreasing starter ； Pulp engineering
作者：李永剛（1967年-）,男，鄭州大學(xué)講師，主要從事變頻器、軟起動(dòng)器交流傳動(dòng)技術(shù)及交流調(diào)速節(jié)能改造工作。
