1、問題提出
    仙亭礦主斜井傾角16°、斜長630m，現(xiàn)裝備有l(wèi)條寬度為800mm的鋼繩芯帶式輸送機(jī)，設(shè)計(jì)輸送能力45×104t/a．年提升煤炭30 x104t�，F(xiàn)有帶式輸送機(jī)由兩臺(tái)JR114 - 4/115kW型繞線式電機(jī)拖動(dòng)，目前存在啟動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)機(jī)及電阻箱等故障率較高且由于采用硬啟動(dòng)方式容易造成輸送帶受瞬間拉力減短壽命，減速機(jī)、連軸器故障較多的現(xiàn)象，對(duì)礦井的正常生產(chǎn)造成了較大的影響。因此選用一種比較合理的控制、運(yùn)行方式對(duì)我礦主井帶式輸送機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行有著現(xiàn)實(shí)的意義。
2、方案設(shè)計(jì)
    該帶式輸送機(jī)是我礦輸送原煤的唯一通道，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要頻繁啟動(dòng)且經(jīng)常重載啟動(dòng)，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)降壓啟動(dòng)方式存在上述缺點(diǎn)。近十年來變頻技術(shù)和軟啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，從根本上解決了電機(jī)控制中的難題，特別是降壓軟啟動(dòng)技術(shù)在解決大、中容量的電機(jī)啟動(dòng)問題上有著卓越的功能，是一項(xiàng)替代傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的新技術(shù)。
    軟啟動(dòng)器和變頻器的區(qū)別：變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時(shí)改變頻率；軟啟動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓并沒有改變功率。軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟啟動(dòng)、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，它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路，運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。變頻器具備所有軟啟動(dòng)器功能，但它的價(jià)格比軟啟動(dòng)器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。
    因此，我礦主斜井帶式輸送機(jī)電機(jī)控制技術(shù)改造選用軟啟動(dòng)控制，并在電動(dòng)機(jī)與減速器間的聯(lián)接采用液力耦合器，在啟動(dòng)時(shí)調(diào)整液力耦合器的機(jī)械效率為零，使電機(jī)空載啟動(dòng)，更好的實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的功能。
3、傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的缺點(diǎn)
    (1)常用電機(jī)啟動(dòng)方式有全壓啟動(dòng)和降壓啟動(dòng)兩種方式，其主要的缺點(diǎn)如下：
    ①啟動(dòng)電流高達(dá)額定電流的5～7倍，造成電機(jī)繞組高溫過熱，從而加速絕緣老化；
    ②對(duì)供電電網(wǎng)的壓降影響較大，當(dāng)壓降下降到額定電壓的85%及以下時(shí)，影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行，尤其有欠壓保護(hù)的設(shè)備；
    ③啟動(dòng)時(shí)能量損失較大，尤其是頻繁啟動(dòng)的設(shè)備；
    ④對(duì)被帶動(dòng)的設(shè)備造成極大的沖擊力，縮短設(shè)備使用壽命，影響精確度；
    ⑤造成機(jī)械傳動(dòng)部件的非正常磨損，加速設(shè)備老化，縮短壽命。
    (2)電機(jī)直接啟動(dòng)的條件：
    ①機(jī)械設(shè)備有足夠強(qiáng)度；
    ②主變壓器有足夠容量，啟動(dòng)時(shí)不允許電機(jī)的容量大于10%~15%主變壓器的容量；
    ③啟動(dòng)過程中電壓降不大于15%電網(wǎng)額定電壓。以往解決中、大容量電機(jī)啟動(dòng)問題往往采用一些傳統(tǒng)的如頻敏變阻器啟動(dòng)（只適用于繞線式電機(jī)），自耦變壓器降壓啟動(dòng)、Y/A轉(zhuǎn)換方式啟動(dòng)、延邊三角形方式啟動(dòng)等。它們的啟動(dòng)方式性能見表1。
    這些傳統(tǒng)的降壓啟動(dòng)方式普遍存在著啟動(dòng)設(shè)備復(fù)雜，部分啟動(dòng)方式存在著啟動(dòng)電流大或啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩偏小的缺點(diǎn)，而且在電機(jī)的運(yùn)行保護(hù)方面，存在著功能不夠完善或不靈敏的情況。而軟啟動(dòng)技術(shù)作為一種先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，在這些方面與傳統(tǒng)的控制方式相比，有著無可比擬的優(yōu)越性能，是控制技術(shù)發(fā)展的方向。
4、軟啟動(dòng)技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)
    電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器是采用電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)及現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)生產(chǎn)的具有先進(jìn)水平的高新技術(shù)產(chǎn)品，軟啟動(dòng)器是微處理器和大功率晶閘管相結(jié)合的新技術(shù)，用微處理器控制晶閘管導(dǎo)通角，從而改變晶閘管的輸出電壓來達(dá)到降壓啟動(dòng)的功能，它從根本上改變了傳統(tǒng)的（自耦式、磁控式及星／三角等）降壓啟動(dòng)器在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓、電流突變帶來的不良后果；如電網(wǎng)電壓跌落、波動(dòng)，引起機(jī)械應(yīng)力的突變，造成設(shè)備損壞或縮短機(jī)械壽命等，是傳統(tǒng)的降壓啟動(dòng)方式的理想換代產(chǎn)品。其控制原理如圖1所示。
    軟啟動(dòng)器在電機(jī)控制應(yīng)用中有以下優(yōu)點(diǎn)：
4.1提供靈活的啟動(dòng)方式選擇和及其優(yōu)越的啟動(dòng)特性
    運(yùn)用串接于電源與被控電機(jī)之間的軟啟動(dòng)器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至啟動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓，即為軟啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)過程中，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)選擇不同的啟動(dòng)方式，常用的有以下幾種啟動(dòng)方式：
    (1)斜坡升壓軟啟動(dòng)：這種啟動(dòng)方式最簡單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系增加。適用不同斜率電壓增量啟動(dòng)，是較為常用的啟動(dòng)方式，電機(jī)得到預(yù)設(shè)定的初始轉(zhuǎn)矩，在斜坡加速期間，輸出給電機(jī)的電壓無級(jí)遞增，當(dāng)軟啟動(dòng)器的控制器檢測(cè)到電機(jī)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出電壓自動(dòng)切換為全電壓，如圖2所示。其缺點(diǎn)是，由于不限流，在電機(jī)啟動(dòng)過程中，有時(shí)要產(chǎn)生較大的沖擊電流使晶閘管損壞。
    (2)斜坡恒流軟啟動(dòng)：這種啟動(dòng)方式是在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的初始階段啟動(dòng)電流逐漸增加，當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定，直至啟動(dòng)完畢。啟動(dòng)過程中，電流上升變化的速度是可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)時(shí)間短。該方式為電機(jī)提供一個(gè)固定電壓的降壓啟動(dòng)，當(dāng)必須限制最大啟動(dòng)電流時(shí)選用該方式。該啟動(dòng)方式是應(yīng)用最多的啟動(dòng)方式，尤其適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載啟動(dòng)。
    (3)階躍啟動(dòng)：開機(jī)，即以最短時(shí)間，使啟動(dòng)電流迅速達(dá)到設(shè)定值，即為階躍啟動(dòng)。通過調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流設(shè)定值，可以達(dá)到快速啟動(dòng)效果。
    (4)脈沖沖擊啟動(dòng)：在啟動(dòng)開始階段，讓晶閘管在極短時(shí)間內(nèi)，以較大電流導(dǎo)通一段時(shí)間后回落，再按原設(shè)定值線性上升，連人恒流啟動(dòng)。該啟動(dòng)方式，在一般負(fù)載中較少應(yīng)用，適用于重載并需克服較大靜摩擦的啟動(dòng)場(chǎng)合。
4.2軟啟動(dòng)器有多功能的保護(hù)系統(tǒng)
    軟啟動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行有多種保護(hù)功能，它不僅能提供過載保護(hù)，而且可提供各種操作故障狀態(tài)下的保護(hù)，如輸人／輸出缺相、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、晶閘管短路及失壓、過壓、短路等保護(hù)，其中內(nèi)置的過載保護(hù)功能可以對(duì)單臺(tái)控制時(shí)無需另加電機(jī)保護(hù)電路，可降低集成或成套成本。此外，不需增加任何傳感器或儀表，可讀取電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如：電流、電壓、功率、電度及運(yùn)行時(shí)間等。除了擁有強(qiáng)大的保護(hù)功能之外，軟啟動(dòng)器還具有故障自診斷功能，大大減少了故障查找與檢修時(shí)間。
4.3軟啟動(dòng)器運(yùn)行可靠、維修方便
    軟啟動(dòng)器大電流運(yùn)行無觸點(diǎn)，采用交流開關(guān)無級(jí)調(diào)壓，消除了系統(tǒng)中產(chǎn)生接觸不良的影響，調(diào)壓范圍寬，過載能力強(qiáng)，人性化的菜單界面可極為方便地查閱參數(shù)或修改參數(shù)，通過附加的通信網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化集中控制。由于采用了高性能微處理器及強(qiáng)大的軟件支持功能，使控制電路得以簡化，外接線路簡單，故障查找方便。
4.4軟啟動(dòng)器的節(jié)能運(yùn)行
隨著電機(jī)負(fù)載率的變化，軟啟動(dòng)器自適應(yīng)控制自動(dòng)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)相應(yīng)提高，同時(shí)降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率損耗。對(duì)經(jīng)常啟動(dòng)且負(fù)載變化頻繁的運(yùn)行系統(tǒng)，電機(jī)的節(jié)能效果更加顯著。電機(jī)在負(fù)載到滿載范圍內(nèi)的最高綜合節(jié)電效果可達(dá)損耗的40%左右。
    設(shè)備在欠負(fù)載情況下，電機(jī)銅損、鐵損比例增加，功率因數(shù)下降，電機(jī)有效用電率降低，在輕載時(shí)如果降低輸入電壓、減小電機(jī)主磁通，電機(jī)的鐵心損耗及磁化電流將減小，從而電機(jī)的效率、功率因數(shù)將得到提高，這就是軟啟動(dòng)器節(jié)能運(yùn)行功能的基本原理。具有節(jié)能功能的軟啟動(dòng)器可對(duì)電機(jī)電流、功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，控制電機(jī)的端電壓變化，使其在欠載或空載的情況下調(diào)整電機(jī)上的電壓，使其產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到節(jié)能的目的。軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)過程完成后旁路接觸器投入使用，避免了其自身的損耗，也達(dá)到一部分節(jié)能的效果。但有的使用場(chǎng)合要求不能使用旁路接觸器，自身損耗產(chǎn)生熱量，同時(shí)軟啟動(dòng)器的高次諧波將連續(xù)干擾線路，其節(jié)電效果要視負(fù)載運(yùn)行情況：
    低負(fù)荷率(<40%)，低功率因數(shù)(<0.4)時(shí)，有明顯節(jié)能效果；
    中等負(fù)荷（50%一60%），中等功率因數(shù)(0.5一0.6)時(shí)，節(jié)電效果較好；
    中等負(fù)荷（50%—60%），功率因數(shù)(>0.8)時(shí)，節(jié)能有挑戰(zhàn)性效果；
    高負(fù)荷率(>70%)，高功率因數(shù)(>0.8)時(shí)，幾乎沒有節(jié)電效果，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)軟啟動(dòng)的節(jié)能效果爭議較大，當(dāng)然，真正有節(jié)電潛力的應(yīng)首先考慮采用變頻器。
4.5延長設(shè)備使用壽命，提高生產(chǎn)率
    電機(jī)的軟啟動(dòng)有效降低啟動(dòng)，提高設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)率。幾乎所有的交流電機(jī)減壓啟動(dòng)器都是先低壓后全壓，將一次大的啟動(dòng)電流沖擊分解為兩次較大的電流沖擊，而兩次較大的電流沖擊常常造成電壓投入或切換的接觸器損壞、機(jī)械及傳動(dòng)元件的機(jī)械沖擊磨損，許多單位為了保障設(shè)備正常運(yùn)行，就不得不定期更換接觸器，從而給用戶單位帶來繁重的設(shè)備維護(hù)量和增大了設(shè)備使用成本。軟啟動(dòng)器采用可控硅相控啟動(dòng)，使得電機(jī)的啟動(dòng)電壓按照合理的要求由小至大直至全壓，啟動(dòng)完成時(shí)接入旁路接觸器。停車時(shí)，先斷開旁路接觸器，再關(guān)閉所有的可控硅，這樣接觸器就不帶電流進(jìn)行閉合與分?jǐn)�，因而接觸器的壽命基本由其機(jī)械壽命來決定（機(jī)械壽命比電壽命高10倍左右）。故障跳閘時(shí)也是執(zhí)行同樣的過程，因?yàn)榭煽毓栌袕?qiáng)大的過電流能力。由于其過載熱保護(hù)值只在啟動(dòng)完成后投入，因而在啟動(dòng)過程中完全不需考慮熱保護(hù)值的配合，一切都按正常的程序執(zhí)行，采用軟啟動(dòng)器又簡單又方便，所有保護(hù)配合都能輕而易舉地完成。軟啟動(dòng)器利用其斜坡啟動(dòng)功能，在啟動(dòng)過程中，緩緩增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，使帶式輸送機(jī)平滑啟動(dòng)，克服了直接啟動(dòng)時(shí)的沖擊，當(dāng)輸送帶被異物卡住后軟啟動(dòng)器便保護(hù)跳閘，從而避免了電機(jī)的損壞、延長了帶式輸送機(jī)的使用壽命。
5、液力耦合器的應(yīng)用
    液力耦合器是一種利用在工作腔泵輪與渦輪葉片間高速旋轉(zhuǎn)的液流來傳遞功率的液力元件。安裝在電機(jī)與減速機(jī)之間，其工作原理：泵輪與電機(jī)相連，在電機(jī)帶動(dòng)下泵輪使液流作離心加速運(yùn)動(dòng)而獲得動(dòng)能和壓能，高速旋轉(zhuǎn)的液流由泵輪進(jìn)入渦輪沖擊葉片并做向心減速動(dòng)，向渦輪釋放液體能推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)做功。工作過程：電機(jī)機(jī)械能→液體能→機(jī)械能，液力耦合器傳動(dòng)中有液體參與能量轉(zhuǎn)化過程，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：①提高電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)能力，使電機(jī)充分發(fā)揮作用；②啟動(dòng)平穩(wěn)，并在運(yùn)行中消減沖擊和振動(dòng)；③有過載保護(hù)功能；④縮短啟動(dòng)電流的持續(xù)時(shí)間，節(jié)約電能。因此，它能夠很好地與軟啟動(dòng)器配合使用，使電機(jī)的啟動(dòng)過程更趨完美。
6、結(jié)語
    隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)交流電機(jī)軟啟動(dòng)器的應(yīng)用已非常廣泛，由于直接啟動(dòng)過大的沖擊電流和突跳轉(zhuǎn)矩易造成電機(jī)、電氣及機(jī)械設(shè)備較大的損害，而傳統(tǒng)的降壓啟動(dòng)方式仍存在較大的啟動(dòng)沖擊電流，所以一般情況下對(duì)中大容量電機(jī)，在經(jīng)濟(jì)條仵允許的情況下盡量使用軟啟動(dòng)器。
    通過以上的論述，我們可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式雖然在現(xiàn)今仍應(yīng)用較多，但軟啟動(dòng)的卓越啟動(dòng)和保護(hù)功能已逐漸被人們所認(rèn)可，在今后的電動(dòng)機(jī)控制中，凡是符合以下七條中的一條或幾條時(shí)，使用軟啟動(dòng)技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、合理地控制電機(jī)，提高電動(dòng)機(jī)的潛能發(fā)揮。更好地為生產(chǎn)及生活服務(wù)。
    (1)正常運(yùn)行時(shí)不要求電機(jī)具有調(diào)速或節(jié)能要求，只加快啟動(dòng)的工作狀態(tài)；
    (2)負(fù)載自身不允許在正常時(shí)產(chǎn)生壓降，降速的可能性；
    (3)電機(jī)功率較大，為滿足啟動(dòng)條件，要造成主變壓器容量加大的場(chǎng)合，這點(diǎn)可降低配電容量，避免增容投資；
    (4)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格，對(duì)壓降要求≤10%U的供電系統(tǒng)；
    (5)設(shè)備精密，不允許高啟動(dòng)沖擊，以防對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良后果；
    (6)機(jī)械設(shè)備或負(fù)載工況條件不允許直接啟動(dòng)或采用老式的降壓啟動(dòng)；
    (7)對(duì)大、中容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程能量損失可觀，需節(jié)能時(shí)。