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软起动技术在排灌站水泵控制中的应用
摘 要：介绍了三相鼠笼型异步电动机的起动方式及其不足，重点叙述了软起动技术的工作原理、优点和应用。关键词：鼠笼型异步电动机；起动技术；软起动技术；水泵
1 电动机起动的现状
三相鼠笼型异步电动机因其具有结构简单、运行可靠、维修方便、惯性小、价格便宜等诸多优点，在农田排灌中作为电能转化为机械能的主要动力设备而被广泛采用。但由于其起动电流大，对电网的影响和对工作机械（如水泵、拍门等）的冲击力都很大，因而在起动过程中必须采取一些技术措施对起动电流和冲击力（起动电磁转矩）加以合理而有效的控制，实现比较稳定的起动，从而改善系统设备工况，有效延长系统寿命，减少故障率的发生。
异步电动机的起动问题，一直为业内人士所关注。异步电动机的起动方式从原理上讲只有两种：直接起动和降压起动。直接起动，就是将处于静止状态的电动机直接加上额定电压，使电动机在额定电压作用下直接完成起动过程。直接起动转矩大，起动时间短，起动控制方式简单，设备投资少，因此在中小型电动机的起动上得到广泛的采用。但直接起动方式也受到许多限制，主要表现在下列三个方面：
（1）起动电流可大到电动机额定电流的4～7倍，部分国产电动机的起动电流实际测量甚至高达8～12倍。如果直接起动较大的电动机，过大的起动电流将造成电网电压显著下降，影响同一电网其它电气设备和电子设备的正常运行，严重时将使部分设备因电压过低而退出运行，甚至使电力线路继电保护装置过流保护动作而跳闸，使线路供电中断。
（2）直接起动会使被拖动的工作机械受到机械性冲击，对于水泵性负载来说，过高的起动转矩对叶片、轴承、拍门等造成软性损伤（机械变形、疲劳性老化）及硬性损伤（裂纹、断裂等）是较为常见的，甚至会因水流对管道的冲击力（及反作用力）过大而产生严重的水锤效应损坏设备。
（3）直接起动要求供电变压器容量较大，而对农田排灌泵站供电的变压器容量往往达不到直接起动对电网容量的要求。
在不允许直接起动的情况下，就要采用降压起动的起动方式，即降低电动机端电压进行起动。降压起动一般有星／三角起动，定子电路中串接电阻、电抗器起动，自耦变压器降压起动及本文推荐的软起动等方法。
星形／三角形起动器是降压起动器中结构最简单、成本最低的一种，然而它的性能受到限制，主要表现在：
（1）无法控制电流和转矩下降程度，这些值是固定的，为额定值的1／3。
（2）当起动器从星形接法切换到三角形接法时，通常会出现较大的电流和转矩变动。这将引起机械和电气应力，导致经常性故障的发生。
自耦变压器式起动器比星形／三角形起动器提供了更多的控制手段，可以通过变压器抽头改变I段起动电压（典型为65％和80％两挡起动分接头）。然而它的电压是分级升高的，所以其性能受如下限制：
（1）电压的阶跃性变化（分级转换时产生）引起较大的电流和转矩变动，同星形／三角形起动器性能限制“2”一样会导致机械、电气经常性故障的发生。
（2）有限的输出电压种类（起动电压分接头数量有限），限制了理想起动电流的选择。因为自耦变压器式起动器控制是使用较额定电压低的电压级别进行降压起动，它控制的电机参数为电压而非电流，所以当电网电压波动及负载变化（如排灌站水位落差变化）时，起动电流曲线将显著偏离设计理想曲线，从而恶化起动性能，设备在较差的工况下将大大缩短使用寿命，增加维护成本。
电阻式起动器也能提供比星形／三角形起动器更好的起动控制。然而它同样有一些性能、使用上的限制，包括：
（1）起动特性很难优化。原因是制造起动器时电阻值是确定的，在使用中很难改变，虽然可以通过转换分接头来进行分级起动，但当级数较多时，势必增加控制系统的复杂性，而制造成本、故障率也将随之大幅度提高，所以一般电阻式起动器均在2～5级间。这样，加在电动机定子绕组上的电压、电流等主要电量参数在分级起动时仍有很大的波动。
（2）频繁起动场合下的起动特性不好。原因是在起动过程中电阻值会随着电阻的温度变化，在停止到再起动过程中需经长时间冷却过程。
（3）负载较大或起动时间较长的场合下的运行特性变坏，原因是电阻值随着电阻器温度的变化而变化。
（4）在负载大小经常变化的应用场合（如排灌站水位落差变化较大），电阻式起动器不能提供理想的起动效果。
综上所述，传统的降压起动设备均有诸多性能限制和使用限制，越来越难以适应不断发展的电动机复杂使用场合的起动需要。
2 软起动技术的工作原理
软起动技术是在晶闸管斩波技术的基础上发展起来的，利用晶闸管斩波技术进行工频电压调节
在50Hz正弦波每个半周内固定时间（过零延时t1）给晶闸管VT1门极以一个触发脉冲，则根据晶闸管特性，在触发脉冲结束后，晶闸管将在半周内剩余时间维持导通（见图1（b）中阴影部分），直至电压再次过零，这样只要调节VT1触发脉冲出现的时间，则输出电压u0将会在0～100％输入电压（ui）内得到调节。如果将晶闸管斩波调压技术应用于三相电源，再加入现代电子技术如单片机控制技术等即可制成软起动器，从而在大型三相鼠笼式交流异步电动机的起动上得以应用。
软起动电动机时的电压、电流特性曲线见图2。从电压特性曲线u＝f（t）可以看出，从起动开始软起动器给交流异步电动机一个初始电压Ust（Ust一般在10％～60％Ue间自由调整）并在用户设定的起动时间Tst（Tst一般在1～60s范围内自由设定）内将负载电压均匀上升到电动机额定电压Ue。由于软起动器自身特有的限流功能，起动电流在起动期间始终不超过起动限制电流ILIM（ILIM一般在2～5Ie内自由设定）。
为了比较起动外特性，在此给出了应用中最常见的传统起动方式———自耦变压器降压起动时的电压、电流特性曲线（见图3）。从图3可以看出，两级起动的两个阶段均产生很大的起动冲击电流，对电网形成冲击，而两个较大的级落电压0→Ust与Ust→Ue又会发生非常大的转矩突变，产生机械冲击。而电动机软起动时无论在电流曲线还是电压曲线上看，均已将电冲击及机械性冲击减小到最低的程度。
3 软起动技术的应用
用软起动器组成软起动控制系统可以采取两种型式：（1）在线式控制软起动系统和旁路切换式软起动系统（见图4、图5）。图中K0、K1～Kn为空气断路器；RQ、RQ1～RQn为软起动器；KM11～KMn1、KM12～KMn2为交流接触器；M1～Mn为电动机。
在线式控制软起动系统采取“一带一”方式，即每一台负载电动机的起动由相应的软起动器来完成，选用长期工作制的软起动器，可以对电动机实现起动—运行—停止的全过程控制，并且主接线及控制系统均很简捷。
旁路切换式软起动系统是多台电动机共用同一台软起动器。当一台电动机起动完成后，旁路接触器吸合将电动机转为电网供电脱开软起动器直接运行，这样软起动器在完成一台电动机的起动后可以再控制另一台电动机的起动
。旁路切换式软起动系统在控制电动机台数较多时可以大大降低系统成本，而且软起动器均工作在短时工作制，可以大大降低软起动器的故障率，唯一不足的是增加了主接线及整个系统的复杂性。
随着科技水平的发展，对电动机的控制机理和技术指标要求越来越高，传统的降压起动设备已无法满足各行业的需要。近年来，随着软起动设备逐步国产化，将使软起动技术的应用成为今后大型鼠笼型异步电动机起动方式的主流，并将最终取代传统的起动方式，在排灌站水泵控制上得到全面的推广。
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