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晶閘管軟啟動(dòng)器將逐步取代傳統(tǒng)的自耦式補(bǔ)償器
摘要：軟啟動(dòng)器作為節(jié)能控制器于上世紀(jì)90年代初開(kāi)始在國(guó)內(nèi)大量推廣，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐證明晶閘管軟啟動(dòng)器優(yōu)于傳統(tǒng)的自耦式補(bǔ)償器，隨著國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn)傳統(tǒng)的自耦式補(bǔ)償器將被逐步淘汰。關(guān)鍵詞：晶閘管軟啟動(dòng)器；節(jié)能控制器；自耦式補(bǔ)償器；智能化軟啟動(dòng)器中
1引言
1977年美國(guó)航空航天局(NASA)FrankNole工程師獲得了一項(xiàng)節(jié)電器專利，初期稱為“功率因數(shù)控制器”，此后又有許多公司和個(gè)人開(kāi)發(fā)了十幾種節(jié)電器。1982年FrankNole又作了二點(diǎn)改進(jìn)，一是省掉取樣電阻而改為監(jiān)視晶閘管兩端電壓，二是采取了反饋控制技術(shù)，使空載時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓進(jìn)一步減小，節(jié)電率大大提高，正式定名為“節(jié)電器”（POWERSAVER）。我國(guó)也開(kāi)發(fā)了節(jié)電器，但實(shí)際使用效果不佳，未能廣泛推廣使用。1983年后，上海市相繼引進(jìn)了一系列的節(jié)電器產(chǎn)品，在對(duì)引進(jìn)的節(jié)電器消化吸收的基礎(chǔ)上，上海，西安等地研制出了新型節(jié)電器，其性能達(dá)到并超過(guò)引進(jìn)的同類產(chǎn)品，為進(jìn)一步推廣節(jié)電器創(chuàng)造了條件，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上從上世紀(jì)90年代開(kāi)始把軟啟動(dòng)器作為電機(jī)節(jié)能的首選產(chǎn)品。
2作為節(jié)能應(yīng)用的軟啟動(dòng)器
節(jié)電器通過(guò)雙向晶閘管或反并聯(lián)晶閘管相位控制實(shí)現(xiàn)降壓，其主電路原理如圖1所示。
晶閘管軟啟動(dòng)器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1（參閱30kW電機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）。從表1可見(jiàn)
1）節(jié)電器對(duì)某些特定的負(fù)載具有較好的節(jié)電效
益，因此，它應(yīng)在相應(yīng)范圍內(nèi)推廣使用，切莫不分對(duì)象
2）對(duì)于不變負(fù)載（不管是滿載還是負(fù)載率30％～40％情況），連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行，則不宜采用節(jié)電器，而應(yīng)該選用高效電動(dòng)機(jī)。
3）對(duì)于變負(fù)載情況，如果最低負(fù)載率≥30％以上，采用晶閘管軟啟動(dòng)器意義也不大。
3軟啟動(dòng)器與自耦式補(bǔ)償器技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比
傳統(tǒng)的自耦補(bǔ)償器自上世紀(jì)50年代初開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，一直在電機(jī)起動(dòng)裝置領(lǐng)域占居主要地位。自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外固態(tài)起動(dòng)裝置在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域逐步推廣使用，已對(duì)傳統(tǒng)的補(bǔ)償器形成較大沖擊。表2對(duì)二種裝置進(jìn)行了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)對(duì)比，并給出了正確應(yīng)用范圍供讀者參考。
4軟啟動(dòng)器的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用范圍
1）短期重復(fù)工作的機(jī)械
長(zhǎng)期空載(輕載<40％)運(yùn)行，短時(shí)重載。例如：起重機(jī)、皮帶輸送機(jī)、金屬材料壓延機(jī)、車床、沖床、刨床、剪床等。
2）頻繁起動(dòng)的工作機(jī)械
有些機(jī)械經(jīng)常處于開(kāi)停狀態(tài)，如果允許輕載啟動(dòng)，則可以使用軟起動(dòng)技術(shù)。以下列舉一些軟起動(dòng)器的特性。 a)線性軟起動(dòng)
這種起動(dòng)方式是最普遍使用的。首先，電機(jī)上升至初始轉(zhuǎn)矩值，該值可在5％～90％的額定轉(zhuǎn)矩之間調(diào)節(jié)。然后，電機(jī)電壓在加速斜坡上升時(shí)間逐漸上升，加速斜坡上升時(shí)間可在2～30s之間調(diào)整。如圖2所示。b）帶可選擇突跳起動(dòng)的軟起動(dòng)
這種起動(dòng)方式提供了突跳起動(dòng)和升壓。它可提供500％滿載電流的電流脈沖，可調(diào)時(shí)間范圍為0.4～2s。使電機(jī)因負(fù)載需要助推才能起動(dòng)時(shí)額外加一個(gè)附加轉(zhuǎn)矩。如圖3所示。
c）泵控制
該功能在離心泵的起動(dòng)及停止期間，通過(guò)平滑地加速及減速電機(jī)來(lái)減小泵系統(tǒng)中出現(xiàn)的喘振。由微計(jì)算機(jī)分析電機(jī)變量并發(fā)出控制命令，以減小系統(tǒng)中出現(xiàn)喘振可能性的方式來(lái)控制電機(jī)。起動(dòng)時(shí)間可在2～30s之間調(diào)整，停止時(shí)間可在2～120s之間調(diào)整。如圖4所示。
d）智能電機(jī)制動(dòng)
控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在需要電機(jī)比自由停車更快速停車的場(chǎng)合，即快速制動(dòng)。它是以微計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)給標(biāo)準(zhǔn)的鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供三相制動(dòng)電流。制動(dòng)在沒(méi)有附加的接觸器或電源設(shè)備的情況下完成，而且無(wú)需計(jì)時(shí)器、傳感器或測(cè)速計(jì)，便實(shí)行自動(dòng)零速停車。制動(dòng)電流的強(qiáng)弱可在滿載電流的150％～400％之間調(diào)整。補(bǔ)償器無(wú)法完成此功能。如圖5所示。
e）低速制動(dòng)
該功能主要用于電動(dòng)機(jī)需正向低速定位和需要制
表2三種降壓起動(dòng)性能對(duì)比降壓起動(dòng)方式自耦變壓器星?三角轉(zhuǎn)換晶閘管軟起動(dòng)器
起動(dòng)電壓K·Ue(0.3～1.0)Ue
起動(dòng)電流K·Ied(0.3～1.0)Ied
起動(dòng)力矩K2·Mgd(0.3～1.0)Mgd
各種起動(dòng)方式的特征及優(yōu)缺點(diǎn)輕載起動(dòng)時(shí)起動(dòng)沖擊電流小，起動(dòng)力矩較大，但不允許頻繁起動(dòng)，切換時(shí)產(chǎn)生二次沖擊起動(dòng)電流小，起動(dòng)力矩小，僅適合20kW以下小容量起動(dòng)電流可以從（20～400）％任意規(guī)定，對(duì)起動(dòng)力矩可限制，保護(hù)機(jī)械安全，輕載可以節(jié)能
自耦式補(bǔ)償器的價(jià)格及其銅、硅鋼用量及相應(yīng)軟啟動(dòng)器價(jià)格控制電動(dòng)機(jī)功率/kW自耦式啟動(dòng)器ABB軟啟動(dòng)器價(jià)格/元
價(jià)格/元消耗銅/kg消耗硅鋼/kg
15～223900.0014353450.00
20～374050.0017485830.00
455500.0034866190.00
556400.0036946410.00
756700.00401008700.00
908700.004210510970.00
11010500.004411010950.00
13212700.005614412970.00
16014000.007016014620.00
180～20016000.007518016010.00
220～25020000.008320023660.00
280～31521000.009021040670.00
動(dòng)控制停車的場(chǎng)合。慢速調(diào)制速度為額定速度的7％（低）或額定速度的15％（高）。低速加速電流（2s內(nèi)）可在50％～400％之間調(diào)整。制動(dòng)電流可在150％～400％之間調(diào)整。不能采用突跳啟動(dòng)。低速電流限量可在滿載電流的50％～450％之間調(diào)整。如圖6所示。
f）泵專門(mén)起動(dòng)控制
消除喘振現(xiàn)象的控制方法如圖7所示，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)矩曲線已經(jīng)修改成泵系統(tǒng)相關(guān)特性。這種特性可提供盡可能接近恒定的加速轉(zhuǎn)矩。同時(shí)不需要轉(zhuǎn)速表、流量或壓力傳感器、或其它類型的外部反饋到控制器，而是利用基于微處理器的電動(dòng)機(jī)反饋來(lái)完成的。由于沒(méi)有突然的轉(zhuǎn)矩變化、因此電動(dòng)機(jī)平滑地加速，泵系統(tǒng)的喘振或沖擊達(dá)到最小。 5晶閘管軟啟動(dòng)器應(yīng)用情況
根據(jù)上海某公司提供的銷售情況，2001年該公司銷售晶閘管軟啟動(dòng)器2000余臺(tái)。說(shuō)明晶閘管軟啟動(dòng)器的市場(chǎng)前景看好，傳統(tǒng)的自耦式補(bǔ)償器將逐步被軟啟動(dòng)器取代。
在我國(guó)晶閘管軟啟動(dòng)器從上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始逐漸被應(yīng)用于取代傳統(tǒng)的自耦式補(bǔ)償器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是軟起動(dòng)性能好，可以根據(jù)被啟動(dòng)設(shè)備的需要進(jìn)行限流啟動(dòng)，即可以在電機(jī)額定啟動(dòng)電流0.5～4倍以內(nèi)任意調(diào)整。其次是體積小，不需消耗大量銅，硅鋼片材料。
表3列出自耦式補(bǔ)償器價(jià)格及銅，硅鋼片用量。同時(shí)列出ABB軟啟動(dòng)器同等功率產(chǎn)品的參考價(jià)格。
6結(jié)語(yǔ)1）從初投資對(duì)比來(lái)看，功率在250kW以下，選用晶閘管軟啟動(dòng)器相間功率增大倍，但價(jià)格與自耦式補(bǔ)償器相仿。功率從280kW開(kāi)始采用晶閘管軟啟動(dòng)器較貴，但可以節(jié)約大量硅鋼及銅材，并滿足一定工藝要求，還可防止二次沖擊。
2）凡工藝上有特殊需要的設(shè)備，如圖3～圖6傳統(tǒng)的補(bǔ)償器啟動(dòng)無(wú)法滿足要求，必須采用智能晶閘管軟啟動(dòng)器。
3
）長(zhǎng)期高速，短時(shí)低速，且電機(jī)負(fù)載率在35％以下時(shí)，采用晶閘管軟啟動(dòng)器有較好節(jié)能效果。
作者簡(jiǎn)介
周德賢（1936－），男，高級(jí)工程師。上海電機(jī)工程學(xué)會(huì)電氣傳動(dòng)專委會(huì)主任委員，上海電力電子學(xué)會(huì)常務(wù)理事，上海電器集團(tuán)公司理事。合編《風(fēng)機(jī)水泵交流調(diào)速節(jié)能技術(shù)》、《風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能設(shè)計(jì)手冊(cè)》等，發(fā)表論文26篇
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