低壓異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式在中小型泵站中的運(yùn)用及比較

楊莉娜

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

1 概 述

自2007年起，湖南省根據(jù)國(guó)家對(duì)泵站的改造計(jì)劃，針對(duì)中小型排灌泵站進(jìn)行更新改造，這些中小型泵站長(zhǎng)期擔(dān)負(fù)著防澇、灌溉、抗旱的重任，在水資源的合理配置和保證工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民增收起著不可替代的作用。但是這些中小型泵站大多建于20世紀(jì)60～70年代，自投入運(yùn)行以來，由于維修資金匱乏，同時(shí)受當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件的限制，導(dǎo)致工程設(shè)施、機(jī)電設(shè)備存在有不同程度的安全隱患，灌溉標(biāo)準(zhǔn)逐年降低，給泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全生產(chǎn)帶來了巨大威脅。為此，我們對(duì)一批中小型泵站進(jìn)行了更新改造設(shè)計(jì)，根據(jù)各站的實(shí)際情況和電機(jī)型號(hào)的不同，選擇不同的啟動(dòng)的方式，詳述如下。

2 低壓異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式在中小型泵站的具體運(yùn)用及比較

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50265規(guī)定，機(jī)組啟動(dòng)應(yīng)優(yōu)先采用全電壓直接啟動(dòng)方式，當(dāng)母線電壓下降大于額定電壓的15%時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)須采用降壓?jiǎn)?dòng)方式。通過對(duì)改造的各泵站進(jìn)行計(jì)算，對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓降大于15%的泵站，為了保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓降，并結(jié)合考慮各排區(qū)內(nèi)泵站供電大部分為農(nóng)網(wǎng)供電、長(zhǎng)期供電電壓偏低的實(shí)際情況，電機(jī)啟動(dòng)方式據(jù)各泵站實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇，以減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流以及啟動(dòng)時(shí)對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)和其它用戶的影響。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中主要應(yīng)用低壓異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式有如下幾種方式：直接啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)和軟啟動(dòng)，常用的降壓?jiǎn)?dòng)方式有自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、星-三角降壓?jiǎn)?dòng)、頻敏變阻啟動(dòng)等。

2.1 全電壓直接啟動(dòng)

全電壓直接啟動(dòng)方式采用交流接觸器和熱繼電器做啟動(dòng)元件和保護(hù)元件。低壓異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)原理見圖1。

2.2 自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)

將自耦變壓器高壓側(cè)接電網(wǎng)，低壓側(cè)接電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)時(shí)，利用自耦變壓器分接頭來降低電動(dòng)機(jī)的電壓，待轉(zhuǎn)速升到一定值時(shí)，自耦變壓器自動(dòng)切除，電動(dòng)機(jī)與電源相接，在全壓下正常運(yùn)行。自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)原理見圖2。

圖1 低壓異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)原理圖

圖2 低壓異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)原理圖

2.3 星-三角降壓?jiǎn)?dòng)

星-三角降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)將定子三相繞組作星形連接，以限制啟動(dòng)電流，待轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再換接成三角形，使電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行。星-三角降壓?jiǎn)?dòng)原理見圖3。

圖3 低壓異步電動(dòng)機(jī)星-三角降壓?jiǎn)?dòng)原理圖

2.4 頻敏變阻啟動(dòng)

頻敏變阻器是一種由鑄鐵片或鋼板疊成鐵心，外面再套上繞組的三相電抗器，接在轉(zhuǎn)子繞組的電路中，其繞組電抗和鐵心損耗決定的等效阻抗隨著轉(zhuǎn)子電流的頻率而變化。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)初始階段，由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)子電流頻率較高，頻敏變阻器的阻抗(主要是鐵耗等效電阻)較大，因而限制了啟動(dòng)電流，同時(shí)也增大了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸降低，頻敏變阻器鐵耗的等效電阻也隨之減小，這就相當(dāng)于在啟動(dòng)過程中逐漸減少轉(zhuǎn)子回路的電阻，使啟動(dòng)電流及轉(zhuǎn)矩保持一定數(shù)值。頻敏變阻器實(shí)際上利用轉(zhuǎn)子頻率的平滑變化達(dá)到使轉(zhuǎn)子回路總電阻平滑減小的目的。啟動(dòng)結(jié)束后，轉(zhuǎn)子電流頻率很低，頻敏變阻器的阻抗很小，此時(shí)可將它切除，并把轉(zhuǎn)子繞組直接短路，見圖4。

圖4 低壓異步電動(dòng)機(jī)頻敏變阻啟動(dòng)原理圖

2.5 軟啟動(dòng)

電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器是目前常用的降壓?jiǎn)?dòng)方式之一，使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，減小對(duì)電網(wǎng)的影響，見圖5。

圖5 低壓異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)原理圖

目前市場(chǎng)上低壓電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器有很多種，常用的有幾種：水阻（液態(tài)）軟啟動(dòng)器、干式（固態(tài)）軟啟動(dòng)器、數(shù)字式軟啟動(dòng)器以及繞線式異步電動(dòng)機(jī)限流增矩控制器等。

2.5.1 水阻（液態(tài)）軟啟動(dòng)器

水阻（液態(tài)）軟啟動(dòng)器是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入特制的水電阻，利用機(jī)械傳動(dòng)裝置，均勻改變電阻液中兩極板之間的距離，使阻值由大無級(jí)減小直至為零，從而使電動(dòng)機(jī)均勻加速，平穩(wěn)啟動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，最后切除，完成啟動(dòng)過程。

2.5.2 干式（固態(tài)）軟啟動(dòng)器

固態(tài)軟啟動(dòng)器是以雙CPU為管理中心，采用大規(guī)模集成電路為控制器件，大功率晶閘管為主電路控制器件組成的電氣系統(tǒng)。由微處理器發(fā)出“觸發(fā)”脈沖加到六只晶閘管的觸發(fā)極上控制晶閘管的導(dǎo)通角，使晶閘管的輸出電壓受“觸發(fā)”脈沖的相位角控制，由零逐漸升至全壓，而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由零升到額定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。

2.5.3 數(shù)字式軟啟動(dòng)器

數(shù)字式軟啟動(dòng)器是以先進(jìn)的微處理器為核心，控制大功率晶閘管組件，具有限流啟動(dòng)、電壓斜坡啟動(dòng)、軟停止功率，參數(shù)均可根據(jù)負(fù)載自行設(shè)定，并具有過流、過載、缺相等多種保護(hù)。

2.5.4 繞線式異步電動(dòng)機(jī)限流增矩控制器

繞線式異步電動(dòng)機(jī)限流增矩控制器是整體安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步運(yùn)轉(zhuǎn)，控制器的線圈繞組直接串入到了電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流回路中，在電機(jī)啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子電流頻率隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流頻率則從50Hz平滑降到（1~3）Hz，控制器阻抗減少，當(dāng)啟動(dòng)結(jié)束后控制器阻抗降到很小，接近似可忽略不計(jì)，因此電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，既能限制啟動(dòng)電流，也能增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2.6 啟動(dòng)方式在中小型泵站中的運(yùn)用及比較

根據(jù)對(duì)湖南中小型泵站的改造情況，對(duì)上述幾種低壓異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式進(jìn)行比較，見附表。

附表 低壓異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的比較

3 總 結(jié)

綜上所述，幾種常用的降壓?jiǎn)?dòng)方式均能滿足中小型泵站低壓異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)要求，但中小型泵站主要由農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)水利部門負(fù)責(zé)管理，技術(shù)力量有限，而且中小型泵站改造資金有限，因此要求設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，易于檢修維護(hù)。

上述幾種低壓異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)裝置中，本人認(rèn)為可根據(jù)泵站實(shí)際情況進(jìn)行選擇，在條件允許時(shí)，應(yīng)結(jié)合各泵站運(yùn)行維護(hù)力量偏弱的實(shí)際情況，對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)宜優(yōu)先選用限流增矩控制器，其次是頻敏變阻器，對(duì)于鼠籠式電動(dòng)機(jī)可選用干式（固態(tài)）軟啟動(dòng)器。