浅析电动机软启动装置在扬水泵站中的应用

浅析电动机软启动装置在扬水泵站中的应用

[摘要] 随着工业自动化程度的不断提高，单片机的应用给传统电器设备带来了突飞猛进的改进，提高了系统的运行效率和安全，提供了比较全面的保护设置，适用范围的调整更宽，可根据不同用途进行合理设置，达到优化运行、保护、控制的目的。电机软启动装置的使用，替代了笨重、耗能且效率低、保护控制过于简单的自藕减压启动装置，更好地完成了大负荷、大电流设备的启动、运行和保护。本文针对软启动装置的原理、工作状况、特性、保护、控制进行论述。

[关键词] 电动机 软启动 扬水泵站

近年，宁夏水利建设工程兴建了一大批大中型扬水泵站，选用了很多比较先进的设施设备，采用先进的微机自动化保护控制系统，提高了泵站的运行效率和安全，减轻了运行人员的劳动强度，标志着宁夏扬水工程迈上了一个新的台阶。

扬水泵站中低压泵站电机软启动装置，它的成功采用是一个很大的技术进步。过去在低压泵站中多采用自藕减压启动装置进行低压电机的启动运行。虽然也有自动切换装置，由于系统中安装了自藕变压器，设备在运行过程中，会产生较大的震动和噪声。自动切换装置采用时间继电器进行控制，过流、欠压保护装置较原始，控制方式单一，自动化程度不高，启动电流、电压不可任意调整。自从使用了先进的电机软起动装置以后，它成功的解决了交流电机启动时造成的较大电流对供电电压质量的影响和供电线路电耗增大以及对机械设备冲击等问题。由于采用了先进的程控集成电子电路，真正做到了电机启动方式可选，启动电流、电压可调，控制保护范围可调等一系列智能化操作，可最大限度的应用于各类不同运行工况。

软启动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的；后者的调节是连续的。传统的软启动均是有级的，如星/角变换软启动，自耦变压器软启动，电抗器软启动等等。

变频调速装置也是一种软启动装置，它是比较理想的一种，它可以在限流同时保持高的启动转矩。价格贵是制约其推广应用的主要因素。

在电动机定子回路，通过串入有限流作用的电力器件实现软启动，叫做降压或限流软启动。它是软启动中的一个重要类别。以限流器件划分，可分为：以电解液限流的液阻软启动，以晶闸管为限流器件的晶闸管软启动，以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软启动。

1、三相交流异步电动机的启动转矩Ma直接与所加电压的二次方有关，也就是说，只要降低电机接线端子上的电压就会影响这些值,软启动的工作原理是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，可通过调节晶闸管的导通角使电机的端子电压从预先设定的值上升到额定电压。

启动方式有

(1) 电压双斜坡启动:

在启动过程中，电机的输出力矩随电压增加，在启动时提供一个初始的启动电压Us，Us根据负载可调，将Us调到大于负载静磨擦力矩，使负载能立即开始转动。这时输出电压从Us开始按一定的斜率上升(斜率可调)，电机不断加速。当输出电压达到达速电压Ur时，电机也基本达到额定转速。软启动器在启动过程中自动检测达速电压，当电机达到额定转速时，使输出电压达到额定电压。

(2) 限流启动:

电机在启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值(Im)的软启动方式。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。

2、电流电压转矩对电动机启动具有十分重要意义。

（1）限流启动顾名思义是限制电动机的启动电流，它主要是用在轻载启动的负载降低启动压降，在启动时难以知道启动压降，不能充分利用压降空间，损失启动力矩，对电动机不利。

（2）斜坡电压启动顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升，它是将传统的降压启动从有级变成了无级，主要用在重载启动，它的缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且启动时间长有损于电机。

（3）转矩控制启动用在重载启动，它是将电动机的启动转矩由小到大线性上升，它的优点是启动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，它的目的是保护拖动系统，延长拖动系统的使用寿命。同时降低电机启动时对电网的冲击，是最优的重载启动方式，它的缺点是启动时间较长。

（4）转矩加突跳控制启动与转矩控制启动相仿也是用在重载启动，不同的是在启动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩，然后转矩平滑上升，缩短启动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，应用时要特别注意。电压控制启动是用在轻载启动的场合，在保证启动压降下发挥电动机的最大启动转矩，尽可能的缩短了启动时间， 是最优的轻载软启动方式。

目前常用的是CDJ1系列软启动器。它采用先进的十六位单片机为核心来控制大功率晶闸管组件。通过控制晶闸管的导通角和导通时间，实现对负载启动电流、电压、转矩的控制与调节。新型电机软启动装置的启动方式具有转矩控制启动、限流启动、双斜坡软启动、全压启动等多项功能，参数可根据负载自行设定，具有过流、过载、缺相等多种保护。简洁明了的面扳操作装置，采用轻触式按键和LED数码显示屏，能够及时的反映出各种参数的设定过程和机组运行的随机数据，并对各项参数实施循环检测，进行数据运算，输出触发脉冲，调整可控硅输出电压，降压限流实现电机软启动，并在运行中始终处于最佳运行、监控状态。

为避免能量损耗使用了一个接触器吸合旁路掉晶闸管，使电机进入全压运行状态。

本装置由于采用了十六位单片机，具有全数字自动监控，数字设定的特点，具有相序自动识别和相序保护功能。为了解决电磁波及强电对控制保护系统的干扰，特别采用双电源隔离措施，以满足设备的正常工作需要，安全可靠的控制监测电机的运行状态。同时设备自身带有标准的RS232C微机通讯接口,可以输出4—20mA标准模拟电流，通过微机对机组进行开关机的遥控操作与监控，调整机组运行参数，合理调配负荷，实现经济合理、安全高效的运行方式。方便的外控接口具有多种功能，如数字延迟启动控制、软停控制输入、启动延迟继电器输出、故障继电器输出等，能够为运行人员提供各类所需的内外部输出输入接口及信号等。及时准确的显示机组运行状态和所出现的各类故障代码，方便运行人员判断故障解除故障，提高运行效率和设备安全。

从下图我们可看到机组启动转矩电流、电压、时间能够按负载及运行方式的不同灵活调节，以取得最佳电流冲击和最佳的转矩控制。从而减小启动损耗，以最小的电流产生最佳转矩。例如将电机的启动方式设定为限流控制型，则根据电机的额定功率、电流等设置运行参数，其中启动限制电流的调整范围为50—500%，预调时可暂定为300%，机组正常运行的过载保护电流的调整范围为50—200%，在设置时可按设计要求或供电部门所给定的计算值调整，也可预调为150%。其他设置可根据现场的具体情况灵活操作。对于预先设定的各项参数是否满足机组的正常启动和运行，可以在机组的试运行过程中加以调整。因为机组的启动和许多因素有关，如设备的安装情况、设备运转部位的配合间隙情况、电机的电气特性、相关参数等方面，尤其是启动瞬间的冲击电流很难定量测量，很难保证启动顺利。因此若限流型控制方式不能满足机组的启动运行，则可改用电压控制方式进行调试运行，因为它可以有效的降低启动瞬间的冲击电流，在设定了起始电压、起始时间及启动上升时间后，单片机可根据设定的允许电压降的百分值，自动测量并限制压降，自动控制启动电流以最优的运行曲线实现电机的启动，起到对电机和启动器的过载保护。图1是四种启动运行方式的关系图（见右图1）。

由上图我们可看到，使用电机软启动装置的最大特点是对电机提供了平滑的渐进的启动过程，在启动时电压（电流、启动转矩）按预先设定的规律上升，使电机按优化的加速曲线完成启动过程，然后退出晶闸管组件，由旁路接触器工作，减小了启动电流对电网的冲击，降低了设备的振动和噪声，延长了机械传动系统的使用寿命，改善了工作环境。

当我们设置了软停车功能时，电机的运行转速将在设定的时间内由额定转速逐步下降到停止，合理的斜坡下降曲线可保证由于电机的突然停车而造成对设备的冲击，减少对水泵的震动，从而延长设备的使用寿命和运行安全。而且软停车的特性大大延长电气设备触点的寿命，能够满足不同场合的要求且时间可调。

CDJ1系列全数字软启动控制器适用于5.5kw—500kw电机，现已经广泛用于石油、冶金、石化、建筑、矿山、环保等工业领域，是传统三角启动、电抗器

启动、自藕减压启动柜的理想换代产品。虽然目前象此类的低压泵站还未能实现微机自动化综合控制，但先进的技术为今后的升级改造打下了良好的基础，也为今后小型泵站的建设改造对设备的选型提供了良好的例证。

电压控制型 限流控制型

突跳控制型 转矩控制型

图1