1、引言
    鼠籠型異步電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可靠耐用，而在各行各業(yè)特別是工業(yè)領(lǐng)域是得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著各種新興產(chǎn)業(yè)的涌現(xiàn)與發(fā)展，對異步電機(jī)的起、停與運行提出了更高的要求。軟起動器的產(chǎn)生則在一定程度上滿足了這種要求。軟起動器是應(yīng)用于鼠籠型異步電動機(jī)起動控制的一種新型裝備。它可以使起動電流以恒定的斜率平穩(wěn)上升，并且不受電網(wǎng)波動的影響，減少起動轉(zhuǎn)矩對負(fù)載的影響。
2、電動機(jī)傳統(tǒng)起動方式的比較
    鼠籠式電動機(jī)的起動方式大致分為：(1)直接起動；(2)Y一△起動；(3)自耦降壓起動；(4)串電阻或電抗器起動。見表1。
    籠型電機(jī)傳統(tǒng)的減壓起動方式都屬于有級減壓起動，存在明顯缺點，即起動過程中出現(xiàn)二次沖擊電流。由于傳統(tǒng)的減壓起動方式技術(shù)落后，國家已明令淘汰。
3、軟起動器基本原理及特性
3.1基本原理
    目前最先進(jìn)最流行的是軟起動器。軟起動器是一種用來控制鼠籠型異步電動機(jī)的新設(shè)備，集電機(jī)軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國外稱為Soft Starter，主電路原理圖見圖1。
    其原理是在與電動機(jī)相連的每根相導(dǎo)線間放置兩個背靠背（或反并聯(lián)）的晶閘管，使用軟啟動器啟動電動機(jī)時，通過精確地控制其導(dǎo)通點，使晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，從而實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。軟起動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟起動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。其輸出特性如圖2所示。
3.2軟起動器節(jié)能特性
    在額定負(fù)載下，實際上增加的功率消耗，主要是晶閘管串入主電路的壓降損耗；在40%～80%額定負(fù)載下，軟起動器吸收的損耗與其節(jié)省的功率相當(dāng)，主要是節(jié)約的鐵損被增加的銅損抵消；在40%～50%額定負(fù)載下，才收到較明顯的節(jié)能效果。軟起動的節(jié)能原理與電動的電能消耗機(jī)理密不可分，電動在額定負(fù)載時效率很高，其功率因數(shù)大多在0.7～0.9之間，其效率也在80%左右。但當(dāng)負(fù)載減小時，上述指標(biāo)就要下降，特別是當(dāng)負(fù)載下降到25%的額定負(fù)載時，下降得更多，這是浪費電能的主要原因。因此，電機(jī)節(jié)電的出發(fā)點就是改善其輕載性能。因為異步電動機(jī)是感性負(fù)載，為了維持主磁通和定轉(zhuǎn)子漏磁通的數(shù)量，總是從電網(wǎng)吸收一定數(shù)量的無功功率。輕載時輸入電機(jī)定子電流主要是無功分量的磁化電流，故功率因數(shù)很低。
    由于輕載時鐵耗PF。和機(jī)械損耗Pm。。與額定負(fù)載時相差很小，故輕載時它們之和在∑P/Pl中所占的比重較大，因此，效率降低。如果輕載時降低輸入電壓，電機(jī)的反電勢和主磁通均減少，激磁電流中的磁化電流也減小，并隨鐵芯飽和程度的下降而下降很多；而鐵耗基本與定子電壓的平方成正比，也減少較大；另外負(fù)載下降時負(fù)載電流也必將減小，隨之也減少了有功損耗（即銅耗）。總之，負(fù)載下降時調(diào)低電壓的確可提高功率因數(shù)和效率，減小有功損耗，當(dāng)轉(zhuǎn)差率s等于特征轉(zhuǎn)差率Sg時，功率因數(shù)COS∮最大，這時的功率因素被稱為基準(zhǔn)值，這就是軟起動器的節(jié)電原理。
    軟起動與傳統(tǒng)減壓起動方式的不同之處是：第一無沖擊電流。軟起動器在起動電機(jī)時，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)起動電流從零線性上升至設(shè)定值。對電機(jī)無沖擊，提高了供電可靠性，平穩(wěn)起動，減少對負(fù)載機(jī)械的沖擊轉(zhuǎn)矩，延長機(jī)器使用壽命。第二有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機(jī)，它可以克服瞬間斷電停機(jī)的弊病，減輕對重載機(jī)械的沖擊，避免高程供水系統(tǒng)的水錘效應(yīng)，減少設(shè)備損壞。第三起動參數(shù)可調(diào)，根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性選擇，可自由地?zé)o級調(diào)整至最佳的起動電流。
4、工業(yè)港膠帶運輸機(jī)的現(xiàn)狀
    近些年來，由于工業(yè)港的不斷發(fā)展，使膠帶輸送機(jī)的一些問題顯露出來，如：運行中輸送機(jī)上的負(fù)載是隨時變動的，因而如何節(jié)能的問題；尤為突出的是由于重負(fù)載及慣性，膠帶輸送機(jī)難于起動的問題；基于上述原因，膠帶輸送機(jī)的軟起動、軟停機(jī)、節(jié)能問題提到日程上來。交流鼠籠電動機(jī)的直接硬性啟動，啟動電流將達(dá)400%～1000%，這個大起動電流能引起電源電壓下降和其它許多電氣問題。這些都可以用軟起動器來進(jìn)行解決。
5、軟起動器的選擇
    針對工業(yè)港膠帶運輸機(jī)的現(xiàn)狀，及通過對市場上各種軟起動器的比較，我們選用了意大利西威公司的SIEI DST型軟起動器，因為它除了具有軟起動器應(yīng)該有的功能外還具有以下特點：
    (1)節(jié)能優(yōu)化方式。根據(jù)電機(jī)節(jié)能原理，該軟啟動器利用一種專利方法計算和存儲功率因數(shù)基準(zhǔn)值。當(dāng)電動機(jī)選擇優(yōu)化方式進(jìn)入運行階段時，基準(zhǔn)功率因數(shù)不斷與運行功率因數(shù)相比較。系統(tǒng)軟件根據(jù)這個比較不斷計算并調(diào)節(jié)功率可控硅整流器的導(dǎo)通，以保持最佳功率因素。這種連續(xù)控制的方法將電動機(jī)因超調(diào)量造成的能源浪費減至最小。也使功率因素在每種規(guī)定的負(fù)載狀態(tài)下都能保持最恰當(dāng)值。這也使電動機(jī)所需的額定功率大大的降低。上述功率因數(shù)的控制方法對電動機(jī)的性能沒有影響，也不會降低電動機(jī)相應(yīng)于負(fù)載變化的能力。DST型軟起動器的特點是一種純電氣功能，它保證電動機(jī)一直提供所需的轉(zhuǎn)矩，并允許它僅形成保障轉(zhuǎn)矩輸出所需的精確磁化電流量。如果軟起動器沒有這個功能，電動機(jī)就會不管負(fù)載多大，都會形成最大量的磁化電流。優(yōu)化功能并沒有提高全部負(fù)載時的功率因素，但確實最大程度地提高了部分負(fù)載的功率因素。電動機(jī)控制原理圖如圖3所示。
    (2)可編程輸入和輸出。DST軟起動器的可編程輸入、輸出功能使用戶能從外部電路控制其設(shè)備。例如“輸入”，當(dāng)電機(jī)達(dá)到全速時，則外部電路能夠通過控制輸入選擇“優(yōu)選”作為電動機(jī)的運行條件，此控制所選擇的時機(jī)與設(shè)備的運行階段是一致的。例如“輸出”，當(dāng)施加到電動機(jī)上的控制電壓達(dá)到額定電源電壓時，設(shè)備的一個可編程繼電器將動作，而此繼電器又去控制一個外部的接觸器。從而實現(xiàn)用戶想要達(dá)到的控制要求。
6、軟起動器的應(yīng)用
    工業(yè)港現(xiàn)有大小膠帶運輸機(jī)數(shù)百多條，擔(dān)負(fù)著向前方送料的重要職責(zé)，也是工業(yè)港的主要耗能設(shè)備。針對日益突出的膠帶起動、大量空載耗能等問題，我們對其中的部分安裝了軟起動器。
    該軟起動器可針對不用的負(fù)載進(jìn)行調(diào)試。低壓電機(jī)軟起動器根據(jù)其負(fù)載工藝要求，有必要將其分類，這樣有利于選擇適合負(fù)載要求的軟起動器。這不僅能夠滿足工藝上的要求，而且能夠使軟起動器長期穩(wěn)定、可靠運行。對于一些負(fù)載常常是輕載起動，如自動扶梯；或?qū)τ谝恍┴?fù)載常常是重載起動如皮帶運輸機(jī)、球磨機(jī)的情況下，必須對不同的負(fù)載加以區(qū)別。例如不同的型號、負(fù)荷的膠帶運輸機(jī)應(yīng)設(shè)置不同起動方式、斜坡起動時間、初始電壓、電流限制值等。
    軟起動節(jié)能運行效果與負(fù)載大小、負(fù)載持續(xù)時間、電機(jī)極對數(shù)、電機(jī)轉(zhuǎn)差率有關(guān)。下面列出的是節(jié)電率與電機(jī)功率關(guān)系。
    例如22 kW4極電機(jī)在10%負(fù)載下，可獲得20%節(jié)電率，空載幾乎可以達(dá)到40%；110 kW4極電機(jī)同樣在10%負(fù)載下，能獲得3.5%節(jié)電率，空載節(jié)能率也可以達(dá)到百分之十幾。這對于空載耗能較大的膠帶運輸機(jī)的節(jié)能來說無疑是很有利的。
    就現(xiàn)場一條長400 m,單機(jī)驅(qū)動(JS115-4、135kW的4極電機(jī))膠帶運輸機(jī)為例說明一下軟起動器的運行效果。
    工業(yè)港目前裝機(jī)容量差不多50000 kW，按每天運行時間為6小時（按運行時電機(jī)節(jié)電量為6%左右），年工作日為300天計算，50000 kW×6小時×300天×6% - 5400000 kW h，平均以0.5元／度算，年節(jié)約成本2700000元。
7、結(jié)語
    應(yīng)用軟起動器大功率電機(jī)不僅能很好地控制電動機(jī)特性，平穩(wěn)啟動電機(jī)、改善功率因素、節(jié)約電能，而且還可以利用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口與遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行通信，大大提高生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率。PLC與軟起動器連接不僅可以實現(xiàn)單臺電機(jī)控制，也可用于多臺電機(jī)控制，將所有相關(guān)點輸入到PLC之后，可以實現(xiàn)單臺軟起動器控制3臺以上電機(jī)。PLC的使用使得軟起動器“一拖五”接線非常簡易。