軟起動技術(shù)在排灌站水泵控制中的應(yīng)用

軟起動技術(shù)在排灌站水泵控制中的應(yīng)用  摘　要：介紹了三相鼠籠型異步電動機(jī)的起動方式及其不足，重點敘述了軟起動技術(shù)的工作原理、優(yōu)點和應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：鼠籠型異步電動機(jī)；起動技術(shù)；軟起動技術(shù)；水泵 
1　電動機(jī)起動的現(xiàn)狀
　　三相鼠籠型異步電動機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維修方便、慣性小、價格便宜等諸多優(yōu)點，在農(nóng)田排灌中作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要動力設(shè)備而被廣泛采用。但由于其起動電流大，對電網(wǎng)的影響和對工作機(jī)械（如水泵、拍門等）的沖擊力都很大，因而在起動過程中必須采取一些技術(shù)措施對起動電流和沖擊力（起動電磁轉(zhuǎn)矩）加以合理而有效的控制，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的起動，從而改善系統(tǒng)設(shè)備工況，有效延長系統(tǒng)壽命，減少故障率的發(fā)生。
　　異步電動機(jī)的起動問題，一直為業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注。異步電動機(jī)的起動方式從原理上講只有兩種：直接起動和降壓起動。直接起動，就是將處于靜止?fàn)顟B(tài)的電動機(jī)直接加上額定電壓，使電動機(jī)在額定電壓作用下直接完成起動過程。直接起動轉(zhuǎn)矩大，起動時間短，起動控制方式簡單，設(shè)備投資少，因此在中小型電動機(jī)的起動上得到廣泛的采用。但直接起動方式也受到許多限制，主要表現(xiàn)在下列三個方面：
　�。�1）起動電流可大到電動機(jī)額定電流的4～7倍，部分國產(chǎn)電動機(jī)的起動電流實際測量甚至高達(dá)8～12倍。如果直接起動較大的電動機(jī)，過大的起動電流將造成電網(wǎng)電壓顯著下降，影響同一電網(wǎng)其它電氣設(shè)備和電子設(shè)備的正常運行，嚴(yán)重時將使部分設(shè)備因電壓過低而退出運行，甚至使電力線路繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)動作而跳閘，使線路供電中斷。
　�。�2）直接起動會使被拖動的工作機(jī)械受到機(jī)械性沖擊，對于水泵性負(fù)載來說，過高的起動轉(zhuǎn)矩對葉片、軸承、拍門等造成軟性損傷（機(jī)械變形、疲勞性老化）及硬性損傷（裂紋、斷裂等）是較為常見的，甚至?xí)�因水流對管道的沖擊力（及反作用力）過大而產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘效應(yīng)損壞設(shè)備。
　�。�3）直接起動要求供電變壓器容量較大，而對農(nóng)田排灌泵站供電的變壓器容量往往達(dá)不到直接起動對電網(wǎng)容量的要求。
　　在不允許直接起動的情況下，就要采用降壓起動的起動方式，即降低電動機(jī)端電壓進(jìn)行起動。降壓起動一般有星／三角起動，定子電路中串接電阻、電抗器起動，自耦變壓器降壓起動及本文推薦的軟起動等方法。
　　星形／三角形起動器是降壓起動器中結(jié)構(gòu)最簡單、成本最低的一種，然而它的性能受到限制，主要表現(xiàn)在：
　　（1）無法控制電流和轉(zhuǎn)矩下降程度，這些值是固定的，為額定值的1／3。
　�。�2）當(dāng)起動器從星形接法切換到三角形接法時，通常會出現(xiàn)較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動。這將引起機(jī)械和電氣應(yīng)力，導(dǎo)致經(jīng)常性故障的發(fā)生。
　　自耦變壓器式起動器比星形／三角形起動器提供了更多的控制手段，可以通過變壓器抽頭改變I段起動電壓（典型為65％和80％兩擋起動分接頭）。然而它的電壓是分級升高的，所以其性能受如下限制：
　�。�1）電壓的階躍性變化（分級轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生）引起較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動，同星形／三角形起動器性能限制“2”一樣會導(dǎo)致機(jī)械、電氣經(jīng)常性故障的發(fā)生。
　�。�2）有限的輸出電壓種類（起動電壓分接頭數(shù)量有限），限制了理想起動電流的選擇。因為自耦變壓器式起動器控制是使用較額定電壓低的電壓級別進(jìn)行降壓起動，它控制的電機(jī)參數(shù)為電壓而非電流，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動及負(fù)載變化（如排灌站水位落差變化）時，起動電流曲線將顯著偏離設(shè)計理想曲線，從而惡化起動性能，設(shè)備在較差的工況下將大大縮短使用壽命，增加維護(hù)成本。
　　電阻式起動器也能提供比星形／三角形起動器更好的起動控制。然而它同樣有一些性能、使用上的限制，包括：
　�。�1）起動特性很難優(yōu)化。原因是制造起動器時電阻值是確定的，在使用中很難改變，雖然可以通過轉(zhuǎn)換分接頭來進(jìn)行分級起動，但當(dāng)級數(shù)較多時，勢必增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，而制造成本、故障率也將隨之大幅度提高，所以一般電阻式起動器均在2～5級間。這樣，加在電動機(jī)定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數(shù)在分級起動時仍有很大的波動。
    （2）頻繁起動場合下的起動特性不好。原因是在起動過程中電阻值會隨著電阻的溫度變化，在停止到再起動過程中需經(jīng)長時間冷卻過程。
　�。�3）負(fù)載較大或起動時間較長的場合下的運行特性變壞，原因是電阻值隨著電阻器溫度的變化而變化。
　�。�4）在負(fù)載大小經(jīng)常變化的應(yīng)用場合（如排灌站水位落差變化較大），電阻式起動器不能提供理想的起動效果。
　　綜上所述，傳統(tǒng)的降壓起動設(shè)備均有諸多性能限制和使用限制，越來越難以適應(yīng)不斷發(fā)展的電動機(jī)復(fù)雜使用場合的起動需要。 
2　軟起動技術(shù)的工作原理
　　軟起動技術(shù)是在晶閘管斬波技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用晶閘管斬波技術(shù)進(jìn)行工頻電壓調(diào)節(jié)
　　在50Hz正弦波每個半周內(nèi)固定時間（過零延時t1）給晶閘管VT1門極以一個觸發(fā)脈沖，則根據(jù)晶閘管特性，在觸發(fā)脈沖結(jié)束后，晶閘管將在半周內(nèi)剩余時間維持導(dǎo)通（見圖1（b）中陰影部分），直至電壓再次過零，這樣只要調(diào)節(jié)VT1觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時間，則輸出電壓u0將會在0～100％輸入電壓（ui）內(nèi)得到調(diào)節(jié)。如果將晶閘管斬波調(diào)壓技術(shù)應(yīng)用于三相電源，再加入現(xiàn)代電子技術(shù)如單片機(jī)控制技術(shù)等即可制成軟起動器，從而在大型三相鼠籠式交流異步電動機(jī)的起動上得以應(yīng)用。
　　軟起動電動機(jī)時的電壓、電流特性曲線見圖2。從電壓特性曲線u＝f（t）可以看出，從起動開始軟起動器給交流異步電動機(jī)一個初始電壓Ust（Ust一般在10％～60％Ue間自由調(diào)整）并在用戶設(shè)定的起動時間Tst（Tst一般在1～60s范圍內(nèi)自由設(shè)定）內(nèi)將負(fù)載電壓均勻上升到電動機(jī)額定電壓Ue。由于軟起動器自身特有的限流功能，起動電流在起動期間始終不超過起動限制電流ILIM（ILIM一般在2～5Ie內(nèi)自由設(shè)定）。
    為了比較起動外特性，在此給出了應(yīng)用中最常見的傳統(tǒng)起動方式———自耦變壓器降壓起動時的電壓、電流特性曲線（見圖3）。從圖3可以看出，兩級起動的兩個階段均產(chǎn)生很大的起動沖擊電流，對電網(wǎng)形成沖擊，而兩個較大的級落電壓0→Ust與Ust→Ue又會發(fā)生非常大的轉(zhuǎn)矩突變，產(chǎn)生機(jī)械沖擊。而電動機(jī)軟起動時無論在電流曲線還是電壓曲線上看，均已將電沖擊及機(jī)械性沖擊減小到最低的程度。 
3　軟起動技術(shù)的應(yīng)用
　　用軟起動器組成軟起動控制系統(tǒng)可以采取兩種型式：（1）在線式控制軟起動系統(tǒng)和旁路切換式軟起動系統(tǒng)（見圖4、圖5）。圖中K0、K1～Kn為空氣斷路器；RQ、RQ1～RQn為軟起動器；KM11～KMn1、KM12～KMn2為交流接觸器；M1～Mn為電動機(jī)。
　　在線式控制軟起動系統(tǒng)采取“一帶一”方式，即每一臺負(fù)載電動機(jī)的起動由相應(yīng)的軟起動器來完成，選用長期工作制的軟起動器，可以對電動機(jī)實現(xiàn)起動—運行—停止的全過程控制，并且主接線及控制系統(tǒng)均很簡捷。
　　旁路切換式軟起動系統(tǒng)是多臺電動機(jī)共用同一臺軟起動器。當(dāng)一臺電動機(jī)起動完成后，旁路接觸器吸合將電動機(jī)轉(zhuǎn)為電網(wǎng)供電脫開軟起動器直接運行，這樣軟起動器在完成一臺電動機(jī)的起動后可以再控制另一臺電動機(jī)的起動。旁路切換式軟起動系統(tǒng)在控制電動機(jī)臺數(shù)較多時可以大大降低系統(tǒng)成本，而且軟起動器均工作在短時工作制，可以大大降低軟起動器的故障率，唯一不足的是增加了主接線及整個系統(tǒng)的復(fù)雜性。
　　隨著科技水平的發(fā)展，對電動機(jī)的控制機(jī)理和技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，傳統(tǒng)的降壓起動設(shè)備已無法滿足各行業(yè)的需要。近年來，隨著軟起動設(shè)備逐步國產(chǎn)化，將使軟起動技術(shù)的應(yīng)用成為今后大型鼠籠型異步電動機(jī)起動方式的主流，并將最終取代傳統(tǒng)的起動方式，在排灌站水泵控制上得到全面的推廣。

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