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晶閘管軟啟動器將逐步取代傳統(tǒng)的自耦式補償器
摘要：軟啟動器作為節(jié)能控制器于上世紀(jì)90年代初開始在國內(nèi)大量推廣，經(jīng)過多年實踐證明晶閘管軟啟動器優(yōu)于傳統(tǒng)的自耦式補償器，隨著國產(chǎn)化的推進傳統(tǒng)的自耦式補償器將被逐步淘汰。關(guān)鍵詞：晶閘管軟啟動器；節(jié)能控制器；自耦式補償器；智能化軟啟動器中
1引言
1977年美國航空航天局(NASA)FrankNole工程師獲得了一項節(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人開發(fā)了十幾種節(jié)電器。1982年FrankNole又作了二點改進，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)，使空載時電動機電壓進一步減小，節(jié)電率大大提高，正式定名為“節(jié)電器”（POWERSAVER）。我國也開發(fā)了節(jié)電器，但實際使用效果不佳，未能廣泛推廣使用。1983年后，上海市相繼引進了一系列的節(jié)電器產(chǎn)品，在對引進的節(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，其性能達到并超過引進的同類產(chǎn)品，為進一步推廣節(jié)電器創(chuàng)造了條件，國內(nèi)市場上從上世紀(jì)90年代開始把軟啟動器作為電機節(jié)能的首選產(chǎn)品。
2作為節(jié)能應(yīng)用的軟啟動器
節(jié)電器通過雙向晶閘管或反并聯(lián)晶閘管相位控制實現(xiàn)降壓，其主電路原理如圖1所示。
晶閘管軟啟動器實測數(shù)據(jù)見表1（參閱30kW電機實測數(shù)據(jù)）。從表1可見
1）節(jié)電器對某些特定的負(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，切莫不分對象
2）對于不變負(fù)載（不管是滿載還是負(fù)載率30％～40％情況），連續(xù)長期運行，則不宜采用節(jié)電器，而應(yīng)該選用高效電動機。
3）對于變負(fù)載情況，如果最低負(fù)載率≥30％以上，采用晶閘管軟啟動器意義也不大。
3軟啟動器與自耦式補償器技術(shù)經(jīng)濟對比
傳統(tǒng)的自耦補償器自上世紀(jì)50年代初開始應(yīng)用以來，一直在電機起動裝置領(lǐng)域占居主要地位。自上世紀(jì)80年代開始，國外固態(tài)起動裝置在我國工業(yè)領(lǐng)域逐步推廣使用，已對傳統(tǒng)的補償器形成較大沖擊。表2對二種裝置進行了技術(shù)與經(jīng)濟對比，并給出了正確應(yīng)用范圍供讀者參考。
4軟啟動器的技術(shù)特點與應(yīng)用范圍
1）短期重復(fù)工作的機械
長期空載(輕載<40％)運行，短時重載。例如：起重機、皮帶輸送機、金屬材料壓延機、車床、沖床、刨床、剪床等。
2）頻繁起動的工作機械
有些機械經(jīng)常處于開停狀態(tài)，如果允許輕載啟動，則可以使用軟起動技術(shù)。以下列舉一些軟起動器的特性。 a)線性軟起動
這種起動方式是最普遍使用的。首先，電機上升至初始轉(zhuǎn)矩值，該值可在5％～90％的額定轉(zhuǎn)矩之間調(diào)節(jié)。然后，電機電壓在加速斜坡上升時間逐漸上升，加速斜坡上升時間可在2～30s之間調(diào)整。如圖2所示。b）帶可選擇突跳起動的軟起動
這種起動方式提供了突跳起動和升壓。它可提供500％滿載電流的電流脈沖，可調(diào)時間范圍為0.4～2s。使電機因負(fù)載需要助推才能起動時額外加一個附加轉(zhuǎn)矩。如圖3所示。
c）泵控制
該功能在離心泵的起動及停止期間，通過平滑地加速及減速電機來減小泵系統(tǒng)中出現(xiàn)的喘振。由微計算機分析電機變量并發(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控制電機。起動時間可在2～30s之間調(diào)整，停止時間可在2～120s之間調(diào)整。如圖4所示。
d）智能電機制動
控制系統(tǒng)可實現(xiàn)在需要電機比自由停車更快速停車的場合，即快速制動。它是以微計算機為基礎(chǔ)的制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)給標(biāo)準(zhǔn)的鼠籠感應(yīng)電動機提供三相制動電流。制動在沒有附加的接觸器或電源設(shè)備的情況下完成，而且無需計時器、傳感器或測速計，便實行自動零速停車。制動電流的強弱可在滿載電流的150％～400％之間調(diào)整。補償器無法完成此功能。如圖5所示。
e）低速制動
該功能主要用于電動機需正向低速定位和需要制
表2三種降壓起動性能對比降壓起動方式自耦變壓器星?三角轉(zhuǎn)換晶閘管軟起動器
起動電壓K·Ue(0.3～1.0)Ue
起動電流K·Ied(0.3～1.0)Ied
起動力矩K2·Mgd(0.3～1.0)Mgd
各種起動方式的特征及優(yōu)缺點輕載起動時起動沖擊電流小，起動力矩較大，但不允許頻繁起動，切換時產(chǎn)生二次沖擊起動電流小，起動力矩小，僅適合20kW以下小容量起動電流可以從（20～400）％任意規(guī)定，對起動力矩可限制，保護機械安全，輕載可以節(jié)能
自耦式補償器的價格及其銅、硅鋼用量及相應(yīng)軟啟動器價格控制電動機功率/kW自耦式啟動器ABB軟啟動器價格/元
價格/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
動控制停車的場合。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。制動電流可在150％～400％之間調(diào)整。不能采用突跳啟動。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）泵專門起動控制
消除喘振現(xiàn)象的控制方法如圖7所示，電動機的轉(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機反饋來完成的。由于沒有突然的轉(zhuǎn)矩變化、因此電動機平滑地加速，泵系統(tǒng)的喘振或沖擊達到最小。 5晶閘管軟啟動器應(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器2000余臺。說明晶閘管軟啟動器的市場前景看好，傳統(tǒng)的自耦式補償器將逐步被軟啟動器取代。
在我國晶閘管軟啟動器從上世紀(jì)90年代中期開始逐漸被應(yīng)用于取代傳統(tǒng)的自耦式補償器，其最大的優(yōu)點是軟起動性能好，可以根據(jù)被啟動設(shè)備的需要進行限流啟動，即可以在電機額定啟動電流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列出自耦式補償器價格及銅，硅鋼片用量。同時列出ABB軟啟動器同等功率產(chǎn)品的參考價格。
6結(jié)語1）從初投資對比來看，功率在250kW以下，選用晶閘管軟啟動器相間功率增大倍，但價格與自耦式補償器相仿。功率從280kW開始采用晶閘管軟啟動器較貴，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)的補償器啟動無法滿足要求，必須采用智能晶閘管軟啟動器。
3
）長期高速，短時低速，且電機負(fù)載率在35％以下時，采用晶閘管軟啟動器有較好節(jié)能效果。
作者簡介
周德賢（1936－），男，高級工程師。上海電機工程學(xué)會電氣傳動專委會主任委員，上海電力電子學(xué)會常務(wù)理事，上海電器集團公司理事。合編《風(fēng)機水泵交流調(diào)速節(jié)能技術(shù)》、《風(fēng)機水泵調(diào)速節(jié)能設(shè)計手冊》等，發(fā)表論文26篇
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