公路隧道通風風機啟動方式探討_劉玉新

1、橋隧工程交通工程公路隧道通風風機啟動方式探討劉玉新（交通部公路科學研究院公路交通安全技術交通行業(yè)重點實驗室，北京100088）摘要：文章從工程實踐角度，對公路隧道通風風機常用的三種啟動方式的工作原理、使用效果和存在的缺陷進行了比較分析，并對它們的使用范圍和應用前景進行了探討。關鍵詞：風機；硬啟動；軟啟動器；變頻器中國分類號：U491文獻標識碼：B近年來隨著我國山區(qū)高速公路的大量修建，特長公路隧道越來越多地出現(xiàn)在公路建設中。公路隧道為克服高程障礙、縮短線路長度、提高道路的可靠性和安全性起到了重要的作用。但是，汽車在隧道內行駛時排放出的大量廢氣會對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。由于稀釋特長公路隧道內的有害氣體比較困難，所以特長公路隧道建設中面臨的一個重要問題便是隧道的通風問題。公路隧道的通風原理是通過風機向隧道內注入新鮮空氣，稀釋洞內由汽車排出的廢氣和煙霧，使得隧道內的空氣質量和煙霧透過率能保證司乘人員的身體健康和行車安全。目前，國內最常用的通風風機啟動方式是硬啟動、軟啟動器啟動和變頻器啟動三種方式。本文首先對每種啟動方式的工作原理進行了分析；然后介紹了它們在實際使用中的效果，并結合日常使用中發(fā)現(xiàn)的問題對它們的缺陷進行了說明；最后對每種啟動方式的適用范圍和應用前景進行了探討。工作原理圖如圖1所示。圖1星

3、三角啟動器工作原理圖首先閉合空氣開關QF引入三相電源，按下啟動按鈕SB2，交流接觸器KM1線圈回路通電吸合并通過自己的輔助常開觸點自鎖，其主觸頭閉合接通風機三相電源，時間繼電器KT線圈也通電吸合并開始計時，交流接觸器KM3線圈通過時間繼電器的延時斷開接點通電吸合，KM3的主觸頭閉合將風機電動機的尾端連接，電動機定子繞組成星形連接，這時電動機在星形接法下降壓啟動。當時間繼電器KT整定時間到時后，其延時常開觸點打開，交流接觸器KM3線圈回路斷電，主觸點打開定子繞組尾端的接線，KM3的輔助常閉觸點閉合為KM2線圈的通電做好準備。時間繼電器KT動作使其延時常開觸點閉合，接通KM2線圈回路，使得KM2通

4、電吸合并通過自己的輔助常開觸點自鎖，KM2主觸頭閉合將定子繞組接成三角形，電動機在三角形接法下運行。1硬啟動通風風機硬啟動方式中，最簡單的方式就是直接在線啟動。它是指不需要安裝其他電氣設備，通過閉合空氣開關為風機供電而直接啟動風機。由于這種突然、急劇的啟動會對電網(wǎng)和風機造成很大的沖擊，人們開始采用降壓啟動的方式來解決這個問題，一般有星三角啟動方式、自耦降壓啟動方式等。1.1工作原理星三角啟動方式是最常見的風機硬啟動方式。它主要由空氣開關、交流接觸器和時間繼電器組成，它的作者簡介：劉玉新（1973-），男，河北唐山人，碩士研究生，研究方向為高速公路機電系統(tǒng)檢測及交通安全。2162009年08期（

5、總第56期）公路交通科技應用技術版1.2使用效果不論是直接在線啟動還是星三角啟動方式，都只需要在現(xiàn)場控制機箱里安裝相應設備，與監(jiān)控中心不需要進行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控中心可通過電力監(jiān)控系統(tǒng)為風機供電或斷電來啟動或停止風機。在實際使用中有如下優(yōu)點：安裝簡單方便，投入成本很低；工作穩(wěn)定性好，易于維修。1.3存在的缺陷硬啟動方式是早期風機啟動方式中最常用的方式，但不論是直接在線啟動，還是星三角啟動，或者其他降壓啟動方式，在使用中都存在如下缺陷：啟動時會產生很大的沖擊電流，一般為額定電流的47倍，對當?shù)仉娋W(wǎng)的沖擊大，可能導致電網(wǎng)過荷，從而引起不良的電壓變化，影響電網(wǎng)的供電質量，并最終影響到同電網(wǎng)中的其它電氣設

6、備；對風機的沖擊很大，容易造成機械故障，降低風機的使用壽命。圖2軟啟動器工作原理圖機起動電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升，起動電流小，對電網(wǎng)沖擊小，同時減小對風機的機械沖擊；可靠性高、維護量小、參數(shù)設置簡單；軟起動器還具有可控硅短路保護、缺相保護、過熱保護、欠壓保護等多種保護功能。2.3存在的缺陷軟啟動器技術近年來發(fā)展很快，在隧道風機的啟動2軟啟動器軟啟動器于20世紀70年代末到80年代初投入市中得到了大范圍應用。但在安裝使用和檢測過程中，還發(fā)現(xiàn)存在如下缺陷：在啟動風機時會產生高次諧波，對電網(wǎng)造成一定的污染；由于在啟動風機時只改變輸出電壓，不改變頻率，所以不能對風機進行調速。而風機的啟動轉矩與電壓平方

7、成正比，所以用軟啟動器會大大降低風機的啟動轉矩，因此軟啟動器并不適用于重載啟動的風機。場，國外稱為SoftStarter。它主要由串接于電源與被控風機之間的三相反并聯(lián)晶閘管（SCR）組成的調壓電路構成，以微處理器為控制核心，整個啟動過程在數(shù)字化程序軟件控制下自動進行。2.1工作原理軟啟動器的工作原理圖如圖2所示。它利用三相晶閘管的電子開關特性，通過啟動器中的微處理器，控制其觸發(fā)脈沖的遲早來改變觸發(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通時間，從而最終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。風機電動機定子調壓的特點是，電動機轉矩近似與定子電壓的二次方成正比，電動機的電流和定子電壓成

8、正比，因此，風機電動機的啟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(xiàn)。而電動機定子電壓又是通過晶閘管的導通角來控制的，所以不同的初始相角可實現(xiàn)不同的端電壓，以滿足不同的負載啟動特性。在風機電動機啟動過程中，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，啟動完成，從而實現(xiàn)電動機的無級平滑啟動。3變頻器變頻器技術于20世紀80年代后期應用于工業(yè)領域，它是一種以先進的電力電子技術和計算機技術為基礎的高效節(jié)能技術。近年來，變頻器開始應用在國內的交通行業(yè)中，目前主要以國外產品為主。3.1工作原理變頻器是利用電力半導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換方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給風機。其中控制電路完成對主電路的控制。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。直流濾波電路對整流回路的輸出進行平滑濾波。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使用效果軟啟動器需要安裝在隧道內專門的控制機箱里，由本地控制器進行控制。隧道中央控制系

10、統(tǒng)根據(jù)CO/VI檢測器、風速/風向檢測器等采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過運算提供運轉方案，由監(jiān)控員在監(jiān)控中心下發(fā)指令控制風機的正轉、反轉和停機。在實際使用中有如下優(yōu)點：能使風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使用效果和軟啟動器一樣，變頻器也安裝在隧道內專門的控的隧道看到，由于隧道內溫度太低且變化較大、控制機箱里積塵嚴重，使變頻器的故障率很高，導致維護成本加大。制機箱里，由監(jiān)控員在監(jiān)控中心根據(jù)隧道內的環(huán)境情況，下發(fā)指令控制風機以不同的速度正轉、反轉和停機。變頻器除具備和軟啟動器同樣能平穩(wěn)啟動風機、對電網(wǎng)和風機沖擊小的優(yōu)點外，在實際使用中還具有如下優(yōu)點：變頻器可對風

11、機的轉速、扭矩和功率等所有相對變量進行精確控制，具備調速、分段變速、制動停車等功能，可執(zhí)行監(jiān)控中心下發(fā)的復雜控制指令；由于風機運行時的軸功率與其轉速的三次方成正比，所以當風機的運轉速度降低之后，其軸功率隨轉速三次方下降，驅動風機所需要的功率也相應減小，從而取得明顯的節(jié)能效果；變頻器能同時改變輸出頻率與電壓，可以使風機以較小的啟動電流啟動，同時使電機啟動轉矩達到其最大轉矩，所以變頻器可以啟動重載負荷。4三種隧道通風風機啟動方式的應用前景分析硬啟動方式作為早期的風機啟動方式目前正處于逐步淘汰的過程中。但如果風機的功率很小、隧道內安裝的電氣設備不多的話，從節(jié)約成本的角度出發(fā)，也可以采用星三角等降壓啟動方式。軟啟動器以其適中的價格、成熟的技術近些年來在交通行業(yè)得到了大范圍應用。如果使用者在啟動風機時不需要調速、而且風機的功率也不是特別大的話，軟啟動器是一個很好的選擇。變頻器技術近年來發(fā)展迅速，如果能不斷降低生產成本、努力提高其環(huán)境適應性的話，變頻器以其全面優(yōu)越的性能、高效節(jié)