淺析電排站電動機啟動方式

鐘干松

摘要：電排站工程設計建造階段，需根據實際需要，考慮如何對電動機啟動和保護進行優化，這對于泵站長期穩定運行至關重要。本文結合自身多年工作經驗，從水泵的啟動特點出發，淺析了電排站常用的鼠籠式異步電動機全壓及降壓各種啟動方式，從基本作用原理角度，對各種啟動方式的優缺點進行分析對比，希望能夠對行業內相關單位提供可行的技術參考意見。

Abstract： During the design and construction phase of the electric power station， it is necessary to consider how to optimize the starting and protection of the motor according to actual needs， which is essential for the long-term stable operation of the pumping station. Based on the authors experience of many years of work， this paper analyzes the starting characteristics of the pump and the various starting methods of the squirrel-cage asynchronous motor commonly used in the electric rowing station. From the perspective of the basic function principle， the advantages and disadvantages of various startup methods are analyzed and compared， and it is hoped that it can provide feasible technical reference opinions for relevant units in the industry.

關鍵詞：電排站;電動機;啟動方式

Key words： electric row station;electric motor;starting method

中圖分類號：TV675 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0167-03

0 ?引言

通常電排站與水泵負載相連的電機，全年的工作情況來看，只有在排澇時段是持續作業的，無需進行頻繁操作，所以設計選用的電動機只需考慮額定功率超過水泵負載功率就能實現正常工作。根據實際情況，常用小型電排站多數會結合價格、設備構造、維護保養等綜合因素，選擇三相交流鼠籠型異步電動機，電壓、功率，轉速與水泵相配套。還有一種繞線型電動機，轉矩更大，但同等功率下，其價格比鼠籠型高很多。多數情況下水泵負載選用低壓鼠籠型電動機就能滿足要求。但是遇到降壓啟動難以啟動轉矩要求時，就要選擇繞線式電動機來替代。傳統的三相鼠籠式異步電動機啟動方案是比較成熟的，不過隨著科技不斷進步，一些新的電機啟動控制方式逐漸發展起來，所以要做好各項啟動方式的充分對比，實現優中選優。

1 ?水泵的啟動特點

1.1 水泵機組的啟動特性

通常離心水泵出口壓力等于其揚程和流量相乘，而且跟水泵轉輪的轉速呈現正比例關系。所以，電機啟動的剎那，轉輪是零轉速，其負載帶動的水泵出口壓力也是零。當轉輪轉速持續增加時，水泵出口壓力也就跟著線性增大。從根本情況分析，實際運轉過程中的水泵與軸承之間也或多或少有一定的摩擦阻力，因此，要想水泵順利啟動就必須讓啟動力矩超過水泵自身的靜阻力矩，同時要解決轉動慣量問題，這樣就能讓水泵快速提升轉速，短時間內維持在額定轉速工況下工作。水泵所承受的摩擦力和推力鏡板、軸承直徑、面積以及潤滑條件密切相關。計算數據表明，整個泵組由摩擦阻力形成的力矩約為水泵額定力矩的20%左右。可以用公式表達關系：Mc=fGR

Mc代表摩擦力矩;f是摩擦系數;G是電動機轉動部分重量、水泵轉動部分重量以及水的推力之和;R為鏡板的平均半徑。

1.2 異步電動機的啟動特性

異步電動機的啟動特性主要有兩點：一是必須能夠提供設計要求的啟動轉矩，保證電動機啟動轉矩超過阻力和負載的轉矩之和，不然的話將難以正常啟動;二是達到正常啟動的條件后，啟動電流盡量減小，因為瞬間電流過大的化會給電網和電動機本身造成巨大沖擊，容易引發安全事故。排水站機組設計方案中，電動機的轉速足夠大才能夠帶動水泵和并且保持持續運轉。

2 ?電動機的啟動方式分析

傳統的三相鼠籠式異步電動機主要是全壓啟動和降壓啟動兩種啟動方式，隨著科技不斷進步，軟啟動和變頻啟動方式也逐漸普及開來。

①電動機啟動過程，兩端電壓穩定在一定范圍，實現有效的啟動轉矩帶動負載，同時保證對配電系統電壓的沖擊不能影響用電設備正常運行。

②通常條件下，電動機工作場合要求實現頻繁啟動，必須確保其兩端電壓不小于額定電壓90%;電動機工作場合不要求實現電動機頻繁啟動，必須確保其兩端電壓不小于額定電壓85%。

2.1 全壓啟動方式分析

通常說的全壓啟動其連接方式較簡單，就是把電動機定子繞組接線柱直接與額定電壓連接啟動，所以又被稱作直接啟動。該啟動方式所需啟動電流非常大，測量數據表明，鼠籠式異步電動機啟動電流通常是其自身4～7倍的額定電流大小，啟動轉矩介于額定轉矩1.2～2.0倍范圍內。該啟動方式啟動轉矩大、所需時間短、啟動設備簡單、操作簡單、容易保養、投入少和故障率很少等一系列優點。

不足之處，需注意如果在頻繁啟動的工作場景運用該啟動方式，由于電流過大發熱嚴重，會損壞電動機繞組，引發火災。轉矩變化過快也容易損傷電動機軸承和減速齒輪，長期運行將導致機械性能不斷降低。如果連接的是泵類負載，其連接皮帶一段時間后會嚴重磨損無法使用，而且泵管道內水壓快速增大，容易導致管路產生裂紋。利用全壓啟動方式時，如果是大功率電動機的前提下，直接導致整個電網電源驟然快速降低，很可能會觸發其他網內設備低電壓保護裝置，以至于發生跳閘現象，還有可能導致其它電機負載轉矩不足而停止運行。為了克服大功率電機的沖擊，電網電源需要增大配電變壓器的裝載容量。不過，一些中小型泵站運行中，電動機全壓啟動允許最大容量一般是變壓器容量30%以內才可以實現。不過這樣會導致整個電排站工程成本投入加大，也會使變壓器運行中銅損和鐵損加劇，進而消耗更多電能源和電費。

2.2 降壓啟動方式分析

2.2.1 星-三角降壓啟動方式

按照測量數據所示，利用星-三角型降壓啟動方式，電動機所需的啟動電壓是正常工作時額定電壓的0.58倍，啟動電流只有三角形連接方式啟動電流的0.33倍，啟動轉矩也只有三角形連接方式的0.33倍。該啟動方式多數是用在定子繞組額定電壓380V，正常運行時三角形連接，同時啟動到穩定運行階段負載轉矩必須維持較低數值的中小型容量電動機啟動。星-三角型降壓啟動設備價格便宜，操作簡單，維護難度小。整個啟動過程中，電流和轉矩都偏小，頻繁啟動也不會造成影響。所以通常小型泵站會選用這種啟動方式，經濟高效且穩定。

2.2.2 延邊三角形降壓啟動方式

這種啟動方式是在星-三角型降壓啟動方式的基礎上進行升級改進的一種實施方案。啟動電動機之前，定子繞組一邊采用三角形連接方式，一邊采用星型連接方式。完成電機啟動后，再繞組全部改回三角形連接方式，電動機保持額定轉速工作。該啟動方式的啟動電壓、啟動電流和啟動轉矩隨著變化的抽頭比例而發生調整。該啟動方式同時兼顧自耦變壓器降壓和星-三角型兩種模式的優點。其實施過程中的電機啟動電流較小，但是轉矩卻較大，即使頻繁啟動也不會造成不利影響。這種啟動方式多用在繞組額定電壓380V，具有9個出線頭的電動機。

2.2.3 電阻降壓啟動方式

運用這種啟動方式，要在三相定子回路中串連對稱三相電阻，對啟動電動機形成分壓分流作用。等到電動機啟動運轉穩定，再短接各項電阻，實現電機額定電壓工作工況。采取該方式時，電機啟動電流偏大，但輸出轉矩偏小。啟動過程會損耗較多能源，頻繁啟動的話，電阻溫度不斷上升，會對周圍的精密設備造成干擾。而且從節能角度來看，不建議采用這種方式。

2.2.4 自耦變壓器降壓啟動方式

該方式又叫補償器啟動。啟動電機前，要先把高壓側電線接到電網，低壓側接到電動機，啟動電流和啟動轉矩利用抽頭位置實現可調。自耦變壓器均有65%和80%額定電壓的兩組抽頭，選擇不同組別啟動電流和啟動轉矩分別為其額定數量的43.2%和64%。該啟動方式下啟動電流偏小，輸出轉矩較大。但是自耦降壓器一套裝置體積大、投入成本高，多用在高壓、低壓電動機不頻繁啟動工況。

2.2.5 電抗器降壓啟動方式

使用該啟動方式時，要把電抗器接入定子回路，當電動機運轉速度接近額定轉速時，把電抗器斷開。該方式的啟動電流隨電壓成正比降低，啟動轉矩與所加電壓的平方成正比例關系。啟動電流偏大，輸出轉矩較小。一般常用于輕載啟動的高壓電動機。

2.3 軟啟動方式

軟啟動方式從其根本屬性來看，是屬于降壓啟動的特殊類型。實驗數據表面，軟啟動器在對電動機進行啟動時，其呈現出性能曲線平滑，可調啟動電流較小，等待時間較少。倘若泵站電動機數量大，借助1臺軟啟動器能夠控制多臺電動機啟動，成本低，經濟性好。另外能夠實現電動機啟動全過程自動切換，主要適用于大功率電動機日常工作使用。軟啟動器的輸出電壓都是呈現規律增加的狀態，帶動的負載電壓由也會隨之持續增加到額定電壓，轉速變化過程相對于較平穩，從零開始一直逐步達到穩定的額定轉速。軟啟動器多數都是用于控制大功率電機，根據實際應用情況來看，電動機功率只要不超過1200kW都是可以實現自由控制的。

3 ?各種啟動方式的對比分析

3.1 從對電網電源電壓沖擊情況對比

全壓啟動方式，多數會直接導致整個電網電源驟然快速降低，很可能會觸發其他網內設備低電壓保護裝置，以至于發生跳閘現象，還有可能導致其它電機負載轉矩不足而停止運行。

星-三角降壓啟動時的短暫時間內會出現極大的電流高峰，這一瞬間的電流產生的動態轉矩是有害的，會對電動機轉子、軸聯接器、減速齒輪和負載水泵產生損害。

星-三角和自耦變壓器這兩種降壓啟動，能夠實現明顯降低電動機啟動時對電網產生的有害沖擊，也能讓電動機順利安全啟動運行，不過電動機難以實現平順線性啟動和停車，還存在一定的不足。

軟啟動器的操作方式，能夠讓電壓穩步提高，電動機的轉速也穩定增加直至達到額定工作工況。整個啟動過程能實現電動機平滑順暢運行，還能對啟動過程限流值、啟動時間動態調整。這種方式能有效減少沖擊電網電源影響。能夠順利操控各類大功率電動機啟動和工作，時目前最好的降壓啟動方案。

3.2 根據負載情況對比

如果站用變壓器的負載率不超過30%，全壓啟動方式較好;當變壓器的負載率介于30%-58%范圍，多建議采取星-三角啟動或軟啟動;變壓器負載率超過58%時，一般采取自耦變壓器降壓啟動。

3.3 根據投入成本對比

星-三角啟動器單價為60元/kW，但是日常工作很容易出現故障，后期維護費用較大。自耦降壓啟動器80元/kW，但是其結構較大，布置占用更多空間，不過故障率相對前者要少一些，而且維護成本也降低不少;軟啟動器價格介于100～200元/kW，但是很少出現故障，因此后期的維護保養成本最少。

4 ?結束語

總而言之，在設計選擇電排泵站電動機啟動方式時，要綜合泵站設計基本性能參數要求和工程總投資等情況來分析。科學化地選用并實施泵站電動機啟動方案，對控制電排站工程成本投入、延長設備使用壽命有極大的幫助，還能借助節能降耗來實現可持續性發展。

參考文獻：

[1]劉健.陽江市四圍聯圍滘仔電排站設計方案優選[J].價值工程，2011，30（07）：47.

[2]閆曉燕.淺析電動機效率低下的成因及應對措施[J].內燃機與配件，2018（05）：145-146.

[3]李海，魏昶宇，楊愛璜.基于電流特征信號的感應電動機故障診斷方法概述[J].價值工程，2018，37（26）：159-161.