鐘干松

摘要：電排站工程設(shè)計(jì)建造階段，需根據(jù)實(shí)際需要，考慮如何對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和保護(hù)進(jìn)行優(yōu)化，這對(duì)于泵站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文結(jié)合自身多年工作經(jīng)驗(yàn)，從水泵的啟動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，淺析了電排站常用的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)全壓及降壓各種啟動(dòng)方式，從基本作用原理角度，對(duì)各種啟動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比，希望能夠?qū)π袠I(yè)內(nèi)相關(guān)單位提供可行的技術(shù)參考意見(jiàn)。

Abstract： During the design and construction phase of the electric power station， it is necessary to consider how to optimize the starting and protection of the motor according to actual needs， which is essential for the long-term stable operation of the pumping station. Based on the authors experience of many years of work， this paper analyzes the starting characteristics of the pump and the various starting methods of the squirrel-cage asynchronous motor commonly used in the electric rowing station. From the perspective of the basic function principle， the advantages and disadvantages of various startup methods are analyzed and compared， and it is hoped that it can provide feasible technical reference opinions for relevant units in the industry.

關(guān)鍵詞：電排站;電動(dòng)機(jī);啟動(dòng)方式

Key words： electric row station;electric motor;starting method

中圖分類(lèi)號(hào)：TV675 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）23-0167-03

0 ?引言

通常電排站與水泵負(fù)載相連的電機(jī)，全年的工作情況來(lái)看，只有在排澇時(shí)段是持續(xù)作業(yè)的，無(wú)需進(jìn)行頻繁操作，所以設(shè)計(jì)選用的電動(dòng)機(jī)只需考慮額定功率超過(guò)水泵負(fù)載功率就能實(shí)現(xiàn)正常工作。根據(jù)實(shí)際情況，常用小型電排站多數(shù)會(huì)結(jié)合價(jià)格、設(shè)備構(gòu)造、維護(hù)保養(yǎng)等綜合因素，選擇三相交流鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，電壓、功率，轉(zhuǎn)速與水泵相配套。還有一種繞線型電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩更大，但同等功率下，其價(jià)格比鼠籠型高很多。多數(shù)情況下水泵負(fù)載選用低壓鼠籠型電動(dòng)機(jī)就能滿足要求。但是遇到降壓?jiǎn)?dòng)難以啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求時(shí)，就要選擇繞線式電動(dòng)機(jī)來(lái)替代。傳統(tǒng)的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方案是比較成熟的，不過(guò)隨著科技不斷進(jìn)步，一些新的電機(jī)啟動(dòng)控制方式逐漸發(fā)展起來(lái)，所以要做好各項(xiàng)啟動(dòng)方式的充分對(duì)比，實(shí)現(xiàn)優(yōu)中選優(yōu)。

1 ?水泵的啟動(dòng)特點(diǎn)

1.1 水泵機(jī)組的啟動(dòng)特性

通常離心水泵出口壓力等于其揚(yáng)程和流量相乘，而且跟水泵轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)正比例關(guān)系。所以，電機(jī)啟動(dòng)的剎那，轉(zhuǎn)輪是零轉(zhuǎn)速，其負(fù)載帶動(dòng)的水泵出口壓力也是零。當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速持續(xù)增加時(shí)，水泵出口壓力也就跟著線性增大。從根本情況分析，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的水泵與軸承之間也或多或少有一定的摩擦阻力，因此，要想水泵順利啟動(dòng)就必須讓啟動(dòng)力矩超過(guò)水泵自身的靜阻力矩，同時(shí)要解決轉(zhuǎn)動(dòng)慣量問(wèn)題，這樣就能讓水泵快速提升轉(zhuǎn)速，短時(shí)間內(nèi)維持在額定轉(zhuǎn)速工況下工作。水泵所承受的摩擦力和推力鏡板、軸承直徑、面積以及潤(rùn)滑條件密切相關(guān)。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，整個(gè)泵組由摩擦阻力形成的力矩約為水泵額定力矩的20%左右?？梢杂霉奖磉_(dá)關(guān)系：Mc=fGR

Mc代表摩擦力矩;f是摩擦系數(shù);G是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量、水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量以及水的推力之和;R為鏡板的平均半徑。

1.2 異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性

異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性主要有兩點(diǎn)：一是必須能夠提供設(shè)計(jì)要求的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)阻力和負(fù)載的轉(zhuǎn)矩之和，不然的話將難以正常啟動(dòng);二是達(dá)到正常啟動(dòng)的條件后，啟動(dòng)電流盡量減小，因?yàn)樗查g電流過(guò)大的化會(huì)給電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)本身造成巨大沖擊，容易引發(fā)安全事故。排水站機(jī)組設(shè)計(jì)方案中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速足夠大才能夠帶動(dòng)水泵和并且保持持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 ?電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式分析

傳統(tǒng)的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)主要是全壓?jiǎn)?dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)兩種啟動(dòng)方式，隨著科技不斷進(jìn)步，軟啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)方式也逐漸普及開(kāi)來(lái)。

①電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程，兩端電壓穩(wěn)定在一定范圍，實(shí)現(xiàn)有效的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載，同時(shí)保證對(duì)配電系統(tǒng)電壓的沖擊不能影響用電設(shè)備正常運(yùn)行。

②通常條件下，電動(dòng)機(jī)工作場(chǎng)合要求實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)，必須確保其兩端電壓不小于額定電壓90%;電動(dòng)機(jī)工作場(chǎng)合不要求實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，必須確保其兩端電壓不小于額定電壓85%。

2.1 全壓?jiǎn)?dòng)方式分析

通常說(shuō)的全壓?jiǎn)?dòng)其連接方式較簡(jiǎn)單，就是把電動(dòng)機(jī)定子繞組接線柱直接與額定電壓連接啟動(dòng)，所以又被稱作直接啟動(dòng)。該啟動(dòng)方式所需啟動(dòng)電流非常大，測(cè)量數(shù)據(jù)表明，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流通常是其自身4～7倍的額定電流大小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩介于額定轉(zhuǎn)矩1.2～2.0倍范圍內(nèi)。該啟動(dòng)方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、所需時(shí)間短、啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、容易保養(yǎng)、投入少和故障率很少等一系列優(yōu)點(diǎn)。

不足之處，需注意如果在頻繁啟動(dòng)的工作場(chǎng)景運(yùn)用該啟動(dòng)方式，由于電流過(guò)大發(fā)熱嚴(yán)重，會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)繞組，引發(fā)火災(zāi)。轉(zhuǎn)矩變化過(guò)快也容易損傷電動(dòng)機(jī)軸承和減速齒輪，長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致機(jī)械性能不斷降低。如果連接的是泵類(lèi)負(fù)載，其連接皮帶一段時(shí)間后會(huì)嚴(yán)重磨損無(wú)法使用，而且泵管道內(nèi)水壓快速增大，容易導(dǎo)致管路產(chǎn)生裂紋。利用全壓?jiǎn)?dòng)方式時(shí)，如果是大功率電動(dòng)機(jī)的前提下，直接導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)電源驟然快速降低，很可能會(huì)觸發(fā)其他網(wǎng)內(nèi)設(shè)備低電壓保護(hù)裝置，以至于發(fā)生跳閘現(xiàn)象，還有可能導(dǎo)致其它電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不足而停止運(yùn)行。為了克服大功率電機(jī)的沖擊，電網(wǎng)電源需要增大配電變壓器的裝載容量。不過(guò)，一些中小型泵站運(yùn)行中，電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)允許最大容量一般是變壓器容量30%以內(nèi)才可以實(shí)現(xiàn)。不過(guò)這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電排站工程成本投入加大，也會(huì)使變壓器運(yùn)行中銅損和鐵損加劇，進(jìn)而消耗更多電能源和電費(fèi)。

2.2 降壓?jiǎn)?dòng)方式分析

2.2.1 星-三角降壓?jiǎn)?dòng)方式

按照測(cè)量數(shù)據(jù)所示，利用星-三角型降壓?jiǎn)?dòng)方式，電動(dòng)機(jī)所需的啟動(dòng)電壓是正常工作時(shí)額定電壓的0.58倍，啟動(dòng)電流只有三角形連接方式啟動(dòng)電流的0.33倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也只有三角形連接方式的0.33倍。該啟動(dòng)方式多數(shù)是用在定子繞組額定電壓380V，正常運(yùn)行時(shí)三角形連接，同時(shí)啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行階段負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須維持較低數(shù)值的中小型容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。星-三角型降壓?jiǎn)?dòng)設(shè)備價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)難度小。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，電流和轉(zhuǎn)矩都偏小，頻繁啟動(dòng)也不會(huì)造成影響。所以通常小型泵站會(huì)選用這種啟動(dòng)方式，經(jīng)濟(jì)高效且穩(wěn)定。

2.2.2 延邊三角形降壓?jiǎn)?dòng)方式

這種啟動(dòng)方式是在星-三角型降壓?jiǎn)?dòng)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)的一種實(shí)施方案。啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)之前，定子繞組一邊采用三角形連接方式，一邊采用星型連接方式。完成電機(jī)啟動(dòng)后，再繞組全部改回三角形連接方式，電動(dòng)機(jī)保持額定轉(zhuǎn)速工作。該啟動(dòng)方式的啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著變化的抽頭比例而發(fā)生調(diào)整。該啟動(dòng)方式同時(shí)兼顧自耦變壓器降壓和星-三角型兩種模式的優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)施過(guò)程中的電機(jī)啟動(dòng)電流較小，但是轉(zhuǎn)矩卻較大，即使頻繁啟動(dòng)也不會(huì)造成不利影響。這種啟動(dòng)方式多用在繞組額定電壓380V，具有9個(gè)出線頭的電動(dòng)機(jī)。

2.2.3 電阻降壓?jiǎn)?dòng)方式

運(yùn)用這種啟動(dòng)方式，要在三相定子回路中串連對(duì)稱三相電阻，對(duì)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)形成分壓分流作用。等到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，再短接各項(xiàng)電阻，實(shí)現(xiàn)電機(jī)額定電壓工作工況。采取該方式時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)電流偏大，但輸出轉(zhuǎn)矩偏小。啟動(dòng)過(guò)程會(huì)損耗較多能源，頻繁啟動(dòng)的話，電阻溫度不斷上升，會(huì)對(duì)周?chē)木茉O(shè)備造成干擾。而且從節(jié)能角度來(lái)看，不建議采用這種方式。

2.2.4 自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)方式

該方式又叫補(bǔ)償器啟動(dòng)。啟動(dòng)電機(jī)前，要先把高壓側(cè)電線接到電網(wǎng)，低壓側(cè)接到電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩利用抽頭位置實(shí)現(xiàn)可調(diào)。自耦變壓器均有65%和80%額定電壓的兩組抽頭，選擇不同組別啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為其額定數(shù)量的43.2%和64%。該啟動(dòng)方式下啟動(dòng)電流偏小，輸出轉(zhuǎn)矩較大。但是自耦降壓器一套裝置體積大、投入成本高，多用在高壓、低壓電動(dòng)機(jī)不頻繁啟動(dòng)工況。

2.2.5 電抗器降壓?jiǎn)?dòng)方式

使用該啟動(dòng)方式時(shí)，要把電抗器接入定子回路，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，把電抗器斷開(kāi)。該方式的啟動(dòng)電流隨電壓成正比降低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與所加電壓的平方成正比例關(guān)系。啟動(dòng)電流偏大，輸出轉(zhuǎn)矩較小。一般常用于輕載啟動(dòng)的高壓電動(dòng)機(jī)。

2.3 軟啟動(dòng)方式

軟啟動(dòng)方式從其根本屬性來(lái)看，是屬于降壓?jiǎn)?dòng)的特殊類(lèi)型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面，軟啟動(dòng)器在對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，其呈現(xiàn)出性能曲線平滑，可調(diào)啟動(dòng)電流較小，等待時(shí)間較少。倘若泵站電動(dòng)機(jī)數(shù)量大，借助1臺(tái)軟啟動(dòng)器能夠控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，成本低，經(jīng)濟(jì)性好。另外能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)全過(guò)程自動(dòng)切換，主要適用于大功率電動(dòng)機(jī)日常工作使用。軟啟動(dòng)器的輸出電壓都是呈現(xiàn)規(guī)律增加的狀態(tài)，帶動(dòng)的負(fù)載電壓由也會(huì)隨之持續(xù)增加到額定電壓，轉(zhuǎn)速變化過(guò)程相對(duì)于較平穩(wěn)，從零開(kāi)始一直逐步達(dá)到穩(wěn)定的額定轉(zhuǎn)速。軟啟動(dòng)器多數(shù)都是用于控制大功率電機(jī)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，電動(dòng)機(jī)功率只要不超過(guò)1200kW都是可以實(shí)現(xiàn)自由控制的。

3 ?各種啟動(dòng)方式的對(duì)比分析

3.1 從對(duì)電網(wǎng)電源電壓沖擊情況對(duì)比

全壓?jiǎn)?dòng)方式，多數(shù)會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)電源驟然快速降低，很可能會(huì)觸發(fā)其他網(wǎng)內(nèi)設(shè)備低電壓保護(hù)裝置，以至于發(fā)生跳閘現(xiàn)象，還有可能導(dǎo)致其它電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不足而停止運(yùn)行。

星-三角降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的短暫時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)極大的電流高峰，這一瞬間的電流產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是有害的，會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、軸聯(lián)接器、減速齒輪和負(fù)載水泵產(chǎn)生損害。

星-三角和自耦變壓器這兩種降壓?jiǎn)?dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)明顯降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的有害沖擊，也能讓電動(dòng)機(jī)順利安全啟動(dòng)運(yùn)行，不過(guò)電動(dòng)機(jī)難以實(shí)現(xiàn)平順線性啟動(dòng)和停車(chē)，還存在一定的不足。

軟啟動(dòng)器的操作方式，能夠讓電壓穩(wěn)步提高，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也穩(wěn)定增加直至達(dá)到額定工作工況。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平滑順暢運(yùn)行，還能對(duì)啟動(dòng)過(guò)程限流值、啟動(dòng)時(shí)間動(dòng)態(tài)調(diào)整。這種方式能有效減少?zèng)_擊電網(wǎng)電源影響。能夠順利操控各類(lèi)大功率電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和工作，時(shí)目前最好的降壓?jiǎn)?dòng)方案。

3.2 根據(jù)負(fù)載情況對(duì)比

如果站用變壓器的負(fù)載率不超過(guò)30%，全壓?jiǎn)?dòng)方式較好;當(dāng)變壓器的負(fù)載率介于30%-58%范圍，多建議采取星-三角啟動(dòng)或軟啟動(dòng);變壓器負(fù)載率超過(guò)58%時(shí)，一般采取自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)。

3.3 根據(jù)投入成本對(duì)比

星-三角啟動(dòng)器單價(jià)為60元/kW，但是日常工作很容易出現(xiàn)故障，后期維護(hù)費(fèi)用較大。自耦降壓?jiǎn)?dòng)器80元/kW，但是其結(jié)構(gòu)較大，布置占用更多空間，不過(guò)故障率相對(duì)前者要少一些，而且維護(hù)成本也降低不少;軟啟動(dòng)器價(jià)格介于100～200元/kW，但是很少出現(xiàn)故障，因此后期的維護(hù)保養(yǎng)成本最少。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在設(shè)計(jì)選擇電排泵站電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式時(shí)，要綜合泵站設(shè)計(jì)基本性能參數(shù)要求和工程總投資等情況來(lái)分析?？茖W(xué)化地選用并實(shí)施泵站電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方案，對(duì)控制電排站工程成本投入、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命有極大的幫助，還能借助節(jié)能降耗來(lái)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉健.陽(yáng)江市四圍聯(lián)圍滘仔電排站設(shè)計(jì)方案優(yōu)選[J].價(jià)值工程，2011，30（07）：47.

[2]閆曉燕.淺析電動(dòng)機(jī)效率低下的成因及應(yīng)對(duì)措施[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（05）：145-146.

[3]李海，魏昶宇，楊?lèi)?ài)璜.基于電流特征信號(hào)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)故障診斷方法概述[J].價(jià)值工程，2018，37（26）：159-161.