建筑消防設(shè)施中電機(jī)的啟動(dòng)方式研究

牛運(yùn)晨 馮春勇 李森

摘要：隨著城市發(fā)展的加快，越來(lái)越多的復(fù)雜建筑、高層建筑涌現(xiàn)出來(lái)，給消防救援帶來(lái)了較大的壓力，對(duì)建筑中現(xiàn)有消防設(shè)備的可靠性提出了較高的要求。本文對(duì)建筑消防設(shè)施中電機(jī)的啟動(dòng)方式進(jìn)行研究，從電機(jī)的啟動(dòng)方式出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的規(guī)范和實(shí)際消防要求進(jìn)行分析，從而得出適合建筑消防設(shè)施電機(jī)的啟動(dòng)方式，為設(shè)計(jì)人員提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：電機(jī); 啟動(dòng)方式; 消防; 泵; 風(fēng)機(jī)

1 ? 引言

近年來(lái)由于城市規(guī)模的快速擴(kuò)大以及大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑的大量涌現(xiàn)使火場(chǎng)救援更加困難，對(duì)建筑內(nèi)現(xiàn)有的消防設(shè)施的可靠性進(jìn)行加強(qiáng)就更加重要。由于電機(jī)的啟動(dòng)方式多種多樣，相對(duì)其他設(shè)施而言帶有電機(jī)的啟動(dòng)尤為特殊，目前建筑消防設(shè)施中使用電機(jī)的設(shè)備主要有消防泵和消防風(fēng)機(jī)，而消防泵和消防風(fēng)機(jī)是建筑消防設(shè)施的重要組成部分，其電機(jī)能否正常啟動(dòng)決定著建筑火災(zāi)能否及時(shí)得到控制，因此對(duì)其電機(jī)的啟動(dòng)方式進(jìn)行研究尤為重要。

2 ? 電機(jī)的常用啟動(dòng)方式

2.1 ?直接全壓?jiǎn)?dòng)

三相異步電動(dòng)機(jī)直接全壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)電流倍數(shù)為kI=Ist/IN=4～7，啟動(dòng)時(shí)n=0，s=1，其中n為轉(zhuǎn)速，s為轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)增大，所以轉(zhuǎn)子電流也會(huì)增大，根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系，定子電流也必然增大，所以啟動(dòng)電流很大，同時(shí)也增大了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于啟動(dòng)電流很大，對(duì)電動(dòng)機(jī)本身和電網(wǎng)都有很大影響。因此當(dāng)滿足下列經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，電動(dòng)機(jī)便可以采用直接全壓?jiǎn)?dòng)：

直接全壓?jiǎn)?dòng)的特點(diǎn)如下：

（1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，只能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍;

（2）啟動(dòng)電流較大，為額定電流的5-8倍，會(huì)產(chǎn)生非常大的涌浪沖擊;

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)須其他輔助設(shè)備，可靠性高，成本低。

2.2 ?星-三角降壓?jiǎn)?dòng)

星形-三角形降壓?jiǎn)?dòng)是一種降壓?jiǎn)?dòng)方式，適用于定子繞組為三角形聯(lián)結(jié)的電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過星形聯(lián)結(jié)將每個(gè)繞組上的電壓降至額定電壓的，實(shí)現(xiàn)降壓?jiǎn)?dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，切換到三角形聯(lián)結(jié)方式上，使電動(dòng)機(jī)在全壓模式下進(jìn)行工作。由轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比得，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為直接啟動(dòng)時(shí)的1/3。這種方式造價(jià)相對(duì)低廉，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。星-三角啟動(dòng)的特點(diǎn)如下：

（1）可以有效限制啟動(dòng)電流，通常啟動(dòng)電流僅為額定電流的2倍;

（2）星型聯(lián)結(jié)和三角聯(lián)結(jié)切換的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，以及弧光造成短路，易損害設(shè)備;

（3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為額定轉(zhuǎn)矩的1/3倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，多用于空載或輕載啟動(dòng);

（4）啟動(dòng)操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單。

2.3 ?自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)

自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，利用自耦變壓器電路將電壓降低后再加載到電動(dòng)機(jī)定子繞組上，以達(dá)到減小啟動(dòng)電流的目的。

自耦變壓器啟動(dòng)特點(diǎn)為：

（1）啟動(dòng)電流比較小，一般為額定電流的2-4倍;

（2）適用于容量較大的低壓電機(jī)中，可以獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;

（3）設(shè)備笨重復(fù)雜，維護(hù)困難;

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)有級(jí)調(diào)速;

2.4 ?軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)是一種利用電力電子技術(shù)，采取小電流控制大電流的方式，相對(duì)于直接啟動(dòng)方式和降壓?jiǎn)?dòng)方式，軟啟動(dòng)具有明顯優(yōu)勢(shì)：操作方便、可反饋閉環(huán)控制、平滑性好。軟啟動(dòng)采用六組晶閘管構(gòu)成三相無(wú)中線交流電路進(jìn)行調(diào)壓。通過微控制器，根據(jù)移相控制原理，改變晶閘管導(dǎo)通角導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制電流相位角，從而起到增大電壓減少電流的效果，進(jìn)而獲得良好的啟動(dòng)性能。其最主要的特點(diǎn)如下：

（1）沖擊電流較小。軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)啟動(dòng)電流從零線性上升至設(shè)定值，啟動(dòng)過程平穩(wěn)。

（2）軟啟動(dòng)器帶有閉環(huán)電流控制環(huán)節(jié)，電流平穩(wěn)、電壓上升斜率和啟動(dòng)時(shí)間均可調(diào)。

（3）可根據(jù)負(fù)載大小，無(wú)極調(diào)控啟動(dòng)電流。

2.5 ?變頻器啟動(dòng)

變頻啟動(dòng)的工作原理是將電源通過整流電路變?yōu)橹绷鳎M(jìn)行濾波變頻后再通過逆變電路將電流轉(zhuǎn)化為交流。通過改變初始電源頻率，從而讓異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升。一般變頻器都采用PWM（脈寬調(diào)制技術(shù)），利用晶閘管變流技術(shù)，達(dá)到改變電源頻率效果，其主要特點(diǎn)如下：

（1）使用變頻器能通過改變頻率可快速調(diào)整電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn);

（2）變頻器本身具有過流、過壓、欠壓、過載等保護(hù)電流，電動(dòng)機(jī)無(wú)須再安裝保護(hù)開關(guān)等設(shè)備，減小了成本;

（3）可進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行平穩(wěn);

（4）克服了直接啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)無(wú)法無(wú)極變速的缺點(diǎn)。

3 ? 消防泵和消防風(fēng)機(jī)的電機(jī)啟動(dòng)方式

3.1 ?全壓?jiǎn)?dòng)適用性分析

3.1.1 ?規(guī)范要求

消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（GB50974-2014）規(guī)定，消防水泵控制柜應(yīng)設(shè)置機(jī)械應(yīng)急啟泵功能，并應(yīng)保證在控制柜內(nèi)的控制線路發(fā)生故障時(shí)，能手動(dòng)啟動(dòng)消防水泵。其條文解釋為：若因繼電器故障，而無(wú)法采用電信號(hào)自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)消防泵及風(fēng)機(jī)時(shí)則需要機(jī)械裝置進(jìn)行應(yīng)急啟動(dòng)。在緊急情況下，扳動(dòng)機(jī)械式應(yīng)急啟動(dòng)手柄，強(qiáng)行閉合主回路接觸器，進(jìn)行全壓?jiǎn)?dòng)。

消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（GB50974-2014）規(guī)定在任何狀態(tài)下，消防控制中心應(yīng)能直接手動(dòng)啟動(dòng)和停止各風(fēng)機(jī)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)模塊能直接自動(dòng)啟動(dòng)和停止各風(fēng)機(jī)。

雖然直接全壓?jiǎn)?dòng)存在著許多不足之處，但因?yàn)檫@種啟動(dòng)方式結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，因此它可靠性是最高的，這在消防中是非常重要的，可靠、穩(wěn)定高于一切。因此直接全壓?jiǎn)?dòng)在建筑消防設(shè)施中電機(jī)的啟動(dòng)具有廣泛的應(yīng)用。

3.1.2 ?在消防中使用注意事項(xiàng)

（1）為了保證消防泵和消防風(fēng)機(jī)的直接全壓?jiǎn)?dòng)，以及緊急啟動(dòng)時(shí)依靠機(jī)械方式啟動(dòng)，所有電氣設(shè)備均需按照電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)要求進(jìn)行設(shè)計(jì);

（2）在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于為消防泵和消防風(fēng)機(jī)等消防設(shè)備提供備用電源的柴油發(fā)電機(jī)組的容量選擇時(shí)，應(yīng)按照經(jīng)驗(yàn)公式，選用柴油發(fā)電機(jī)組的容量。以確保火災(zāi)發(fā)生時(shí)主電路被切斷，柴油備用電機(jī)依然可以為消防泵和風(fēng)機(jī)提供全壓直接啟動(dòng)的條件。

3.2 ?星-三角降壓?jiǎn)?dòng)適用性分析

3.2.1 ?在消防中使用注意事項(xiàng)

消防泵、噴淋泵、正壓送風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式均應(yīng)優(yōu)先選用直接全壓?jiǎn)?dòng)方式，但是當(dāng)消防泵和消防風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，線路在啟動(dòng)的一刻啟動(dòng)電流較大，若都使用直接全壓?jiǎn)?dòng)可能會(huì)導(dǎo)致配電母線電壓低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的85%，這時(shí)就應(yīng)該考慮其他啟動(dòng)方式。采用星-三角降壓?jiǎn)?dòng)的方式是解決電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)配電母線電壓降較大問題的良好途徑。

3.3 ?自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)適用性分析

3.3.1 ?在消防中使用注意事項(xiàng)

自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，電路不能頻繁操作。若啟動(dòng)失敗則會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流。為了避免電流過大造成自耦變壓器的絕緣性能被破壞，需要等待4min后才可以二次啟動(dòng)，若二次啟動(dòng)仍然不成功則需要停電4h以后才能進(jìn)行啟動(dòng)工作。消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（GB50974-2014）規(guī)定消防泵在報(bào)警后5min內(nèi)應(yīng)正常啟動(dòng)。所以電機(jī)的啟動(dòng)速度應(yīng)快、可靠，一次啟動(dòng)失敗后應(yīng)能快速進(jìn)行再次啟動(dòng)。由于自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)方式連續(xù)啟動(dòng)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，因此在消防中一般不建議采用。

3.4 ?軟啟動(dòng)適用性分析

目前規(guī)范中雖然未對(duì)軟啟動(dòng)這種電機(jī)啟動(dòng)方式進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定，但無(wú)論是消防風(fēng)機(jī)還是消防泵均使用于危急時(shí)刻，最重要的作用是滅火救援，電機(jī)保護(hù)則為次要，所以其對(duì)啟動(dòng)時(shí)間要求較為苛刻，而軟啟動(dòng)前要進(jìn)行一系列的過壓、欠壓、過流等保護(hù)的檢查工作，用時(shí)較長(zhǎng)因此當(dāng)采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)不適合建筑消防設(shè)施中的電機(jī)。

3.5 ?變頻器啟動(dòng)適用性分析

《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50116-2013）規(guī)定“水泵控制柜、風(fēng)機(jī)控制柜等消防電氣控制裝置不應(yīng)采用變頻啟動(dòng)方式”。因此在目前建筑中的消防設(shè)施中電機(jī)是不能采用變頻器啟動(dòng)的方式進(jìn)行啟動(dòng)的。

4 ? 總結(jié)

直接全壓?jiǎn)?dòng)是最可靠的啟動(dòng)方式，規(guī)范要求在消防電機(jī)的啟動(dòng)中必須采用直接全壓?jiǎn)?dòng)方式作為消防泵和消防風(fēng)機(jī)電機(jī)的直接或備用啟動(dòng)方式;星-三角啟動(dòng)方式可以降低啟動(dòng)電流，降低電網(wǎng)的壓力，成為直接全壓?jiǎn)?dòng)的有效替換啟動(dòng)方式;自耦變壓器啟動(dòng)因啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，適合空載啟動(dòng)，對(duì)于消防泵須帶水進(jìn)入消防網(wǎng)這種有負(fù)載的電機(jī)，會(huì)延長(zhǎng)其啟動(dòng)時(shí)間;軟啟動(dòng)前的系列檢查工作，也會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，自耦啟動(dòng)和軟啟動(dòng)都不利于消防救援;變頻器啟動(dòng)按規(guī)范要求不允許使用。因此對(duì)于消防泵和消防風(fēng)機(jī)這類在應(yīng)急救援時(shí)使用的電機(jī)，最理想的啟動(dòng)方式就是全壓?jiǎn)?dòng)和星型-三角型啟動(dòng)。

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基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51504219）;

鄭州輕工業(yè)學(xué)院校科研基金（2015XJJY001）。