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(biāo)，深海采礦的開采技術(shù)及開采設(shè)備已成為各發(fā)達(dá)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(rèn)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(dòng)力輸配的水下大功率設(shè)備的啟動(dòng)控制就是要解決的關(guān)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(dòng)力子系統(tǒng)構(gòu)成。集礦子系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(shè)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(dòng)力，裝載采集上來的礦產(chǎn)資源，同時(shí)又協(xié)調(diào)指揮各子系統(tǒng)的工作，既是指揮中心又負(fù)責(zé)后勤保障;測控子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)控和控制;動(dòng)力子系統(tǒng)負(fù)責(zé)供給配置各子系統(tǒng)運(yùn)行所需的動(dòng)力。動(dòng)力子系統(tǒng)根據(jù)所需供給的對象不同可劃分為三個(gè)部分:集礦子系統(tǒng)動(dòng)力配置、提升子系統(tǒng)動(dòng)力配置和水面支持子系統(tǒng)動(dòng)力配置。集礦子系統(tǒng)工作在生產(chǎn)鏈最下端的6000m水下進(jìn)行采礦作業(yè)，工作環(huán)境特殊、動(dòng)力傳輸距離遠(yuǎn)，要求故障率低，因?yàn)橐坏﹦?dòng)力系統(tǒng)發(fā)生故障，不可能進(jìn)行現(xiàn)場維修，而要將重達(dá)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(dá)數(shù)小時(shí)的協(xié)作。因此，可靠、穩(wěn)定的動(dòng)力供給，是使采礦車能安全可靠、高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保證，而深海采礦設(shè)備的平穩(wěn)啟動(dòng)又是這些基本保證的重要一環(huán)。 2　負(fù)載及負(fù)載的應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn) 長沙礦山研究院研制的深海采礦車的動(dòng)力來源是水面支持系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)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(shè)備是兩臺深海中壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)，功率為150kw，電壓為3kv/50hz，功率因素0.85。兩臺深海電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩臺液壓泵，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(fù)載啟動(dòng)力矩。其二，采礦車的啟動(dòng)過程中，如何減少對正在運(yùn)行的其他子系統(tǒng)用電設(shè)備的負(fù)載沖擊影響，也是必須要重點(diǎn)考慮的問題。 3　深海采礦車電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 3.1　電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性中，最主要的是它的起動(dòng)力矩m，為了機(jī)組能轉(zhuǎn)動(dòng)起來，m必須大于拖動(dòng)機(jī)械在n=0時(shí)的凈負(fù)載力矩加上靜摩擦阻力距。圖1中曲線1表示異步機(jī)的力矩與轉(zhuǎn)差m-s曲線，曲線2和3表示二種不同的負(fù)載特性曲線，為了能轉(zhuǎn)動(dòng)起來，必須要求a在b點(diǎn)或c點(diǎn)的上面，否則機(jī)組將轉(zhuǎn)動(dòng)不起來。 [align=center] 圖1　異步機(jī)的m-s曲線[/align] 根據(jù)力矩平衡關(guān)系: m－（mf＋m0）＝mj＝j(luò)（dω/dt） 式中: m——電磁力矩; mf——靜摩擦力矩; m0——靜負(fù)載力矩; mj——加速力矩; j——機(jī)組慣量; （dω/dt）——電機(jī)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(gè)啟動(dòng)過程中，必須保持正的加速度（dω/dt）也就要求電動(dòng)機(jī)的電磁力矩m在整個(gè)啟動(dòng)過程中大于負(fù)載的制動(dòng)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(jī)械，啟動(dòng)就較慢。 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性的另一問題是啟動(dòng)電流，異步機(jī)在額定電壓下的起動(dòng)電流常大于額定電流好幾倍。起動(dòng)電流太大的影響是:一方面將影響電源的電壓，太大的起動(dòng)電流將產(chǎn)生較大的線路壓降，使得電源電壓在啟動(dòng)時(shí)下降，特別當(dāng)電源容量較小時(shí)電壓降更多，可能影響電源上其他電機(jī)的運(yùn)行。另一方面，大的起動(dòng)電流將在線路及電機(jī)中產(chǎn)生損耗引起發(fā)熱，特別是當(dāng)加速力矩m較小，機(jī)組的慣量j較大，啟動(dòng)很慢的情況下，損耗將更多而發(fā)熱也更嚴(yán)重。 3.2　對電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的要求 由前述可以看出，對電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的要求是不同的，須看負(fù)載的特性，電網(wǎng)的情況等因素而定。有時(shí)要求有大的起動(dòng)力矩，有時(shí)要求限制起動(dòng)電流的大小，有時(shí)2個(gè)要求需同時(shí)滿足?？偟膩碚f，要考慮下列各問題: （1）應(yīng)該有足夠大的起動(dòng)力矩，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械特性曲線; （2）盡可能小的起動(dòng)電流; （3）啟動(dòng)的操作應(yīng)該很方便，所用的起動(dòng)設(shè)備應(yīng)該盡可能簡單經(jīng)濟(jì); （4）啟動(dòng)過程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。 3.3　啟動(dòng)方法 目前，常用的啟動(dòng)方法有以下幾種: （1）直接啟動(dòng); （2）自耦變壓器降壓啟動(dòng); （3）星—三角變換啟動(dòng); （4）變頻調(diào)速器啟動(dòng); （5）軟啟動(dòng)器啟動(dòng)。 由于電機(jī)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(diǎn)考慮的因素之一，上述啟動(dòng)方式中，（1）、（2）、（3）種啟動(dòng)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(dòng)是可以從零頻零壓開始啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)無沖擊啟動(dòng)，但高壓變頻器造價(jià)高昂，且水下電機(jī)啟動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行后，并無變速要求。 軟啟動(dòng)器體積小，轉(zhuǎn)矩可以設(shè)置調(diào)節(jié)、啟動(dòng)平穩(wěn)沖擊小并具有諸多的保護(hù)功能，可靠性高，性價(jià)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(jī)供電。動(dòng)力來源是水面支持系統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出400v / 50hz三相交流電壓，為減小造價(jià)，經(jīng)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，最終確定采用發(fā)電機(jī)組、低壓軟啟動(dòng)裝置、升壓隔離變壓器到采礦車電機(jī)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(shí)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(jià)比大為提高。 3.4　軟啟動(dòng)器選型 除了技術(shù)、性能、價(jià)格比較外，還要考慮設(shè)備現(xiàn)場的電網(wǎng)容量、設(shè)備啟動(dòng)負(fù)荷輕重、啟動(dòng)頻繁程度等具體條件。 （1）選型:目前市場上常見的軟啟動(dòng)器有旁路型、無旁路型、節(jié)能型等。根據(jù)采礦車的工作負(fù)載特性質(zhì)選擇旁路型的軟啟動(dòng)器。 （2）規(guī)格選擇:根據(jù)電動(dòng)機(jī)的標(biāo)稱功率，電流負(fù)載性質(zhì)選擇啟動(dòng)器，一般軟啟動(dòng)器容量稍大于電動(dòng)機(jī)工作電流。選標(biāo)稱功率175kw。 （3）功能選擇:選具有缺相保護(hù)、短路保護(hù)、過載保護(hù)、逆序保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等保護(hù)功能完備的軟起動(dòng)器。 （4）適合海上工作環(huán)境的軟啟動(dòng)器。 3.5　萊克森馬軟啟動(dòng)器的特點(diǎn) 萊克森馬軟啟動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)和軟啟動(dòng)器綜合保護(hù)功能，能全時(shí)連續(xù)檢測電機(jī)工作電流，提供電機(jī)可靠和完整保護(hù)，這種保護(hù)功能在啟動(dòng)結(jié)束旁路后仍能起作用，這是其它軟啟動(dòng)器都不具備的，啟動(dòng)特性如圖2所示。 [align=center] 圖2　軟啟動(dòng)電壓——斷流特性曲線[/align] 萊克森馬在保持加速力矩的同時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算定子和轉(zhuǎn)子的功率。在整個(gè)加速周期連續(xù)計(jì)算電機(jī)功率因數(shù)和定子損耗，通過檢測電壓和電流來計(jì)算功率因數(shù)，并扣除定子損耗，得到實(shí)際的轉(zhuǎn)子功率和電機(jī)力矩。 [align=center] 圖3　軟啟動(dòng)器控制原理圖[/align] 采用萊克森馬軟啟動(dòng)器的控制電路如圖3所示，兩臺深海電機(jī)設(shè)計(jì)采用兩套相同的啟動(dòng)方案。 （1） 啟動(dòng)過程:首先選擇一臺電動(dòng)機(jī)在軟啟動(dòng)器拖動(dòng)下按所選定的啟動(dòng)方式逐漸提升輸出電壓，達(dá)到工頻電壓后，旁路接觸器接通。然后，由另一套軟啟動(dòng)器啟動(dòng)下一臺電機(jī)。 （2） 停止過程:由于是液壓泵負(fù)載，停機(jī)時(shí)可同時(shí)停止啟動(dòng)軟啟動(dòng)器與旁路接觸器。 4　軟啟動(dòng)器在深海采礦系統(tǒng)上的應(yīng)用 深海采礦車的動(dòng)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(jī)組發(fā)出400v / 50hz三相交流電壓，該電壓經(jīng)機(jī)組控制屏、低壓軟啟動(dòng)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(jī)液壓泵站驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力。 [align=center] 圖4　深海采礦車的動(dòng)力輸配結(jié)構(gòu)圖[/align] 5　應(yīng)用效果 通過一年的運(yùn)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(diǎn): （1）在低壓側(cè)使用軟啟動(dòng)器可滿足深海采礦車的供電要求，與高壓側(cè)使用軟啟動(dòng)器相比減少大量投資; （2） 使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流較小，減少配電容量與增容投資; （3） 軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)啟動(dòng)，對正在運(yùn)行的其他子系統(tǒng)用電設(shè)備無沖擊影響; （4） 完整的保護(hù)功能融于一體，防止事故的產(chǎn)生; （5） 多種的啟動(dòng)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(lǐng)域，采用傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和啟動(dòng)方式存在諸多缺陷，對于大功率負(fù)載，其問題就顯得更為突出，軟啟動(dòng)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(dòng)器控制技術(shù)成功地移植到海底應(yīng)用領(lǐng)域。隨著深水設(shè)備控制技術(shù)的不斷研究改進(jìn)，將使軟啟動(dòng)器在海洋采礦的應(yīng)用更成熟，因此，軟啟動(dòng)器廣泛應(yīng)用于深水大中型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是必然的趨勢。