浅谈软启动器在高速公路隧道风机中的应用

2017-03-27陈捷统

福建交通科技 2017年1期

关键词：晶闸管电动机风机

■陈捷统

（福建畅祥公路工程有限公司，三明365001）

浅谈软启动器在高速公路隧道风机中的应用

■陈捷统

（福建畅祥公路工程有限公司，三明365001）

随着科学技术的飞速发展，智能控制系统得到了广泛的应用。软启动器在高速公路隧道风机中的应用已是必不可少。本文主要结合A BB软启动器在福建高速公路隧道风机控制系统工程实例，通过对一次电路图和二次回路原理图介绍，并结合A BB软启动器的性能来实现对隧道风机设备的有效控制，从而分析软启动器在控制系统中应用的原理、特点及存在的问题和解决思路。使得相关人员能全面、深入的了解A BB-P S T 85/600型软启动器的使用方法。

高速公路软启动器控制应用

1 前言

近年来，高速公路飞速发展。自1997年12月15日福建省第一条高速公路---泉厦高速公路诞生开始，至2015年底通车里程突破5000km。高速公路横穿于福建八闽大地高山峻岭中，大量风机安装在隧道中。仅三明境内高速公路隧道就安装功率37kW风机756台（1台风机配1台软启动器），倘若把高速公路比喻成一个朝气蓬勃的年轻人的话，那么高速公路隧道风机就是保障它正常运转的肝脏。只有隧道风机正常运转才能将隧道内尾气、粉尘或一旦发生火灾产生的烟雾等污浊空气及时排出洞外，实现隧道内新鲜洁净的空气循环流动。当前我国经济已经进入了一个新的发展阶段，我省高速公路通车里程越来越长，对风机的安全运转要求越来越高，对电机的控制要求越来越高，电机的起动方法也越来越受到重视。

电机驱动的设备一般都是企业的核心设备，直接影响企业的生产状况，因此我们应该对其起动给予特别的关注，合理的选择启动装置将给我司带来很大的经济效益。

2 软启动器的原理、特点及其保护功能

2.1 软启动器的原理

软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电机控制装置，国外称为Softstarters。其主要工作原理是将软启动器串接于电源与被控电机之间，启动时控制其内部三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压从零值以预设函数关系在设定时间内逐渐上升，直至启动结束赋予电机全压。使用软启动器起动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，起动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。如图1、图2、图3所示的是直接起动、星/三角起动和软起动在电动机电压（V）、电动机电流（I）和电动机力矩（T）时的不同表现。

图1

图2

图3

2.2 软启动器的特点

（1）采用微处理器全数字自控监控。启动时起动电流以恒定的斜率平稳上升，对电网无冲击电流，不会造成大的电压降落，保证了电网电压的稳定。起动转矩、电流、电压、时间可按负载不同而设定，可取得最佳的电流冲击和最佳的转矩控制特性，极大地减少了电动机转矩对负载的冲击，也满足了不同工作对象对启动转矩的不同要求，保护了被驱动机构。

（2）电动机起动不受电网电压波动的影响。由于在晶闸管的移相电路中，引入了电流反馈，因而使电动机在起动过程中保持恒流、平稳起动。同时，由于以起动电流为定值整定，当电网电压上下波动时，通过控制电路自动增大或减小晶闸管导通角来维持原始设定值，可保护起动电流恒定。有的软启动器还采用双电源隔离，保证控制部分不受各种强电干扰。

（3）根据工作对象的不同，电动机可选择多种启停方式。一般在电动机软启动的初始转矩范围内选择，可根据用户要求在起动转矩的平开始，电动机的定子电压在斜坡加速时间内无级增加，加速的斜坡时间由用户设定。电动机可以自由停车和软停车，软停车时间可调节。软停车特性大大延长电气触点寿命。

（4）结构简单，重量轻，无噪声，占地小。作为无触点控制，软启动器使用寿命比传统的接触器大大延长，若使用得当，可长达几十年，全免维修，而且安装、操作、使用简便。软启动器平滑、渐进的启动过程可降低设备的振动和噪声，延长电动机和被驱动机械的寿命，并改善了工人的劳动环境。

（5）可选择过电流、过载、电源断相等多种保护，保证了设备和电动机的安全。软启动可提供设备的监控保护的快速故障诊断信息，如限流、过载、断相、转子堵转等。保护整定值可由用户指定，保护性能可靠。有的软启动器还具有相序自动识别、相序保护功能。

2.3 软启动器的保护功能

（1）过载保护功能：软启动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号。

（2）缺相保护功能：工作时，软启动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应。

（3）过热保护功能：通过软启动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。

（4）其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现多种联锁保护。

3 电动机直接启动的缺点及应用软启动器的优点

3.1 电动机直接起动的缺点

3.1.1 引起电网电压波动，影响同电网其它设备的运行

交流电动机在全压直接起动时，起动电流会达到额定电流的4～7倍，当电机的容量相对较大时，该起动电流会引起电网电压的急剧下降，影响同电网其它设备的正常运行，特别是引起隧道照明灯亮度突然下降，影响高速行驶车辆安全。

3.1.2 对电网的影响

对电网的影响主要表现在两个方面：

（1）超大型电机直接起动的大电流对电网的冲击几乎类似于三相短路对电网的冲击，常常会引发功率振荡，使电网失去稳定。

（2）起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。

3.1.3 伤害电机绝缘，降低电机寿命

（1）大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化、寿命降低。

（2）大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命。

3.1.4 电动力对电机的伤害

（1）大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成风机风叶夹紧松动、线圈变形、鼠笼条断裂等故障。

（2）整条传动链（从电动机到受驱动的设备）都会受到剧烈的应力。

3.1.5 伤害机械设备

全压直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的2倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速齿轮磨损甚至打齿、加速风叶疲劳甚至折断风机风叶等，若折断的风叶吹到路上对高速行驶车辆造成严重危害。

3.2 应用软启动器的优点

软启动的转矩不会超过额定转矩，上述弊端可以完全克服。当采用减压起动时，上述危害只有一定程度的降低，而独立变压器供电方式直接起动只能在电网电压波动方面有所缓解，其它方面的危害都照样存在，当采用软启动时，起动电流一般为额定电流的2～3倍，电网电压波动率一般在10%以内，对其它设备的影响非常小，且最大电流降低一半左右，瞬间发热量仅为直起的1/4左右，绝缘寿命会大大延长。软启动时电机端电压可以从零起调，可完全免除过电压伤害。

4 ABB-PST系列软启动器在福建省高速公路隧道风机中的应用

4.1 ABB-PST系列软启动器特性

PST系列是基于微处理器的软启动器，该设计应用了最新技术，为电动机提供软启动和软停止功能。最新版PST软启动器提供了一种全新的功能叫力矩控制，使用此功能，可以调节电动机输入电压，从而使力矩控制按预先设定的曲线对电动机的启动和停止进行控制。且PST软启动器标配有多个先进的电动机保护功能。四个按键的键盘和逻辑结构的菜单。使安装、调试，以及操作都变得简单；还有10种语言可供选择。

（1）优异的限电流能力：限制电流范围可在2～5倍Ie之间调整，启动阶段电流曲线平滑，可优先限制电机升温，并提高变压器的起动容量，与直接起动相比使用软启动器降压启动时，启动容量至少可提升30%～50%。

(2)齐全的保护功能：提高针对自身、电机及机械设备的保护功能，完全代替了传统的保护功能，简化了设计，并且在启动结束、软启动器旁路后仍具有保护功能。

4.2 ABB-PST 85/600型软启动器的应用实例

由于软启动器在电机控制系统中对电机的起动、运行状态、停止均能有效的控制，并且在电机不需要调速的情况下，软启动器相比变频器既经济又实用，因此近几年来软启动器在电机控制系统中的应用较为广泛，其主要用于控制泵类和风机类负载。福建高速公路三明段的756台隧道风机（37kW），1台风机配1台软启动器（大部分采用ABB-PST 85/600型软启动器）。现介绍ABB-PST 85/600型软启动器在泉南高速三明段莲花山隧道风机的应用：

莲花山隧道单洞里程为3565m，共安装风机13台其中A道7台、B道6台；当单台37k W风机全压启动时最大启动电流达到336A，而采用ABB-PST 85/600型软启动器启动时最大启动电流降到228A，为全压启动时的67.8%，有效避免因启动电流过大所造成隧道照明亮度突然下降、继电保护误动作及自动控制失灵等现象；且采用ABB-PST 85/600型软启动器启动时，电动机最大起启转矩由原来的200 N·m变成126N·m，不超过额定转矩，从而有效保护齿轮，减少齿轮磨损甚至打齿，消除风叶因疲劳折断，吹到路上对高速行驶车辆所造成的危害，增加安全性能。

ABB-PST 85/600型软启动器二次控制的各接线端子及功能详见图4、图5。

图4 ABB-PST 85/600型软启动器面板各端子（二次回路）接线图

图5 ABB-PST 85/600型软启动器外接按钮控制接线图

4.3 ABB-PST 85/600型软启动器的设定

（1）启动曲线

设定启动时电压提升的时间，可调时间为1～30s，隧道风机启动时间设为10s。

（2）停止曲线

设定停止时电压下降的速度，可调时间为0～30s，选用0s可直接停止被控设备，隧道风机软停时间设为10s。

（3）初始电压Uini

设定初始电压以及停止电压的范围，可以在30%～70%范围内分五档选择，高速公路隧道风机其初始电压以及停止电压值应设在40%位置。

4.4 （37kW）隧道风机启、停的一、二次电路原理图

电路原理图详见图6、图7。

图6 风机控制一次电路原理图

QF:主断路器；1KM:起动接触器；2KM：旁路接触器；1KH:热继电器；S1:控制电源开关；1KA、2KA：中间继电器；PLC：远程输出节点。

隧道风机的启、停工作，首先，合上QF、S1等ABBPST 72型软启动器显示rdy（准备好），可以起动软启；然后也可通过PLC输出1KA得电，STOP与RUN有+24V信号输入，KM1吸合，软起起动，由软启动器通过其内部触点延时接通旁路接触器2KM电源，接触器动作使软启动器不带负载运行，直至停车时再次投入，这样可以防止软启动器长时间带载发热，确保系统正常运行的同时又可延长其使用寿命。但由于软启动器被旁路后不能对电机实施过载保护，因此加设热继电器1KH来实现过载保护功能。

4.5 ABB-PST 85/600型软启动器的常见故障及解决方法

（1）软启动器无启动信号

①检查旁路接触器主触点是否卡在闭合位置，若触点已烧融则需更换接触器。

②若旁路接触器完好则软启动器内部的晶闸管可能被击穿或者已损坏，此时需更换软启动器。

（2）电机不启动

①检查端子1和2是否接通工作电压。

②检查启动信号是否正常，端子5和6之间启动时应闭合，端子4和6之间应短接。

③检查主回路接线是否正确，主电压应接于软启动器端子1L1、3L2、5L3。

④检查热过载继电器是否脱扣，处于过载保护状态。

⑤检查软启动器是否过热，如果软启动器太热的话，即使复位后故障依然存在。检查软启动器风扇工作是否正常，以及冷却风道是否被灰尘和杂物堵塞。

（3）电机启动时或运行过程中突然停止

图7 风机控制二次回路原理图

①检查主回路是否缺相；

②检查热继电器是否动作；

③检查软启动器是否过热；

④排除了以上故障后还是不能故障复位则微处理器出现了故障，需更换内部电路板。

4.6 ABB-PST 85/600型软启动器存在的问题及解决思路

ABB-PST 85/600型软启动器外形尺寸小巧、崭新魅力的设计决定了内部电路板的电路都是紧凑设计，风机软启低压板原先采用都是PSPCB-LV/T普通板。高速公路车辆多，特别是上坡车道尾气多、粉尘大，油污粉尘附着板上造成软启保护，经常是一个月要进行一次软启低压板清洗保养，否则风机就不能正常运行。为解决该问题，我们积极与ABB厂家沟通后,决定将PSPCB-LV/T板进行镀膜改成PSPCB-LV/T-T镀膜板，油烟、粉尘吸附问题得到了很大的改善。因采用PSPCB-LV/T普通板数量较多，若一次性更换成本巨大（约530万），公司机电部拟逐年进行更换，更换计划如下：2016年下半年对故障的36台（三明南段28台、大田段8台）软启动器低压板进行更换；2017年对时间在3个月内需要清洗保养的软启动器低压板进行更换；2018年对时间在3个月以上需要清洗保养的软启动器低压板进行更换。