摘 要：介绍了三相鼠笼型异步电动机常用的几种启动方式及其优缺点，着重介绍了施耐德ATS46软启动器的特点及在1＃连铸泵站中的应用。
关键词：软启动器；转矩控制；鼠笼型异步电动机
Abstract：This paper introduces the usual several starting modes for the three —phase squirrel—cage asynch— onous motor and their adavantages and shortages，emphatically introduces the characteristics of Shinade ATS softstarting and its application in the No．1 continous casting lines pumping station．
Key Words：soft starting，torque controlling，squirrel—cage asynchronous motor
1 前言
　　作为应用最广泛的拖动设备，鼠笼型三相异步电动机在直接启动时会产生较高的启动转矩，从而引起电网较大的电压降、损坏机械设备、还会降低电机的寿命。必须采取措施采用降压启动。
2 鼠笼型异步电动机启动方式比较
　　对于降压启动一般有以下几种常用方式：“Y一△”降压启动、自耦降压启动、磁控式软启动、电子式软启动。
　　“Y一△”启动装置需6根出线，而且故障率太高。元器件维修费也高，切换时会出现较高的电流转矩峰值。所以仅适用于空载或低阻性转矩启动。自耦降压启动其体积大且故障率高，是笨重复杂的设备，启动时会出现大的电压降和高电流峰值，存在二次大的冲击电流，维护工作量大，一般不能频繁启动。
　　磁控式软启动器利用控磁调压原理，对电动机进行软启动。在启动过程中电压无级平滑地从初始值上升到全压，使电动机在启动过程中有一个电压匀速增加的过程。其结构简单、性能可靠、过载能力强、无二次冲击电流。但它在启动时仍存在一次冲击电流，且不可调，适用负载能力一般。一般不能频繁启动，整机体积较大。
　　电子式软启动器可以限制启动期间的压降，没有冲击转矩和电流，力矩匀速平滑上升，能保护传动机械、设备和人员，节省能源。启动电流可视负载轻重调整。这种软启动器体积小、故障率与维修费较低，是实际应用中的首选。
　　这种软启动器一般都采用大功率晶闸管作为主回路的开关元件，通过控制它的导通角进行智能化控制，它既能保证电动机在负载要求的启动特性下平滑启动，又能降低对电网的冲击。除各种启动方式外，还有一些可选功能，如软停车、泵控制、预置慢速、智能制动、准确停车、低速制动等。同时还能实现直接计算机通信控制。
3 软启动器工作原理
　　软启动器由串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路构成。控制晶闸管组的导通角，调节施加在电机上的电压，以实现软启动和软停止的功能。其工作原理如图1。

几种软启动方式比较：
3．1 电压斜坡启动
　　电压斜坡软启动器从零开始以线性斜坡增加电机端电压，直至额定电压。它是将传统的有级降压为无级，启动时间可调。这种启动方式缺点是启动转矩较小，转矩特性呈抛物线上升对拖动系统不利，且当电压斜坡升至额定电压时，如果电机仍未达到额定转速，电机将以全电压提供启动电流直至达到额定转速。见图1、图 2。

3．2 电流限幅启动
　　当使用电流限幅启动时，电机端电压基本保持为常数，用在轻载启动的负载。采用纯限流技术时，电机加速性能基本上与机电式降压启动器一样。实际应用中，常把电压斜坡和电流限幅结合在一起使用。当启动电流小于电流限幅值时，电机电压为线性斜坡电压，当电流值达到限幅值时，软启动器将调节斜坡电压，维持电流限幅值。从这两种启动方式的特性来看，虽然电压斜坡或电流限幅技术减小了冲击电流和力矩，但电机启动性能仍取决于电机特性，而非实际负载需求。对于重型负载来说，并不能真正减小冲击电流。

3．3 转矩控制启动
　　转矩控制启动用在重载启动 ，它是将电动机的启动转矩由小到大线性上升，它的优点是启动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，它的目的是保护拖动系统，延长拖动系统的使用寿命。同时降低电机起动时对电网的冲击，是最优的重载启动方式。
4 软启动器的选用
4．1 选型：根据负载性质选择。
4．2 选规格：根据电动机的标称功率、电流Q负载性质选择启动器，一般软启动器容量稍大于电动机工作电流即可，还要考虑保护功能是否完备，如过电流保护、过压保护、单项接地保护、上下口断相保护、三相不平衡保护、相位颠倒保护等。
5 施耐德A1 tistart46软启动器的特点
　　施耐德Ahistart46软启动器（17一l200A）启动时采用施耐德专利技术的转矩控制。转矩斜坡上升更快速，损耗更低。具有电动机和软启动器综合热保护功能，能全时连续检测电机电流，提供电机最可靠和完整的保护，此保护功能在启动结束旁路后仍能起作用，这是其他任何软启动器都不具备的。
　　施耐德A1 tistart46软启动器是一种新型的力矩控制软启动装置，它在保持加速力矩的同时，实时计算定子和转子的功率。在整个加速周期内连续计算电机功率因数和定子损耗，通过检测电压和电流来计算功率因数，并在扣除定子损耗后，得到实际的转子功率和电机力矩。以往的软启动技术需要测速反馈信号来反映电机的实际速度，以获得线性的速度斜坡。

　　ATS力矩控制的优点主要有：
　　· 线性速度斜坡与电机负载无关
　　· 控制功率因数，减少电流冲击
　　· 标准力矩斜坡，适用于变负载力矩控制
　　· 恒力矩加速曲线
　　· 通过键盘读取电动机的力矩值，与实际应用配合很方便
　　· 可在力矩负载点施加减速斜坡，获得最大的线性减速斜坡
　　· 不需要反馈装置，实现最佳控制。
6 ATS46软启动器的应用
　　ATS46软启动器在水泵、风机、压缩机等不需要调速的场合应用比较广泛。特殊钢厂1＃连铸机泵站就首次成功采用了ATS46软启动器。l＃连铸泵站有两台220kW净环泵及两台110kW浊环泵，均为一用一备，但不排除两台泵同时运行的可能。设计采用了一拖二方式，即一台软起带两台水泵，可依次起动两台水泵。软启动结束后，用旁路接触器断开软启动器，可避免功率元件长时间工作发热。当一台水泵因故障停机时，可自动开启备用水泵，保证正常供水。

　　由于ATS46系列软启动器提供了过电流保护，过电压保护，单项接地保护，上下口断相保护，三相不平衡保护，相位颠倒保护等完备的保护措施并且具有故障自诊断功能，通过操作面板上的液晶显示屏可以显示功率因数、电动机温度、负载状态、电动机电流等参数，还可以显示运行故障代码，为故障的排除提供了极大的方便。为实现集中／机旁控制及配合电动阀门的开闭，控制上采用了Momentumn系列PLC，避免了控制回路繁杂的接线，提高了设备运行的可靠性。 2002年4月投入至今，该启动器运行情况良好。
7 结束语
　　传统降压起动方式由于其自身缺点已逐渐被新型电子式软启动器替代。在软启动器中，又以转矩控制技术最为先进。ATS系列软启动器是一种特殊的力矩控制系统，其主要功率元件与其他软起并无区别，差别在于控制算法，它改善了交流感应电动机的启动性能，是其他降压起动方式无法比拟的。它的使用为今后的智能控制集成打下了良好的基础。

1 引言 
　　随着我国经济的发展,各行各业煤炭的需求量也越来越大,各大型煤炭企业纷纷开辟新的矿井来扩大规模,并且利用各种技术降低生产成本，因此变频器在煤炭行业的需求也就越来越大。
　　主扇风机是煤矿通风系统中最重要的一部分，它可以说是每一个井下工作人员的呼吸要道，因此它也是煤矿安全生产中最重要的一个环节。长期以来，矿井主扇风机的功率都比较大，而且一天24小时不间断运行，矿井所需的风量都是通过调节风门挡板或叶片角度来实现，根据反风及开采后期运行工况要求，所设计的通风机及拖动的电动机的功率，通常远大于煤矿正常生产所需的运行功率。风机设计上余量特别大，在相当长的时间风机一直处在较轻负载下运行，因此，煤矿通风系统中存在着极为严重的大马拉小车现象，能源浪费非常突出。

2 现场简介 
　　崔庄煤矿位于山东省济宁市微山县，其主扇风机担负着整个矿井的通风任务，要求安全稳定性极高，因为风机一旦停机，短时间内就将造成全矿无法正常生产，控制方式采用调节风门开度的大小来调整风量，这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门节流损失消耗掉了。不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗，从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下，针对这种情况，矿领导经过论证，最后决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37系列的高压变频调速器，现场设备如图1所示：

图1 现场设备图

3 风光高压变频器的突出特点
（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作为中央处理器，运算速度更快，让控制更精准。系统升级更方便。
（2）飞车启动功能：能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
（3）瞬间掉电再启动功能：运行过程中高压瞬时掉电三秒钟内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
（4）线电压自动均衡技术（采用中性点漂移技术）：变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
（5）单元内电解电容因采取了公司专利技术（专利号ZL 2003 2 0107356.2 ），可以将其使用寿命提高一倍；高压提升机产品采用了更长寿命的电力电容。
（6）运行过程中外部频率给定信号出现故障（短路或开路），整机维持故障前的运行频率不变，并能给出报警信号。
（7）单元串联多重化结构，模块化设计。这样IGBT承受电压较低，可以有较宽的过压范围（≥1.15Ue），设备可靠性更高。
（8）具有双路AC控制电源，一路为干式变压器变压以后的AC电源，一路为外部控制电源，这样在调试过程中，无需加入高压主电，就可以检测输出波形的正常与否。对于在现场安装调试以及人员培训很方便，同时也大大提高了培训和运行的安全性。

4 现场技术参数
　　电动机参数如下表1所示：
表1：

风机类型：轴流风机。
    设备布置采用抽出式通风方式，配备反风道反风，扇风机与电动机设于主机房内，主机房为双层工业厂房，风道为半地下式。吸风侧设两个立闸门，两个水平反风门，扩散器侧两个水平反风门，每个风门各用一台风门绞车进行操纵，风门绞车采用就地操作。
    传动方式：直接传动。
    调节方式：手动操作风门绞车控制立闸门 （改变管路阻力特性曲线）。

5 变频改造前存在的问题
    （1）原工矿使用的为转子串电阻启动方式，启动不稳定，造成了大的机械冲击，导致电机寿命大大降低；
    （2）转子串电阻启动时，控制系统复杂，故障率高，接触器、电阻器、绕线电机电刷容易损坏，维护工作量大；
    （3）启动时电流过大，对电网冲击很大，影响电网的稳定性；
    （4）主扇风机设计上余量大，主扇风机一直处在较轻负载下运行，由于采用档板调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本；
    （5）自动化程度低，影响整体系统安全性。

6 变频控制方案
　　为了满足安全生产，选用一套6KV变频调速器，通过切换，可以在变频器故障状态下，切换到工频状态运行，其主回路如下图2所示：

图2 主回路图

　　QS1、QS2、QS3为三台高压隔离闸刀，QS1、QS3处于变频运行回路上，KM1、KM2为变频上电瞬间实现限流电阻切换时所用，K10为用户工、变频转换改造时加的一个转换开关。变频运行时，QS1、QS3闭合， QS2断开，K10打到变频位置；变频上电后，通过内部程序KM2会自动吸合将限流电阻引入主回路以消除大电流冲击，上电3S后，KM1吸合，KM2断开变频可以投入运行。工频运行时，QS1、QS3断开，QS2闭合，K10打到工频位置，实现原来的串电阻启动方式。
　　这是高压变频器工变频手动切换的典型应用，QS1、QS2、QS3不能同时闭合，这三个闸刀在机械和电气上都实现了互锁。
　　另外，为了安全，变频故障信号和上一级的高压开关柜也实现互锁，实现高压故障连跳功能。
　　风光高压变频器采用功率单元串联多电平结构，由控制柜、变压器柜、单元柜和开关柜组成。
　　每个功率单元结构上完全一致，可以互换，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，其电路结构见下图3所示， 

图3 功率单元主回路

　　高质量电源输入：输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源对于6KV而言相当于30脉冲不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEE 519-1992和 GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》对谐波含量最严格要求，无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于 0.96。无需功率因数补偿电容，减少无功输入，降低供电容量。
　　完美的输出性能：单元脉宽调制叠波输出， 6KV系列每相5个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，其输出波形如下图4所示：

图4 变频器输出波形

7 现场应用情况
　　崔庄矿选用型号JD-BP37-400F风光变频器，于2008年10月20日开始安装调试，2008年10月25日一次性投运成功。变频运行后，风门全部打开，运行频率43Hz，运行电流24A，负压1700Pa,不仅完全满足煤矿生产工艺要求,而且用户操作非常方便。变频器运行非常稳定。

8 节能计算
      按工频和变频运行实际电流计算，计算数据取2008年技术测定：
    工频运行时，风门开度为2m左右，运行电流在43A。
    工频运行时功率和一天耗电量：
    P1= 1.732×6×43×0.77=344.08KW   
    N1=344.08×24=8257.90KW?h。
    变频器运行时，风门全开，运行电流在24A，由变频器调节风机速度来满足风量要求。
    变频运行时功率和一天耗电量：
    P2=1.732×6×24×0.958=238.93KW   
    N2=238.93×24=5734.32KW?h。
    节电率：
    （N1-N2）/N1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。
    节约电费计算：
    以该矿电价0.6元/ KW?h计算，工频24小时耗电费： 
    8257.90×0.6=4954.74元。
    变频24小时耗电费：
    5734.32×0.6=3440.59元。
    变频改造后，日节约电费：
   4954.74-3440.59=1514.15元。
    一年以300天为标准计算，年节约电费：
    1514.15×300=454244.4元。

9 其他效益
  （1）实现电机软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命；
  （2）系统安全、可靠，具有变频故障转工频功能，确保风机连续运行；
  （3）控制方便、灵活，自动化水平高；
  （4）输入谐波含量小，不对电网造成污染；输出谐波含量低，适合所有改造项目的普通异步电动机；
  （5）界面全为纯中文操作，非常符合国人特点；
  （6） 安全保护功能齐全，除了过压、过热、过载、短路等自身保护功能外，还设有外围连锁保护系统，提高了系统的安全稳定性；  
  （7）采集各台扇风机运行的工艺参数、电器参数、电气设备运行的状况。
       主扇风机可由PLC进行控制，严格按控制程序进行控制，并对扇风机正常切换和故障切换进行控制和操作指导，且在控制柜实现硬件闭锁控制。
       在控制站显示扇风系统工艺参数表、电气参数、设备运行状态（工作、停止、故障）以及报警参数表等。
       自动建立数据库，对于重要的工艺参数、电气参数自动生成趋势曲线。
       当运行风机发生故障时，利用运行记录的曲线对故障进行分析和处理。
       在条件具备时，可实现远控，达到“无人值守”。

10 结束语
    崔庄煤矿主扇风机经过变频改造之后,不仅达到了良好的节能效果,并且使整套通风系统的稳定性提高了一个大台阶。随着国家对节能减排工作的越来越重视，煤矿企业通过各种措施降低生产成本，其中变频技术起到了关键作用，取得了明显的经济效益和社会效益，适应了国家建设资源节约型社会的潮流。

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