1 引言
近代船舶像一個可移動的海上城市，它有許多設(shè)備都需要使用電能，因此在船上都配備有一個發(fā)電、配電、輸電、用電的獨立系統(tǒng)——船舶電力系統(tǒng)。隨著船舶的大型化和自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設(shè)備需要用電來驅(qū)動和控制，船舶電力系統(tǒng)亦日趨龐大。
保證船舶電力系統(tǒng)安全地、可靠地運行就具有重要的意義。船舶電力系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，通常其容量相對陸地上的電網(wǎng)來說是較小的。負(fù)載的投人和切除會影響船舶電網(wǎng)的頻率和電壓，特別是突加和突卸較大的負(fù)荷時會引起船舶電網(wǎng)頻率和電壓較大的波動，影響供電質(zhì)量，嚴(yán)重時會引起船舶電站主開關(guān)跳閘事故。在船舶電站負(fù)荷中，泵類負(fù)載占有很大一部分比例，而這些負(fù)載幾乎都是由鼠籠式三相異步電動機(jī)帶動的。籠型異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、效率高等優(yōu)點在船舶電力領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的拖動中。在實際使用中，電動機(jī)在起動或停止過程中還存在著一系列問題。鼠籠式三相異步電動機(jī)的起動電流是其額定電流的5～7倍，如果大功率泵類負(fù)載采用直接起動的辦法，就會影響船舶電站的供電質(zhì)量；在停機(jī)時，如果拖動系統(tǒng)突然失去轉(zhuǎn)矩，靠系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩克服系統(tǒng)的慣性滑行停車，也給拖動系統(tǒng)帶來諸多問題。
另外這些泵類負(fù)載傳送的通常是液體，如果突然起動或者突然停車會造成液擊，損壞管道系統(tǒng)。因此，很有必要在船上應(yīng)用一種裝置保證泵類負(fù)載軟起動和軟停車，避免上述不利情況產(chǎn)生。近年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，將強(qiáng)電與弱電相結(jié)合已成為機(jī)電控制的新趨勢，軟起動器就是這一新技術(shù)的產(chǎn)物。軟起動器是使用調(diào)壓裝置在規(guī)定時間內(nèi)，自動將起動電壓連續(xù)平滑地上升，直到達(dá)到電機(jī)額定電壓。其結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，無二次沖擊電流，力矩勻速平滑上升，保護(hù)傳動機(jī)械、設(shè)備和節(jié)省能源。
2 軟起動器概述
軟起動器按結(jié)構(gòu)分有磁控軟起動器、晶閘管軟起動器、液阻軟起動器等幾種類型，其中以電子晶閘管式軟起動器應(yīng)用最為廣泛。對于降壓起動一般有以下幾種常用方式：y/δ降壓起動，自藕變壓器降壓起動，軟起動。y/δ降壓起動器需接6芯線，而且故障率高，切換時會出現(xiàn)較高的電流轉(zhuǎn)矩峰值，僅適用于空載或低阻性轉(zhuǎn)矩起動。自藕變壓器降壓起動器其體積大且故障率高，是笨重復(fù)雜的設(shè)備，維護(hù)工作量。本文主要論述了電子式軟起動器的工作原理等功能在船舶上的應(yīng)用。
2.1軟起動器的工作原理
軟起動器是一種集電機(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。如圖1所示，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)閘管及其電子控制電路。
圖1 軟起動器的工作原理
控制其觸發(fā)脈沖的遲早來改變觸發(fā)角的大小。而觸發(fā)導(dǎo)通角的大小，又改變晶閘管的導(dǎo)通時間，最終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。異步電動機(jī)定子調(diào)壓的結(jié)果，一方面其轉(zhuǎn)矩近似與定子電壓的平方成正比，另一方面電動機(jī)的電流又和定子電壓成正比。電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和初始電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現(xiàn)，而定子電壓又是通過可控硅的導(dǎo)通相角來控制的，所以不同的初始相角可實現(xiàn)不同的端電壓，以滿足不同的負(fù)載起動特性。電動機(jī)起動過程中，晶閘管的導(dǎo)通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機(jī)從零開始加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，從而實現(xiàn)電動機(jī)的無級平滑起動。電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上。電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的最大值可根據(jù)負(fù)載情況設(shè)定。起動時，電動機(jī)端電壓隨著晶閘管的導(dǎo)通角增大而逐漸上升，轉(zhuǎn)速也隨著增大，直到達(dá)到電機(jī)的額定電壓，從而結(jié)束起動過程。停車時，軟起動器內(nèi)晶閘管導(dǎo)通角從大逐漸減小，使輸出的電壓逐漸減小到零電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨著降為零，從而完成停車過程。
高壓軟起動主回路構(gòu)成如圖2所示。
圖2 軟起動主回路
2.2電子式軟起動器的起動方式
（1）全壓起動
在這種狀態(tài)下，軟起動裝置相當(dāng)于一個固態(tài)接觸器，電機(jī)和直接起動一樣，承受全部的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，一般情況下晶閘管全開時間控制在0.25s以內(nèi)。
（2）電壓斜坡起動
顧名思義是電壓由小到大成斜坡線形上升，它是將傳統(tǒng)的降壓起動由有級變成無級，它通過減少起動力矩的沖擊，實現(xiàn)對電機(jī)平滑、連續(xù)無級加速的起動，從而使齒輪、連軸結(jié)和皮帶的摩擦減小到最低。用戶可以調(diào)節(jié)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)矩，在加速斜坡時間內(nèi)，電機(jī)的輸入電壓從設(shè)置的初始轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的電壓線性上升，把傳統(tǒng)的降壓起動變有級為無級，從而可以使電機(jī)平滑的起動，減少了機(jī)械方面的沖擊。
（3）限流起動
顧名思義是限制電動機(jī)的高起動電流，起動電流及起動時間均可在一定范圍內(nèi)預(yù)先設(shè)定，當(dāng)必須限制最大起動電流時，可使用此方式。它主要用于輕載起動的負(fù)載，并且對電網(wǎng)沖擊有一定要求的工況下，其輸入電壓從零開始迅速增長，直到其電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值，然后在保證輸出電流不大于電流限值的情況下，改變晶閘管的導(dǎo)通角，逐漸升高電壓，直到額定電壓。與此同時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也在逐漸上升，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速。這種起動的優(yōu)點是起動電流較小，可以把電動機(jī)起動對電網(wǎng)的沖擊降到最小，并可按照需要進(jìn)行設(shè)定限流值。但是在設(shè)定電流限值時必須要根據(jù)電動機(jī)的初始轉(zhuǎn)矩來設(shè)定，否則設(shè)置過小會起動失敗或燒壞電機(jī)。
（4）突跳起動
這種起動方式主要應(yīng)用在負(fù)載相對較重的工作環(huán)境下。該功能為電動機(jī)起動瞬間提供一個大提升轉(zhuǎn)距以克服負(fù)載的靜摩擦。這種起動方式的優(yōu)點是可以縮短起動時間，起動較重的負(fù)載，但在起動的時候會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，影響同一電網(wǎng)下其他負(fù)荷的工作。
（5）軟停車
軟停車實際上就相當(dāng)于相反軟起動過程，主要作用是消除了系統(tǒng)的反慣性沖擊，對于泵類負(fù)載來講就是克服了“水錘”效應(yīng)。其主要過程是在電動機(jī)實行軟停車時軟起動裝置的旁路接觸器斷開，同時晶閘管開始工作，使電機(jī)電壓逐漸下降，轉(zhuǎn)速降低，達(dá)到軟停車的效果。
3 電子式軟起動器的選用
3.1選型
（1）負(fù)載是離心泵(如消防泵、噴淋泵、水泵等)。需利用泵控制功能，減少起動和停止時液流沖擊所產(chǎn)生的系統(tǒng)水錘現(xiàn)象的發(fā)生，所以必須選用帶泵控制功能的軟起動器，如另帶欠載保護(hù)或防相位顛倒保護(hù)的會更好。
（2）負(fù)載是通風(fēng)機(jī)的話，可利用軟起動功能，減少皮帶磨損和機(jī)械沖擊，并可利用停機(jī)時制動轉(zhuǎn)距功能。
（3）負(fù)載是攪拌機(jī)，可利用雙斜坡起動和預(yù)置低速運行，避免機(jī)械損壞。負(fù)載是輸送設(shè)備，則利用軟起動和預(yù)置低速功能，實現(xiàn)平滑啟停，軟停車消除了由于自由停車帶來的拖動系統(tǒng)反慣性沖擊，避免產(chǎn)品移位和液體溢出。若有計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)要求，可選帶通訊接口的軟起動器，可對軟起動器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視。選擇軟起動器還要注意負(fù)載是標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載還是重載負(fù)載。
3.2 選規(guī)格
根據(jù)電動機(jī)的標(biāo)稱功率、電流及負(fù)載性質(zhì)選擇起動器。一般軟起動容量稍大于電動機(jī)工作電流即可。同時適當(dāng)考慮散熱因素。
3.3 保護(hù)功能完備
(1)如過電流保護(hù)、過壓保護(hù)、單項接地保護(hù)、上下口斷相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、相位顛倒保護(hù)等。不帶過載保護(hù)的，必須另加熱繼電器保護(hù)。
(2)有的軟起動器一般不帶短路保護(hù)，需外加快速熔斷器并與晶閘管容量匹配，它能使晶閘管在連接負(fù)載發(fā)生短路時受到保護(hù)，低壓斷路器一般不能保護(hù)軟起動器。進(jìn)線電抗器可限制主電源的諧波干擾，當(dāng)幾臺起動器接于同一電源時建議使用進(jìn)線電抗器。
(3)軟起動器至電動機(jī)的接線要特別注意，大部分是3根出線，但部分產(chǎn)品也有6根出線的。軟起動器可安裝在有功率因素補(bǔ)償器的系統(tǒng)中，但電容器必須位于軟起動器的電源進(jìn)線一側(cè)，以避免電容器放電損壞軟起動器的晶閘管，另外在電源和電容之間接入電感線圈。軟起動器大多帶正常運行和故障信號輔助觸點，供工程設(shè)計選用。
(4)軟起動器允許長期在額定負(fù)載工況下運行，可以用旁路接觸器，在起動完畢后把它短接。切除后要注意電動機(jī)運行回路是否還有過載熱保護(hù)功能。在實際應(yīng)用過程中，若工藝條件許可，用一臺軟起動器起動多臺電動機(jī)時，其容量應(yīng)根據(jù)電動機(jī)中最大的起動負(fù)荷考慮，可大大節(jié)省投資費用。
(5)機(jī)柜內(nèi)安裝軟起動器時要考慮散熱空間。軟起動器在通過電流時將會產(chǎn)生熱耗散，安裝時應(yīng)注意在其上、下方留出一定空間，軟起正上方不能放電器元件，以使空氣能流過其功率模塊。當(dāng)軟起動器額定電流較大時，要采用風(fēng)機(jī)降溫，風(fēng)機(jī)的電源可取自電機(jī)控制系統(tǒng)的二次回路。機(jī)械風(fēng)冷的還要考慮傾斜度等。自然風(fēng)冷的無此要求。運行方式分在線型和非在線型，選型時盡量選用非在線型。
(6)參數(shù)測試功能
部分品牌軟起動器還帶有參數(shù)顯示窗口，可以通過按鍵在顯示窗口選擇顯示電機(jī)的運行參數(shù)，如三相電壓值、三相電流值、功率因數(shù)、運行時間等，而無需增加任何儀表，此功能可使用戶很方便地查詢電機(jī)在運行過程中的各種參數(shù)。
4 軟起動器的接線方式
(1)單臺單機(jī)式，如圖3所示。
圖3 單臺單機(jī)式
(2)軟起動器+旁路接觸器式，如圖4所示。
圖4 軟起動器+旁路接觸器式
在軟起動器的晶閘管兩端并聯(lián)接觸器觸頭，當(dāng)電動機(jī)軟起動結(jié)束后電流將通過開關(guān)k送至電動機(jī)。一旦發(fā)出停車信號，先將k斷開，然后起動器對電動機(jī)進(jìn)行軟停車。這種運行方式可以避免電動機(jī)運行時軟起動器產(chǎn)生的諧波，比較適合在船上使用。
(3)單臺多機(jī)式，如圖5所示。
圖5 單臺多機(jī)式
為提高軟起動器的利用率，可用一臺軟起動器對多臺電動機(jī)進(jìn)行軟起動、軟停車控制。但被控制的電動機(jī)不能同時起動。
(4)軟起動器與微機(jī)聯(lián)合控制式。機(jī)艙中的泵多是兩套，一臺備用，一臺運行。可將軟起動器與集控室主微機(jī)組合起來實現(xiàn)泵的自動報警、自動定時輪換運行的控制。
5 采用軟起動器的優(yōu)點
(1)利用泵控制功能可以根據(jù)泵類負(fù)載特性檢測電動機(jī)起動相關(guān)參數(shù)并自動調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，最大限度地減小機(jī)械沖擊及“水擊”現(xiàn)象。
(2)內(nèi)置的過載保護(hù)功能可以使控制板內(nèi)布線更加簡單。減小控制板體積。
(3)不需要任何傳感器或儀表就可讀取電動機(jī)運行參數(shù)。如電壓、電流、功率、運行時間等。
(4)克服了電動機(jī)起動時對電網(wǎng)的沖擊，避免發(fā)電機(jī)因多臺電動機(jī)同時起動而跳閘的情況，改善了電網(wǎng)的運行質(zhì)量，保證了船艙中其它電動機(jī)的正常運行。所以軟起動器應(yīng)用于船艙輔機(jī)的控制對保證船舶電力系統(tǒng)的安全運行有著重要的意義。
(5)可實現(xiàn)輕載節(jié)能。電動機(jī)輕載時功率因數(shù)較低，而重載時功率因數(shù)較高。軟起動器能實現(xiàn)在輕載時通過降低電動機(jī)端電壓提高功率因數(shù)，減少電動機(jī)的銅耗、鐵耗，達(dá)到節(jié)能的目的；重載時提高電機(jī)端電壓，以保證電機(jī)正常運行。
6 結(jié)束語
軟起動器的軟起動和軟停車等功能適合船舶電站容量有限的特點，有效降低了液體對泵類負(fù)載管道系統(tǒng)的破壞力，大大改善了電動機(jī)的運行條件。軟起動器應(yīng)用到船舶中，有著較強(qiáng)的實用性和經(jīng)濟(jì)性，同時也提高了安全性。
作者簡介
劉 洋 男 電子工程師，研究方向為電力電子及電機(jī)拖動技術(shù)，現(xiàn)就職于哈爾濱九洲電氣股份有限公司研發(fā)中心，從事高壓軟起動相關(guān)技術(shù)的研究。
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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