電機軟啟動在供排水系統(tǒng)中普及應(yīng)用探討

摘要:交流異步電動機的傳統(tǒng)起動、停止方式存在著許多缺點，不能適應(yīng)不斷發(fā)展的電動機復(fù)雜使用場合的控制需要，目前在供排水系統(tǒng)中，有較多中、大功率電機在傳統(tǒng)方式下啟動運行。文章提出在投資不大的前提下對現(xiàn)有設(shè)備進行合理改造，達到減少設(shè)備故障率，安全經(jīng)濟運行的目的，電機智能軟啟動裝置是一個很好的選擇，應(yīng)該在供排水系統(tǒng)中得到全面推廣使用。

關(guān)鍵詞:水泵電機;軟啟動;控制;應(yīng)用

中圖分類號:TM3 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-8937(2009)12-0056-02

在供排水系統(tǒng)中，交流異步電機應(yīng)用非常廣泛。小功率電機一般直接起動，大功率電機傳統(tǒng)上有星—三角起動、自耦減壓起動、串電抗器啟動等。傳統(tǒng)的起動方式存在著明顯缺點，如在起動過程中起動電流對電網(wǎng)和負載的沖擊，機械承受起動沖擊轉(zhuǎn)矩，降低了可靠性及使用壽命，特別是在起停車過程中，會產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，沖擊轉(zhuǎn)矩和“水錘”效應(yīng)使水泵及水泵配件遭到損壞，在實際工作中，需要經(jīng)常更換水壓表，彈性聯(lián)軸器等。同時電氣元件的故障率高，如電機頻繁的自藕減壓啟動容易造成接觸器觸頭或自耦變壓器燒壞等現(xiàn)象，增大了檢修工作量，嚴重影響安全生產(chǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機智能軟啟動與變頻啟動將逐步取代傳統(tǒng)電機起動方式。目前在供排水系統(tǒng)中，還有較多中、大功率電機在傳統(tǒng)方式下啟動運行。在投資不大的前提下對現(xiàn)有設(shè)備進行合理改造，達到減少設(shè)備故障率，安全經(jīng)濟運行的目的，電機智能軟啟動裝置是一個很好的選擇。電機智能軟啟動裝置改善了電機啟動、停止特性，減少了機械沖擊損傷，簡化了外部電路，使用方式靈活、功能完善，是交流異步電機理想的控制裝置。

1異步電動機的起動方式

異步電動機的起動方式一直是工程技術(shù)上非常關(guān)注的一個問題，從原理上講只有兩種:直接起動和降壓起動。全壓直接起動的不利影響分為兩個方面。一是電磁方面:將產(chǎn)生很大的起動電流，起動電流可達到電動機額定電流的4～7倍，通常認為電動機容量大于動力變壓器容量的30%時不允許經(jīng)常全壓起動，因為在起動瞬間將引起電網(wǎng)電壓的降低，影響電網(wǎng)內(nèi)其他電氣設(shè)備的運轉(zhuǎn)。二是機械力矩方面:直接起動會使被拖動的工作機械受到機械性沖擊，對于水泵性負載來說，過高的起動轉(zhuǎn)矩對葉片、軸承、等造成機械變形、疲勞性損傷，以及會因水流對管道的沖擊力過大而產(chǎn)生嚴重的水錘現(xiàn)象損壞管道及相應(yīng)設(shè)備。

降低電動機的端電壓，從而減少電動機的起動電流及過大的起動沖擊轉(zhuǎn)矩。交流電動機降壓起動方法主要有傳統(tǒng)的自耦變壓器降壓、串飽和電抗器、Y/△轉(zhuǎn)換降壓起動等和現(xiàn)在的軟啟動、變頻啟動。

星—三角起動:起動時定子繞組星形連接，起動完成后轉(zhuǎn)為三角形連接，起動時的電流為三角形連接的1/3，同樣起動轉(zhuǎn)矩也為三角形的1/3。從星三角接線切換到三角形接線過程中會出現(xiàn)二次沖擊電流及轉(zhuǎn)矩，起動過程接觸器帶載切換，易造成觸點的拉弧、損壞等方面問題。

自耦變壓器式起動可以通過變壓器抽頭改變起動電壓。電壓的階躍性變化引起較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動，起動特性不平滑。電動機容量較大時，變壓器的體積大，成本高，故障率高。

串電抗器起動一般是采用定子回路串電抗器分級起動，起動特性很難優(yōu)化，起動有較大的功率損耗，分級起動引起起動特性不平滑。

從上可以看出傳統(tǒng)的降壓起動設(shè)備均有諸多性能限制和使用限制，停機時都是瞬間斷電，無法滿足軟停車的要求，越來越難以適應(yīng)不斷發(fā)展的電動機復(fù)雜使用場合的控制需要。

隨著電力電子控制應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，利用可控硅的移相調(diào)壓原理來實現(xiàn)電動機的軟起動，電子軟啟動器使被控電機的輸入電壓、電流按不同的要求而變化以實現(xiàn)不同的功能，起動效果好、運行穩(wěn)定，故障率低。

變頻啟動則是通過改變電源的頻率來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率，可以在限流的同時獲得大的起動轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)軟啟動器的各種功能。 但它的投資費用比軟起動器高兩到三倍，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多，主要用在需要調(diào)速并且對速度控制要求高的領(lǐng)域。

2電機軟啟動原理

電機電子軟起動器是新型的電機起動設(shè)備，它采用大功率晶閘管作主回路開關(guān)元件(如圖1所示)，通過由串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)晶閘管進行調(diào)壓，利用晶閘管的移相控制原理，改變晶閘管的導(dǎo)通角來實現(xiàn)電動機電壓的平穩(wěn)升降和無觸點通斷。三相交流異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩與所加電壓的二次方相關(guān)，轉(zhuǎn)矩近似與定子電壓的平方成正比，電動機的電流和定子電壓也成正比。從而電動機的起動轉(zhuǎn)矩和初始電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現(xiàn)，而定子電壓通過可控硅的導(dǎo)通相角來控制，所以不同的初始相角可實現(xiàn)不同的端電壓，以滿足不同的負載起動特性，從而實現(xiàn)電動機的無級平滑起動。電動機的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流可根據(jù)負載和工況任意設(shè)定，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角使電機端子電壓從預(yù)先設(shè)定的值上升到額定電壓。 電動機達到正常轉(zhuǎn)速后，自動接通旁路接觸器，取代已完成任務(wù)的晶閘管，電機進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。

3電機軟起動器的起動方式及停車方式

電機軟起動器的起動方式主要有以下幾種:

3.1限流起動方式

限流啟動是電機在起動的過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值的起動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，直到輸出電流達到預(yù)先設(shè)定的電流限值，然后輸出電流保持恒定， 這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按需要調(diào)整。對電網(wǎng)影響小，其缺點是在起動時難以知道起動壓降。主要用在輕載起動。

3.2斜坡升壓起動方式

調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，使電機端電壓由小到大斜坡線性上升直到額定電壓。電動機的起動轉(zhuǎn)矩拋物線型上升，主要用在重載起動。它的缺點是初始轉(zhuǎn)矩小，且起動時間長。優(yōu)點是起動轉(zhuǎn)矩特性拋物線型上升對拖動系統(tǒng)有利，起動平滑，柔性好延長拖動系統(tǒng)的使用壽命。

3.3突跳加電壓斜坡起動方式?

突跳加電壓斜坡起動是在斜坡升壓起動方式的基礎(chǔ)上加一個電壓突跳(又稱轉(zhuǎn)矩突跳)，它是在靜慣量較大時用電壓斜坡起動比較困難的場所，適用于重載并需克服較大靜摩擦的起動場合。

4軟啟動器的特點符合水泵電機的控制要求

在供水系統(tǒng)中，泵類負載的起動轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，而電機軟起動器也通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機起動電流從零線性上升至設(shè)定值。從而使泵類負載的機械特性與電機軟起動器供電特性相吻合，平穩(wěn)起動，減少對負載機械的沖擊轉(zhuǎn)矩，提高了泵類負載的可靠性，同時起動參數(shù)可調(diào)，根據(jù)負載情況及保護特性選擇，可自由地?zé)o級調(diào)整至最佳的起動電流。

傳統(tǒng)的起動裝置因突然停車和起動會產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，使管道，甚至水泵遭到損壞。為減少和防止“水錘”效應(yīng)，需要電機逐漸停機，電機軟起動器的軟停車特性消除了由于自由停車帶來的拖動系統(tǒng)反慣性沖擊。軟停車快慢時間一般可調(diào)，可以避免正常停車時“水錘”現(xiàn)象造成閥門的損壞，減少維修費用和維修工作量。因此水泵的軟停車經(jīng)常被稱為水泵的保護控制。

電機軟啟動器集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體，由于采用單片微機控制，一般具有良好的人機界面以及故障自診斷功能，智能電機軟起動器可顯示電機電流、電壓、功率、功率因數(shù)、電動機溫度、運行時間等在線工況參數(shù)，同時還能實現(xiàn)PLC、計算機通訊與控制，提高了系統(tǒng)的可靠性，有助于系統(tǒng)維護。

5造價比較，軟啟動器的可靠性與維護

電子軟啟動與傳統(tǒng)降壓啟動在工程造價上相比差不多，“Y-Δ”起動器須六根引出線而且故障率太高，維修費也高已不常采用，自耦變壓器啟動方式每千瓦100元左右，串電抗器啟動每千瓦80元左右，自藕和串電抗器啟動要求柜體體積較大，且故障率高，電子軟啟動器每個千瓦在150元左右，一臺開關(guān)柜能放多臺電子軟啟動器，一臺電子軟啟動器能控制多臺水泵，節(jié)省工程造價，且可靠性高。

與變頻啟動相比，電機軟啟動器在同樣能滿足性能要求的場合有明顯的價格優(yōu)勢，在大功率電機驅(qū)動領(lǐng)域，軟啟動的投資只有變頻啟動的1/3甚至1/4，隨著功率級別的提高，二者的價格差異也越大。

電機軟啟動器本身具有電壓及電流保護功能，并有內(nèi)在的零電流開關(guān)特性，使得電動機的保護得到了加強，同時還有故障自診斷功能，使可靠性，操作性，安全性大大提高，且電路簡單，體積小。具有實際應(yīng)用價值和很高的性價比。由于控制元件及起動方式的不同，電機軟起動器可以頻繁起動電機。

在實際應(yīng)用中，軟啟動器運行可靠，故障率低。主要故障有晶閘管燒毀，電動機起不來，控制器損壞，軟啟動器內(nèi)部插接件接觸不良等。電機軟啟動器因涉及到電力電子元件，對維修處理技術(shù)要求較高，對用戶來說是全免維護，因此出現(xiàn)故障時一般是更換或找廠家維修，在實際應(yīng)用中可采取相同型號軟起動器三備一的方法。

6結(jié) 語

隨著科技水平的發(fā)展，對電動機的控制機理和技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，傳統(tǒng)的降壓起動設(shè)備已無法滿足供排水系統(tǒng)的要求。近年來，隨著電機軟起動設(shè)備逐步國產(chǎn)化，軟啟動器價格的不斷下降，應(yīng)用范圍會越來越廣。實踐證明，軟起動器具有安裝簡單、操作方便、保護功能齊全、運行可靠、免維護等優(yōu)點。成本相對較低，只需增加較少的投資，就可以完成電機傳統(tǒng)方式起動的改造，大幅度的提高設(shè)備性能，為安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行提供保障。在工程設(shè)計和工程改造中，提高自動化水平，降低成本提高企業(yè)效益，滿足供排水系統(tǒng) “無人值班、少人值守”的技術(shù)要求。智能控制電子電機軟啟動器一般采用16位單片機，能實現(xiàn)PLC、計算機通訊控制，以后可以進一步擴展功能，為今后的智能控制系統(tǒng)化打下良好基礎(chǔ)。因此，電機軟起動技術(shù)的應(yīng)用將最終取代傳統(tǒng)的起動方式，在供排水系統(tǒng)水泵電機控制上得到全面推廣。

參考文獻:

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