城市排水泵站软启动器应用的研究

摘要：本文分别从软启动器工作原理、柔性开停车工作方式、减小对电网负荷冲击、减小水锤影响、晶闸管节电等角度，分析排水泵站软启动器对电机和水泵运行的保护，优化泵站日常运行和汛期调度，对保障城市排水管理发挥出更大的贡献，分析软启动器面临的主要问题及故障处理方法，进一步提高泵站机电设备的安全运行和泵站的管理水平。

关键词：软启动器减小水锤优化调度故障处理安全运行

中图分类号：S276文献标识码： A

一．引言

随着我国经济建设不断发展，泵站的建设、管理与科研都得到了很大进展和提高，以笔者多年的工作经历和实践可以证明，目前城市排水泵站大多采用三相

笼式交流电动机作为水泵运转动力，用降压启动等传统方式启动水泵，其特点是结构简单、价格低廉，但是降压启动本身存在着诸多问题，首先，电动机启动时，启动转矩基本固定不可调，存在二次冲击电流，对有负载电机出现冲击转矩，受电网电压波动影响较大。其次，电机停机时为瞬时停电，易对电机造成剧烈的机械冲击，尤其是水泵突然停车不运转，会产生水锤现象，对水泵甚至对泵站其它机组设备和机房有极大的破坏作用，影响泵站安全运行，最后降压启动方式能耗较高，设备运营，维护费用较大。针对这类情况，交流电动机软启动（停止）控制技术孕育而生，软起动器是继自耦减压起动器、星-角减压起动器等之后，采用电子半导体器件（晶闸管）和单片机控制的智能化程度较高的一种新型电机起动装置，它通过控制电机的运行电压和电流，使得电机的功率输出与负载的机械特性相吻合，改善电机运行工况，使电机启动停止平稳，减小对电网的电气冲击和对对负载的机械冲击，尤其在排水泵站运行中，消除和减小水锤现象十分明显，而且工作性能优于上述减压起动器。以笔者近几年通过接触数台软启动器，各项效益十分明显，值得介绍。

二．软启动器的基本工作原理

软起器本质上仍属于减压起动装置，但是减压范围更宽，且可以调整。星―角减压起动器[1]，起动电压为三相220V，运行电压为三相380V，电机只能在此两个电压点上运行，为有级减压起动模式。而软起动器，起动初始电压可以调整为任意电压值，线性上升至380V，电机的起动过程更为柔和，是一种电机电压平滑上升的无级减压起动模式，减缓了起动时造成的机械和电气冲击。

软起动器实质上是一种三相交流调压设备，主电路采用晶闸管，在起动过程中，控制晶闸管的导通角，使三相输出电压按预设起动曲线上升，电机起动转矩与转速逐渐增加，一般有下面几种起动方式：

（1）斜坡升压软起动。仅调整晶闸管导通角，与时间成函数关系增加。可预置一个初始转矩（电压），在加速斜坡时间均匀上升至全电压，适用空载或轻载起动。

（2）斜坡恒流软起动。初始阶段起动电流逐渐增加达到预先设定值后保持恒定，在此过程中电机逐渐加速至达到额定转速，旁路接触器闭合，电机电流迅速下降至额定电流以内，起动完毕。起动过程中，电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短，适用于中型负载起动。

（3）脉冲（突调）冲击起动。在起动开始提供一个短时较大转矩，满足需要一

个较高起动转矩的负载，以克服负载静摩擦力，此种起动方式适用于带较重负载或负载静摩擦力较大的工况。

软起动器的停车方式，也有如下几种：

（1）自由停车。接到停止命令后立即断开旁路接触器并禁止晶闸管的调压输出，电机依负载惯性逐渐停车。适用于对停车时间和停车距离无要求的负载设备。

（2）软停车。电动机的供电由旁路接触器切换到晶闸管调压输出，输出电压由全压逐渐减小，使电机转速平稳降低，直至停止。适用于对停车时间有要求和泵类负载等场合。

（3）直流制动停机，又称为精确停车控制，软起动器接到停机信号后，由旁路接触器切换为晶闸管供电，由晶闸管主电路向电机输入（可控）直流电流，从而加快制动，制动时间可调，用于对停车时间和停车距离有要求的工作场合，在一定程度上代替了反接制动停车。

三．软启动器有效减小水锤影响及晶闸管节能贡献

城市排水泵站水锤影响由于水的流动性[2]、压缩性较小，当水泵快速启动时，供水量猛增，短时间内水流量巨大变化引起管道壁压强过大的冲击，引起声响如锤击，空化现象是由于水泵停车时水流量巨大减小，引起管道壁压强突减的现象。

水锤影响和空化现象会使管道和阀门受到水的冲击而损坏，显然软启动器这种柔和坡度平稳启动和停车方式可消除和抑制水锤影响及空化现象。

晶闸管交流电动机节能控制器随机跟踪检测电机运行电流与电压的相位角（检测运行功率因数角），根据负载变化（导致功率因数角变化）随机调整电机的端电压值，在轻载和空载时提供一个较小磁场维持电流以克服摩擦力所需的小转矩，负载较大时，则提升电机端电压输出相应转矩，使电机端电压据负载变化而变化，随时保持在最佳节能工作状态，从而大大降低电动机轻、空载时的内部损耗，达到节约有功功率、无功功率和提高功率因数的目的。

四．软启动器应用中的主要问题及故障处理

软启动器首先面临电磁兼容问题[3]，不受泵站机房环境中任何其它设备或系统电磁干扰，作为用户在使用过程中采取相应措施减小对外部的电磁干扰和增强自身的抗干扰能力，可通过增加隔离变压器，减小变压器干扰，增加输入输出电抗器，产生滤波，提高接地性能，使干扰信号及早流入大地，用屏蔽电缆合理布线等手段增加电磁兼容工况。

其次，软启动器系统面临的常见故障，如上电跳闸或熔断体熔断（短路现象）

判定为电源输入端短路或者软启动器损坏，应进一步测量相间电阻值确定。如上电直接启动（电机全压启动），未通过软启动器，判定为旁路接触器控制错误或者软启动器晶闸管损坏，如软启动器误停车，判定为旁路接触器控制错误或者线圈电路损坏。

再次，软启动器出现欠压保护说明电压波动大，应测量相间电压，过电流过载保护说明负载过大，过热保护说明负载电流过大，工作环境过热需要冷却，缺相保护说明触发信号问题或者是晶闸管损坏，应更换晶闸管及配件，软启动器不启动（不工作）说明外部信号未接入或者控制面板损坏，应监测电流或更换控制板，软启动器显示启动电机未启动说明CPU损坏，应及时联系厂家，若电动机无法达到额定转速，说明部分晶闸管损坏，输出电压达不到电源电压，应更换晶闸管，或者启动转矩不足，参数设定不合理，应重新设定参数。

最后晶闸管损坏主要是出现过流、过压、过热等现象并且保护功能无动作，可通过反并联晶闸管阳极与阴极之间电阻值测量电阻应为几十KΩ，并且正并联每只晶闸管控制极（黑表笔正电源）与阴极之间电阻应在5-100Ω范围内，若未达到上述两个条件，说明晶闸管烧坏，应更换配件。

五．前景

泵站尤其是梯级泵站是一个复杂的系统，在优化调度当中应考虑多方面的因素。根据泵站运行的不同要求，充分运用软启动方式和自动化程度，提高工作效率，减少运行成本，使日常排水调度管理工作过程能及时、准确、可靠，确保城市排水系统高效正常运行，汛期安全度汛，从而保障人们生产生活的正常秩序。

数字控制芯片大量涌现，单片机控制技术的优越性和易于实施性，不采用专用芯片而采用单片机技术，用软件手段生成数字触发脉冲的，成为软启动器的主流，具有控制、保护功能完善、有较好的人机界面等特点。由此可见，软起器的应用量和市场还是较大的。

参考文献

[1] SFR-M软启动器水库泵站中的应用《华强电子网》.2012

[2]徐泽林，雍家树，《泵站机电设备维修工与泵站运行工》黄河水利出版社.2002.

[3]徐林泰，冯龙海，夏明，《转矩控制软启动的研究及应用》.2013