电动机的软启动技术及在煤矿的应用

张贞一

（1.中北大学，山西 太原 030051；2.山西工程职业技术学院，山西 太原 030009）

电动机的软启动技术及在煤矿的应用

张贞一1，2

（1.中北大学，山西 太原 030051；2.山西工程职业技术学院，山西 太原 030009）

介绍了软启动器的原理和特点，对软启动器的性能做了阐述。分析了在煤矿电气中的应用，提出了软启动器选用的一般原则。

软启动器；煤矿电气；选用原则

电动机全压起动是最简单、最经济、最可靠的起动方式，但其直接起动的电流通常约为额定电流的5～7倍。当电动机功率较大时，直接起动的浪涌电流会对电网造成很大的冲击，影响同一电网中其他负载的工作；同时过大的起动电流还会对电动机的供电设备产生影响，加速设备绝缘的老化，引发供电事故。因此考虑到电网及变电所供配电设备的限制，大多数的大功率电动机都采取降压起动以限制起动电流。

传统的降压起动方式有：Y-△换接起动、串电阻（电抗）器起动、自耦补偿器起动、延边三角形起动等；其中自耦补偿器起动一直是容量较大的鼠笼电动机普遍采用的起动方式。但是这种方法不适宜频繁起动的场合，且设备体积大，价格高，维护量也大。国家有关部门对电动机起动早有明确规定，即电动机起动时的电网电压降不能超过15%。以上的几种降压起动方式虽然电压降有所减小，但其起动电压均为跳跃式加入，起动电流也会对电网及供配电设备造成一定的冲击，对电动机及负载都会带来一定的损害，影响它们的使用寿命。

从二十世纪八十年代开始，国内有不少研究机构开发研制了软起动技术，这种技术的出现较好地解决了上述的一些问题，随着软起动技术的逐步推广使用出现了各种软启动器。

1 软启动器

1.1 软启动器的原理

软启动器是一种新的电动机控制装置，它可以实现电动机的软起动、软停车，还可以实现轻载节能及多种保护功能，国外称之为Soft Starter。它的基本结构是串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。通过参数设定，CPU控制晶闸管的导通角，从而控制软起动器的输出电压和电流，使被控电动机的输入电压按不同的要求而发生变化，从而实现不同的功能。

1.2 软启动器的分类

软启动器分为四类：固态晶闸管软启动器、液态软启动器（俗名叫液阻柜、水阻柜）、磁控软启动器和变频调速启动器。

1.3 软启动器与变频器的区别

软启动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器的输出不仅改变电压而且同时改变频率，往往用在需要调速的地方；软启动器实际上只是个调压器，输出只能改变电压而不能改变频率，只用在电动机起动时。变频器具备了软起启动器的所有功能，但它的价格也比软启动器贵得多，结构也复杂得多。

2 软启动器的性能

2.1 软起动

在电动机的起动过程中，通过软启动器的电子控制电路对晶闸管的导通角进行控制，使电动机的输入电压从零以设定的函数关系逐渐上升，直至起动过程结束，给电动机加以全电压，即为软起动。在软起动过程中，电动机的起动电流和起动方式均可按照要求任意进行选择与调整，使电动机始终处于最佳的起动过程，起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加，同时减少起动过程中的功率损耗。

交流电动机的软起动主要有以下几种方式：

（1）斜坡电压软起动。这种软起动方式是最简单的。早期的软启动器多数以起动电压为控制对象进行控制，整个起动过程中仅控制晶闸管的导通角，使电压与时间成一定的函数关系增加，而不具备电流闭环的控制。其缺点是，在电动机的起动过程中，电流不加限制，有时会产生较大的冲击性电流，不仅损坏晶闸管，而且对电网也有较大的影响，因此实际已很少应用。

（2）斜坡恒流软起动。在电动机的起动初期使电流以一定速率平稳增加，当起动电流达到设定值后保持恒定直至起动过程结束。起动电流的上升变化率和恒流值都是可以任意设定的，一般根据负载情况与生产要求来设定。这种软起动方式实际中应用最多，尤其适用于风机类、泵类负载的起动。

（3）恒流软起动。开机后以最短时间使起动电流迅速达到设定值并保持恒定，直至起动过程结束，即在整个起动过程中限定起动电流。电流的限定值通常在电动机额定电流的1.5倍～4.5倍之间选择。通过改变限定值的大小，可以控制电动机的起动时间。这种方式一般适用于惯性大的负载快速起动。

（4）脉冲恒流起动。起动开始有一个较大的冲击电流，以产生较大的冲击转矩去克服负载较大的阻转矩，使设备能够起动；然后进入恒流起动阶段，直至起动过程结束。冲击电流的大小和维持时间是可以任意设定的。这种起动方式适用于重载起动的场合，如皮带输送机。

2.2 软停车

在高层建筑的供水系统中，电动机的瞬间停车将会产生巨大的“水锤”效应，使管道及水泵遭到破坏。因此拖动水泵类负载的电动机在停车时，常常通过电子控制电路使晶闸管经过0～120 s的延时从全导通状态逐渐过渡到全关闭状态，从而实现电动机的安全停车。

2.3 轻载节能

电动机在空载或轻载运行时功率因数和效率都比较低，但软启动器可解决上述问题。过监测电动机负载的变化，使软启动器根据变化来改变晶闸管的导通角，这样电动机的工作电压在空载或轻载时会自动降低，从而减少损耗，提高功率因数，达到轻载节能的目的。

2.4 故障检测及保护

软起动器引入电流闭环系统后，可以通过检测电动机电流的变化，对过载、缺相等故障发出报警，并作出相应保护，从而大大提高了电动机工作的可靠性。

3 软启动器在煤矿应用举例

软启动器工作安全、可靠，体积小、价格低、免维护，给用户带来很大的方便，在煤矿的应用也日益广泛。

3.1 带式输送机

带式输送机担负着煤矿原煤运输的主要任务，工作时间长，工作负荷大。采用传统的直接启动方式，往往由于运送距离长、启动电流大，经常造成供电网电压降低，引起磁力启动器及上级配电开关跳闸，导致重载起动失败，磁力启动器烧毁；同时电机起动时的冲击载荷引起皮带张力剧增严重降低了输送皮带的使用寿命，严重时甚至拉断皮带，而皮带价值约占带式输送机总价值的四分之三。带式输送机的减速器、液力偶合器、滚筒、接头等也会不同程度出现损坏，维修量较大，事故率较高，影响煤矿的正常生产。

为了适应高产高效集约化生产的需要，煤炭行业广泛使用的带式输送机正朝着长距离、高带速、大运量、大功率的方向发展。新型带式输送机的大型化要求与之配套的电机功率增大，对输送皮带的保护、延长其使用寿命提出了更高要求。采用电机软启动器，可降低了电机的起动电流，起动过程平稳可靠，实现近似恒流起动，使有效起动转距增加到3倍～4倍，运输能力和安全性能得以较大提高；同时降低了机械冲击，皮带机受力状况可得到了明显的改善，事故率大大降低。电机软启动器还可对电机实现全过程保护。

3.2 通风机

煤矿因生产的特殊性，巷道的通风系统在煤矿的安全生产中起着至关重要的作用。矿井巷道的通风是否顺畅，风量的足否都直接的关系到矿山的安全生产。而随着开采及掘进的不断延伸，巷道延长，所需的风量也将不断增加，风机的功率也将加大。四季的交替，冷热的变化，所需的风量也需不断调节；传统的调节系统，是根据风量所需的多少，靠调节风门来实现的，不但浪费电能，调节起来也不方便。原电控系统一般采用直接或降压起动，对大功率电机（一般在55 kW以上）来说，起动时间长，起动电流大，对电网也造成较大的冲击，甚至引起供电系统跳闸。而且对电机的各种保护也不齐全，很容易烧毁电机。

风机可以借助于软启动器或者变频器完成其起动过程。目前由于变频器价格比较高，所以软启动器就发挥了它的优点。软启动器不但能实现平稳起动，而且调节风量时节能效果也显著，同时还集成了很多保护功能，比如缺相、过流、短路、三相电流不平衡等保护功能。这不仅大大提高了矿井生产的安全性，降低了生产成本，提高了自动化程度，而且节省了资金方便工人使用。

3.3 水泵

井下排水也是煤矿生产中的主要工作之一，它承担排出井下全部涌水的重要任务，是保障煤矿安全生产的关键设备。排水系统是煤矿生产中的耗电大户，占全部生产用电的13%～18%。因此有效地控制排水系统，使其高效低耗、经济可靠地运行对煤矿安全生产意义重大。近年来，随着煤矿开采深度的增加，许多煤矿需要进行改扩建，井下用电负荷量成倍增长，但由于已经形成地面供电系统容量小，往往难以满足像高压排水泵等井下大功率（1000kW以上）高压电机的起动要求。

采用软启动器控制高压排水泵有明显的技术优势，在排水泵运行过程中使用软启动器，具有起动电流小、起动速度平稳、起动性能可靠、对电网冲击小等优点，同时它还具有软停机、低速制动、轻载节能及多种保护功能，为矿井排水系统的安全可靠性运行提供了保障。

4 软启动器的选择

在不需要调速的各种应用场合一般鼠笼异步电动机都是可以适用的。各种泵类负载或风机类负载经常需要软起动与软停车，采用软启动器非常适合。如果负载经常变化，电动机可能长期处于轻载运行，采用软启动器也可以收到较好的节能效果。

在选用软启动器时应主要考虑以下因素：

国内生产软启动器的厂家比较多，技术水平参差不齐，产品也各式各样，但多数为地面使用的低电压软启动器，在选购时应注意。虽然在价格上国内产品要比国外品牌产品低一些，但在技术上和可靠性上与国外同类产品还有一定差距。近年来随着技术的相互渗透，国内外软起启器产品的差距也在不断减小，市场份额已经超过了国外品牌。

应根据负载的不同来选择不同类型的软启动器，同时还要考虑设备现场的电网容量、设备启动负荷大小、启动频繁程度等具体条件。对于水泵类起动负荷较轻的设备，可选用功能简单、操作方便软启动器。按电动机的额定功率，选用相同容量的软启动器就可以了。对于煤矿用的大功率设备（200 kW以上），如大型风机、破碎机、长距离输送机等，启动负荷比较重，建议选用具有限流功能、突跳加斜坡电压功能的软启动器或是转矩控制型的软启动器。软启动器容量的选择要稍大于电动机的额定功率。此外，还应注意选择能够满足煤矿防爆要求的软启动器产品。

除上述两点外，还应考虑软启动器的保护功能是否完备，例如是否有缺相保护、短路保护、过载保护、逆相序保护、过压保护、欠压保护等等。煤矿使用的晶闸管软启动器不允许长期在额定负载下运行，因此在起动过程完毕后要利用旁路接触器把它短接，切除后要注意电动机运行回路是否具有过载保护功能。另外可选用带有微机接口功能的软启动器，通过计算机联网，对软启动器进行远程控制和监视。

软启动器的散热也要适当考虑。软启动器的冷却方式分为机械风冷与自然风冷两种。机械风冷需要冷却风机，有的是通电常转的，有的靠温度控制器来控制其运行的。煤矿使用的晶闸管软启动器一般采用自然风冷方式。

软启动器大多带正常运行和故障信号辅助触点，供工程设计选用。在实际应用过程中，若工艺条件许可，一台软启动器还可用于多台电动机的起动，大大节省投资费用，软启动器容量则按其中最大电动机的容量进行选择。

5 结束语

随着电动机软启动技术和电力电子器件的不断发展，出现了各种不同的电动机软起动方式，例如磁控软起动、SCR软起动和液阻软起动等等，其中SCR软起动的应用最为广泛。现在人们为了控制方便，往往将软启动器、开关、控制电路以及计量设备等设计在一个整体安装的柜体中，构成电动机控制中心（Motor Control Center），简称 MCC，以实现对电动机的各种控制及故障的监测和报警。软启动器可以和可编程控制器(PLC)组合，使电动机的控制更加方便、可靠和灵活，实现控制的数字化；还可以和计算机网络技术相结合，使电动机的控制智能化和网络化。随着煤矿各种监测监控系统的逐步建立，煤矿企业的自动化水平不断提高，人们现在可以在中央控制室里检测和控制井下的风机、水泵等设备。一旦出现状况人们可立即通过工业以太网了解或预测即将发生的事情并及时发出干预，这样一来就大大降低了井下的事故发生率。这是煤炭界和社会各界都希望看到的局面，也是我们努力的方向。

［1］李艳丽.隔爆高压电软启动器在煤矿井下的应用[J].西北煤炭,2008，03.

［2］许军.软起动器在煤矿的应用[J].陕西煤炭,2008，04.

Abstract:The paper introduces the principles and features of soft-starter and its performance.The soft-starter's application in mine electric system is analyzed and its general selection principle is proposed.

Keywords:soft-starter;mine electric system;selection principle

编辑：徐树文

Motor Soft-starting Technology and its Application in Mines

ZHANG Zhen-yi1,2
（1.North University of China,Taiyuan 030051；2.Shanxi Vocational and Technical College of Engineering,Taiyuan 030009,China）

TD679

A

1672-5050（2010）08-0066-04

2010-06-29

张贞一（1965—），女，河北石家庄人，在读工程硕士，副教授，从事电器（气）自动化研究及教学工作。