摘 要:介绍了电机软启动器的基本原理和功能,分析了其在水电站排水系统中的应用情况。对电机软启动器与传统电机控制方式进行了比较,指出了其相对传统控制方式的优点,并给出了传统控制方式改进的建议。
关键词:电机软启动器;水电站排水系统;电机控制方式
Application of electromotor soft starter in drainage system
LI Zai-yuan
（Guangdong Renhua Electric Power Development General Corporation, Renhua 512300, China）
Abstract: The essential principle and function of electromotor soft starter were introduced, the application of the soft starter in drainage system of hydroelectric power station was analyzed. The soft starter was compared with conventional electromotor control mode, the advantages of soft starter o ver conventional electromotor control mode were pointed out, and the improvement proposal for conventional control mode was given.
Key words: electromotor soft starter; hydroelectric power station drainage system; electromotor control mode
0 引言
锦江电站建成于20世纪90年代初,各电气设备都相对落后。在最近的计算机监控系统改造中,对集水井排水泵电动机的控制采用了近年发展起来的电动机软启动器,取代了原有的Y - △启动方式。
水电站集水井排水是非常重要的,哪怕有一次因故障不能抽水,都可能导致水淹水泵甚至水淹厂房。集水井排水系统由2组IS150 - 125 - 315型水泵配置Y200L - 4 （ 30 kW）型电动机和底阀、碟阀、止回阀、DN150钢管等构成。出水管路预埋在混凝土中固定,出水口在尾水位以下,管内长期充满有压力的水,底阀到尾水面有16m的高差。其特点是电动机功率大、启动电流大、水泵扬程高、排水量大。基于集水井排水的重要性,要求水泵控制必须可靠和稳定。
1 传统的电动机启动
电动机的控制在改造之前是Y - △启动方式,启动时的冲击电流比较大,且有二次电流冲击,威胁厂用电供电安全。该启动方式最主要的缺点是直接停泵。由于是瞬间停泵,水泵的扬程高、流量大,停泵时止回阀、底阀也瞬时关闭使管道内产生的“水锤”效应很大,造成对止回阀、底阀、水泵的反惯性冲击,导致底阀破裂漏水;同时剧烈的振动也会使法兰间的止水胶垫破损而导致管道漏水,使水泵抽不上水的状况时有发生。水泵的基座在止回阀的冲击下产生移动,久而久之使水泵的轴心与电动机轴心偏离而烧坏轴承。总之,水泵因瞬时停泵而引起的“水锤”效应会导致一系列的严重后果。
2 软启动器的基本原理和功能
2. 1 电动机软启动器的基本原理
电动机软启动器是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置。它主要由2部分构成:信息采集处理并给出指令的集成控制系统;执行系统由串接于电源与被控电动机之间的三相反并联闸管构成。微处理器采集电网的同步信号、电流信号和电动机功率因数角,控制软件根据这3个参数的变化,应用晶闸管相移技术,控制触发三相反并联晶闸管的导通角,使加在电动机上的电压按一定规律慢慢达到全电压,从而实现软启动电动机的目的。软启动器体积小、转矩可以调节、启动平稳冲击小并具有软停机功能等优点,在各种电动机控制领域得到了广泛的应用。
2. 2 电动机软启动器的启动方式
电动机软启动器的启动有斜坡升压软启动、电流限幅启动、阶跃启动及脉冲冲击启动。
斜坡升压软启动过程是从加入启动信号开始,系统软件首先施加200～400ms的固定延时用于系统自检,然后由系统输出一个脉冲,即打开一定的晶闸管导通角,使三相反并联晶闸管导通,加到电动机端子一个电压以克服静摩擦转矩,这个电压为软启动基值电压,可设定。之后,继续加大晶闸管导通角使输出电压线性上升,从软启动基值电压无级增加到最大电压。在加速斜坡结束时,加到电动机端子上的电压等于电网输入电压,启动过程完成。由于不限流,在电动机启动过程中,有时要产生较大的冲击电流,使晶闸管容易损坏,对电网影响也比较大,实际很少应用。
电流限幅启动是在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加,通过电流反馈实施闭环控制,当电流达到预先设定的值后保持恒定,直至启动完毕,如图1所示。在实际应用中,启动电流上升变化的速率可以根据电动机负载调整设定,电流上升速率大,则启动转矩大、启动时间短。这种启动方式能实现连续转变的启动控制无突跳现象,可实现电动机平滑启动并大大减少机械传动部分的冲击,大大延长机械传动系统的使用寿命,实际应用也较多。
阶跃启动、脉冲冲击启动这2种启动方式在排水系统中的应用也较少。
2. 3 电动机软启动器的轻载节能功能
软启动器具有轻载节能的功能（如图2所示） 。在电动机启动完后的运行当中实时检测电动机的功率因数（功率因数随电动机的负载轻重而变化,负载率低时功率因数小,反之就大） ,若功率因数小,则通过CPU给出指令使电动机的端电压降低,反之升高。轻载时,电动机的工作电压降低,使电动机的铜损和铁损降低,从而达到节能目的。
2. 4 电动机软启动器的保护功能
电动机软启动器在运行时引进了电流控制环,因而可随时跟踪检测电动机电流的变化状况,并通过增加过载电流的设定和反时限控制来实现过载保护:在电动机过载时,关断晶闸管并发出报警信号。软启动器还随时检测三相线电流的变化,一旦发生断流,即可作出缺相保护反应。软启动器还有通讯的功能,能实现远程控制或计算机自动控制。
2. 5 电动机软启动器的通讯功能
电动机软启动器的通讯功能在计算机监控系统改造中得到了很好的应用,通过RS485串口与公用LCU交换数据,使用现在常用的内部协议modbus协议,针对水泵运行工况进行实时监控。
2. 6 电动机软启动器的停车方式
电动机软启动器有自由停车、软停车及制动停车等几种不同的停车方式。电动机软启动器最重要的一种功能就是软停车,在排水系统的电动机控制中其作用尤为突出。软启动器中的软停车功能是当软启动器接收到停车的指令时,晶闸管从全导通逐渐地减小导通角,直到切断电压,这时,开始封锁加在功率晶闸管上的脉冲,经过一定时间过渡到全关闭的过程。电动机的端子电压从Un 缓慢下降,在电压下降瞬间电动机电流会有一个小的电流冲击,然后电动机电流会随电压的下降而下降,直至电动机停下来。电压斜坡下降的时间可根据需要设定。
3 软启动器控制的电动机启动
根据软启动器的原理和功能,在计算机监控系统改造后,可以实现无人值守远程监控,在中央控制室的上位机可以直接监控到水泵的启动、运行、停止等工作情况。
3. 1 接线方式
接线方式采用不可逆带进线接触器,自由停车或可控停车,利用转矩控制技术启动,使电动机启动电压以恒定的斜率平稳上升,尽量减小启动电流,减小对电网的冲击,减小负载的机械冲击。
3. 2 调试运行
软启动装置安装完成后要认真核对接线是否正确,控制线应和动力电缆保持隔离,并用数字万用表高阻挡检查软启动器中晶闸管的绝缘情况。新的软启动器（冷态时）每组晶闸管输入/输出端子间测量电阻值应在1. 3MΩ左右,相间（相间未接控制回路时） 、相对地测量电阻值应该为无穷大。在电动机与软启动器连接前,检查电动机和电缆的绝缘状态,绝缘电阻应符合相关规定,检查确认无误后将电动机连接到软启动器输出端,然后把控制电源投上设定参数,主要对电动机的额定电流、限制电流、加速斜坡时间、初始启动力矩、停止方式等进行设置。根据水泵的实际情况,设定额定电流为75A,限制电流为200% In ,加速斜坡时间为15 s,初始启动力矩为20% ,停止方式为d （设为d的意思是通过控制力矩软停车,软启动器对电机施加一个力矩以便其按斜坡逐渐减速停车以消除“水锤”） 。停止方式一定要设对,如设为其他方式就失去了使用软启动器的意义。按标准设定好有关的保护参数后启动试运行,用嵌型电流表监测启动电流和启动后的运行电流都明显小于使用传统的启动运行方式,成功启动运行10min后,人工输入一个停止命令,电动机开始逐渐减速慢慢到自由停止,止回阀、底阀同时关闭,没有了以往的强烈振动,整个过程很平稳,没有出现“水锤”效应。软启动软停车试运行成功后,接着做各种保护功能和远程监控的试验,都达到了预期目标。
4 改造后的效果和意义
软启动器在这次的改造中充分发挥了其在排水系统水泵电动机控制中的优势,其多种功能得到了很好地应用。虽然电动机功率较大、扬程高,但由于运用了电动机软启动,启动电流小而无二次电流冲击,即使2台泵同时启动,对厂用电供电也没有太大的影响,大大提高了厂用电供电的可靠性和供电质量,并避免了冲击电流的产生对计算机监控系统通讯的干扰。在意外的情况下软启动器还会对电动机作出保护,特别是当柴油发电机供电时更能体现出来。在停泵时采用软启动器的软停车功能,适当延长停泵时间,避免产生“水锤”效应。最大程度地减少了不必要的机械设备损害,延长了机械设备的使用寿命,从而减少了维护费用和维护工作量。经过2年多的运行,没有发生故障。
综上所述,软启动器的各种性能都明显好于传统的启动方式,在今后排水系统的设计和改造中应当优先选用。