软启动器和变频器在煤矿带式输送机启动过程中的应用

吴涛+赵志强

摘 要：软启动器在七八十年代提出，那时叫做晶闸管移相启动器。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器通常分为四部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。本文主要针对软启动器和变频器在带式输送机启动过程中的应用，通过对软启动器和变频器启动过程的调速原理进行分析，并结合煤矿实际应用案例，提出针对带式输送机的软启动装置的选取原则。

关键词：带式输送机；软启动器；变频器

前言：经过四十多年的发展，软启动器的成本不断降低，当国内很多企业产品质量非常稳定时，软启动器逐渐取代了直起、自藕减压和星三角启动器。现代的软启动器已经发展成为一种集软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装备。可实现在整个启动过程中无冲击而平滑地启动电机，而且可根据电动机的特性来调节启动过程中的各种参数，如限流值、启动时间等。软启动器很好地解决了电动机启动时对电网的冲击和启动后旁路接触器工作的问题，它还具有多种电机的保护功能，因此软启动器得到广泛的应用。

1 带式输送机启动特性及主要启动控制方式

带式输送机系统的启动过程会出现：打滑、冲击。改善带式输送机的启动性能已成为影响其运行的主要问题。目前对带式输送机实现可控启动有多种方式，大致可分为机械装置调速和电气软启动两大类。机械调速启动装置主要有：①调速型液力耦合器；②CST可控启动传输；③液体粘滞可控离合器等多种方式。电气软启动主要有：①直流电机整流调速；②软启动器（晶闸管调压型）；③变频装置；④星-三角（Y-△）降压起动等。以上启动方式各有优缺点，本文仅讨论软启动器和变频装置在带式输送机启动过程中应用效果。

2 电气软启动器工作原理

软启动器以交流调压方式限制电动机的启动电流，使电动机带动带式输送机平稳地过渡到额定转速。电机启动时，通过调节晶闸管导通角控制负载的初始电压，系统按预先设定的启动加速速率和启动时间，逐步控制加在电机上的电压和电流，平滑地增加电机转矩，当负载电机转速达到额定转速时，旁路接触器短接软启动器，启动过程结束。

3 变频装置工作原理

在变频调速工作原理是：三相对称交流电经过整流桥后转化为脉动直流电，再通过逆变器将直流电转换为频率可调、电压可调的等效交流电，输出给异步电机。由于电机的转速与电源频率成正比，通过改变电源输出的频率，调节电机转速，实现平滑无级调速。

变频调速原理是电机输出转速在負载恒定时正比于电源频率。改变电子元件的导通周期T就可改变交变电源频率，而改变电子元件的导通时间就可改变交变电源电压。

4 变频启动与软启动对比分析

在異步电机稳态数学模型的基础上，通过采用异步电机调速系统的稳态等效电路来分析异步电机在不同工况下的运行状况，进而对软启动与变频器的驱动性能进行比较。

异步电机的稳态数学模型包括异步电机稳态时的等效电路与机械特性，其中，稳态等效电路描述了异步电机在一定转差率下的稳态电气特性，而机械特性则描述了异步电机的电磁转矩与转速的稳态关系。

Us 定子相电压幅值；Is定子相电流幅值；Rs定子绕组电阻；

Lls定子绕组漏感； Lm定子励磁电感； I0励磁电流幅值；

Llr折算到定子侧的转子绕组漏感； Rr折算到定子侧的转子绕组电阻；

Ir折算到定子侧的转子相电流幅值； s转差率； np异步电机的极对数。

4.1 软启动性能分析

软启动多采用降压启动的方式，在降低定子电源电压幅值的同时，并不对定子的电源频率进行调节。

在ω1保持恒定的条件下，若降低定子电压的幅值，异步电机的电磁转矩Te将随电压的平方成正比地降低。显然，在使用软启动对异步电机进行降压启动的过程中，其电磁转矩无法得到保证。

4.2 变频器性能分析

变频器与软启动的最大区别在于，变频器在调节定子电源电压幅值的同时，还会同步调节定子电源的频率，从而保持异步电机磁通的恒定，进而确保了电机的电磁转矩。

当采用变频器驱动异步电机时，电机的机械特性在整个过程中并没有发生明显的变化，而且通过动态调整定子电压的频率，还可以人为改变异步电机的机械特性，因此变频器具有相当广泛的应用前景。

4.3 变频器启动特性

在起动过程中，必经由低频开始起动，其电压和频率同时都在增加。鉴于不同电压和不同频率下的ns曲线不同，因而随着频率、电压的递增，它的起动曲线是不同频率和电压相对应的I-n曲线族组成，当电机带负载起动时，频率由零逐步升至起动频率fk，当与fk对应的起动转矩大于负载转矩时，电机就开始起动。随转速上升转矩下降至负载转矩时，变频器输出频率升至fh，电机就沿着设定的频率曲线，最后稳定运行于所需要转速的频率线上。整个变频电机的起动过程曲线族，是沿折线呈锯齿形曲线变化。

4.4 变频器与软启动的性能比较

软启动器优点是电机启动平滑，可以降低电机的启动冲击电流，减少对电网和电机自身的冲击。但对于带式输送机这类可能需要重载启动的应用场合，软启动几乎无法胜任。带式输送机属于恒转矩负载，其负载转矩不随电机转速改变，而软启动在驱动电机的初始阶段由于定子电压幅值较小，无法提供足够的转矩，因此无法实现电机的重载启动。

而变频器可应用于带式输送机的恒转矩负载的调速驱动过程中。它能有效控制带式输送机的软启动、软停车，同时在使用多电机驱动的带式输送机系统中能够动态分配各个电机的输出功率，精度高，波动范围小。

如冀中能源东庞矿井原带式输送机大部分采用软启动器，在重载压煤时均难以启动，只能人工卸煤后再启动。现已逐步将原软启动器改造更换为变频装置，已更换变频装置的带式输送机未发生启动困难现象。

可见变频器不仅具有软启动的所有特性，还能始终将电机的机械特性保持在理想的范围内，这种优越的特性几乎可以满足各种负载状况的场合，因此其启动性能要远远优于软启动。特别是在类似带式输送机这种需要重载启动的场合，使用变频器才可满足生产现场的要求。

参考文献：

[1]张铁峰.变频调速电机启动特性分析[J].防爆电机，2011（5）：49.

[2]崔晶.高性能V/f控制在中压变频器中的实现[J].西安铁路职业技术学院学报，2008（03）：98.

[3]王建升.AHD型带式输送机全自动液压张紧装置[J].矿山机械，2007（02）：56.endprint