关键词:水泵电机;软启动;控制;应用
中图分类号:TM3 文献标识码:A 文章编号:1006-893712-0056-02
在供排水系统中,交流异步电机应用非常广泛。小功率电机一般直接起动,大功率电机传统上有星—三角起动、自耦减压起动、串电抗器启动等。传统的起动方式存在着明显缺点,如在起动过程中起动电流对电网和负载的冲击,机械承受起动冲击转矩,降低了可靠性及使用寿命,特别是在起停车过程中,会产生巨大的“水锤”效应,冲击转矩和“水锤”效应使水泵及水泵配件遭到损坏,在实际工作中,需要经常更换水压表,弹性联轴器等。同时电气元件的故障率高,如电机频繁的自藕减压启动容易造成接触器触头或自耦变压器烧坏等现象,增大了检修工作量,严重影响安全生产。随着科学技术的发展,电机智能软启动与变频启动将逐步取代传统电机起动方式。目前在供排水系统中,还有较多中、大功率电机在传统方式下启动运行。在投资不大的前提下对现有设备进行合理改造,达到减少设备故障率,安全经济运行的目的,电机智能软启动装置是一个很好的选择。电机智能软启动装置改善了电机启动、停止特性,减少了机械冲击损伤,简化了外部电路,使用方式灵活、功能完善,是交流异步电机理想的控制装置。
1异步电动机的起动方式
异步电动机的起动方式一直是工程技术上非常关注的一个问题,从原理上讲只有两种:直接起动和降压起动。全压直接起动的不利影响分为两个方面。一是电磁方面:将产生很大的起动电流,起动电流可达到电动机额定电流的4～7倍,通常认为电动机容量大于动力变压器容量的30%时不允许经常全压起动,因为在起动瞬间将引起电网电压的降低,影响电网内其他电气设备的运转。二是机械力矩方面:直接起动会使被拖动的工作机械受到机械性冲击,对于水泵性负载来说,过高的起动转矩对叶片、轴承、等造成机械变形、疲劳性损伤,以及会因水流对管道的冲击力过大而产生严重的水锤现象损坏管道及相应设备。
降低电动机的端电压,从而减少电动机的起动电流及过大的起动冲击转矩。交流电动机降压起动方法主要有传统的自耦变压器降压、串饱和电抗器、Y/△转换降压起动等和现在的软启动、变频启动。
星—三角起动:起动时定子绕组星形连接,起动完成后转为三角形连接,起动时的电流为三角形连接的1/3,同样起动转矩也为三角形的1/3。从星三角接线切换到三角形接线过程中会出现二次冲击电流及转矩,起动过程接触器带载切换,易造成触点的拉弧、损坏等方面问题。
自耦变压器式起动可以通过变压器抽头改变起动电压。电压的阶跃性变化引起较大的电流和转矩变动,起动特性不平滑。电动机容量较大时,变压器的体积大,成本高,故障率高。
串电抗器起动一般是采用定子回路串电抗器分级起动,起动特性很难优化,起动有较大的功率损耗,分级起动引起起动特性不平滑。
从上可以看出传统的降压起动设备均有诸多性能限制和使用限制,停机时都是瞬间断电,无法满足软停车的要求,越来越难以适应不断发展的电动机复杂使用场合的控制需要。
随着电力电子控制应用技术的发展,利用可控硅的移相调压原理来实现电动机的软起动,电子软启动器使被控电机的输入电压、电流按不同的要求而变化以实现不同的功能,起动效果好、运行稳定,故障率低。
变频启动则是通过改变电源的频率来调节电动机的转速和转矩。其输出不但改变电压而且同时改变频率,可以在限流的同时获得大的起动转矩,可以实现软启动器的各种功能。 但它的投资费用比软起动器高两到三倍,结构也复杂得多,主要用在需要调速并且对速度控制要求高的领域。
2电机软启动原理
电机电子软起动器是新型的电机起动设备,它采用大功率晶闸管作主回路开关元件,通过由串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管进行调压,利用晶闸管的移相控制原理,改变晶闸管的导通角来实现电动机电压的平稳升降和无触点通断。三相交流异步电动机的起动转矩与所加电压的二次方相关,转矩近似与定子电压的平方成正比,电动机的电流和定子电压也成正比。从而电动机的起动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现,而定子电压通过可控硅的导通相角来控制,所以不同的初始相角可实现不同的端电压,以满足不同的负载起动特性,从而实现电动机的无级平滑起动。电动机的起动转矩和起动电流可根据负载和工况任意设定,通过调节晶闸管的导通角使电机端子电压从预先设定的值上升到额定电压。 电动机达到正常转速后,自动接通旁路接触器,取代已完成任务的晶闸管,电机进入稳态运行状态。
3电机软起动器的起动方式及停车方式
电机软起动器的起动方式主要有以下几种:
3.1限流起动方式
限流启动是电机在起动的过程中限制其起动电流不超过某一设定值的起动方式。其输出电压从零开始迅速增长,直到输出电流达到预先设定的电流限值,然后输出电流保持恒定, 这种起动方式的优点是起动电流小,且可按需要调整。对电网影响小,其缺点是在起动时难以知道起动压降。主要用在轻载起动。
3.2斜坡升压起动方式
调整晶闸管的导通角,使电机端电压由小到大斜坡线性上升直到额定电压。电动机的起动转矩抛物线型上升,主要用在重载起动。它的缺点是初始转矩小,且起动时间长。优点是起动转矩特性抛物线型上升对拖动系统有利,起动平滑,柔性好延长拖动系统的使用寿命。
3.3突跳加电压斜坡起动方式?
突跳加电压斜坡起动是在斜坡升压起动方式的基础上加一个电压突跳,它是在静惯量较大时用电压斜坡起动比较困难的场所,适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。
4软启动器的特点符合水泵电机的控制要求
在供水系统中,泵类负载的起动转矩随着转速的增加而增加,而电机软起动器也通过逐渐增大晶闸管导通角,使电机起动电流从零线性上升至设定值。从而使泵类负载的机械特性与电机软起动器供电特性相吻合,平稳起动,减少对负载机械的冲击转矩,提高了泵类负载的可靠性,同时起动参数可调,根据负载情况及保护特性选择,可自由地无级调整至最佳的起动电流。
传统的起动装置因突然停车和起动会产生巨大的“水锤”效应,使管道,甚至水泵遭到损坏。为减少和防止“水锤”效应,需要电机逐渐停机,电机软起动器的软停车特性消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击。软停车快慢时间一般可调,可以避免正常停车时“水锤”现象造成阀门的损坏,减少维修费用和维修工作量。因此水泵的软停车经常被称为水泵的保护控制。
电机软启动器集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体,由于采用单片微机控制,一般具有良好的人机界面以及故障自诊断功能,智能电机软起动器可显示电机电流、电压、功率、功率因数、电动机温度、运行时间等在线工况参数,同时还能实现PLC、计算机通讯与控制,提高了系统的可靠性,有助于系统维护。5造价比较,软启动器的可靠性与维护
电子软启动与传统降压启动在工程造价上相比差不多,“Y-Δ”起动器须六根引出线而且故障率太高,维修费也高已不常采用,自耦变压器启动方式每千瓦100元左右,串电抗器启动每千瓦80元左右,自藕和串电抗器启动要求柜体体积较大,且故障率高,电子软启动器每个千瓦在150元左右,一台开关柜能放多台电子软启动器,一台电子软启动器能控制多台水泵,节省工程造价,且可靠性高。
与变频启动相比,电机软启动器在同样能满足性能要求的场合有明显的价格优势,在大功率电机驱动领域,软启动的投资只有变频启动的1/3甚至1/4,随着功率级别的提高,二者的价格差异也越大。
电机软启动器本身具有电压及电流保护功能,并有内在的零电流开关特性,使得电动机的保护得到了加强,同时还有故障自诊断功能,使可靠性,操作性,安全性大大提高,且电路简单,体积小。具有实际应用价值和很高的性价比。由于控制元件及起动方式的不同,电机软起动器可以频繁起动电机。
在实际应用中,软启动器运行可靠,故障率低。主要故障有晶闸管烧毁,电动机起不来,控制器损坏,软启动器内部插接件接触不良等。电机软启动器因涉及到电力电子元件,对维修处理技术要求较高,对用户来说是全免维护,因此出现故障时一般是更换或找厂家维修,在实际应用中可采取相同型号软起动器三备一的方法。
6结 语
随着科技水平的发展,对电动机的控制机理和技术指标要求越来越高,传统的降压起动设备已无法满足供排水系统的要求。近年来,随着电机软起动设备逐步国产化,软启动器价格的不断下降,应用范围会越来越广。实践证明,软起动器具有安装简单、操作方便、保护功能齐全、运行可靠、免维护等优点。成本相对较低,只需增加较少的投资,就可以完成电机传统方式起动的改造,大幅度的提高设备性能,为安全生产、经济运行提供保障。在工程设计和工程改造中,提高自动化水平,降低成本提高企业效益,满足供排水系统 “无人值班、少人值守”的技术要求。智能控制电子电机软启动器一般采用16位单片机,能实现PLC、计算机通讯控制,以后可以进一步扩展功能,为今后的智能控制系统化打下良好基础。因此,电机软起动技术的应用将最终取代传统的起动方式,在供排水系统水泵电机控制上得到全面推广。
参考文献:
方大千.变频器、软启动器及PLC实用技术问答.北京:人民邮电出版社,2007.
任志程,任国雄.电动机软起动器实用手册.北京:中国电力出版社,2009.
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