本安型礦用交流電機中軟啟動裝置的應用研究

劉宏鵬

（大同煤礦集團有限責任公司同家梁礦，山西大同 037003）

0 前言

目前煤炭企業正處于蓬勃發展的階段，對現代化煤礦的標準要求在不斷提高，但很多電動機及其拖纜系統等機電設備在煤礦作業過程中沒有達到經濟運行標準，這種狀況不僅浪費電能，而且降低機電設備的使用壽命，使煤礦的生產效率大大降低。通過給煤礦各設備電機裝設軟啟動裝置，不僅能使機電設備實現高效作業，而且其在啟動過程中也大大降低電動機對電網的沖擊作用。對此，研究軟啟動裝置在大功率機電設備電機啟動中的應用顯得越來越重要[1]。

1 軟啟動裝置的應用研究

1.1 軟啟動裝置的工作機理及性能分析

1.1.1 工作機理

通常情況下，電壓由可控硅的導通角決定控制，轉矩和啟動電流由電壓決定控制。由數據公式可知，電動機的轉矩和電流都與定子端的電壓有關系，其電流與定子端的電壓成正比，轉矩與定子端電壓的平方成正比例關系[2]。

軟啟動裝置主回路示意圖如圖1所示，圖中表明，通過全數字的控制技術有效控制電機端電壓與電流，從而使電動機的軟啟動及保護功能得以實現。

圖1 軟啟動裝置主回路示意圖

在正常工作情況下，電動機按照設定模式平滑啟動，是在提前設定好的參數條件下，軟啟動裝置接收到相應信號后，通過控制可控硅的導通角實現。啟動工作結束后，為減少設備損耗，旁路真空接觸器閉合需要接收控制器發出的信號才能實現。其中，為實現對各類故障的全程保護，裝置內的微處理器需要監視運行參數情況[3]。

軟停車操作是通過真空接觸器接收停車信號被后自動斷開實現的。

1.1.2 主要性能特點

為延長設備的使用壽命，消除電子沖擊，交流電機的軟啟動與停止的實現，軟啟動裝置融合了自身的十六位單片機微處理技術與電力控制技術。電機綜合保護裝置集合良好的過載、過流及斷相等保護功能于一身，通過相應的單元被電機保護部分的主體采用特殊的抗干擾措施來進行保護，從而實現這些保護功能[4]。

1.2 軟啟動裝置的組成特點

快開門式外殼設計和手車式防爆機芯在現代煤礦中本安型電動機的軟啟動裝置中采用頻率最高。此種結構不僅能提高煤礦機電設備的工作效率，而且有利于軟啟動器的維護及維修。

1.2.1 防爆外殼的設計特點

上部為接線腔，主腔與快開門結構組成下部分，用隔板隔離上腔與下腔，上下兩部分共同組成機電設備防爆外殼。接線腔內包括2個控制線接線端子和3個主回路進線電源線柱。主回路電纜通過引入裝置連接外殼，引入外徑為φ12.9 mm的電纜，并且兩側各有一個控制線的進線裝置[5]。

將外殼右側的聯鎖桿轉入，隨后向左旋轉門手柄，門向右發生平移從而與卡板分離后即門打開。隔離開關只有位于分斷位置時門才會開，確保了安全，可靠的機械連鎖進行開關與門的隔離。門打開后，隔離開關無法直接閉合。隔離開關手柄裝在隔爆外殼右側，可以進行正向、反向和停止3種位置操作。通過隔離開關的輔助觸點實現隔離開關與主開關之間的連接。

在此裝置及啟動方式下，個別情況下隔離開關可以帶負荷切斷電源，正常情況下不會帶負荷分斷。

1.2.2 軟啟動裝置的構成

軟啟動裝置上裝有主電路與軟啟動器的構成部件，機芯小車是其設計的關鍵部件。不僅真空接觸器，電源、同步以及控制變壓器，主電路的插板，中間的繼電器，軟啟動控制裝置，晶體管這些部件，以及各種開關和按鈕，如隔離換相開關、啟動的轉化開關，過流、漏電、停止以及復位按鈕等都是機芯小車上安裝的主要構件。為使檢修和維護過程更方便，可以將整個機芯從箱體拉出，具體操作流程為：先打開軟啟動裝置隔爆外殼的門，然后旋松固定螺釘，最后將接線板上接插件與進出電源線拆下[6]。

1.3 軟啟動裝置的優點

（1）啟動電機使用雙向可控硅完成啟動后，選用接觸器短接可控硅的工作方式，可避免接觸器直接控制電動機導致的觸點易粘連及燒壞等故障，大大節約能源。

（2）無沖擊電流，機電設備的電機進行軟啟動裝置啟動時，晶閘管導通角逐漸增大，從而使得電機的啟動電流上升至設定值的過程是緩慢的。無沖擊式的啟動使供電的可靠性提高，降低對負載機械的沖擊力，延長負載機械的使用壽命。

（3）實現軟停車功能，以下功能均能使發電設備及傳動系統的使用壽命延長，如平滑減速、逐漸停機、降低機械應力等。

（4）可調功能，在現場工作中，軟啟動裝置中設置的相關參數會依據不同的載重情況進行調節，直到將啟動電流調整到最佳位置。

2 軟啟動裝置在煤礦的適用型分析

本文作者以某礦使用的本安型機電設備作為研究對象，由以上分析可得，影響煤礦電機設備高效安全生產的因素主要有兩個：

（1）煤礦使用的機電設備的電機并沒有實現全部安裝軟啟動設備，沒有安裝軟啟動設備在直接啟動時，產生較大的電流，導致電網電壓降低，從而直接影響此電路下的其他機電設備的正常運轉，欠壓保護的現象也可能會發生，最終導致機電設備為了自保而跳閘。同時其運行壽命也會縮短，這是由于直接啟動時產生過大的電流使電機發熱產生大量熱量導致的，同時也會產生較大的沖擊轉矩，會嚴重磨損定子端部的絕緣并引起電動機的端環斷裂，最終導致電機燒壞，對機電設備的正常運行造成巨大影響。

（2）機電設備需安裝降壓啟動裝置，現在普遍使用的降壓啟動方式為傳統的自耦減壓啟動和電抗啟動等方式。由于傳統的降壓啟動方式有明顯的缺點，其為有級減壓啟動模式，在其減壓啟動過程會有二次沖擊電流產生[7]。

由于礦用機電設備的井下作業環境十分惡劣，為了確保安全，特別是關乎人生命安全的設備，如瓦斯抽放等，為保證整個工作面各設備的正常運行，配備的大容量電氣設備必須安裝軟啟動裝置。綜合考慮煤礦井下各運輸路線受運輸距離遠、巷道有角度等諸多因素制約，為緩慢啟動運輸設備，為其安裝軟啟動裝置。電子式的軟啟動裝置除具有軟啟動的功能外，還擁有許多保護功能，不僅能節省投入，而且能使操作維護更方便快捷。通常在各個事故過程中，如過流、短路以及三相電流不平衡等，電子式軟啟動裝置的啟動起到保護作用。生產實踐證明，現代煤礦使用軟啟動器裝置的型號為600VCMC型，這是由于此型號較適應井下環境，綜合具有電壓斜坡、限流和突跳轉矩啟動等功能[8]。

3 結論

在煤礦現場作業過程中，現代煤礦發展迅速，本安型軟啟動裝置的隔爆功能還有待完善。該裝置的顯著優勢是其可靠性高、維護量小，但依然有不足之處，因此要不斷完善其對電動機的保護功能。綜上所述，在現代化煤礦企業生產過程中軟啟動裝置將會得到廣泛的應用。