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                   摘 要：介紹了三相鼠籠型異步電動機常用的幾種啟動方式及其優缺點，著重介紹了施耐德ATS46軟啟動器的特點及在1＃連鑄泵站中的應用。
關鍵詞：軟啟動器；轉矩控制；鼠籠型異步電動機
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
　　作為應用最廣泛的拖動設備，鼠籠型三相異步電動機在直接啟動時會產生較高的啟動轉矩，從而引起電網較大的電壓降、損壞機械設備、還會降低電機的壽命。必須采取措施采用降壓啟動。
2 鼠籠型異步電動機啟動方式比較
　　對于降壓啟動一般有以下幾種常用方式：“Y一△”降壓啟動、自耦降壓啟動、磁控式軟啟動、電子式軟啟動。
　　“Y一△”啟動裝置需6根出線，而且故障率太高。元器件維修費也高，切換時會出現較高的電流轉矩峰值。所以僅適用于空載或低阻性轉矩啟動。自耦降壓啟動其體積大且故障率高，是笨重復雜的設備，啟動時會出現大的電壓降和高電流峰值，存在二次大的沖擊電流，維護工作量大，一般不能頻繁啟動。
　　磁控式軟啟動器利用控磁調壓原理，對電動機進行軟啟動。在啟動過程中電壓無級平滑地從初始值上升到全壓，使電動機在啟動過程中有一個電壓勻速增加的過程。其結構簡單、性能可靠、過載能力強、無二次沖擊電流。但它在啟動時仍存在一次沖擊電流，且不可調，適用負載能力一般。一般不能頻繁啟動，整機體積較大。
　　電子式軟啟動器可以限制啟動期間的壓降，沒有沖擊轉矩和電流，力矩勻速平滑上升，能保護傳動機械、設備和人員，節省能源。啟動電流可視負載輕重調整。這種軟啟動器體積小、故障率與維修費較低，是實際應用中的首選。
　　這種軟啟動器一般都采用大功率晶閘管作為主回路的開關元件，通過控制它的導通角進行智能化控制，它既能保證電動機在負載要求的啟動特性下平滑啟動，又能降低對電網的沖擊。除各種啟動方式外，還有一些可選功能，如軟停車、泵控制、預置慢速、智能制動、準確停車、低速制動等。同時還能實現直接計算機通信控制。
3 軟啟動器工作原理
　　軟啟動器由串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路構成。控制晶閘管組的導通角，調節施加在電機上的電壓，以實現軟啟動和軟停止的功能。其工作原理如圖1。

幾種軟啟動方式比較：
3．1 電壓斜坡啟動
　　電壓斜坡軟啟動器從零開始以線性斜坡增加電機端電壓，直至額定電壓。它是將傳統的有級降壓為無級，啟動時間可調。這種啟動方式缺點是啟動轉矩較小，轉矩特性呈拋物線上升對拖動系統不利，且當電壓斜坡升至額定電壓時，如果電機仍未達到額定轉速，電機將以全電壓提供啟動電流直至達到額定轉速。見圖1、圖 2。

3．2 電流限幅啟動
　　當使用電流限幅啟動時，電機端電壓基本保持為常數，用在輕載啟動的負載。采用純限流技術時，電機加速性能基本上與機電式降壓啟動器一樣。實際應用中，常把電壓斜坡和電流限幅結合在一起使用。當啟動電流小于電流限幅值時，電機電壓為線性斜坡電壓，當電流值達到限幅值時，軟啟動器將調節斜坡電壓，維持電流限幅值。從這兩種啟動方式的特性來看，雖然電壓斜坡或電流限幅技術減小了沖擊電流和力矩，但電機啟動性能仍取決于電機特性，而非實際負載需求。對于重型負載來說，并不能真正減小沖擊電流。

3．3 轉矩控制啟動
　　轉矩控制啟動用在重載啟動 ，它是將電動機的啟動轉矩由小到大線性上升，它的優點是啟動平滑，柔性好，對拖動系統有更好的保護，它的目的是保護拖動系統，延長拖動系統的使用壽命。同時降低電機起動時對電網的沖擊，是最優的重載啟動方式。
4 軟啟動器的選用
4．1 選型：根據負載性質選擇。
4．2 選規格：根據電動機的標稱功率、電流Q負載性質選擇啟動器，一般軟啟動器容量稍大于電動機工作電流即可，還要考慮保護功能是否完備，如過電流保護、過壓保護、單項接地保護、上下口斷相保護、三相不平衡保護、相位顛倒保護等。
5 施耐德A1 tistart46軟啟動器的特點
　　施耐德Ahistart46軟啟動器（17一l200A）啟動時采用施耐德專利技術的轉矩控制。轉矩斜坡上升更快速，損耗更低。具有電動機和軟啟動器綜合熱保護功能，能全時連續檢測電機電流，提供電機最可靠和完整的保護，此保護功能在啟動結束旁路后仍能起作用，這是其他任何軟啟動器都不具備的。
　　施耐德A1 tistart46軟啟動器是一種新型的力矩控制軟啟動裝置，它在保持加速力矩的同時，實時計算定子和轉子的功率。在整個加速周期內連續計算電機功率因數和定子損耗，通過檢測電壓和電流來計算功率因數，并在扣除定子損耗后，得到實際的轉子功率和電機力矩。以往的軟啟動技術需要測速反饋信號來反映電機的實際速度，以獲得線性的速度斜坡。

　　ATS力矩控制的優點主要有：
　　· 線性速度斜坡與電機負載無關
　　· 控制功率因數，減少電流沖擊
　　· 標準力矩斜坡，適用于變負載力矩控制
　　· 恒力矩加速曲線
　　· 通過鍵盤讀取電動機的力矩值，與實際應用配合很方便
　　· 可在力矩負載點施加減速斜坡，獲得最大的線性減速斜坡
　　· 不需要反饋裝置，實現最佳控制。
6 ATS46軟啟動器的應用
　　ATS46軟啟動器在水泵、風機、壓縮機等不需要調速的場合應用比較廣泛。特殊鋼廠1＃連鑄機泵站就首次成功采用了ATS46軟啟動器。l＃連鑄泵站有兩臺220kW凈環泵及兩臺110kW濁環泵，均為一用一備，但不排除兩臺泵同時運行的可能。設計采用了一拖二方式，即一臺軟起帶兩臺水泵，可依次起動兩臺水泵。軟啟動結束后，用旁路接觸器斷開軟啟動器，可避免功率元件長時間工作發熱。當一臺水泵因故障停機時，可自動開啟備用水泵，保證正常供水。

　　由于ATS46系列軟啟動器提供了過電流保護，過電壓保護，單項接地保護，上下口斷相保護，三相不平衡保護，相位顛倒保護等完備的保護措施并且具有故障自診斷功能，通過操作面板上的液晶顯示屏可以顯示功率因數、電動機溫度、負載狀態、電動機電流等參數，還可以顯示運行故障代碼，為故障的排除提供了極大的方便。為實現集中／機旁控制及配合電動閥門的開閉，控制上采用了Momentumn系列PLC，避免了控制回路繁雜的接線，提高了設備運行的可靠性。 2002年4月投入至今，該啟動器運行情況良好。
7 結束語
　　傳統降壓起動方式由于其自身缺點已逐漸被新型電子式軟啟動器替代。在軟啟動器中，又以轉矩控制技術最為先進。ATS系列軟啟動器是一種特殊的力矩控制系統，其主要功率元件與其他軟起并無區別，差別在于控制算法，它改善了交流感應電動機的啟動性能，是其他降壓起動方式無法比擬的。它的使用為今后的智能控制集成打下了良好的基礎。

1 引言 
　　隨著我國經濟的發展,各行各業煤炭的需求量也越來越大,各大型煤炭企業紛紛開辟新的礦井來擴大規模,并且利用各種技術降低生產成本，因此變頻器在煤炭行業的需求也就越來越大。
　　主扇風機是煤礦通風系統中最重要的一部分，它可以說是每一個井下工作人員的呼吸要道，因此它也是煤礦安全生產中最重要的一個環節。長期以來，礦井主扇風機的功率都比較大，而且一天24小時不間斷運行，礦井所需的風量都是通過調節風門擋板或葉片角度來實現，根據反風及開采后期運行工況要求，所設計的通風機及拖動的電動機的功率，通常遠大于煤礦正常生產所需的運行功率。風機設計上余量特別大，在相當長的時間風機一直處在較輕負載下運行，因此，煤礦通風系統中存在著極為嚴重的大馬拉小車現象，能源浪費非常突出。

2 現場簡介 
　　崔莊煤礦位于山東省濟寧市微山縣，其主扇風機擔負著整個礦井的通風任務，要求安全穩定性極高，因為風機一旦停機，短時間內就將造成全礦無法正常生產，控制方式采用調節風門開度的大小來調整風量，這樣，不論生產的需求大小，風機都要全速運轉，而運行工況的變化則使得能量以風門節流損失消耗掉了。不僅控制精度受到限制，而且還造成大量的能源浪費和設備損耗，從而導致生產成本增加，設備使用壽命縮短，設備維護、維修費用高居不下，針對這種情況，礦領導經過論證，最后決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37系列的高壓變頻調速器，現場設備如圖1所示：

圖1 現場設備圖

3 風光高壓變頻器的突出特點
（1）采用高速DSP（TMS320F2812）作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。系統升級更方便。
（2）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
（3）瞬間掉電再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三秒鐘內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
（4）線電壓自動均衡技術（采用中性點漂移技術）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
（5）單元內電解電容因采取了公司專利技術（專利號ZL 2003 2 0107356.2 ），可以將其使用壽命提高一倍；高壓提升機產品采用了更長壽命的電力電容。
（6）運行過程中外部頻率給定信號出現故障（短路或開路），整機維持故障前的運行頻率不變，并能給出報警信號。
（7）單元串聯多重化結構，模塊化設計。這樣IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（8）具有雙路AC控制電源，一路為干式變壓器變壓以后的AC電源，一路為外部控制電源，這樣在調試過程中，無需加入高壓主電，就可以檢測輸出波形的正常與否。對于在現場安裝調試以及人員培訓很方便，同時也大大提高了培訓和運行的安全性。

4 現場技術參數
　　電動機參數如下表1所示：
表1：

風機類型：軸流風機。
    設備布置采用抽出式通風方式，配備反風道反風，扇風機與電動機設于主機房內，主機房為雙層工業廠房，風道為半地下式。吸風側設兩個立閘門，兩個水平反風門，擴散器側兩個水平反風門，每個風門各用一臺風門絞車進行操縱，風門絞車采用就地操作。
    傳動方式：直接傳動。
    調節方式：手動操作風門絞車控制立閘門 （改變管路阻力特性曲線）。

5 變頻改造前存在的問題
    （1）原工礦使用的為轉子串電阻啟動方式，啟動不穩定，造成了大的機械沖擊，導致電機壽命大大降低；
    （2）轉子串電阻啟動時，控制系統復雜，故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機電刷容易損壞，維護工作量大；
    （3）啟動時電流過大，對電網沖擊很大，影響電網的穩定性；
    （4）主扇風機設計上余量大，主扇風機一直處在較輕負載下運行，由于采用檔板調節，因此造成能源浪費，增加了生產成本；
    （5）自動化程度低，影響整體系統安全性。

6 變頻控制方案
　　為了滿足安全生產，選用一套6KV變頻調速器，通過切換，可以在變頻器故障狀態下，切換到工頻狀態運行，其主回路如下圖2所示：

圖2 主回路圖

　　QS1、QS2、QS3為三臺高壓隔離閘刀，QS1、QS3處于變頻運行回路上，KM1、KM2為變頻上電瞬間實現限流電阻切換時所用，K10為用戶工、變頻轉換改造時加的一個轉換開關。變頻運行時，QS1、QS3閉合， QS2斷開，K10打到變頻位置；變頻上電后，通過內部程序KM2會自動吸合將限流電阻引入主回路以消除大電流沖擊，上電3S后，KM1吸合，KM2斷開變頻可以投入運行。工頻運行時，QS1、QS3斷開，QS2閉合，K10打到工頻位置，實現原來的串電阻啟動方式。
　　這是高壓變頻器工變頻手動切換的典型應用，QS1、QS2、QS3不能同時閉合，這三個閘刀在機械和電氣上都實現了互鎖。
　　另外，為了安全，變頻故障信號和上一級的高壓開關柜也實現互鎖，實現高壓故障連跳功能。
　　風光高壓變頻器采用功率單元串聯多電平結構，由控制柜、變壓器柜、單元柜和開關柜組成。
　　每個功率單元結構上完全一致，可以互換，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，其電路結構見下圖3所示， 

圖3 功率單元主回路

　　高質量電源輸入：輸入側隔離變壓器二次線圈經過移相，為功率單元提供電源對于6KV而言相當于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網側諧波（尤其是低次諧波）的產生。變頻器引起的電網諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE 519-1992和 GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》對諧波含量最嚴格要求，無需安裝輸入濾波器并保護周邊設備免受諧波干擾。正常調速范圍內功率因數大于 0.96。無需功率因數補償電容，減少無功輸入，降低供電容量。
　　完美的輸出性能：單元脈寬調制疊波輸出， 6KV系列每相5個單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形幾近完美的正弦波，其輸出波形如下圖4所示：

圖4 變頻器輸出波形

7 現場應用情況
　　崔莊礦選用型號JD-BP37-400F風光變頻器，于2008年10月20日開始安裝調試，2008年10月25日一次性投運成功。變頻運行后，風門全部打開，運行頻率43Hz，運行電流24A，負壓1700Pa,不僅完全滿足煤礦生產工藝要求,而且用戶操作非常方便。變頻器運行非常穩定。

8 節能計算
      按工頻和變頻運行實際電流計算，計算數據取2008年技術測定：
    工頻運行時，風門開度為2m左右，運行電流在43A。
    工頻運行時功率和一天耗電量：
    P1= 1.732×6×43×0.77=344.08KW   
    N1=344.08×24=8257.90KW?h。
    變頻器運行時，風門全開，運行電流在24A，由變頻器調節風機速度來滿足風量要求。
    變頻運行時功率和一天耗電量：
    P2=1.732×6×24×0.958=238.93KW   
    N2=238.93×24=5734.32KW?h。
    節電率：
    （N1-N2）/N1=（8257.90-5734.32）/8257.90=30%。
    節約電費計算：
    以該礦電價0.6元/ KW?h計算，工頻24小時耗電費： 
    8257.90×0.6=4954.74元。
    變頻24小時耗電費：
    5734.32×0.6=3440.59元。
    變頻改造后，日節約電費：
   4954.74-3440.59=1514.15元。
    一年以300天為標準計算，年節約電費：
    1514.15×300=454244.4元。

9 其他效益
  （1）實現電機軟啟動，減小啟動沖擊，降低維護費用，延長設備使用壽命；
  （2）系統安全、可靠，具有變頻故障轉工頻功能，確保風機連續運行；
  （3）控制方便、靈活，自動化水平高；
  （4）輸入諧波含量小，不對電網造成污染；輸出諧波含量低，適合所有改造項目的普通異步電動機；
  （5）界面全為純中文操作，非常符合國人特點；
  （6） 安全保護功能齊全，除了過壓、過熱、過載、短路等自身保護功能外，還設有外圍連鎖保護系統，提高了系統的安全穩定性；  
  （7）采集各臺扇風機運行的工藝參數、電器參數、電氣設備運行的狀況。
       主扇風機可由PLC進行控制，嚴格按控制程序進行控制，并對扇風機正常切換和故障切換進行控制和操作指導，且在控制柜實現硬件閉鎖控制。
       在控制站顯示扇風系統工藝參數表、電氣參數、設備運行狀態（工作、停止、故障）以及報警參數表等。
       自動建立數據庫，對于重要的工藝參數、電氣參數自動生成趨勢曲線。
       當運行風機發生故障時，利用運行記錄的曲線對故障進行分析和處理。
       在條件具備時，可實現遠控，達到“無人值守”。

10 結束語
    崔莊煤礦主扇風機經過變頻改造之后,不僅達到了良好的節能效果,并且使整套通風系統的穩定性提高了一個大臺階。隨著國家對節能減排工作的越來越重視，煤礦企業通過各種措施降低生產成本，其中變頻技術起到了關鍵作用，取得了明顯的經濟效益和社會效益，適應了國家建設資源節約型社會的潮流。

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