軟起動技術在排灌站水泵控制中的應用
發布日期：2022-04-27 點擊率：55
摘 要：介紹了三相鼠籠型異步電動機的起動方式及其不足，重點敘述了軟起動技術的工作原理、優點和應用。
關鍵詞：鼠籠型異步電動機；起動技術；軟起動技術；水泵
1.電動機起動的現狀
三相鼠籠型異步電動機因其具有結構簡單、運行可靠、維修方便、慣性小、價格便宜等諸多優點，在農田排灌中作為電能轉化為機械能的主要動力設備而被廣泛采用。但由于其起動電流大，對電網的影響和對工作機械（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措施對起動電流和沖擊力（起動電磁轉矩）加以合理而有效的控制，實現比較穩定的起動，從而改善系統設備工況，有效延長系統壽命，減少故障率的發生。
異步電動機的起動問題，一直為業內人士所關注。異步電動機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，就是將處于靜止狀態的電動機直接加上額定電壓，使電動機在額定電壓作用下直接完成起動過程。直接起動轉矩大，起動時間短，起動控制方式簡單，設備投資少，因此在中小型電動機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，主要表現在下列三個方面：
（1）起動電流可大到電動機額定電流的4～7倍，部分國產電動機的起動電流實際測量甚至高達8～12倍。如果直接起動較大的電動機，過大的起動電流將造成電網電壓顯著下降，影響同一電網其它電氣設備和電子設備的正常運行，嚴重時將使部分設備因電壓過低而退出運行，甚至使電力線路繼電保護裝置過流保護動作而跳閘，使線路供電中斷。
（2）直接起動會使被拖動的工作機械受到機械性沖擊，對于水泵性負載來說，過高的起動轉矩對葉片、軸承、拍門等造成軟性損傷（機械變形、疲勞性老化）及硬性損傷（裂紋、斷裂等）是較為常見的，甚至會因水流對管道的沖擊力（及反作用力）過大而產生嚴重的水錘效應損壞設備。
（3）直接起動要求供電變壓器容量較大，而對農田排灌泵站供電的變壓器容量往往達不到直接起動對電網容量的要求。
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，即降低電動機端電壓進行起動。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構最簡單、成本最低的一種，然而它的性能受到限制，主要表現在：
（1）無法控制電流和轉矩下降程度，這些值是固定的，為額定值的1／3。
（2）當起動器從星形接法切換到三角形接法時，通常會出現較大的電流和轉矩變動。這將引起機械和電氣應力，導致經常性故障的發生。
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（分級轉換時產生）引起較大的電流和轉矩變動，同星形／三角形起動器性能限制“2”一樣會導致機械、電氣經常性故障的發生。
（2）有限的輸出電壓種類（起動電壓分接頭數量有限），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行降壓起動，它控制的電機參數為電壓而非電流，所以當電網電壓波動及負載變化（如排灌站水位落差變化）時，起動電流曲線將顯著偏離設計理想曲線，從而惡化起動性能，設備在較差的工況下將大大縮短使用壽命，增加維護成本。
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，雖然可以通過轉換分接頭來進行分級起動，但當級數較多時，勢必增加控制系統的復雜性，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，加在電動機定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數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長時間冷卻過程。
（3）負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）在負載大小經常變化的應用場合（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，傳統的降壓起動設備均有諸多性能限制和使用限制，越來越難以適應不斷發展的電動機復雜使用場合的起動需要。
2.軟起動技術的工作原理
軟起動技術是在晶閘管斬波技術的基礎上發展起來的，利用晶閘管斬波技術進行工頻電壓調節的原理如圖1所示。
在50Hz正弦波每個半周內固定時間（過零延時t1）給晶閘管VT1門極以一個觸發脈沖，則根據晶閘管特性，在觸發脈沖結束后，晶閘管將在半周內剩余時間維持導通（見圖1（b）中陰影部分），直至電壓再次過零，這樣只要調節VT1觸發脈沖出現的時間，則輸出電壓u0將會在0～100％輸入電壓（ui）內得到調節。如果將晶閘管斬波調壓技術應用于三相電源，再加入現代電子技術如單片機控制技術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的起動上得以應用。
軟起動電動機時的電壓、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一個初始電壓Ust（Ust一般在10％～60％Ue間自由調整）并在用戶設定的起動時間Tst（Tst一般在1～60s范圍內自由設定）內將負載電壓均勻上升到電動機額定電壓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內自由設定）。
為了比較起動外特性，在此給出了應用中最常見的傳統起動方式———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生很大的起動沖擊電流，對電網形成沖擊，而兩個較大的級落電壓0→Ust與Ust→Ue又會發生非常大的轉矩突變，產生機械沖擊。而電動機軟起動時無論在電流曲線還是電壓曲線上看，均已將電沖擊及機械性沖擊減小到最低的程度。
3.軟起動技術的應用
用軟起動器組成軟起動控制系統可以采取兩種型式：（1）在線式控制軟起動系統和旁路切換式軟起動系統（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。
在線式控制軟起動系統采取“一帶一”方式，即每一臺負載電動機的起動由相應的軟起動器來完成，選用長期工作制的軟起動器，可以對電動機實現起動—運行—停止的全過程控制，并且主接線及控制系統均很簡捷。
旁路切換式軟起動系統是多臺電動機共用同一臺軟起動器。當一臺電動機起動完成后，旁路接觸器吸合將電動機轉為電網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的起動后可以再控制另一臺電動機的起動。旁路切換式軟起動系統在控制電動機臺數較多時可以大大降低系統成本，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的復雜性。
隨著科技水平的發展，對電動機的控制機理和技術指標要求越來越高，傳統的降壓起動設備已無法滿足各行業的需要。近年來，隨著軟起動設備逐步國產化，將使軟起動技術的應用成為今后大型鼠籠型異步電動機起動方式的主流，并將最終取代傳統的起動方式，在排灌站
水泵控制上得到全面的推廣。
