公路隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式探討_劉玉新

1、橋隧工程交通工程公路隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式探討劉玉新（交通部公路科學(xué)研究院公路交通安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100088）摘要：文章從工程實(shí)踐角度，對(duì)公路隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)常用的三種啟動(dòng)方式的工作原理、使用效果和存在的缺陷進(jìn)行了比較分析，并對(duì)它們的使用范圍和應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；硬啟動(dòng)；軟啟動(dòng)器；變頻器中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U491文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B近年來(lái)隨著我國(guó)山區(qū)高速公路的大量修建，特長(zhǎng)公路隧道越來(lái)越多地出現(xiàn)在公路建設(shè)中。公路隧道為克服高程障礙、縮短線路長(zhǎng)度、提高道路的可靠性和安全性起到了重要的作用。但是，汽車(chē)在隧道內(nèi)行駛時(shí)排放出的大量廢氣會(huì)對(duì)司乘人員的身體健康造成損害。特別是在隧道中，如果其

2、內(nèi)部排氣不流暢，這些廢氣將聚集在隧道中，使廢氣濃度上升甚至超標(biāo)。由于稀釋特長(zhǎng)公路隧道內(nèi)的有害氣體比較困難，所以特長(zhǎng)公路隧道建設(shè)中面臨的一個(gè)重要問(wèn)題便是隧道的通風(fēng)問(wèn)題。公路隧道的通風(fēng)原理是通過(guò)風(fēng)機(jī)向隧道內(nèi)注入新鮮空氣，稀釋洞內(nèi)由汽車(chē)排出的廢氣和煙霧，使得隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量和煙霧透過(guò)率能保證司乘人員的身體健康和行車(chē)安全。目前，國(guó)內(nèi)最常用的通風(fēng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式是硬啟動(dòng)、軟啟動(dòng)器啟動(dòng)和變頻器啟動(dòng)三種方式。本文首先對(duì)每種啟動(dòng)方式的工作原理進(jìn)行了分析；然后介紹了它們?cè)趯?shí)際使用中的效果，并結(jié)合日常使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)它們的缺陷進(jìn)行了說(shuō)明；最后對(duì)每種啟動(dòng)方式的適用范圍和應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。工作原理圖如圖1所示。圖1星

3、三角啟動(dòng)器工作原理圖首先閉合空氣開(kāi)關(guān)QF引入三相電源，按下啟動(dòng)按鈕SB2，交流接觸器KM1線圈回路通電吸合并通過(guò)自己的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)自鎖，其主觸頭閉合接通風(fēng)機(jī)三相電源，時(shí)間繼電器KT線圈也通電吸合并開(kāi)始計(jì)時(shí)，交流接觸器KM3線圈通過(guò)時(shí)間繼電器的延時(shí)斷開(kāi)接點(diǎn)通電吸合，KM3的主觸頭閉合將風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的尾端連接，電動(dòng)機(jī)定子繞組成星形連接，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在星形接法下降壓?jiǎn)?dòng)。當(dāng)時(shí)間繼電器KT整定時(shí)間到時(shí)后，其延時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)打開(kāi)，交流接觸器KM3線圈回路斷電，主觸點(diǎn)打開(kāi)定子繞組尾端的接線，KM3的輔助常閉觸點(diǎn)閉合為KM2線圈的通電做好準(zhǔn)備。時(shí)間繼電器KT動(dòng)作使其延時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通KM2線圈回路，使得KM2通

4、電吸合并通過(guò)自己的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)自鎖，KM2主觸頭閉合將定子繞組接成三角形，電動(dòng)機(jī)在三角形接法下運(yùn)行。1硬啟動(dòng)通風(fēng)風(fēng)機(jī)硬啟動(dòng)方式中，最簡(jiǎn)單的方式就是直接在線啟動(dòng)。它是指不需要安裝其他電氣設(shè)備，通過(guò)閉合空氣開(kāi)關(guān)為風(fēng)機(jī)供電而直接啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。由于這種突然、急劇的啟動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)造成很大的沖擊，人們開(kāi)始采用降壓?jiǎn)?dòng)的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一般有星三角啟動(dòng)方式、自耦降壓?jiǎn)?dòng)方式等。1.1工作原理星三角啟動(dòng)方式是最常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)硬啟動(dòng)方式。它主要由空氣開(kāi)關(guān)、交流接觸器和時(shí)間繼電器組成，它的作者簡(jiǎn)介：劉玉新（1973-），男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向?yàn)楦咚俟窓C(jī)電系統(tǒng)檢測(cè)及交通安全。2162009年08期（

5、總第56期）公路交通科技應(yīng)用技術(shù)版1.2使用效果不論是直接在線啟動(dòng)還是星三角啟動(dòng)方式，都只需要在現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)箱里安裝相應(yīng)設(shè)備，與監(jiān)控中心不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控中心可通過(guò)電力監(jiān)控系統(tǒng)為風(fēng)機(jī)供電或斷電來(lái)啟動(dòng)或停止風(fēng)機(jī)。在實(shí)際使用中有如下優(yōu)點(diǎn)：安裝簡(jiǎn)單方便，投入成本很低；工作穩(wěn)定性好，易于維修。1.3存在的缺陷硬啟動(dòng)方式是早期風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式中最常用的方式，但不論是直接在線啟動(dòng)，還是星三角啟動(dòng)，或者其他降壓?jiǎn)?dòng)方式，在使用中都存在如下缺陷：?jiǎn)?dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，一般為額定電流的47倍，對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的沖擊大，可能導(dǎo)致電網(wǎng)過(guò)荷，從而引起不良的電壓變化，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，并最終影響到同電網(wǎng)中的其它電氣設(shè)

6、備；對(duì)風(fēng)機(jī)的沖擊很大，容易造成機(jī)械故障，降低風(fēng)機(jī)的使用壽命。圖2軟啟動(dòng)器工作原理圖機(jī)起動(dòng)電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升，起動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，同時(shí)減小對(duì)風(fēng)機(jī)的機(jī)械沖擊；可靠性高、維護(hù)量小、參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單；軟起動(dòng)器還具有可控硅短路保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)等多種保護(hù)功能。2.3存在的缺陷軟啟動(dòng)器技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快，在隧道風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)2軟啟動(dòng)器軟啟動(dòng)器于20世紀(jì)70年代末到80年代初投入市中得到了大范圍應(yīng)用。但在安裝使用和檢測(cè)過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)存在如下缺陷：在啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，對(duì)電網(wǎng)造成一定的污染；由于在啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)只改變輸出電壓，不改變頻率，所以不能對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。而風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓平方

7、成正比，所以用軟啟動(dòng)器會(huì)大大降低風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此軟啟動(dòng)器并不適用于重載啟動(dòng)的風(fēng)機(jī)。場(chǎng)，國(guó)外稱(chēng)為SoftStarter。它主要由串接于電源與被控風(fēng)機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管（SCR）組成的調(diào)壓電路構(gòu)成，以微處理器為控制核心，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程在數(shù)字化程序軟件控制下自動(dòng)進(jìn)行。2.1工作原理軟啟動(dòng)器的工作原理圖如圖2所示。它利用三相晶閘管的電子開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)啟動(dòng)器中的微處理器，控制其觸發(fā)脈沖的遲早來(lái)改變觸發(fā)延遲角的大小，而晶閘管觸發(fā)延遲角的大小，又可改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而最終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓的特點(diǎn)是，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩近似與定子電壓的二次方成正比，電動(dòng)機(jī)的電流和定子電壓成

8、正比，因此，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和初始電流的限制可以通過(guò)定子電壓的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。而電動(dòng)機(jī)定子電壓又是通過(guò)晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)控制的，所以不同的初始相角可實(shí)現(xiàn)不同的端電壓，以滿(mǎn)足不同的負(fù)載啟動(dòng)特性。在風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)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(dòng)機(jī)從零開(kāi)始加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，啟動(dòng)完成，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)平滑啟動(dòng)。3變頻器變頻器技術(shù)于20世紀(jì)80年代后期應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，它是一種以先進(jìn)的電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的高效節(jié)能技術(shù)。近年來(lái)，變頻器開(kāi)始應(yīng)用在國(guó)內(nèi)的交通行業(yè)中，目前主要以國(guó)外產(chǎn)品為主。3.1工作原理變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻

9、率的電能控制裝置。變頻器的電路一般由整流回路、直流濾波電路、逆變電路和控制電路4個(gè)部分組成，其工作原理圖如圖3所示。目前的變頻器主要采用交流直流交流轉(zhuǎn)換方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給風(fēng)機(jī)。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制。整流部分為三相橋式不可控整流器，它的作用是將交流電變換成直流電。直流濾波電路對(duì)整流回路的輸出進(jìn)行平滑濾波。逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，輸出為PWM波形，它將直流電再逆變成交流電。2.2使用效果軟啟動(dòng)器需要安裝在隧道內(nèi)專(zhuān)門(mén)的控制機(jī)箱里，由本地控制器進(jìn)行控制。隧道中央控制系

10、統(tǒng)根據(jù)CO/VI檢測(cè)器、風(fēng)速/風(fēng)向檢測(cè)器等采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)算提供運(yùn)轉(zhuǎn)方案，由監(jiān)控員在監(jiān)控中心下發(fā)指令控制風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停機(jī)。在實(shí)際使用中有如下優(yōu)點(diǎn)：能使風(fēng)2009年08期（總第56期）217橋隧工程交通工程圖3變頻器工作原理圖3.2使用效果和軟啟動(dòng)器一樣，變頻器也安裝在隧道內(nèi)專(zhuān)門(mén)的控的隧道看到，由于隧道內(nèi)溫度太低且變化較大、控制機(jī)箱里積塵嚴(yán)重，使變頻器的故障率很高，導(dǎo)致維護(hù)成本加大。制機(jī)箱里，由監(jiān)控員在監(jiān)控中心根據(jù)隧道內(nèi)的環(huán)境情況，下發(fā)指令控制風(fēng)機(jī)以不同的速度正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停機(jī)。變頻器除具備和軟啟動(dòng)器同樣能平穩(wěn)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、對(duì)電網(wǎng)和風(fēng)機(jī)沖擊小的優(yōu)點(diǎn)外，在實(shí)際使用中還具有如下優(yōu)點(diǎn)：變頻器可對(duì)風(fēng)

11、機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩和功率等所有相對(duì)變量進(jìn)行精確控制，具備調(diào)速、分段變速、制動(dòng)停車(chē)等功能，可執(zhí)行監(jiān)控中心下發(fā)的復(fù)雜控制指令；由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度降低之后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速三次方下降，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)所需要的功率也相應(yīng)減小，從而取得明顯的節(jié)能效果；變頻器能同時(shí)改變輸出頻率與電壓，可以使風(fēng)機(jī)以較小的啟動(dòng)電流啟動(dòng)，同時(shí)使電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到其最大轉(zhuǎn)矩，所以變頻器可以啟動(dòng)重載負(fù)荷。4三種隧道通風(fēng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式的應(yīng)用前景分析硬啟動(dòng)方式作為早期的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)方式目前正處于逐步淘汰的過(guò)程中。但如果風(fēng)機(jī)的功率很小、隧道內(nèi)安裝的電氣設(shè)備不多的話，從節(jié)約成本的角度出發(fā)，也可以采用星三角等降壓?jiǎn)?dòng)方式。軟啟動(dòng)器以其適中的價(jià)格、成熟的技術(shù)近些年來(lái)在交通行業(yè)得到了大范圍應(yīng)用。如果使用者在啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)不需要調(diào)速、而且風(fēng)機(jī)的功率也不是特別大的話，軟啟動(dòng)器是一個(gè)很好的選擇。變頻器技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，如果能不斷降低生產(chǎn)成本、努力提高其環(huán)境適應(yīng)性的話，變頻器以其全面優(yōu)越的性能、高效節(jié)