交流電機軟起動器在造紙行業(yè)的應(yīng)用
鄭州大學 李永剛
摘要:本文分析了幾種傳統(tǒng)電機起動方式的特點及存在的問題，介紹了STR系列數(shù)字式軟起動器的工作原理和性能特點，并結(jié)合100噸紙漿工程介紹了軟起動器的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：STR軟起動器；直接起動；降壓起動；紙漿工程
0 前言
交流電機電子軟起動器的原理最早提出于上世紀七八十年代，上世紀九十年代初國內(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)知名的軟起動品牌主要有西安西普、上海雷諾爾、長沙奧托等，同時日趨激烈的市場競爭也推動了產(chǎn)品的技術(shù)進步與市場的成長成熟，軟起動器進入了發(fā)展的黃金階段。當前軟起動器的應(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、機械、暖通制冷等行業(yè)。
1 傳統(tǒng)交流異步電動機的起動方式及存在問題
1.1全壓起動（直接起動）
將電動機的定子直接接入電網(wǎng)，電機定子可獲得電網(wǎng)的全電壓，該起動方法稱為電動機的全壓起動，全壓起動的特點：高起動電流,一般為額定電流的4~7倍；高起動轉(zhuǎn)矩,一般為電機額定轉(zhuǎn)矩的0.9~1.3倍；起動時間最短；存在很大的電流和轉(zhuǎn)矩的尖峰沖擊；起動裝置價格便宜。
過大的起動電流導致線路產(chǎn)生較大的壓降，影響電網(wǎng)上其它設(shè)備的正常運行，國家標準規(guī)定一般情況下起動電流在電網(wǎng)中引起的電壓降不超過電網(wǎng)額定電壓的10%（頻繁起動）或15%（不頻繁起動）就允許直接起動。
1.2串電阻（或電抗）降壓起動
串電阻（或電抗）降壓起動就是通常所說的定子電路串聯(lián)電阻（或電抗），起動時電流會在電阻（或電抗）上產(chǎn)生壓降，降低了電機定子繞組上的電壓，起動電流也從而減小。其優(yōu)點是起動平穩(wěn)，運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，起動階段功率因數(shù)較高，不足是起動轉(zhuǎn)矩減小過多，適于輕載和不頻繁起動。串電阻起動時電能損耗大，起動成本高，一般用于小容量電機起動，較大容量電機多用串電抗起動。
1.3星-三角降壓起動
電機繞組的6個端子均引到電機接線板上，電機起動時定子繞組接成星形，起動完成后轉(zhuǎn)變成三角形。星三角起動的特點：起動時接成星形的定子繞組的電壓和電流只有三角形接法時的0.577倍；星形起動時的三相線電流為三角形接法直接起動電流的1/3；星形起動時的起動轉(zhuǎn)矩也只有三角形接法直接起動時的1/3，一般用于輕載起動；起動時間較長；星三角切換時產(chǎn)生較大電流和轉(zhuǎn)矩的尖峰沖擊；星三角降壓起動裝置相對經(jīng)濟，允許多次起動，但需引出6根主線。
1.4自耦降壓起動
將電機的定子通過可有級調(diào)整電壓的自耦變壓器接至電網(wǎng)的降壓起動方式稱為自耦降壓起動。其特點是：需加一臺有抽頭可調(diào)起動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)允許的起動電流和所需的起動轉(zhuǎn)矩選擇抽頭電壓；起動電流和起動轉(zhuǎn)矩降低的比值相同，相對串電阻起動方式限流效果相同時起動轉(zhuǎn)矩較大，可用于較大負載起動；起動時間較長；在電壓轉(zhuǎn)換瞬間有尖峰電流和尖峰轉(zhuǎn)矩；起動設(shè)備體積較大，價格較高，不能頻繁起動。
1.5串飽和電抗降壓起動（磁控降壓）
飽和電抗器是帶有直流勵磁繞組的交流電抗器，改變直流勵磁電流就可控制鐵心的飽和程度，從而改變交流電抗值。電機起動時鐵心不飽和，電抗大，因而定子電壓降低，實現(xiàn)降壓起動。該起動方式的特點是：可實現(xiàn)區(qū)域恒流軟起動；適應(yīng)負載能力一般，對環(huán)境要求不高；起動特性硬，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。
直接起動和傳統(tǒng)的降壓起動方式，由于存在1~2次很大的起動沖擊尖峰電流（4Ie ~6Ie以上）和很大的突跳轉(zhuǎn)矩沖擊，尤其對中大容量電機的傳動系統(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，皮帶磨損嚴重甚至拉斷，沖擊電流導致電機繞組絕緣老化，電器設(shè)備壽命下降，設(shè)備維護率高，從而嚴重影響生產(chǎn)。所以一般地工業(yè)生產(chǎn)中55KW~90KW以上的電機在經(jīng)濟條件允許的情況下盡量采用軟起動方式。
2 STR系列數(shù)字式電機軟起動器性能特點
STR智能電子軟起動器內(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，由此來改變電動機輸入電壓的大小，以 達到控制電動機軟起動的目的。當起動完成后，軟起動器輸出達到額定電壓，對于STRA系列軟起動器內(nèi)置旁路接觸器自動吸合，將電機投入電網(wǎng)運行。STRB系列軟起動器無內(nèi)置旁路接觸器，但有自動旁路輸出接口，可自動控制外配旁路接觸器吸合。
STR智能電子軟起動器有如下特點：
1）、起動電流可調(diào)，調(diào)整范圍一般為0.2~4倍電機額定電流 ；
2）、起始轉(zhuǎn)矩可調(diào),一般通過調(diào)整初始電壓(0~380V)進行調(diào)整；
3）、起動時間可根據(jù)負載情況適當調(diào)節(jié)；
4）、有自由停機及軟停機兩種停機模式，可根據(jù)負載及工況選擇設(shè)定；
5）、具有電流限副和電壓斜坡兩種起動模式，用戶可根據(jù)不同負載及具體要求自行設(shè)置選擇；
6）、具有點動運行功能，該功能對用戶試車或一些負載的定位等非常方便；
7）、具有14個外控端子，為用戶實現(xiàn)外部信號控制、遠程控制及系統(tǒng)自動化控制提供方便；
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）、可實現(xiàn)一臺軟起動器依次起動若干臺電機；
11）、可使用于頻繁起停的場合；
12）、具有多種保護功能，如過流、過載、缺相、過熱等，對控制單臺電機時無需另加電機保護電路；
13）、全數(shù)字開放式用戶操作顯示鍵盤，可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、修改、參數(shù)顯示、保護顯示、起動、停機、復位等；
14）、從根本上解決了傳統(tǒng)起動方式起動時產(chǎn)生的電壓、電流突變帶來的不良后果，是傳統(tǒng)降壓起動方式的理想換代產(chǎn)品。
圖1 STR軟起動器控制電機電氣原理圖
3 STRB軟起動器在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臺軟起動器，其中STRB075-3型5臺，STRB090-3型2臺，STRB110-3型5臺，STRB160-3型2臺，STRB187-3型1臺，STRB250-3型1臺，均采用一臺軟起動器拖動一臺電機負載的方案（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，2200×800×800mm（高×寬×深）2臺。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1000mm寬控制柜內(nèi)可以安裝4套軟起控制回路，一臺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臺軟起動器布置示意如圖2。
圖2 PGL軟起動柜及16臺軟起動器回路布置示意（俯視圖）
3.2軟起動柜控制功能
軟起動柜面板配置交流電壓表和交流電流表，顯示每臺軟起動柜的三相電壓及每臺電機的運行電流值。軟起動柜設(shè)有就地（手動）、DCS（自動）操作轉(zhuǎn)換開關(guān)。轉(zhuǎn)換開關(guān)置“就地”位置時，利用軟起動柜面板上的起動、停止按扭控制設(shè)備起停。操作轉(zhuǎn)換開關(guān)置“DCS”位置時，由DCS控制系統(tǒng)自動控制設(shè)備起停。操作轉(zhuǎn)換開關(guān)置“停止”位置時，軟起動柜處于停止狀態(tài)�？刂乒衩姘逶O(shè)有每臺設(shè)備運行、停止、故障指示燈。
3.3軟起動柜接口
軟起動柜留有DCS控制每臺軟起動器控制回路的“起動”“停止”兩對無源開關(guān)接點，留有供DCS監(jiān)視用的每臺軟起動器控制回路“運行”“停止”“故障”三對無源開關(guān)接點，留有供DCS監(jiān)視用的每臺軟起動器設(shè)備的電流信號接口，由電流互感器提供，電流范圍為交流0~5mA，同時該信號還用于軟起動柜面板電流表監(jiān)視。根據(jù)DCS控制要求，軟起動柜內(nèi)提供DCS監(jiān)視每臺柜三相電壓的監(jiān)測接口（三個端子），每二端子電壓值為市電電壓（交流Φ380V）。
全部軟起動設(shè)備帶負載調(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)降壓啟動設(shè)備，電機起動電流小，對電網(wǎng)及機械設(shè)備的沖擊明顯降低，達到了很好軟起、軟停效果，用戶非常滿意。
參考文獻
[1] 周紹莫.電力拖動[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1990年5月第1版.
[2] 西安西普電力電子有限公司.STR系列全數(shù)字式交流電動機軟起動器使用說明書,2005年.
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，鄭州大學講師，主要從事變頻器、軟起動器交流傳動技術(shù)及交流調(diào)速節(jié)能改造工作。
