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軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式及其不足，重點(diǎn)敘述了軟起動(dòng)技術(shù)的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)；起動(dòng)技術(shù)；軟起動(dòng)技術(shù)；水泵
1 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的現(xiàn)狀
三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、慣性小、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)田排灌中作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要?jiǎng)恿υO(shè)備而被廣泛采用。但由于其起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)的影響和對(duì)工作機(jī)械（如水泵、拍門等）的沖擊力都很大，因而在起動(dòng)過(guò)程中必須采取一些技術(shù)措施對(duì)起動(dòng)電流和沖擊力（起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩）加以合理而有效的控制，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的起動(dòng)，從而改善系統(tǒng)設(shè)備工況，有效延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命，減少故障率的發(fā)生。
異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題，一直為業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注。異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式從原理上講只有兩種：直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)。直接起動(dòng)，就是將處于靜止?fàn)顟B(tài)的電動(dòng)機(jī)直接加上額定電壓，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓作用下直接完成起動(dòng)過(guò)程。直接起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短，起動(dòng)控制方式簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，因此在中小型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)上得到廣泛的采用。但直接起動(dòng)方式也受到許多限制，主要表現(xiàn)在下列三個(gè)方面：
�。�1）起動(dòng)電流可大到電動(dòng)機(jī)額定電流的4～7倍，部分國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流實(shí)際測(cè)量甚至高達(dá)8～12倍。如果直接起動(dòng)較大的電動(dòng)機(jī)，過(guò)大的起動(dòng)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(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)將使部分設(shè)備因電壓過(guò)低而退出運(yùn)行，甚至使電力線路繼電保護(hù)裝置過(guò)流保護(hù)動(dòng)作而跳閘，使線路供電中斷。
�。�2）直接起動(dòng)會(huì)使被拖動(dòng)的工作機(jī)械受到機(jī)械性沖擊，對(duì)于水泵性負(fù)載來(lái)說(shuō)，過(guò)高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)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)蛩鲗?duì)管道的沖擊力（及反作用力）過(guò)大而產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘效應(yīng)損壞設(shè)備。
�。�3）直接起動(dòng)要求供電變壓器容量較大，而對(duì)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(dòng)對(duì)電網(wǎng)容量的要求。
在不允許直接起動(dòng)的情況下，就要采用降壓起動(dòng)的起動(dòng)方式，即降低電動(dòng)機(jī)端電壓進(jìn)行起動(dòng)。降壓起動(dòng)一般有星／三角起動(dòng)，定子電路中串接電阻、電抗器起動(dòng)，自耦變壓器降壓起動(dòng)及本文推薦的軟起動(dòng)等方法。
星形／三角形起動(dòng)器是降壓起動(dòng)器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)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(wú)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(dòng)器從星形接法切換到三角形接法時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動(dòng)。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(dòng)器比星形／三角形起動(dòng)器提供了更多的控制手段，可以通過(guò)變壓器抽頭改變I段起動(dòng)電壓（典型為65％和80％兩擋起動(dòng)分接頭）。然而它的電壓是分級(jí)升高的，所以其性能受如下限制：
�。�1）電壓的階躍性變化（分級(jí)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生）引起較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動(dòng)，同星形／三角形起動(dòng)器性能限制“2”一樣會(huì)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(dòng)電壓分接頭數(shù)量有限），限制了理想起動(dòng)電流的選擇。因?yàn)樽择钭儔浩魇狡饎?dòng)器控制是使用較額定電壓低的電壓級(jí)別進(jìn)行降壓起動(dòng)，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(dòng)及負(fù)載變化（如排灌站水位落差變化）時(shí)，起動(dòng)電流曲線將顯著偏離設(shè)計(jì)理想曲線，從而惡化起動(dòng)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(dòng)器也能提供比星形／三角形起動(dòng)器更好的起動(dòng)控制。然而它同樣有一些性能、使用上的限制，包括：
（1）起動(dòng)特性很難優(yōu)化。原因是制造起動(dòng)器時(shí)電阻值是確定的，在使用中很難改變，雖然可以通過(guò)轉(zhuǎn)換分接頭來(lái)進(jìn)行分級(jí)起動(dòng)，但當(dāng)級(jí)數(shù)較多時(shí)，勢(shì)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(dòng)器均在2～5級(jí)間。這樣，加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數(shù)在分級(jí)起動(dòng)時(shí)仍有很大的波動(dòng)。
（2）頻繁起動(dòng)場(chǎng)合下的起動(dòng)特性不好。原因是在起動(dòng)過(guò)程中電阻值會(huì)隨著電阻的溫度變化，在停止到再起動(dòng)過(guò)程中需經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間冷卻過(guò)程。
（3）負(fù)載較大或起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合下的運(yùn)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(chǎng)合（如排灌站水位落差變化較大），電阻式起動(dòng)器不能提供理想的起動(dòng)效果。
綜上所述，傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備均有諸多性能限制和使用限制，越來(lái)越難以適應(yīng)不斷發(fā)展的電動(dòng)機(jī)復(fù)雜使用場(chǎng)合的起動(dòng)需要。
2 軟起動(dòng)技術(shù)的工作原理
軟起動(dòng)技術(shù)是在晶閘管斬波技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(gè)半周內(nèi)固定時(shí)間（過(guò)零延時(shí)t1）給晶閘管VT1門極以一個(gè)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(shí)間維持導(dǎo)通（見圖1（b）中陰影部分），直至電壓再次過(guò)零，這樣只要調(diào)節(jié)VT1觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間，則輸出電壓u0將會(huì)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(dòng)器，從而在大型三相鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)上得以應(yīng)用。
軟起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)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(dòng)開始軟起動(dòng)器給交流異步電動(dòng)機(jī)一個(gè)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(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)額定電壓Ue。由于軟起動(dòng)器自身特有的限流功能，起動(dòng)電流在起動(dòng)期間始終不超過(guò)起動(dòng)限制電流ILIM（ILIM一般在2～5Ie內(nèi)自由設(shè)定）。
為了比較起動(dòng)外特性，在此給出了應(yīng)用中最常見的傳統(tǒng)起動(dòng)方式———自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)的電壓、電流特性曲線（見圖3）。從圖3可以看出，兩級(jí)起動(dòng)的兩個(gè)階段均產(chǎn)生很大的起動(dòng)沖擊電流，對(duì)電網(wǎng)形成沖擊，而兩個(gè)較大的級(jí)落電壓0→Ust與Ust→Ue又會(huì)發(fā)生非常大的轉(zhuǎn)矩突變，產(chǎn)生機(jī)械沖擊。而電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)時(shí)無(wú)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(dòng)技術(shù)的應(yīng)用
用軟起動(dòng)器組成軟起動(dòng)控制系統(tǒng)可以采取兩種型式：（1）在線式控制軟起動(dòng)系統(tǒng)和旁路切換式軟起動(dòng)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(dòng)器；KM11～KMn1、KM12～KMn2為交流接觸器；M1～Mn為電動(dòng)機(jī)。
在線式控制軟起動(dòng)系統(tǒng)采取“一帶一”方式，即每一臺(tái)負(fù)載電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)由相應(yīng)的軟起動(dòng)器來(lái)完成，選用長(zhǎng)期工作制的軟起動(dòng)器，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)—運(yùn)行—停止的全過(guò)程控制，并且主接線及控制系統(tǒng)均很簡(jiǎn)捷。
旁路切換式軟起動(dòng)系統(tǒng)是多臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用同一臺(tái)軟起動(dòng)器。當(dāng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后，旁路接觸器吸合將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為電網(wǎng)供電脫開軟起動(dòng)器直接運(yùn)行，這樣軟起動(dòng)器在完成一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)后可以再控制另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)
。旁路切換式軟起動(dòng)系統(tǒng)在控制電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)較多時(shí)可以大大降低系統(tǒng)成本，而且軟起動(dòng)器均工作在短時(shí)工作制，可以大大降低軟起動(dòng)器的故障率，唯一不足的是增加了主接線及整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
隨著科技水平的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制機(jī)理和技術(shù)指標(biāo)要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備已無(wú)法滿足各行業(yè)的需要。近年來(lái)，隨著軟起動(dòng)設(shè)備逐步國(guó)產(chǎn)化，將使軟起動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用成為今后大型鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式的主流，并將最終取代傳統(tǒng)的起動(dòng)方式，在排灌站水泵控制上得到全面的推廣。
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