摘 要:介紹了電機(jī)軟啟動(dòng)器的基本原理和功能,分析了其在水電站排水系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。對(duì)電機(jī)軟啟動(dòng)器與傳統(tǒng)電機(jī)控制方式進(jìn)行了比較,指出了其相對(duì)傳統(tǒng)控制方式的優(yōu)點(diǎn),并給出了傳統(tǒng)控制方式改進(jìn)的建議。
關(guān)鍵詞:電機(jī)軟啟動(dòng)器;水電站排水系統(tǒng);電機(jī)控制方式
引言
錦江電站建成于20世紀(jì)90年代初,各電氣設(shè)備都相對(duì)落后。在最近的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造中,對(duì)集水井排水泵電動(dòng)機(jī)的控制采用了近年發(fā)展起來(lái)的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器,取代了原有的Y - △啟動(dòng)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(dǎo)致水淹水泵甚至水淹廠房。集水井排水系統(tǒng)由2組IS150 - 125 - 315型水泵配置Y200L - 4 （ 30 kW）型電動(dòng)機(jī)和底閥、碟閥、止回閥、DN150鋼管等構(gòu)成。出水管路預(yù)埋在混凝土中固定,出水口在尾水位以下,管內(nèi)長(zhǎng)期充滿有壓力的水,底閥到尾水面有16m的高差。其特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)功率大、啟動(dòng)電流大、水泵揚(yáng)程高、排水量大?；诩潘闹匾?要求水泵控制必須可靠和穩(wěn)定。
1 傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)
電動(dòng)機(jī)的控制在改造之前是Y - △啟動(dòng)方式,啟動(dòng)時(shí)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(dòng)方式最主要的缺點(diǎn)是直接停泵。由于是瞬間停泵,水泵的揚(yáng)程高、流量大,停泵時(shí)止回閥、底閥也瞬時(shí)關(guān)閉使管道內(nèi)產(chǎn)生的“水錘”效應(yīng)很大,造成對(duì)止回閥、底閥、水泵的反慣性沖擊,導(dǎo)致底閥破裂漏水;同時(shí)劇烈的振動(dòng)也會(huì)使法蘭間的止水膠墊破損而導(dǎo)致管道漏水,使水泵抽不上水的狀況時(shí)有發(fā)生。水泵的基座在止回閥的沖擊下產(chǎn)生移動(dòng),久而久之使水泵的軸心與電動(dòng)機(jī)軸心偏離而燒壞軸承?？傊?水泵因瞬時(shí)停泵而引起的“水錘”效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致一系列的嚴(yán)重后果。
2 軟啟動(dòng)器的基本原理和功能
2. 1 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的基本原理
電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器是一種集電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的電動(dòng)機(jī)控制裝置。它主要由2部分構(gòu)成:信息采集處理并給出指令的集成控制系統(tǒng);執(zhí)行系統(tǒng)由串接于電源與被控電動(dòng)機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管構(gòu)成。微處理器采集電網(wǎng)的同步信號(hào)、電流信號(hào)和電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)角,控制軟件根據(jù)這3個(gè)參數(shù)的變化,應(yīng)用晶閘管相移技術(shù),控制觸發(fā)三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角,使加在電動(dòng)機(jī)上的電壓按一定規(guī)律慢慢達(dá)到全電壓,從而實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的目的。軟啟動(dòng)器體積小、轉(zhuǎn)矩可以調(diào)節(jié)、啟動(dòng)平穩(wěn)沖擊小并具有軟停機(jī)功能等優(yōu)點(diǎn),在各種電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
2. 2 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)方式
電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)有斜坡升壓軟啟動(dòng)、電流限幅啟動(dòng)、階躍啟動(dòng)及脈沖沖擊啟動(dòng)。
斜坡升壓軟啟動(dòng)過(guò)程是從加入啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始,系統(tǒng)軟件首先施加200～400ms的固定延時(shí)用于系統(tǒng)自檢,然后由系統(tǒng)輸出一個(gè)脈沖,即打開(kāi)一定的晶閘管導(dǎo)通角,使三相反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通,加到電動(dòng)機(jī)端子一個(gè)電壓以克服靜摩擦轉(zhuǎn)矩,這個(gè)電壓為軟啟動(dòng)基值電壓,可設(shè)定。之后,繼續(xù)加大晶閘管導(dǎo)通角使輸出電壓線性上升,從軟啟動(dòng)基值電壓無(wú)級(jí)增加到最大電壓。在加速斜坡結(jié)束時(shí),加到電動(dòng)機(jī)端子上的電壓等于電網(wǎng)輸入電壓,啟動(dòng)過(guò)程完成。由于不限流,在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中,有時(shí)要產(chǎn)生較大的沖擊電流,使晶閘管容易損壞,對(duì)電網(wǎng)影響也比較大,實(shí)際很少應(yīng)用。
電流限幅啟動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的初始階段啟動(dòng)電流逐漸增加,通過(guò)電流反饋實(shí)施閉環(huán)控制,當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值后保持恒定,直至啟動(dòng)完畢,如圖1所示。在實(shí)際應(yīng)用中,啟動(dòng)電流上升變化的速率可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定,電流上升速率大,則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)時(shí)間短。這種啟動(dòng)方式能實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)變的啟動(dòng)控制無(wú)突跳現(xiàn)象,可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平滑啟動(dòng)并大大減少機(jī)械傳動(dòng)部分的沖擊,大大延長(zhǎng)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命,實(shí)際應(yīng)用也較多。
階躍啟動(dòng)、脈沖沖擊啟動(dòng)這2種啟動(dòng)方式在排水系統(tǒng)中的應(yīng)用也較少。
2. 3 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的輕載節(jié)能功能
軟啟動(dòng)器具有輕載節(jié)能的功能（如圖2所示） 。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完后的運(yùn)行當(dāng)中實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（功率因數(shù)隨電動(dòng)機(jī)的負(fù)載輕重而變化,負(fù)載率低時(shí)功率因數(shù)小,反之就大） ,若功率因數(shù)小,則通過(guò)CPU給出指令使電動(dòng)機(jī)的端電壓降低,反之升高。輕載時(shí),電動(dòng)機(jī)的工作電壓降低,使電動(dòng)機(jī)的銅損和鐵損降低,從而達(dá)到節(jié)能目的。
2. 4 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的保護(hù)功能
電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器在運(yùn)行時(shí)引進(jìn)了電流控制環(huán),因而可隨時(shí)跟蹤檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流的變化狀況,并通過(guò)增加過(guò)載電流的設(shè)定和反時(shí)限控制來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù):在電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí),關(guān)斷晶閘管并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。軟啟動(dòng)器還隨時(shí)檢測(cè)三相線電流的變化,一旦發(fā)生斷流,即可作出缺相保護(hù)反應(yīng)。軟啟動(dòng)器還有通訊的功能,能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制或計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。
2. 5 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的通訊功能
電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的通訊功能在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造中得到了很好的應(yīng)用,通過(guò)RS485串口與公用LCU交換數(shù)據(jù),使用現(xiàn)在常用的內(nèi)部協(xié)議modbus協(xié)議,針對(duì)水泵運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2. 6 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的停車方式
電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器有自由停車、軟停車及制動(dòng)停車等幾種不同的停車方式。電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器最重要的一種功能就是軟停車,在排水系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)控制中其作用尤為突出。軟啟動(dòng)器中的軟停車功能是當(dāng)軟啟動(dòng)器接收到停車的指令時(shí),晶閘管從全導(dǎo)通逐漸地減小導(dǎo)通角,直到切斷電壓,這時(shí),開(kāi)始封鎖加在功率晶閘管上的脈沖,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間過(guò)渡到全關(guān)閉的過(guò)程。電動(dòng)機(jī)的端子電壓從Un 緩慢下降,在電壓下降瞬間電動(dòng)機(jī)電流會(huì)有一個(gè)小的電流沖擊,然后電動(dòng)機(jī)電流會(huì)隨電壓的下降而下降,直至電動(dòng)機(jī)停下來(lái)。電壓斜坡下降的時(shí)間可根據(jù)需要設(shè)定。
3 軟啟動(dòng)器控制的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)
根據(jù)軟啟動(dòng)器的原理和功能,在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)改造后,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控,在中央控制室的上位機(jī)可以直接監(jiān)控到水泵的啟動(dòng)、運(yùn)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(jìn)線接觸器,自由停車或可控停車,利用轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)啟動(dòng),使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升,盡量減小啟動(dòng)電流,減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊,減小負(fù)載的機(jī)械沖擊。
3. 2 調(diào)試運(yùn)行
軟啟動(dòng)裝置安裝完成后要認(rèn)真核對(duì)接線是否正確,控制線應(yīng)和動(dòng)力電纜保持隔離,并用數(shù)字萬(wàn)用表高阻擋檢查軟啟動(dòng)器中晶閘管的絕緣情況。新的軟啟動(dòng)器（冷態(tài)時(shí)）每組晶閘管輸入/輸出端子間測(cè)量電阻值應(yīng)在1. 3MΩ左右,相間（相間未接控制回路時(shí)） 、相對(duì)地測(cè)量電阻值應(yīng)該為無(wú)窮大。在電動(dòng)機(jī)與軟啟動(dòng)器連接前,檢查電動(dòng)機(jī)和電纜的絕緣狀態(tài),絕緣電阻應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定,檢查確認(rèn)無(wú)誤后將電動(dòng)機(jī)連接到軟啟動(dòng)器輸出端,然后把控制電源投上設(shè)定參數(shù),主要對(duì)電動(dòng)機(jī)的額定電流、限制電流、加速斜坡時(shí)間、初始啟動(dòng)力矩、停止方式等進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)水泵的實(shí)際情況,設(shè)定額定電流為75A,限制電流為200% In ,加速斜坡時(shí)間為15 s,初始啟動(dòng)力矩為20% ,停止方式為d （設(shè)為d的意思是通過(guò)控制力矩軟停車,軟啟動(dòng)器對(duì)電機(jī)施加一個(gè)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(shè)對(duì),如設(shè)為其他方式就失去了使用軟啟動(dòng)器的意義。按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定好有關(guān)的保護(hù)參數(shù)后啟動(dòng)試運(yùn)行,用嵌型電流表監(jiān)測(cè)啟動(dòng)電流和啟動(dòng)后的運(yùn)行電流都明顯小于使用傳統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行方式,成功啟動(dòng)運(yùn)行10min后,人工輸入一個(gè)停止命令,電動(dòng)機(jī)開(kāi)始逐漸減速慢慢到自由停止,止回閥、底閥同時(shí)關(guān)閉,沒(méi)有了以往的強(qiáng)烈振動(dòng),整個(gè)過(guò)程很平穩(wěn),沒(méi)有出現(xiàn)“水錘”效應(yīng)。軟啟動(dòng)軟停車試運(yùn)行成功后,接著做各種保護(hù)功能和遠(yuǎn)程監(jiān)控的試驗(yàn),都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
4 改造后的效果和意義
軟啟動(dòng)器在這次的改造中充分發(fā)揮了其在排水系統(tǒng)水泵電動(dòng)機(jī)控制中的優(yōu)勢(shì),其多種功能得到了很好地應(yīng)用。雖然電動(dòng)機(jī)功率較大、揚(yáng)程高,但由于運(yùn)用了電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng),啟動(dòng)電流小而無(wú)二次電流沖擊,即使2臺(tái)泵同時(shí)啟動(dòng),對(duì)廠用電供電也沒(méi)有太大的影響,大大提高了廠用電供電的可靠性和供電質(zhì)量,并避免了沖擊電流的產(chǎn)生對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通訊的干擾。在意外的情況下軟啟動(dòng)器還會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)作出保護(hù),特別是當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)更能體現(xiàn)出來(lái)。在停泵時(shí)采用軟啟動(dòng)器的軟停車功能,適當(dāng)延長(zhǎng)停泵時(shí)間,避免產(chǎn)生“水錘”效應(yīng)。最大程度地減少了不必要的機(jī)械設(shè)備損害,延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備的使用壽命,從而減少了維護(hù)費(fèi)用和維護(hù)工作量。經(jīng)過(guò)2年多的運(yùn)行,沒(méi)有發(fā)生故障。
綜上所述,軟啟動(dòng)器的各種性能都明顯好于傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式,在今后排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用。
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