◎ 單純正 許林

1.駐上海地區(qū)第四軍事代表室；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所

1.船舶消防水泵中軟啟動(dòng)器的作用

近年來(lái)，船舶工業(yè)發(fā)展迅速，船舶電氣自動(dòng)化程度越來(lái)越高，許多自動(dòng)化控制裝置和儀表設(shè)備對(duì)船舶電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求也大大提高，船舶噸位也不斷提高，消防水泵功率也在增大，使用軟啟動(dòng)器控制已經(jīng)普遍應(yīng)用到該領(lǐng)域。傳統(tǒng)控制方式是采用接觸器直接啟停，在啟停過(guò)程中都將因?yàn)檗D(zhuǎn)矩突變而導(dǎo)致水流形成水錘現(xiàn)象，使消防泵產(chǎn)生喘震和噪音，同時(shí)也會(huì)晃動(dòng)消防管道和支架，甚至造成爆管、閥門(mén)松動(dòng)、消防水泵遭到損壞，這種比較簡(jiǎn)單的控制方式，但是它對(duì)船舶電網(wǎng)沖擊有很大的影響[1]；該啟動(dòng)裝置是采用接觸器進(jìn)行切換,在啟停的瞬間接觸器容易產(chǎn)生大的電弧,會(huì)引起觸頭燒損造成相互短路,輕則對(duì)電網(wǎng)沖擊影響船上其他設(shè)備運(yùn)行，重則危及船舶電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成全船停電；同時(shí)容易損壞控制電路元器件，造成很大的安全隱患，使維護(hù)保養(yǎng)工作量增多[2]。在多型船舶上使用羅克韋爾（Rockwell）公司SMC系列軟啟動(dòng)器，可以在控制消防泵電機(jī)啟停過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)，輸出電壓可以根據(jù)負(fù)載條件和泵的轉(zhuǎn)速，使輸出到達(dá)最佳擬合，大大的提高了泵的使用壽命，降低維護(hù)成本和維護(hù)工作，同時(shí)有效地消除了水錘現(xiàn)象，降低消防泵的喘震和噪音。它不僅對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊小，保護(hù)功能更加完善，控制元件不容易損壞，并且相對(duì)于變頻器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，價(jià)格實(shí)惠，實(shí)用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.軟啟動(dòng)器在船舶消防水泵中的應(yīng)用

2.1 軟啟動(dòng)器的工作原理

軟啟動(dòng)器是采用電力電子技術(shù)集電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電動(dòng)機(jī)控制裝置，國(guó)外稱(chēng)為Soft Starter 。使用三相反并聯(lián)晶閘管（SCR）作為調(diào)壓器，其連接在電源和電動(dòng)機(jī)定子之間，及以微處理器和信號(hào)檢測(cè)、保護(hù)控制構(gòu)成控制器，通過(guò)控制晶閘管調(diào)節(jié)器輸出的晶閘管觸發(fā)角使軟啟動(dòng)器電壓升高，觸發(fā)角增大，電機(jī)逐漸加速，一直到完全導(dǎo)通晶閘管，SMC-Flex控制器檢測(cè)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速自動(dòng)引入內(nèi)部的旁路接觸器使輸出電壓達(dá)到滿(mǎn)電壓，以減少熱損耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的壽命，提高其效率，而且避免了晶閘管使電網(wǎng)諧波污染，同時(shí)實(shí)現(xiàn)非接觸式軟啟動(dòng)，軟停車(chē)，泵控制模式，輕載節(jié)能及多種保護(hù)功能。使用AB公司的SMC系列軟啟動(dòng)器就具有專(zhuān)門(mén)的泵控制方式和內(nèi)部旁路接觸器，軟啟動(dòng)器控制原理系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 軟啟動(dòng)器控制原理系統(tǒng)框圖

2.2 消防水泵軟啟動(dòng)器控制器接線(xiàn)圖

實(shí)際使用SMC-Flex控制器主回路采用標(biāo)準(zhǔn)接線(xiàn)“一控一”控制方式如圖2所示，這種控制方式可提高設(shè)備的安全可靠性，軟啟動(dòng)后，控制器會(huì)自動(dòng)引入內(nèi)部旁路接觸器，然后關(guān)斷晶閘管使輸出電壓達(dá)到全壓，從而降低了軟啟動(dòng)器晶閘管的熱損耗。不僅延長(zhǎng)了軟啟動(dòng)器的使用壽命，避免了諧波對(duì)電網(wǎng)污染。

圖2 軟啟動(dòng)器主回路接線(xiàn)圖

2.3 軟啟動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

一般出廠(chǎng)時(shí)，廠(chǎng)家對(duì)每一個(gè)參數(shù)都有一個(gè)默認(rèn)值，用戶(hù)在正確使用軟啟動(dòng)器之前通過(guò)適當(dāng)設(shè)定控制參數(shù)，調(diào)節(jié)輸出可以使消防泵電機(jī)運(yùn)行電流和負(fù)載，以獲得更好的匹配?；緟?shù)設(shè)置，檢查電機(jī)參數(shù)，軟啟動(dòng)在參數(shù)中設(shè)定電機(jī)的功率、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、頻率、功率因數(shù)，這些參數(shù)可以直接從電機(jī)銘牌獲得。根據(jù)電機(jī)信息，輸入數(shù)據(jù)同電機(jī)銘牌上的數(shù)據(jù)一致至關(guān)重要，將參數(shù)正確完整輸入，使控制器獲得最佳的性能。注意在電機(jī)運(yùn)行期間，修改參數(shù)值是無(wú)效的，直到下一次運(yùn)行參數(shù)值才會(huì)被修訂，同時(shí)允許用戶(hù)通過(guò)密碼保護(hù)來(lái)限制他人越權(quán)進(jìn)入編程系統(tǒng)。

消防泵機(jī)旁控制箱具有電源、泵閥運(yùn)行、故障等狀態(tài)的實(shí)時(shí)指示功能，具有控制部位轉(zhuǎn)換、起?？刂?、過(guò)載保護(hù)、電動(dòng)碟閥開(kāi)閉等控制功能。在機(jī)旁控制箱采用了SMC系列軟起動(dòng)器，通過(guò)應(yīng)用欠壓?jiǎn)?dòng)的方法，將單臺(tái)消防泵組原來(lái)6倍于額定電流的起動(dòng)電流限制在現(xiàn)在3倍于額定電流的起動(dòng)電流范圍之內(nèi)，根據(jù)機(jī)旁控制箱與消防泵組的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)證明效果理想，額定功率125千瓦的電動(dòng)消防泵實(shí)際啟動(dòng)電流可控制在700A以?xún)?nèi)。有效防止了大功率電動(dòng)消防泵組投入時(shí)產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的破壞性沖擊，同時(shí)采用軟停止逐漸降壓的停泵方式，減輕了水錘效應(yīng)對(duì)消防泵的損壞程度。同時(shí)該軟啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)牢固可靠，內(nèi)置旁路，外形緊湊，發(fā)熱量小，在滿(mǎn)足軟啟動(dòng)的前提下又做到了節(jié)能。

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：既滿(mǎn)足消防泵起動(dòng)電流不大于其顫定電流(額定電流為235A的3倍的要求，又能確保消防泵快速起動(dòng)投入運(yùn)行；則實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的配置參數(shù)采用軟起動(dòng)方式、斜坡時(shí)間20S、初始轉(zhuǎn)矩10%、突跳起動(dòng)時(shí)間0S、突跳起動(dòng)等級(jí)0%、軟停止時(shí)間5S的一組為最佳配置參數(shù)，測(cè)量參數(shù)為：沖擊電流600A、起動(dòng)時(shí)間4.8S、停止時(shí)間5.3S，并在該組參數(shù)上試驗(yàn)三次均滿(mǎn)足條件，該組參數(shù)作為消防泵機(jī)旁控制箱的初始配置參數(shù)。

2.4 軟啟動(dòng)器的功能

2.4.1 泵控制功能

泵控制功能是將消防泵電機(jī)的特性曲線(xiàn)預(yù)設(shè)儲(chǔ)存在SMC-Flex控制器中，該功能能夠通過(guò)對(duì)消防泵電機(jī)的加速和平滑加速，而消防泵，以減少在啟動(dòng)和停止時(shí)水錘現(xiàn)象。微處理器分析消防泵每個(gè)運(yùn)行參量，并發(fā)出命令來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，降低系統(tǒng)發(fā)生的水錘現(xiàn)象的可能性。但是傳統(tǒng)的降壓線(xiàn)性斜坡軟停止不能有效的改善消防泵系統(tǒng)的性能，消防泵要使用特殊的泵控制功能，泵控制選項(xiàng)運(yùn)行時(shí)序圖見(jiàn)圖3。

圖3 泵控制選項(xiàng)運(yùn)行時(shí)序圖

2.4.2 軟停車(chē)功能

停車(chē)時(shí)消防泵電壓逐漸減小，轉(zhuǎn)速下降斜坡時(shí)間用戶(hù)可以調(diào)節(jié)電壓斜坡下降時(shí)間范圍是0-120秒。當(dāng)輸入電壓下降到負(fù)載轉(zhuǎn)矩比電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大時(shí)對(duì)應(yīng)負(fù)載停止的電壓值，可消除由于自由停車(chē)帶來(lái)的系統(tǒng)二次沖擊，對(duì)消防泵負(fù)載可以減輕突然停車(chē)造成的水錘效應(yīng)。

2.4.3 保護(hù)功能

SMC-Flex控制器提供了過(guò)載、過(guò)流、欠載、欠電壓、過(guò)電壓、缺相、失速保護(hù)和堵轉(zhuǎn)檢測(cè)等多種保護(hù)功能[3]。

同時(shí)可以看出軟啟動(dòng)器有傳統(tǒng)起動(dòng)裝置無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于船舶消防泵較特殊的如平滑加速、軟停止、各種保護(hù)功能的要求，它是傳統(tǒng)起動(dòng)裝置的理想換代產(chǎn)品。

3.軟啟動(dòng)器運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)故障及原因分析

3.1 啟動(dòng)故障

正常啟動(dòng)后無(wú)反應(yīng)，首先檢查主電路是否供電，然后再去啟動(dòng)；主電路電源缺相，軟啟動(dòng)器保護(hù)動(dòng)作，首先檢測(cè)三相電是否缺相。

晶閘管擊穿短路，晶閘管損壞原因頻繁啟動(dòng)過(guò)熱而損壞或者濾波板損壞，造成晶閘管非正常導(dǎo)通，及時(shí)更換。

門(mén)極開(kāi)路故障，可能是某個(gè)電源電極上由于門(mén)極開(kāi)路造成的，將門(mén)導(dǎo)線(xiàn)松動(dòng)加以緊固，如果必要時(shí)，請(qǐng)更換電源電極。

欠電壓故障軟啟動(dòng)器電源輸入部分有問(wèn)題，需檢查電源后才可以運(yùn)行。

負(fù)載斷開(kāi)軟啟動(dòng)器輸出端沒(méi)有連接負(fù)載，可能電源線(xiàn)與消防泵接線(xiàn)端子處連接松脫或接觸不良。

軟啟動(dòng)器SMC-Flex控制器模塊損壞系統(tǒng)故障，更換控制器。

3.2 溫度故障

啟動(dòng)過(guò)程中突然停機(jī)，溫度過(guò)熱可能是軟啟動(dòng)器通風(fēng)情況不良或風(fēng)扇故障，因?yàn)檐泦?dòng)器用晶閘管控制存在散熱問(wèn)題，SMC-Flex控制器的開(kāi)放式設(shè)計(jì)要求將其安裝在機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱溫度必須控制在0-50℃之間，保證通風(fēng)排出軟啟動(dòng)器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，及時(shí)清理軟啟動(dòng)器出風(fēng)口積灰或更換風(fēng)扇；

周?chē)h(huán)境溫度過(guò)高或者消防泵啟動(dòng)瞬間過(guò)載嚴(yán)重，也會(huì)引起溫度保護(hù)動(dòng)作。因?yàn)镾MC-Flex控制器通過(guò)內(nèi)部的熱敏電阻器監(jiān)視晶閘管和旁路的溫度，當(dāng)電源電極到達(dá)最高額定溫度時(shí)，組件就關(guān)斷晶閘管門(mén)信號(hào)關(guān)閉，軟啟動(dòng)器停止工作。環(huán)境溫度過(guò)高，再加上啟動(dòng)瞬間過(guò)載嚴(yán)重，這將大大增加整流器的溫度，造成保護(hù)跳閘，應(yīng)盡量降低它的環(huán)境溫度；

如果消防泵堵轉(zhuǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，也可能導(dǎo)致溫度故障，使軟啟動(dòng)器不能正常工作。解決溫度故障時(shí)，必須從兩個(gè)方面考慮自身溫度和外部負(fù)載，如果消防泵存在過(guò)載，軟啟動(dòng)器就會(huì)瞬間嚴(yán)重過(guò)熱不能啟動(dòng)。

3.3 接地故障

接地故障絕緣或高阻抗系統(tǒng)中，通常以磁芯平衡電流傳感器檢測(cè)等級(jí)較低的接地故障，檢測(cè)到這種故障可以中斷系統(tǒng)的運(yùn)行，發(fā)出警報(bào)防止設(shè)備進(jìn)一步損壞，及時(shí)開(kāi)展維修，這些故障通常由于絕緣擊穿或者異物進(jìn)入造成。

3.4 失速堵轉(zhuǎn)故障

消防泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分堵轉(zhuǎn)過(guò)載嚴(yán)重，引起的起動(dòng)力矩過(guò)大，軟啟動(dòng)器保護(hù)動(dòng)作，解決方法是檢查管道是否有異物進(jìn)入，造成消防泵轉(zhuǎn)動(dòng)部分卡澀，保證管道內(nèi)沒(méi)有異物；另外也可能是吸入閥沒(méi)有打開(kāi)，而過(guò)載嚴(yán)重而無(wú)法啟動(dòng)；軟啟動(dòng)器控制器組件的問(wèn)題，則檢查軟啟動(dòng)器本身。失速保護(hù)和堵轉(zhuǎn)檢測(cè)增強(qiáng)對(duì)消防泵整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)。

3.5 線(xiàn)路故障

SMC-Flex控制器能夠持續(xù)檢測(cè)線(xiàn)路狀況是否發(fā)生異常，起動(dòng)前包括：

線(xiàn)路故障（帶相電壓指示）

①電源斷電；

②消防泵電機(jī)連接的三相電源線(xiàn)松動(dòng)或者消防泵故障或者三相電源不平衡；

③SCR短路。

運(yùn)行期間線(xiàn)路故障（無(wú)相電壓指示）

①供電電源消失斷電；

②負(fù)載斷開(kāi)連接；

③軟啟動(dòng)器自身故障，控制器組件故障或者電源門(mén)極電阻器開(kāi)路。

3.6 故障顯示

從軟啟動(dòng)器故障指示入手，SMC-Flex控制器上顯示屏故障代碼顯示可以通過(guò)故障代碼索引表來(lái)查看，來(lái)精準(zhǔn)的定位故障原因和故障位置，并快速的排除故障。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中多數(shù)故障是失速堵轉(zhuǎn)和溫度故障，軟啟動(dòng)器自身出現(xiàn)問(wèn)題很少。

4.結(jié)論

結(jié)合實(shí)際運(yùn)用總結(jié)歸納了軟啟動(dòng)器的故障，可以通過(guò)參考快速有效的排除故障，恢復(fù)工作。實(shí)際中，船舶消防水泵軟啟動(dòng)器應(yīng)用對(duì)改善消防泵啟動(dòng)對(duì)船舶電站的沖擊，減輕消防泵停機(jī)時(shí)的“水錘效應(yīng)”的影響，改善控制電器的維護(hù)工作有極高價(jià)值的意義。