交流电机软起动器在造纸行业的应用
郑州大学 李永刚
摘要:本文分析了几种传统电机起动方式的特点及存在的问题，介绍了STR系列数字式软起动器的工作原理和性能特点，并结合100吨纸浆工程介绍了软起动器的应用。
关键词：STR软起动器；直接起动；降压起动；纸浆工程
0 前言
交流电机电子软起动器的原理最早提出于上世纪七八十年代，上世纪九十年代初国内最早由西安西普电力电子有限公司开发出了软起动器。随着现代电力电子技术及微电子技术的快速发展，国内软起动器的生产技术和质量品质得到很大提高，目前国内产品品质和性能基本与国外品牌接近。综合产品品质和市场占有国内知名的软起动品牌主要有西安西普、上海雷诺尔、长沙奥托等，同时日趋激烈的市场竞争也推动了产品的技术进步与市场的成长成熟，软起动器进入了发展的黄金阶段。当前软起动器的应用行业非常广泛，如钢铁冶金、有色冶金、建材、水工业、环保领域、造纸、选煤焦化、石油化工、机械、暖通制冷等行业。
1 传统交流异步电动机的起动方式及存在问题
1.1全压起动（直接起动）
将电动机的定子直接接入电网，电机定子可获得电网的全电压，该起动方法称为电动机的全压起动，全压起动的特点：高起动电流,一般为额定电流的4~7倍；高起动转矩,一般为电机额定转矩的0.9~1.3倍；起动时间最短；存在很大的电流和转矩的尖峰冲击；起动装置价格便宜。
过大的起动电流导致线路产生较大的压降，影响电网上其它设备的正常运行，国家标准规定一般情况下起动电流在电网中引起的电压降不超过电网额定电压的10%（频繁起动）或15%（不频繁起动）就允许直接起动。
1.2串电阻（或电抗）降压起动
串电阻（或电抗）降压起动就是通常所说的定子电路串联电阻（或电抗），起动时电流会在电阻（或电抗）上产生压降，降低了电机定子绕组上的电压，起动电流也从而减小。其优点是起动平稳，运行可靠，结构简单，起动阶段功率因数较高，不足是起动转矩减小过多，适于轻载和不频繁起动。串电阻起动时电能损耗大，起动成本高，一般用于小容量电机起动，较大容量电机多用串电抗起动。
1.3星-三角降压起动
电机绕组的6个端子均引到电机接线板上，电机起动时定子绕组接成星形，起动完成后转变成三角形。星三角起动的特点：起动时接成星形的定子绕组的电压和电流只有三角形接法时的0.577倍；星形起动时的三相线电流为三角形接法直接起动电流的1/3；星形起动时的起动转矩也只有三角形接法直接起动时的1/3，一般用于轻载起动；起动时间较长；星三角切换时产生较大电流和转矩的尖峰冲击；星三角降压起动装置相对经济，允许多次起动，但需引出6根主线。
1.4自耦降压起动
将电机的定子通过可有级调整电压的自耦变压器接至电网的降压起动方式称为自耦降压起动。其特点是：需加一台有抽头可调起动电压和电流的自耦变压器，如QJ2型的抽头分别为电源电压的55%、64%、73%，根据允许的起动电流和所需的起动转矩选择抽头电压；起动电流和起动转矩降低的比值相同，相对串电阻起动方式限流效果相同时起动转矩较大，可用于较大负载起动；起动时间较长；在电压转换瞬间有尖峰电流和尖峰转矩；起动设备体积较大，价格较高，不能频繁起动。
1.5串饱和电抗降压起动（磁控降压）
饱和电抗器是带有直流励磁绕组的交流电抗器，改变直流励磁电流就可控制铁心的饱和程度，从而改变交流电抗值。电机起动时铁心不饱和，电抗大，因而定子电压降低，实现降压起动。该起动方式的特点是：可实现区域恒流软起动；适应负载能力一般，对环境要求不高；起动特性硬，起始电压约200V，用户不能调整；存在1次较大尖峰电流和尖峰转矩冲击；设备占用空间大；一般不能频繁起动。
直接起动和传统的降压起动方式，由于存在1~2次很大的起动冲击尖峰电流（4Ie ~6Ie以上）和很大的突跳转矩冲击，尤其对中大容量电机的传动系统危害很大，突跳转矩冲击使轴承、齿轮磨损加重甚至损坏，减速箱故障率高，皮带磨损严重甚至拉断，冲击电流导致电机绕组绝缘老化，电器设备寿命下降，设备维护率高，从而严重影响生产。所以一般地工业生产中55KW~90KW以上的电机在经济条件允许的情况下尽量采用软起动方式。
2 STR系列数字式电机软起动器性能特点
STR智能电子软起动器内部主回路如图1示，采用三对反并联晶闸管串接于交流电机的定子回路上，通过微处理器控制其触发角的变化来改变晶闸管的开通程度，由此来改变电动机输入电压的大小，以 达到控制电动机软起动的目的。当起动完成后，软起动器输出达到额定电压，对于STRA系列软起动器内置旁路接触器自动吸合，将电机投入电网运行。STRB系列软起动器无内置旁路接触器，但有自动旁路输出接口，可自动控制外配旁路接触器吸合。
STR智能电子软起动器有如下特点：
1）、起动电流可调，调整范围一般为0.2~4倍电机额定电流 ；
2）、起始转矩可调,一般通过调整初始电压(0~380V)进行调整；
3）、起动时间可根据负载情况适当调节；
4）、有自由停机及软停机两种停机模式，可根据负载及工况选择设定；
5）、具有电流限副和电压斜坡两种起动模式，用户可根据不同负载及具体要求自行设置选择；
6）、具有点动运行功能，该功能对用户试车或一些负载的定位等非常方便；
7）、具有14个外控端子，为用户实现外部信号控制、远程控制及系统自动化控制提供方便；
8）、操作方式有三种：键盘、外控端子、键盘及外控端子均可；
9）、外部控制可采用三线控制和两线控制方式；
10）、可实现一台软起动器依次起动若干台电机；
11）、可使用于频繁起停的场合；
12）、具有多种保护功能，如过流、过载、缺相、过热等，对控制单台电机时无需另加电机保护电路；
13）、全数字开放式用户操作显示键盘，可实现参数设置、修改、参数显示、保护显示、起动、停机、复位等；
14）、从根本上解决了传统起动方式起动时产生的电压、电流突变带来的不良后果，是传统降压起动方式的理想换代产品。
图1 STR软起动器控制电机电气原理图
3 STRB软起动器在100吨纸浆工程中的应用
3.1工程配套情况
新乡鸿泰纸业公司新上100吨纸浆生产线中75KW以上电机全部采用了西安西普电力电子有限公司生产的STRB系列产品，共有16台软起动器，其中STRB075-3型5台，STRB090-3型2台，STRB110-3型5台，STRB160-3型2台，STRB187-3型1台，STRB250-3型1台，均采用一台软起动器拖动一台电机负载的方案（一拖一方案），电气主回路如图1示。
控制柜采用PGL型喷塑箱体，颜色为驼灰色，尺寸2200×1000×800mm（高×宽×深）3台，2200×800×800mm（高×宽×深）2台。由于采用一拖一软起控制方案，电器元件很少，元器件前后两侧安装，一台1000mm宽控制柜内可以安装4套软起控制回路，一台800mm宽控制柜内可以安装2套软起控制回路，大大节省安装空间，16台软起动器布置示意如图2。
图2 PGL软起动柜及16台软起动器回路布置示意（俯视图）
3.2软起动柜控制功能
软起动柜面板配置交流电压表和交流电流表，显示每台软起动柜的三相电压及每台电机的运行电流值。软起动柜设有就地（手动）、DCS（自动）操作转换开关。转换开关置“就地”位置时，利用软起动柜面板上的起动、停止按扭控制设备起停。操作转换开关置“DCS”位置时，由DCS控制系统自动控制设备起停。操作转换开关置“停止”位置时，软起动柜处于停止状态。控制柜面板设有每台设备运行、停止、故障指示灯。
3.3软起动柜接口
软起动柜留有DCS控制每台软起动器控制回路的“起动”“停止”两对无源开关接点，留有供DCS监视用的每台软起动器控制回路“运行”“停止”“故障”三对无源开关接点，留有供DCS监视用的每台软起动器设备的电流信号接口，由电流互感器提供，电流范围为交流0~5mA，同时该信号还用于软起动柜面板电流表监视。根据DCS控制要求，软起动柜内提供DCS监视每台柜三相电压的监测接口（三个端子），每二端子电压值为市电电压（交流Φ380V）。
全部软起动设备带负载调试一次试车成功，目前该生产线已正常投产。相比公司原有纸浆生产线的传统降压启动设备，电机起动电流小，对电网及机械设备的冲击明显降低，达到了很好软起、软停效果，用户非常满意。
参考文献
[1] 周绍莫.电力拖动[M].北京：冶金工业出版社,1990年5月第1版.
[2] 西安西普电力电子有限公司.STR系列全数字式交流电动机软起动器使用说明书,2005年.
Application Of AC Motor Soft Starter In The Paper Industry
ZhengZhou University Li Yonggang
Abstract：This paper analyses the characteristics and the existing problems of several traditional AC asynchronous motor start equipments.Then the operating principle and features of STR series digital AC motor soft starter are introduced. Finally the applied circumstances of STR soft starters are introduced in a pulp production line of 100 tons per day.
Keywords: STR Soft Starter； Full voltage starter； Voltage decreasing starter ； Pulp engineering
作者：李永刚（1967年-）,男，郑州大学讲师，主要从事变频器、软起动器交流传动技术及交流调速节能改造工作。
