1　引言 陸地礦產(chǎn)資源的無節(jié)制開采已加快了人類可利用資源的逐漸枯竭，海洋礦產(chǎn)資源必將是人類開發(fā)和利用的下一目標，深海采礦的開采技術(shù)及開采設備已成為各發(fā)達國家的重要研究課題。由于深海環(huán)境的特殊性，人類對其認識還十分有限，對于深海礦產(chǎn)資源的開采還有諸多難題亟待解決，其中深海采礦系統(tǒng)動力輸配的水下大功率設備的啟動控制就是要解決的關鍵技術(shù)問題之一。 目前，深海采礦總體系統(tǒng)基本上由集礦子系統(tǒng)、提升子系統(tǒng)、水面支持子系統(tǒng)、測控子系統(tǒng)和動力子系統(tǒng)構(gòu)成。集礦子系統(tǒng)負責深海水下礦產(chǎn)資源的采集;提升子系統(tǒng)是把水底集礦子系統(tǒng)采集的礦產(chǎn)資源提升至水上;水面支持子系統(tǒng)一般是帶有配套設施的綜合大型船舶，主要支持集礦、提升等子系統(tǒng)，提供各子系統(tǒng)動力，裝載采集上來的礦產(chǎn)資源，同時又協(xié)調(diào)指揮各子系統(tǒng)的工作，既是指揮中心又負責后勤保障;測控子系統(tǒng)則負責各子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)控和控制;動力子系統(tǒng)負責供給配置各子系統(tǒng)運行所需的動力。動力子系統(tǒng)根據(jù)所需供給的對象不同可劃分為三個部分:集礦子系統(tǒng)動力配置、提升子系統(tǒng)動力配置和水面支持子系統(tǒng)動力配置。集礦子系統(tǒng)工作在生產(chǎn)鏈最下端的6000m水下進行采礦作業(yè)，工作環(huán)境特殊、動力傳輸距離遠，要求故障率低，因為一旦動力系統(tǒng)發(fā)生故障，不可能進行現(xiàn)場維修，而要將重達幾十噸的采礦車從6000m海底提出水面，絕對不是一件簡單工作，需要幾乎所有子系統(tǒng)長達數(shù)小時的協(xié)作。因此，可靠、穩(wěn)定的動力供給，是使采礦車能安全可靠、高效率運轉(zhuǎn)的基本保證，而深海采礦設備的平穩(wěn)啟動又是這些基本保證的重要一環(huán)。 2　負載及負載的應用環(huán)境特點 長沙礦山研究院研制的深海采礦車的動力來源是水面支持系統(tǒng)的柴油發(fā)電機組，柴油發(fā)電機組功率為580kva,發(fā)出400v / 50hz三相交流電壓.在水下深海采礦車的主要用電設備是兩臺深海中壓驅(qū)動電機，功率為150kw，電壓為3kv/50hz，功率因素0.85。兩臺深海電機分別驅(qū)動兩臺液壓泵，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動深海采礦車在水下的行駛，采集礦石、破碎礦石及其它輔助動作。由于海洋環(huán)境下工作與陸地相比具有一定的特殊性，有兩點是要考慮的，其一、海洋深處的水溫常年保持在4c°左右，液壓油基本處于凝固狀態(tài)，加大了負載啟動力矩。其二，采礦車的啟動過程中，如何減少對正在運行的其他子系統(tǒng)用電設備的負載沖擊影響，也是必須要重點考慮的問題。 3　深海采礦車電動機的啟動 3.1　電動機的啟動特性 電動機的啟動特性中，最主要的是它的起動力矩m，為了機組能轉(zhuǎn)動起來，m必須大于拖動機械在n=0時的凈負載力矩加上靜摩擦阻力距。圖1中曲線1表示異步機的力矩與轉(zhuǎn)差m-s曲線，曲線2和3表示二種不同的負載特性曲線，為了能轉(zhuǎn)動起來，必須要求a在b點或c點的上面，否則機組將轉(zhuǎn)動不起來。 [align=center] 圖1　異步機的m-s曲線[/align] 根據(jù)力矩平衡關系: m－（mf＋m0）＝mj＝j（dω/dt） 式中: m——電磁力矩; mf——靜摩擦力矩; m0——靜負載力矩; mj——加速力矩; j——機組慣量; （dω/dt）——電機加速度。 可以看出，為了保證能順利加速到額定轉(zhuǎn)速，在整個啟動過程中，必須保持正的加速度（dω/dt）也就要求電動機的電磁力矩m在整個啟動過程中大于負載的制動力矩。在相同的慣量下，力矩的差額越大，加速越快，慣量大的機械，啟動就較慢。 電動機啟動特性的另一問題是啟動電流，異步機在額定電壓下的起動電流常大于額定電流好幾倍。起動電流太大的影響是:一方面將影響電源的電壓，太大的起動電流將產(chǎn)生較大的線路壓降，使得電源電壓在啟動時下降，特別當電源容量較小時電壓降更多，可能影響電源上其他電機的運行。另一方面，大的起動電流將在線路及電機中產(chǎn)生損耗引起發(fā)熱，特別是當加速力矩m較小，機組的慣量j較大，啟動很慢的情況下，損耗將更多而發(fā)熱也更嚴重。 3.2　對電動機啟動的要求 由前述可以看出，對電動機啟動的要求是不同的，須看負載的特性，電網(wǎng)的情況等因素而定。有時要求有大的起動力矩，有時要求限制起動電流的大小，有時2個要求需同時滿足?？偟膩碚f，要考慮下列各問題: （1）應該有足夠大的起動力矩，適當?shù)臋C械特性曲線; （2）盡可能小的起動電流; （3）啟動的操作應該很方便，所用的起動設備應該盡可能簡單經(jīng)濟; （4）啟動過程中的功率損耗應盡可能的少。 3.3　啟動方法 目前，常用的啟動方法有以下幾種: （1）直接啟動; （2）自耦變壓器降壓啟動; （3）星—三角變換啟動; （4）變頻調(diào)速器啟動; （5）軟啟動器啟動。 由于電機工作在深水下6000m，如此長的傳輸距離，解決電纜壓降問題是重點考慮的因素之一，上述啟動方式中，（1）、（2）、（3）種啟動方式都會產(chǎn)生較大沖擊電流，會使壓降和功率都消耗在傳輸電纜上。第4種變頻器啟動是可以從零頻零壓開始啟動電動機，實現(xiàn)無沖擊啟動，但高壓變頻器造價高昂，且水下電機啟動進入運行后，并無變速要求。 軟啟動器體積小，轉(zhuǎn)矩可以設置調(diào)節(jié)、啟動平穩(wěn)沖擊小并具有諸多的保護功能，可靠性高，性價比高于變頻器。 深海采礦車工作在6000m水下，為減小線路損耗采用3kv三相交流電給深海采礦車兩臺電機供電。動力來源是水面支持系統(tǒng)的柴油發(fā)電機組，柴油發(fā)電機組發(fā)出400v / 50hz三相交流電壓，為減小造價，經(jīng)多種設計方案進行比較，最終確定采用發(fā)電機組、低壓軟啟動裝置、升壓隔離變壓器到采礦車電機供電方式。這種技術(shù)方案既降低了線路損耗，也減小了傳輸電纜線徑和重量，同時避開了高壓變頻，使得整套供電系統(tǒng)的可靠性和成本性價比大為提高。 3.4　軟啟動器選型 除了技術(shù)、性能、價格比較外，還要考慮設備現(xiàn)場的電網(wǎng)容量、設備啟動負荷輕重、啟動頻繁程度等具體條件。 （1）選型:目前市場上常見的軟啟動器有旁路型、無旁路型、節(jié)能型等。根據(jù)采礦車的工作負載特性質(zhì)選擇旁路型的軟啟動器。 （2）規(guī)格選擇:根據(jù)電動機的標稱功率，電流負載性質(zhì)選擇啟動器，一般軟啟動器容量稍大于電動機工作電流。選標稱功率175kw。 （3）功能選擇:選具有缺相保護、短路保護、過載保護、逆序保護、過壓保護、欠壓保護等保護功能完備的軟起動器。 （4）適合海上工作環(huán)境的軟啟動器。 3.5　萊克森馬軟啟動器的特點 萊克森馬軟啟動器啟動時采用專利技術(shù)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩斜坡上升更快速，損耗更低。具有電動機和軟啟動器綜合保護功能，能全時連續(xù)檢測電機工作電流，提供電機可靠和完整保護，這種保護功能在啟動結(jié)束旁路后仍能起作用，這是其它軟啟動器都不具備的，啟動特性如圖2所示。 [align=center] 圖2　軟啟動電壓——斷流特性曲線[/align] 萊克森馬在保持加速力矩的同時，實時計算定子和轉(zhuǎn)子的功率。在整個加速周期連續(xù)計算電機功率因數(shù)和定子損耗，通過檢測電壓和電流來計算功率因數(shù)，并扣除定子損耗，得到實際的轉(zhuǎn)子功率和電機力矩。 [align=center] 圖3　軟啟動器控制原理圖[/align] 采用萊克森馬軟啟動器的控制電路如圖3所示，兩臺深海電機設計采用兩套相同的啟動方案。 （1） 啟動過程:首先選擇一臺電動機在軟啟動器拖動下按所選定的啟動方式逐漸提升輸出電壓，達到工頻電壓后，旁路接觸器接通。然后，由另一套軟啟動器啟動下一臺電機。 （2） 停止過程:由于是液壓泵負載，停機時可同時停止啟動軟啟動器與旁路接觸器。 4　軟啟動器在深海采礦系統(tǒng)上的應用 深海采礦車的動力輸配結(jié)構(gòu)如圖4所示，水面支持系統(tǒng)的柴油發(fā)電機組發(fā)出400v / 50hz三相交流電壓，該電壓經(jīng)機組控制屏、低壓軟啟動裝置，送至升壓隔離變壓器，變壓器輸出高壓繞組接至高壓控制配電柜，經(jīng)6000m電力通信組合電纜，電纜絞車，采礦車上的接線倉，向集礦機液壓泵站驅(qū)動電機提供動力。 [align=center] 圖4　深海采礦車的動力輸配結(jié)構(gòu)圖[/align] 5　應用效果 通過一年的運行，表明該裝置可靠性高，性能完善，能滿足采礦車生產(chǎn)要求。主要體現(xiàn)在以下幾點: （1）在低壓側(cè)使用軟啟動器可滿足深海采礦車的供電要求，與高壓側(cè)使用軟啟動器相比減少大量投資; （2） 使用軟啟動器啟動時，啟動電流較小，減少配電容量與增容投資; （3） 軟啟動器實現(xiàn)平穩(wěn)啟動，對正在運行的其他子系統(tǒng)用電設備無沖擊影響; （4） 完整的保護功能融于一體，防止事故的產(chǎn)生; （5） 多種的啟動模式，簡單的調(diào)試過程使得深海采礦車的供電系統(tǒng)操作簡單又耐用。 6　結(jié)束語 在深海采礦控制領域，采用傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和啟動方式存在諸多缺陷，對于大功率負載，其問題就顯得更為突出，軟啟動器加升壓變壓器控制結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)控制技術(shù)的不足，使陸地通用軟啟動器控制技術(shù)成功地移植到海底應用領域。隨著深水設備控制技術(shù)的不斷研究改進，將使軟啟動器在海洋采礦的應用更成熟，因此，軟啟動器廣泛應用于深水大中型電動機的啟動是必然的趨勢。