Soft Starter in the application of the ship
哈爾濱九洲電氣股份有限公司
Liu Yang
【摘 要】本文主要介紹軟起動器的工作原理、起動方式、泵控制功能、常用的接線方式等。并論述了軟起動器對改善船舶電網運行質量、保證泵類正常運行的重要作用及意義。
【關鍵詞】晶閘管 軟起動器 晶閘管控制
Abstract: This Paper introduces the work of the soft starter theory,start-up mode and pump control functions commonly used in connection mode.And discussed the implementation of soft-start operation of power grids to improve the quality of the ship to ensure that the significance of the normal operation of pumps. Key words: thyristor、soft starter、thyristor controlled
1 引言
近代船舶像一個可移動的海上城市，它有許多設備都需要使用電能，因此在船上都配備有一個發電、配電、輸電、用電的獨立系統——船舶電力系統。隨著船舶的大型化和自動化程度的不斷提高，越來越多的船用設備需要用電來驅動和控制，船舶電力系統亦日趨龐大。
保證船舶電力系統安全地、可靠地運行就具有重要的意義。船舶電力系統是一個獨立的系統，通常其容量相對陸地上的電網來說是較小的。負載的投人和切除會影響船舶電網的頻率和電壓，特別是突加和突卸較大的負荷時會引起船舶電網頻率和電壓較大的波動，影響供電質量，嚴重時會引起船舶電站主開關跳閘事故。在船舶電站負荷中，泵類負載占有很大一部分比例，而這些負載幾乎都是由鼠籠式三相異步電動機帶動的。籠型異步電機由于結構簡單、控制方便、效率高等優點在船舶電力領域廣泛地應用于機械設備的拖動中。在實際使用中，電動機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的起動電流是其額定電流的5～7倍，如果大功率泵類負載采用直接起動的辦法，就會影響船舶電站的供電質量；在停機時，如果拖動系統突然失去轉矩，靠系統的摩擦轉矩克服系統的慣性滑行停車，也給拖動系統帶來諸多問題。
另外這些泵類負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。因此，很有必要在船上應用一種裝置保證泵類負載軟起動和軟停車，避免上述不利情況產生。近年來，隨著電力電子技術、計算機控制技術的發展，將強電與弱電相結合已成為機電控制的新趨勢，軟起動器就是這一新技術的產物。軟起動器是使用調壓裝置在規定時間內，自動將起動電壓連續平滑地上升，直到達到電機額定電壓。其結構簡單，性能可靠，無二次沖擊電流，力矩勻速平滑上升，保護傳動機械、設備和節省能源。
2 軟起動器概述
軟起動器按結構分有磁控軟起動器、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，切換時會出現較高的電流轉矩峰值，僅適用于空載或低阻性轉矩起動。自藕變壓器降壓起動器其體積大且故障率高，是笨重復雜的設備，維護工作量。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用。
2.1軟起動器的工作原理
軟起動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。如圖1所示：它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯閘管及其電子控制電路。
圖1軟起動器的工作原理
控制其觸發脈沖的遲早來改變觸發角的大小。而觸發導通角的大小，又改變晶閘管的導通時間，最終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。異步電動機定子調壓的結果，一方面其轉矩近似與定子電壓的平方成正比，另一方面電動機的電流又和定子電壓成正比。電動機的起動轉矩和初始電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現，而定子電壓又是通過可控硅的導通相角來控制的，所以不同的初始相角可實現不同的端電壓，以滿足不同的負載起動特性。電動機起動過程中，晶閘管的導通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機從零開始加速，直到晶閘管全導通，從而實現電動機的無級平滑起動。電動機工作在額定電壓的機械特性上。電動機的起動轉矩和起動電流的最大值可根據負載情況設定。起動時，電動機端電壓隨著晶閘管的導通角增大而逐漸上升，轉速也隨著增大，直到達到電機的額定電壓，從而結束起動過程。停車時，軟起動器內晶閘管導通角從大逐漸減小，使輸出的電壓逐漸減小到零電機轉速也隨著降為零，從而完成停車過程。
高壓軟起動主回路構成：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
在這種狀態下，軟起動裝置相當一個固態接觸器，電機和直接起動一樣，承受全部的電流沖擊和轉矩沖擊，一般情況下晶閘管全開時間控制在0.25s以內。
（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，實現對電機平滑、連續無級加速的起動，從而使齒輪、連軸結和皮帶的摩擦減小到最低。用戶可以調節電機的初始轉矩，在加速斜坡時間內，電機的輸入電壓從設置的初始轉矩對應的電壓線性上升，把傳統的降壓起動變有級為無級，從而可以使電機平滑的起動，減少了機械方面的沖擊。
（3）限流起動
顧名思義是限制電動機的高起動電流，起動電流及起動時間均可在一定范圍內預先設定，當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載，并且對電網沖擊有一定要求的工況下，其輸入電壓從零開始迅速增長，直到其電流達到預先設定的電流限值，然后在保證輸出電流不大于電流限值的情況下，改變晶閘管的導通角，逐漸升高電壓，直到額定電壓。與此同時，電動機的轉速也在逐漸上升，到達額定轉速。這種起動的優點是起動電流較小，可以把電動機起動對電網的沖擊降到最小，并可按照需要進行設定限流值。但是在設定電流限值時必須要根據電動機的初始轉矩來設定，否則設置過小會起動失敗或燒壞電機。
（4）突跳起動
這種起動方式主要應用在負載相對較重的工作環境下。該功能為電動機起動瞬間提供一個大提升轉距以克服負載的靜摩擦。這種起動方式的優點是可以縮短起動時間，起動較重的負載，但在起動的時候會對電網產生一定的沖擊，影響同一電網下其他負荷的工作。
（5）軟停車
軟停車實際上就相當于相反軟起動過程，主要作用是消除了系統的反慣性沖擊，對于泵類負載來講就是克服了“水錘”效應。其主要過程是在電動機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，使電機電壓逐漸下降，轉速降低，達到軟停車的效果。
3 電子式軟起動器的選用
3.1選型
（1）負載是離心泵(如消防泵、噴淋泵、水泵等)．則需利用泵控制功能，減少起動和停止時液流沖擊所產生的系統水錘現象的發生，所以必須選用帶泵控制功能的軟起動器，如另帶欠載保護或防相位顛倒保護的會更好。
（2）負載是通風機的話，可利用軟起動功能，減少皮帶磨損和機械沖擊，并可利用停機時制動轉距功能。
（3）負載是攪拌機，可利用雙斜坡起動和預置低速運行，避免機械損壞。負載是輸送設備，則利用軟起動和預置低速功能，實現平滑啟停，軟停車消除了由于自由停車帶來的拖動系統反慣性沖擊，避免產品移位和液體溢出。若有計算機聯網要求，可選帶通訊接口的軟起動器，可對軟起動器進行遠程控制和監視。選擇軟起動器還要注意負載是標準負載還是重載負載。
3.2選規格
根據電動機的標稱功率、電流及負載性質選擇起動器。一般軟起動容量稍大于電動機工作電流即可。同時適當考慮散熱因素。
3.3保護功能完備
(1) 如過電流保護、過壓保護、單項接地保護、上下口斷相保護、三相不平衡保護、相位顛倒保護等。不帶過載保護的，必須另加熱繼電器保護。
(2) 有的軟起動器一般不帶短路保護，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載發生短路時受到保護，低壓斷路器一般不能保護軟起動器。進線電抗器可限制主電源的諧波干擾，當幾臺起動器接于同一電源時建議使用進線電抗器。
(3) 軟起動器至電動機的接線要特別注意，大部分是3根出線，但部分產品也有6根出線的。軟起動器可安裝在有功率因素補償器的系統中，但電容器必須位于軟起動器的電源進線一側，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，供工程設計選用。
(4) 軟起動器允許長期在額定負載工況下運行，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運行回路是否還有過載熱保護功能。在實際應用過程中，若工藝條件許可，用一臺軟起動器起動多臺電動機時，其容量應根據電動機中最大的起動負荷考慮，可大大節省投資費用。
(5) 機柜內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生熱耗散，安裝時應注意在其上、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。當軟起動器額定電流較大時，要采用風機降溫，風機的電源可取自電機控制系統的二次回路。機械風冷的還要考慮傾斜度等。自然風冷的無此要求。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) 參數測試功能
部分品牌軟起動器還帶有參數顯示窗口，可以通過按鍵在顯示窗口選擇顯示電機的運行參數，如三相電壓值、三相電流值、功率因數、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在運行過程中的各種參數。
4 軟起動器的接線方式
(1)單臺單機式，見圖3
圖3單臺單機式
(2)軟起動器+旁路接觸器式，見圖4
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接觸器觸頭，當電動機軟起動結束后電流將通過開關K送至電動機。一旦發出停車信號，先將K斷開，然后起動器對電動機進行軟停車。這種運行方式可以避免電動機運行時軟起動器產生的諧波，比較適合在船上使用。
(3)單臺多機式，見圖5
圖5單臺多機式
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進行軟起動、軟停車控制。但被控制的電動機不能同時起動。
(4)軟起動器與微機聯合控制式。機艙中的泵多是兩套，一臺備用，一臺運行。可將軟起動器與集控室主微機組合起來實現泵的自動報警、自動定時輪換運行的控制。
5 采用軟起動器的優點
(1)利用泵控制功能可以根據泵類負載特性檢測電動機起動相關參數并自動調節輸出轉矩，最大限度地減小機械沖擊及“水擊”現象。
(2)內置的過載保護功能可以使控制板內布線更加簡單。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運行參數。如電壓、電流、功率、運行時間等。
(4)克服了電動機起動時對電網的沖擊，避免發電機因多臺電動機同時起動而跳閘的情況，改善了電網的運行質量，保證了船艙中其它電動機的正常運行。所以軟起動器應用于船艙輔機的控制對保證船舶電力系統的安全運行有著重要的意義。
(5)可實現輕載節能。電動機輕載時功率因數較低，而重載時功率因數較高。軟起動器能實現在輕載時通過降低電動機端電壓提高功率因數，減少電動機的銅耗、鐵耗，達到節能的目的；重載時提高電機端電壓，以保證電機正常運行。
6結束語
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載管道系統的破壞力，大大改善了電動機的運行條件。軟起動器應用到船舶中，有著較強的實用性和經濟性，同時也提高了安全性。
參考文獻
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[6] 船舶供電技術 莊福余 哈爾濱工程大學出版社 2006 年10月
[7] 船舶動力系統教材 上海交通大學出版社 2006年1月
作者簡介
劉洋，男，電子工程師，研究方向為電力電子及電機拖動技術。現就職于哈爾濱九洲電氣股份有限公司研發中心，從事高壓軟起動相關技術的研究。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
