摘　要:介紹了電機軟啟動器的基本原理和功能,分析了其在水電站排水系統中的應用情況。對電機軟啟動器與傳統電機控制方式進行了比較,指出了其相對傳統控制方式的優點,并給出了傳統控制方式改進的建議。
關鍵詞:電機軟啟動器;水電站排水系統;電機控制方式
引言
錦江電站建成于20世紀90年代初,各電氣設備都相對落后。在最近的計算機監控系統改造中,對集水井排水泵電動機的控制采用了近年發展起來的電動機軟啟動器,取代了原有的Y - △啟動方式。
水電站集水井排水是非常重要的,哪怕有一次因故障不能抽水,都可能導致水淹水泵甚至水淹廠房。集水井排水系統由2組IS150 - 125 - 315型水泵配置Y200L - 4 （ 30 kW）型電動機和底閥、碟閥、止回閥、DN150鋼管等構成。出水管路預埋在混凝土中固定,出水口在尾水位以下,管內長期充滿有壓力的水,底閥到尾水面有16m的高差。其特點是電動機功率大、啟動電流大、水泵揚程高、排水量大。基于集水井排水的重要性,要求水泵控制必須可靠和穩定。
1　傳統的電動機啟動
電動機的控制在改造之前是Y - △啟動方式,啟動時的沖擊電流比較大,且有二次電流沖擊,威脅廠用電供電安全。該啟動方式最主要的缺點是直接停泵。由于是瞬間停泵,水泵的揚程高、流量大,停泵時止回閥、底閥也瞬時關閉使管道內產生的“水錘”效應很大,造成對止回閥、底閥、水泵的反慣性沖擊,導致底閥破裂漏水;同時劇烈的振動也會使法蘭間的止水膠墊破損而導致管道漏水,使水泵抽不上水的狀況時有發生。水泵的基座在止回閥的沖擊下產生移動,久而久之使水泵的軸心與電動機軸心偏離而燒壞軸承。總之,水泵因瞬時停泵而引起的“水錘”效應會導致一系列的嚴重后果。
2　軟啟動器的基本原理和功能
2. 1　電動機軟啟動器的基本原理
電動機軟啟動器是一種集電動機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的電動機控制裝置。它主要由2部分構成:信息采集處理并給出指令的集成控制系統;執行系統由串接于電源與被控電動機之間的三相反并聯閘管構成。微處理器采集電網的同步信號、電流信號和電動機功率因數角,控制軟件根據這3個參數的變化,應用晶閘管相移技術,控制觸發三相反并聯晶閘管的導通角,使加在電動機上的電壓按一定規律慢慢達到全電壓,從而實現軟啟動電動機的目的。軟啟動器體積小、轉矩可以調節、啟動平穩沖擊小并具有軟停機功能等優點,在各種電動機控制領域得到了廣泛的應用。
2. 2　電動機軟啟動器的啟動方式
電動機軟啟動器的啟動有斜坡升壓軟啟動、電流限幅啟動、階躍啟動及脈沖沖擊啟動。
斜坡升壓軟啟動過程是從加入啟動信號開始,系統軟件首先施加200～400ms的固定延時用于系統自檢,然后由系統輸出一個脈沖,即打開一定的晶閘管導通角,使三相反并聯晶閘管導通,加到電動機端子一個電壓以克服靜摩擦轉矩,這個電壓為軟啟動基值電壓,可設定。之后,繼續加大晶閘管導通角使輸出電壓線性上升,從軟啟動基值電壓無級增加到最大電壓。在加速斜坡結束時,加到電動機端子上的電壓等于電網輸入電壓,啟動過程完成。由于不限流,在電動機啟動過程中,有時要產生較大的沖擊電流,使晶閘管容易損壞,對電網影響也比較大,實際很少應用。
電流限幅啟動是在電動機啟動的初始階段啟動電流逐漸增加,通過電流反饋實施閉環控制,當電流達到預先設定的值后保持恒定,直至啟動完畢,如圖1所示。在實際應用中,啟動電流上升變化的速率可以根據電動機負載調整設定,電流上升速率大,則啟動轉矩大、啟動時間短。這種啟動方式能實現連續轉變的啟動控制無突跳現象,可實現電動機平滑啟動并大大減少機械傳動部分的沖擊,大大延長機械傳動系統的使用壽命,實際應用也較多。

　 階躍啟動、脈沖沖擊啟動這2種啟動方式在排水系統中的應用也較少。
2. 3　電動機軟啟動器的輕載節能功能
軟啟動器具有輕載節能的功能（如圖2所示） 。在電動機啟動完后的運行當中實時檢測電動機的功率因數（功率因數隨電動機的負載輕重而變化,負載率低時功率因數小,反之就大） ,若功率因數小,則通過CPU給出指令使電動機的端電壓降低,反之升高。輕載時,電動機的工作電壓降低,使電動機的銅損和鐵損降低,從而達到節能目的。

2. 4　電動機軟啟動器的保護功能
電動機軟啟動器在運行時引進了電流控制環,因而可隨時跟蹤檢測電動機電流的變化狀況,并通過增加過載電流的設定和反時限控制來實現過載保護:在電動機過載時,關斷晶閘管并發出報警信號。軟啟動器還隨時檢測三相線電流的變化,一旦發生斷流,即可作出缺相保護反應。軟啟動器還有通訊的功能,能實現遠程控制或計算機自動控制。
2. 5　電動機軟啟動器的通訊功能
電動機軟啟動器的通訊功能在計算機監控系統改造中得到了很好的應用,通過RS485串口與公用LCU交換數據,使用現在常用的內部協議modbus協議,針對水泵運行工況進行實時監控。
2. 6　電動機軟啟動器的停車方式
電動機軟啟動器有自由停車、軟停車及制動停車等幾種不同的停車方式。電動機軟啟動器最重要的一種功能就是軟停車,在排水系統的電動機控制中其作用尤為突出。軟啟動器中的軟停車功能是當軟啟動器接收到停車的指令時,晶閘管從全導通逐漸地減小導通角,直到切斷電壓,這時,開始封鎖加在功率晶閘管上的脈沖,經過一定時間過渡到全關閉的過程。電動機的端子電壓從Un 緩慢下降,在電壓下降瞬間電動機電流會有一個小的電流沖擊,然后電動機電流會隨電壓的下降而下降,直至電動機停下來。電壓斜坡下降的時間可根據需要設定。
3　軟啟動器控制的電動機啟動
根據軟啟動器的原理和功能,在計算機監控系統改造后,可以實現無人值守遠程監控,在中央控制室的上位機可以直接監控到水泵的啟動、運行、停止等工作情況。
3. 1　接線方式
接線方式采用不可逆帶進線接觸器,自由停車或可控停車,利用轉矩控制技術啟動,使電動機啟動電壓以恒定的斜率平穩上升,盡量減小啟動電流,減小對電網的沖擊,減小負載的機械沖擊。
3. 2　調試運行
軟啟動裝置安裝完成后要認真核對接線是否正確,控制線應和動力電纜保持隔離,并用數字萬用表高阻擋檢查軟啟動器中晶閘管的絕緣情況。新的軟啟動器（冷態時）每組晶閘管輸入/輸出端子間測量電阻值應在1. 3MΩ左右,相間（相間未接控制回路時） 、相對地測量電阻值應該為無窮大。在電動機與軟啟動器連接前,檢查電動機和電纜的絕緣狀態,絕緣電阻應符合相關規定,檢查確認無誤后將電動機連接到軟啟動器輸出端,然后把控制電源投上設定參數,主要對電動機的額定電流、限制電流、加速斜坡時間、初始啟動力矩、停止方式等進行設置。根據水泵的實際情況,設定額定電流為75A,限制電流為200% In ,加速斜坡時間為15 s,初始啟動力矩為20% ,停止方式為d （設為d的意思是通過控制力矩軟停車,軟啟動器對電機施加一個力矩以便其按斜坡逐漸減速停車以消除“水錘”） 。停止方式一定要設對,如設為其他方式就失去了使用軟啟動器的意義。按標準設定好有關的保護參數后啟動試運行,用嵌型電流表監測啟動電流和啟動后的運行電流都明顯小于使用傳統的啟動運行方式,成功啟動運行10min后,人工輸入一個停止命令,電動機開始逐漸減速慢慢到自由停止,止回閥、底閥同時關閉,沒有了以往的強烈振動,整個過程很平穩,沒有出現“水錘”效應。軟啟動軟停車試運行成功后,接著做各種保護功能和遠程監控的試驗,都達到了預期目標。
4　改造后的效果和意義
軟啟動器在這次的改造中充分發揮了其在排水系統水泵電動機控制中的優勢,其多種功能得到了很好地應用。雖然電動機功率較大、揚程高,但由于運用了電動機軟啟動,啟動電流小而無二次電流沖擊,即使2臺泵同時啟動,對廠用電供電也沒有太大的影響,大大提高了廠用電供電的可靠性和供電質量,并避免了沖擊電流的產生對計算機監控系統通訊的干擾。在意外的情況下軟啟動器還會對電動機作出保護,特別是當柴油發電機供電時更能體現出來。在停泵時采用軟啟動器的軟停車功能,適當延長停泵時間,避免產生“水錘”效應。最大程度地減少了不必要的機械設備損害,延長了機械設備的使用壽命,從而減少了維護費用和維護工作量。經過2年多的運行,沒有發生故障。
綜上所述,軟啟動器的各種性能都明顯好于傳統的啟動方式,在今后排水系統的設計和改造中應當優先選用。