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浅议水泵启动控制方式的合理选择
袁扬 康守卫 王岩波

摘 要
本文以供水公司的机泵改造为例，针对其中的低压电机分析启动控制方式的合理选择。
关键词 异步电动机 起动 自耦变压器降压 全压起动 变频启动 起动电流 起动转矩
一、 概述
异步电动机以其优良的性能及无需维护的特点，在各行各业中得到广泛的应用。胜利油田供水公司下属多处送水泵房，配用电机多为鼠笼型异步电动机，自1999开始陆续进行了机泵改造，恰当的选择启动方式，具有重要的意义。鼠笼型电动机的启动方式有全压启动、降压启动、变频启动等，现在对各种启动方式的特点和条件进行分析，以便进行优化选择。

二、 送水泵房现状及电机启动方式综述
根据《民用建筑电气设计规范》(JGJ 16-2008)供水公司送水泵房生产负荷为二级负荷，一般设置两台变压器，6(10)kV双电源引入，低压侧单母线分段的形式，两段母线互为备用。正常情况下母联开关闭合，一段母线运行，该段变压器可负担100%二级负荷。改造前采用的启动方式有自耦降压启动、变频启动等。
鼠笼型异步电动机有多种启动方式，分为：
1、直接启动：也成为全压启动，它是将电动机的定子绕组直接接入额定电压起动。直接起动具有起动转矩大、起动时间短、起动设备简单、操作方便、易于维护、投资省、设备故障率低等优点。缺点是起动电流大。
2、自耦降压启动：就是将自耦降压变压器原边接供电电源，副边接到电动机定子绕组上，待电动机起动到转速基本稳定时，再切除自耦变压器，将电动机定子绕组直接接入供电电源，电动机再全电压运转。这种启动方式优点是降低了电动机的起动电压和起动电流，起动转矩降低。缺点是启动设备价格比全压启动价格高，且只允许连续启动2~3次。
3、软启动器启动：软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。
4、变频启动：变频器通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。在变频调速系统中，用逐步提高电动机定子绕组的供电频率来提高电动机的速度。变频调速因为改变了异步电动机的同步转速，保持了电动机的硬机械特性，与其他起动方式相比，起动电流小而起动转矩大，对设备无冲击力矩，对电网无冲击电流，既不影响其他设备的运行，又有最理想的起动特性。缺点是相比其他启动方式设备复杂，价格昂贵。
三、 不同启动方式的合理选择的探讨
《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16－2008)第 9.2.1.1 条规定：“电动机启动时，其端子电压应保证机械要求的启动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作。交流电动机起动时，其配电母线上的计算电压应符合下列规定：
(1)电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的 90％，电动机不频繁起动时， 不宜低于额定电压的 85％。
(2)当电动机不与照明或其他对电压波动敏感的负荷合用变压器，且不频繁启动时，不应低于额定电压的 80％。
(3)当电动机由单独的变压器供电时，其允许值应按机械要求的启动转矩确定。
对于低压电动机，除满足上述规定外，还应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。
1、 全压启动的选择
根据制造标准，水泵绝大多数均能承受电动机全压启动的冲击转矩，所以从水泵机械性能看全压启动一般是可以满足要求的。供水公司送水泵房设置的变压器除了承担水泵负荷外，还承担其他办公及照明等三级非生产负荷的供电。鼠笼型异步电动机的起动电流一般为额定电流的 4～7 倍，如果电动机的功率较大，达到为其供电的变压器容量一定比例时， 电动机的起动电流将会引起配电系统的电压显著下降，影响接在同一台变压器或同一条供电线路上的其他电气设备的正常工作，因此在设计规范中，对电动机起
动引起配电系统的压降有明确规定。
为控制电动机起动时配电系统的压降，需要进行压降的分析与计算。根据电动机的起动电流、变压器容量及其阻抗电压百分数，可以估算电动机起动时配电系统的压降，以便预估电动机是否可以全压起动，可按下式估算：
Ｕst=((Kmst*Pm+Pa)/Stn) Uk% (1)
式中：ΔUSt——电动机起动时配电系统的压降百分数；
Kmst——电动机起动电流倍数(起动电流与额定电流之比)；
Pm——电动机额定功率(kW)；
Pa——变压器带的其他负荷(kW)；
Stn——变压器的额定容量(kVA)；
μ k％——变压器阻抗电压百分数。
或者判断电动机能否全压启动可根据经验公式来确定：
Ist / In ≤3 / 4 +电源变压器容量（kVA）/4*电动机功率（kW） (2)
式中：Ist——电动机全压启动电流（A）；
In——电动机额定电流（A）；
通常，一般电机功率为15kW以下的水泵采用直接起动。
2、 自耦降压启动的选择
设自耦变压器的变比为K，原边电压为U1，副边电压U2=U1/K，副边电流I2也按正比减小。又因为变压器原、副边的电流关系I1=I2/K，可见原边的电流（即电源供给电动机的启动电流）比直接流过电动机定子绕组的要小，即此时电源供给电动机的启动电流为直接启动时1/K2 倍。由于电压降低为1/K 倍，所以电动机的转矩也降为1/K2 倍。可见，这种起动方式显著地降低了配电系统中的电流和压降，并且可以按允许的启动电流和所需的启动转矩来选择自耦变压器的不同抽头实现降压启动，而且不论电动机的定子绕组采用Y 或Δ接法都可以使用。
但是，自耦降压起动电路不能频繁操作，如果一次启动不成功的话，第二次起动应间隔4分钟以上，如果在60秒连续两次起动后，应停电4小时再次启动运行，这是为了防止自耦变压器绕组内启动电流太大而发热损坏自耦变压器的绝缘。
相比较全压启动，自耦降压启动设备价格较高，但性价比较优，在对电源冲击要求不是很高的情况下可以在交广范围内选用。
3、 软启动器启动
软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置。从本质上是一种能够自动控制的降压启动器，由于能够任意调节输出电压，作电流闭环控制，因而比传统的降压启动方式有更多优点。采用软启动器，可以控制电动机电压，使其在启动过程中逐渐升高，很自然地控制启动电流，这就意味着电动机可以平稳启动，机械冲击和电应力降到最小。尤其对大电机实现平滑、均匀稳定的启动，避免大电机起动时对电网的冲击，减少机械震动和噪音，减少供电线路的电耗。另外，有的软起动器具有多种内置的保护功能，如失速及堵转测试、相间平衡、欠载保护、欠压保护、过压保护等，对电机而言起到了进一步的保护作用。
并且软启动器所附带的软停车功能有效地避免了水泵停止时所产生的“水锤效应”（水锤效应：直接起动和停机时，液体动能的急剧变大，导致对管网的极大冲击，有很大破坏力）。随着电子技术的不断发展，国产软启动器逐步代替价格相差很多的进口产品。与其他减压启动设备相比，若希望进一步降低起动时对电源及电机的冲击，延长机械寿命，完全消除水锤现象和噪音，并达到节能的目的，则采用软起动方式。
4、 变频启动
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器通过调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，并可实现对电机的无级调速。
为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。水泵设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的阀门开度来调节给水量，其输入功率大，且大量的能量消耗在阀门的截流过程中。采用变频器调速可实现恒压供水，一般以管网水压为设定参数，通过微机控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求。
交流电机转速特性如下式：
n=60f(1-s)/p (3)
式中：n ——电机转速；
f——交流电频率；
s ——转差率；
p——极对数。
电机选定之后s 、p则为定值，电机转速n和交流电频率f 成正比。
根据离心水泵的负载工作原理可知：
流量与转速成正比：Q∝N
转矩与转速的平方成正比：T∝N2
功率与转速的三次方成正比：P∝N3
由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：
P变＝N3Pe＝Q3Pe （4）
采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：
P阀＝（0.4+0.6Q）Pe （5）
式中：P——功率；
N——转速；
Q——流量。
例如设定当前流量为水泵额定流量的70％，则采用变频调速时：P变＝Q3Pe＝0.343Pe，而采用阀门控制时P阀＝（0.4+0.6Q）P额＝0.82Pe，节能率＝（P阀-P变）／P阀*100％＝56.2％。
从理论计算结果可以看到采用变频器调速节能效果非常显著。而且采用变频恒压供水不需建造高位水箱、水塔，水质无二次污染，达到了提高供水品质和供水效率的目的。 同时，水泵一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，寿命将大为提高。
四、 结束语
综上所述，在选择鼠笼型异步电动机的起动方式时，要综合投资、节能、维护等的要求，从机械启动转矩要求、系统配电容量、电源母线电压要求等各方面综合考虑选择合理的启动方式。
参考文献
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