淺析電排站電動機(jī)啟動方式

鐘干松

摘要：電排站工程設(shè)計(jì)建造階段，需根據(jù)實(shí)際需要，考慮如何對電動機(jī)啟動和保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，這對于泵站長期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文結(jié)合自身多年工作經(jīng)驗(yàn)，從水泵的啟動特點(diǎn)出發(fā)，淺析了電排站常用的鼠籠式異步電動機(jī)全壓及降壓各種啟動方式，從基本作用原理角度，對各種啟動方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對比，希望能夠?qū)π袠I(yè)內(nèi)相關(guān)單位提供可行的技術(shù)參考意見。

Abstract： During the design and construction phase of the electric power station， it is necessary to consider how to optimize the starting and protection of the motor according to actual needs， which is essential for the long-term stable operation of the pumping station. Based on the authors experience of many years of work， this paper analyzes the starting characteristics of the pump and the various starting methods of the squirrel-cage asynchronous motor commonly used in the electric rowing station. From the perspective of the basic function principle， the advantages and disadvantages of various startup methods are analyzed and compared， and it is hoped that it can provide feasible technical reference opinions for relevant units in the industry.

關(guān)鍵詞：電排站;電動機(jī);啟動方式

Key words： electric row station;electric motor;starting method

中圖分類號：TV675 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0167-03

0 ?引言

通常電排站與水泵負(fù)載相連的電機(jī)，全年的工作情況來看，只有在排澇時段是持續(xù)作業(yè)的，無需進(jìn)行頻繁操作，所以設(shè)計(jì)選用的電動機(jī)只需考慮額定功率超過水泵負(fù)載功率就能實(shí)現(xiàn)正常工作。根據(jù)實(shí)際情況，常用小型電排站多數(shù)會結(jié)合價格、設(shè)備構(gòu)造、維護(hù)保養(yǎng)等綜合因素，選擇三相交流鼠籠型異步電動機(jī)，電壓、功率，轉(zhuǎn)速與水泵相配套。還有一種繞線型電動機(jī)，轉(zhuǎn)矩更大，但同等功率下，其價格比鼠籠型高很多。多數(shù)情況下水泵負(fù)載選用低壓鼠籠型電動機(jī)就能滿足要求。但是遇到降壓啟動難以啟動轉(zhuǎn)矩要求時，就要選擇繞線式電動機(jī)來替代。傳統(tǒng)的三相鼠籠式異步電動機(jī)啟動方案是比較成熟的，不過隨著科技不斷進(jìn)步，一些新的電機(jī)啟動控制方式逐漸發(fā)展起來，所以要做好各項(xiàng)啟動方式的充分對比，實(shí)現(xiàn)優(yōu)中選優(yōu)。

1 ?水泵的啟動特點(diǎn)

1.1 水泵機(jī)組的啟動特性

通常離心水泵出口壓力等于其揚(yáng)程和流量相乘，而且跟水泵轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)正比例關(guān)系。所以，電機(jī)啟動的剎那，轉(zhuǎn)輪是零轉(zhuǎn)速，其負(fù)載帶動的水泵出口壓力也是零。當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速持續(xù)增加時，水泵出口壓力也就跟著線性增大。從根本情況分析，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的水泵與軸承之間也或多或少有一定的摩擦阻力，因此，要想水泵順利啟動就必須讓啟動力矩超過水泵自身的靜阻力矩，同時要解決轉(zhuǎn)動慣量問題，這樣就能讓水泵快速提升轉(zhuǎn)速，短時間內(nèi)維持在額定轉(zhuǎn)速工況下工作。水泵所承受的摩擦力和推力鏡板、軸承直徑、面積以及潤滑條件密切相關(guān)。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，整個泵組由摩擦阻力形成的力矩約為水泵額定力矩的20%左右?？梢杂霉奖磉_(dá)關(guān)系：Mc=fGR

Mc代表摩擦力矩;f是摩擦系數(shù);G是電動機(jī)轉(zhuǎn)動部分重量、水泵轉(zhuǎn)動部分重量以及水的推力之和;R為鏡板的平均半徑。

1.2 異步電動機(jī)的啟動特性

異步電動機(jī)的啟動特性主要有兩點(diǎn)：一是必須能夠提供設(shè)計(jì)要求的啟動轉(zhuǎn)矩，保證電動機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩超過阻力和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩之和，不然的話將難以正常啟動;二是達(dá)到正常啟動的條件后，啟動電流盡量減小，因?yàn)樗查g電流過大的化會給電網(wǎng)和電動機(jī)本身造成巨大沖擊，容易引發(fā)安全事故。排水站機(jī)組設(shè)計(jì)方案中，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速足夠大才能夠帶動水泵和并且保持持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 ?電動機(jī)的啟動方式分析

傳統(tǒng)的三相鼠籠式異步電動機(jī)主要是全壓啟動和降壓啟動兩種啟動方式，隨著科技不斷進(jìn)步，軟啟動和變頻啟動方式也逐漸普及開來。

①電動機(jī)啟動過程，兩端電壓穩(wěn)定在一定范圍，實(shí)現(xiàn)有效的啟動轉(zhuǎn)矩帶動負(fù)載，同時保證對配電系統(tǒng)電壓的沖擊不能影響用電設(shè)備正常運(yùn)行。

②通常條件下，電動機(jī)工作場合要求實(shí)現(xiàn)頻繁啟動，必須確保其兩端電壓不小于額定電壓90%;電動機(jī)工作場合不要求實(shí)現(xiàn)電動機(jī)頻繁啟動，必須確保其兩端電壓不小于額定電壓85%。

2.1 全壓啟動方式分析

通常說的全壓啟動其連接方式較簡單，就是把電動機(jī)定子繞組接線柱直接與額定電壓連接啟動，所以又被稱作直接啟動。該啟動方式所需啟動電流非常大，測量數(shù)據(jù)表明，鼠籠式異步電動機(jī)啟動電流通常是其自身4～7倍的額定電流大小，啟動轉(zhuǎn)矩介于額定轉(zhuǎn)矩1.2～2.0倍范圍內(nèi)。該啟動方式啟動轉(zhuǎn)矩大、所需時間短、啟動設(shè)備簡單、操作簡單、容易保養(yǎng)、投入少和故障率很少等一系列優(yōu)點(diǎn)。

不足之處，需注意如果在頻繁啟動的工作場景運(yùn)用該啟動方式，由于電流過大發(fā)熱嚴(yán)重，會損壞電動機(jī)繞組，引發(fā)火災(zāi)。轉(zhuǎn)矩變化過快也容易損傷電動機(jī)軸承和減速齒輪，長期運(yùn)行將導(dǎo)致機(jī)械性能不斷降低。如果連接的是泵類負(fù)載，其連接皮帶一段時間后會嚴(yán)重磨損無法使用，而且泵管道內(nèi)水壓快速增大，容易導(dǎo)致管路產(chǎn)生裂紋。利用全壓啟動方式時，如果是大功率電動機(jī)的前提下，直接導(dǎo)致整個電網(wǎng)電源驟然快速降低，很可能會觸發(fā)其他網(wǎng)內(nèi)設(shè)備低電壓保護(hù)裝置，以至于發(fā)生跳閘現(xiàn)象，還有可能導(dǎo)致其它電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不足而停止運(yùn)行。為了克服大功率電機(jī)的沖擊，電網(wǎng)電源需要增大配電變壓器的裝載容量。不過，一些中小型泵站運(yùn)行中，電動機(jī)全壓啟動允許最大容量一般是變壓器容量30%以內(nèi)才可以實(shí)現(xiàn)。不過這樣會導(dǎo)致整個電排站工程成本投入加大，也會使變壓器運(yùn)行中銅損和鐵損加劇，進(jìn)而消耗更多電能源和電費(fèi)。

2.2 降壓啟動方式分析

2.2.1 星-三角降壓啟動方式

按照測量數(shù)據(jù)所示，利用星-三角型降壓啟動方式，電動機(jī)所需的啟動電壓是正常工作時額定電壓的0.58倍，啟動電流只有三角形連接方式啟動電流的0.33倍，啟動轉(zhuǎn)矩也只有三角形連接方式的0.33倍。該啟動方式多數(shù)是用在定子繞組額定電壓380V，正常運(yùn)行時三角形連接，同時啟動到穩(wěn)定運(yùn)行階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須維持較低數(shù)值的中小型容量電動機(jī)啟動。星-三角型降壓啟動設(shè)備價格便宜，操作簡單，維護(hù)難度小。整個啟動過程中，電流和轉(zhuǎn)矩都偏小，頻繁啟動也不會造成影響。所以通常小型泵站會選用這種啟動方式，經(jīng)濟(jì)高效且穩(wěn)定。

2.2.2 延邊三角形降壓啟動方式

這種啟動方式是在星-三角型降壓啟動方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改進(jìn)的一種實(shí)施方案。啟動電動機(jī)之前，定子繞組一邊采用三角形連接方式，一邊采用星型連接方式。完成電機(jī)啟動后，再繞組全部改回三角形連接方式，電動機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速工作。該啟動方式的啟動電壓、啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩隨著變化的抽頭比例而發(fā)生調(diào)整。該啟動方式同時兼顧自耦變壓器降壓和星-三角型兩種模式的優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)施過程中的電機(jī)啟動電流較小，但是轉(zhuǎn)矩卻較大，即使頻繁啟動也不會造成不利影響。這種啟動方式多用在繞組額定電壓380V，具有9個出線頭的電動機(jī)。

2.2.3 電阻降壓啟動方式

運(yùn)用這種啟動方式，要在三相定子回路中串連對稱三相電阻，對啟動電動機(jī)形成分壓分流作用。等到電動機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，再短接各項(xiàng)電阻，實(shí)現(xiàn)電機(jī)額定電壓工作工況。采取該方式時，電機(jī)啟動電流偏大，但輸出轉(zhuǎn)矩偏小。啟動過程會損耗較多能源，頻繁啟動的話，電阻溫度不斷上升，會對周圍的精密設(shè)備造成干擾。而且從節(jié)能角度來看，不建議采用這種方式。

2.2.4 自耦變壓器降壓啟動方式

該方式又叫補(bǔ)償器啟動。啟動電機(jī)前，要先把高壓側(cè)電線接到電網(wǎng)，低壓側(cè)接到電動機(jī)，啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩利用抽頭位置實(shí)現(xiàn)可調(diào)。自耦變壓器均有65%和80%額定電壓的兩組抽頭，選擇不同組別啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩分別為其額定數(shù)量的43.2%和64%。該啟動方式下啟動電流偏小，輸出轉(zhuǎn)矩較大。但是自耦降壓器一套裝置體積大、投入成本高，多用在高壓、低壓電動機(jī)不頻繁啟動工況。

2.2.5 電抗器降壓啟動方式

使用該啟動方式時，要把電抗器接入定子回路，當(dāng)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度接近額定轉(zhuǎn)速時，把電抗器斷開。該方式的啟動電流隨電壓成正比降低，啟動轉(zhuǎn)矩與所加電壓的平方成正比例關(guān)系。啟動電流偏大，輸出轉(zhuǎn)矩較小。一般常用于輕載啟動的高壓電動機(jī)。

2.3 軟啟動方式

軟啟動方式從其根本屬性來看，是屬于降壓啟動的特殊類型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面，軟啟動器在對電動機(jī)進(jìn)行啟動時，其呈現(xiàn)出性能曲線平滑，可調(diào)啟動電流較小，等待時間較少。倘若泵站電動機(jī)數(shù)量大，借助1臺軟啟動器能夠控制多臺電動機(jī)啟動，成本低，經(jīng)濟(jì)性好。另外能夠?qū)崿F(xiàn)電動機(jī)啟動全過程自動切換，主要適用于大功率電動機(jī)日常工作使用。軟啟動器的輸出電壓都是呈現(xiàn)規(guī)律增加的狀態(tài)，帶動的負(fù)載電壓由也會隨之持續(xù)增加到額定電壓，轉(zhuǎn)速變化過程相對于較平穩(wěn)，從零開始一直逐步達(dá)到穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)速。軟啟動器多數(shù)都是用于控制大功率電機(jī)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來看，電動機(jī)功率只要不超過1200kW都是可以實(shí)現(xiàn)自由控制的。

3 ?各種啟動方式的對比分析

3.1 從對電網(wǎng)電源電壓沖擊情況對比

全壓啟動方式，多數(shù)會直接導(dǎo)致整個電網(wǎng)電源驟然快速降低，很可能會觸發(fā)其他網(wǎng)內(nèi)設(shè)備低電壓保護(hù)裝置，以至于發(fā)生跳閘現(xiàn)象，還有可能導(dǎo)致其它電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不足而停止運(yùn)行。

星-三角降壓啟動時的短暫時間內(nèi)會出現(xiàn)極大的電流高峰，這一瞬間的電流產(chǎn)生的動態(tài)轉(zhuǎn)矩是有害的，會對電動機(jī)轉(zhuǎn)子、軸聯(lián)接器、減速齒輪和負(fù)載水泵產(chǎn)生損害。

星-三角和自耦變壓器這兩種降壓啟動，能夠?qū)崿F(xiàn)明顯降低電動機(jī)啟動時對電網(wǎng)產(chǎn)生的有害沖擊，也能讓電動機(jī)順利安全啟動運(yùn)行，不過電動機(jī)難以實(shí)現(xiàn)平順線性啟動和停車，還存在一定的不足。

軟啟動器的操作方式，能夠讓電壓穩(wěn)步提高，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也穩(wěn)定增加直至達(dá)到額定工作工況。整個啟動過程能實(shí)現(xiàn)電動機(jī)平滑順暢運(yùn)行，還能對啟動過程限流值、啟動時間動態(tài)調(diào)整。這種方式能有效減少沖擊電網(wǎng)電源影響。能夠順利操控各類大功率電動機(jī)啟動和工作，時目前最好的降壓啟動方案。

3.2 根據(jù)負(fù)載情況對比

如果站用變壓器的負(fù)載率不超過30%，全壓啟動方式較好;當(dāng)變壓器的負(fù)載率介于30%-58%范圍，多建議采取星-三角啟動或軟啟動;變壓器負(fù)載率超過58%時，一般采取自耦變壓器降壓啟動。

3.3 根據(jù)投入成本對比

星-三角啟動器單價為60元/kW，但是日常工作很容易出現(xiàn)故障，后期維護(hù)費(fèi)用較大。自耦降壓啟動器80元/kW，但是其結(jié)構(gòu)較大，布置占用更多空間，不過故障率相對前者要少一些，而且維護(hù)成本也降低不少;軟啟動器價格介于100～200元/kW，但是很少出現(xiàn)故障，因此后期的維護(hù)保養(yǎng)成本最少。

4 ?結(jié)束語

總而言之，在設(shè)計(jì)選擇電排泵站電動機(jī)啟動方式時，要綜合泵站設(shè)計(jì)基本性能參數(shù)要求和工程總投資等情況來分析?？茖W(xué)化地選用并實(shí)施泵站電動機(jī)啟動方案，對控制電排站工程成本投入、延長設(shè)備使用壽命有極大的幫助，還能借助節(jié)能降耗來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。

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