公路隧道通风风机启动方式探讨_刘玉新

桥隧工程交通工程

公路隧道通风风机启动方式探讨

刘玉新

（交通部公路科学研究院公路交通安全技术交通行业重点实验室，北京100088）

摘要：文章从工程实践角度，对公路隧道通风风机常用的三种启动方式的工作原理、使用效果和存在的缺陷进

行了比较分析，并对它们的使用范围和应用前景进行了探讨。关键词：风机；硬启动；软启动器；变频器中国分类号：U491

文献标识码：B

近年来随着我国山区高速公路的大量修建，特长公路隧道越来越多地出现在公路建设中。公路隧道为克服高程障碍、缩短线路长度、提高道路的可靠性和安全性起到了重要的作用。但是，汽车在隧道内行驶时排放出的大量废气会对司乘人员的身体健康造成损害。特别是在隧道中，如果其内部排气不流畅，这些废气将聚集在隧道中，使废气浓度上升甚至超标。由于稀释特长公路隧道内的有害气体比较困难，所以特长公路隧道建设中面临的一个重要问题便是隧道的通风问题。公路隧道的通风原理是通过风机向隧道内注入新鲜空气，稀释洞内由汽车排出的废气和烟雾，使得隧道内的空气质量和烟雾透过率能保证司乘人员的身体健康和行车安全。

目前，国内最常用的通风风机启动方式是硬启动、软启动器启动和变频器启动三种方式。本文首先对每种启动方式的工作原理进行了分析；然后介绍了它们在实际使用中的效果，并结合日常使用中发现的问题对它们的缺陷进行了说明；最后对每种启动方式的适用范围和应用前景进行了探讨。

工作原理图如图1所示。

图1星－三角启动器工作原理图

首先闭合空气开关QF引入三相电源，按下启动按钮SB2，交流接触器KM1线圈回路通电吸合并通过自己的辅助常开触点自锁，其主触头闭合接通风机三相电源，时间继电器KT线圈也通电吸合并开始计时，交流接触器KM3线圈通过时间继电器的延时断开接点通电吸合，KM3的主触头闭合将风机电动机的尾端连接，电动机定子绕组成星形连接，这时电动机在星形接法下降压启动。当时间继电器KT整定时间到时后，其延时常开触点打开，交流接触器KM3线圈回路断电，主触点打开定子绕组尾端的接线，KM3的辅助常闭触点闭合为KM2线圈的通电做好准备。时间继电器KT动作使其延时常开触点闭合，接通KM2线圈回路，使得KM2通电吸合并通过自己的辅助常开触点自锁，KM2主触头闭合将定子绕组接成三角形，电动机在三角形接法下运行。

1硬启动

通风风机硬启动方式中，最简单的方式就是直接在

线启动。它是指不需要安装其他电气设备，通过闭合空气开关为风机供电而直接启动风机。由于这种突然、急剧的启动会对电网和风机造成很大的冲击，人们开始采用降压启动的方式来解决这个问题，一般有星－三角启动方式、自耦降压启动方式等。

1.1工作原理

星－三角启动方式是最常见的风机硬启动方式。它

主要由空气开关、交流接触器和时间继电器组成，它的

作者简介：刘玉新（1973-），男，河北唐山人，硕士研究生，研究方向为高速公路机电系统检测及交通安全。

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公路交通科技应用技术版

1.2使用效果

不论是直接在线启动还是星－三角启动方式，都只

需要在现场控制机箱里安装相应设备，与监控中心不需要进行数据传输。监控中心可通过电力监控系统为风机供电或断电来启动或停止风机。在实际使用中有如下优点：安装简单方便，投入成本很低；工作稳定性好，易于维修。

1.3存在的缺陷

硬启动方式是早期风机启动方式中最常用的方式，

但不论是直接在线启动，还是星－三角启动，或者其他降压启动方式，在使用中都存在如下缺陷：启动时会产生很大的冲击电流，一般为额定电流的4～7倍，对当地电网的冲击大，可能导致电网过荷，从而引起不良的电压变化，影响电网的供电质量，并最终影响到同电网中的其它电气设备；对风机的冲击很大，容易造成机械故障，降低风机的使用寿命。

图2软启动器工作原理图

机起动电压以恒定的斜率平稳上升，起动电流小，对电网冲击小，同时减小对风机的机械冲击；可靠性高、维护量小、参数设置简单；软起动器还具有可控硅短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护等多种保护功能。

2.3存在的缺陷

软启动器技术近年来发展很快，在隧道风机的启动

2软启动器

软启动器于20世纪70年代末到80年代初投入市

中得到了大范围应用。但在安装使用和检测过程中，还发现存在如下缺陷：在启动风机时会产生高次谐波，对电网造成一定的污染；由于在启动风机时只改变输出电压，不改变频率，所以不能对风机进行调速。而风机的启动转矩与电压平方成正比，所以用软启动器会大大降低风机的启动转矩，因此软启动器并不适用于重载启动的风机。

场，国外称为SoftStarter。它主要由串接于电源与被控风机之间的三相反并联晶闸管（SCR）组成的调压电路构成，以微处理器为控制核心，整个启动过程在数字化程序软件控制下自动进行。

2.1工作原理

软启动器的工作原理图如图2所示。它利用三相晶

闸管的电子开关特性，通过启动器中的微处理器，控制其触发脉冲的迟早来改变触发延迟角的大小，而晶闸管触发延迟角的大小，又可改变晶闸管的导通时间，从而最终改变加到定子绕组的三相电压的大小。风机电动机定子调压的特点是，电动机转矩近似与定子电压的二次方成正比，电动机的电流和定子电压成正比，因此，风机电动机的启动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现。而电动机定子电压又是通过晶闸管的导通角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，以满足不同的负载启动特性。在风机电动机启动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，启动完成，从而实现电动机的无级平滑启动。

3变频器

变频器技术于20世纪80年代后期应用于工业领

域，它是一种以先进的电力电子技术和计算机技术为基础的高效节能技术。近年来，变频器开始应用在国内的交通行业中，目前主要以国外产品为主。

3.1工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电

源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的电路一般由整流回路、直流滤波电路、逆变电路和控制电路4个部分组成，其工作原理图如图3所示。

目前的变频器主要采用交流—直流—交流转换方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给风机。其中控制电路完成对主电路的控制。整流部分为三相桥式不可控整流器，它的作用是将交流电变换成直流电。直流滤波电路对整流回路的输出进行平滑滤波。逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，输出为PWM波形，它将直流电再逆变成交流电。

2.2使用效果

软启动器需要安装在隧道内专门的控制机箱里，由

本地控制器进行控制。隧道中央控制系统根据CO/VI检测器、风速/风向检测器等采集的现场数据通过运算提供运转方案，由监控员在监控中心下发指令控制风机的正转、反转和停机。在实际使用中有如下优点：能使风

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图3变频器工作原理图

3.2使用效果

和软启动器一样，变频器也安装在隧道内专门的控

的隧道看到，由于隧道内温度太低且变化较大、控制机箱里积尘严重，使变频器的故障率很高，导致维护成本加大。

制机箱里，由监控员在监控中心根据隧道内的环境情况，下发指令控制风机以不同的速度正转、反转和停机。变频器除具备和软启动器同样能平稳启动风机、对电网和风机冲击小的优点外，在实际使用中还具有如下优点：变频器可对风机的转速、扭矩和功率等所有相对变量进行精确控制，具备调速、分段变速、制动停车等功能，可执行监控中心下发的复杂控制指令；由于风机运行时的轴功率与其转速的三次方成正比，所以当风机的运转速度降低之后，其轴功率随转速三次方下降，驱动风机所需要的功率也相应减小，从而取得明显的节能效果；变频器能同时改变输出频率与电压，可以使风机以较小的启动电流启动，同时使电机启动转矩达到其最大转矩，所以变频器可以启动重载负荷。

4三种隧道通风风机启动方式的应用前景分析

硬启动方式作为早期的风机启动方式目前正处于逐步淘汰的过程中。但如果风机的功率很小、隧道内安装的电气设备不多的话，从节约成本的角度出发，也可以采用星－三角等降压启动方式。

软启动器以其适中的价格、成熟的技术近些年来在交通行业得到了大范围应用。如果使用者在启动风机时不需要调速、而且风机的功率也不是特别大的话，软启动器是一个很好的选择。

变频器技术近年来发展迅速，如果能不断降低生产成本、努力提高其环境适应性的话，变频器以其全面优越的性能、高效节能的特点代表了未来隧道通风风机启动技术的发展方向。

参考文献：

［1］

刘力军.变频器在各行业中的应用与选择.电气时代，2002（11）：

3.3存在的缺陷

变频器的价格昂贵，约为软启动器的2～3倍，先期

投入的成本较高，这一点限制了它的大范围应用；变频器对工作环境的要求很高，要求隧道的环境温度在0～

40℃之间，不能有太多灰尘，装有变频器的控制柜不能受到过多的机械振动和冲击。笔者在一些环境比较恶劣

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