基于ABB 軟起動器在水泵供水系統中的研究與應用

吳海廉

廣西中醫藥大學制藥廠 廣西南寧 530023

交流異步電動機以其優良的性能及無需維護的特點，在各行業中得到廣泛應用[1]。由于電動機起動時產生Ie 的5～8 倍的啟動電流，形成較大的沖擊電流和起動應力，大大地降低了負載設備的使用壽命。在供水系統中，交流異步電動機是應用最廣泛的電氣設備之一。

1 概述

廣西中醫藥大學制藥廠生產用水是把市政供水管道引到低位水池，然后通過離心泵的作用把低位水池的水抽到高位水池。該水泵采用的是直接起動，也稱全壓起動，即起動設施通過接觸器將電機直接接到電網上。該起動方式的優點是設備簡單、起動速度快，但其危害也很大：電網受到沖擊和起動電流都較大，加快絕緣老化，影響電機使用壽命；嚴重的機械沖擊及過大的沖擊力矩加速了聯軸節等的損壞；停止過程中的流體壓力突變產生水錘效應，泵系統管道、閥門將受到損傷，使用壽命會縮短，正常的過程控制也會受到影響。由于供水系統需要經常維修，以及存在缺點與不足。為確保供水系統能夠安全使用，經商討，認為應當從起動方式和停止方式這兩個方面入手進行改進。然而在市場上比較流行用來改變交流異步電動機的起動和停止方式是變頻器或者軟起動器。變頻器通過改變輸出電壓和頻率實現改變異步電動機啟動方式與停止方式，廣泛應用于需要調速的場合；軟起動器實質上是個電壓調整器，在異步電動機起動時只對輸出電壓有改變但對頻率并沒有改變。雖然變頻器集合了軟起動器所具備的功能，但是其價格相對較昂貴、結構也比較復雜。而且因僅用于離心泵供水，無需改變頻率。基于此，決定采用ABB PSTX 系列軟起動器。

2 軟起動器

2.1 工作原理

軟起動器是一種將電動機軟起動、軟停車、輕載節能及多種保護功能融匯于一體的新式電機控制裝備，國外稱為Softstarters。它是由六個晶閘管組成，采用三相反并聯的結構作為電壓調節器，將其串接于電網與電動機定子之間，通過控制晶閘管觸發角的大小，便可控制晶閘管調壓電路輸出電壓的大小。這種電路實質上就是三相全控橋式整流電路，主電路圖見圖1[2]。電動機用軟起動器起動時，晶閘管的導通角逐步增大，輸出電壓逐步升高，電動機轉速逐步加速；晶閘管導通角完全導通時，電動機便工作在額定電壓的機械特性上，完成平穩起動，可減少起動電流，防止起動過流而跳閘；電動機工作在額定轉速時，此時起動過程完成，旁路接觸器自動吸合替代晶閘管的工作。可減少晶閘管通電工作時的熱損耗，延長使用時間，提升工作能力，避免諧波污染對電網造成的不良影響。軟起動器同時還提供軟停車功能。軟停車與軟起動過程相反，即晶閘管在從接收到停止指令時，晶閘管導通角根據設定時間逐漸減小，直到設定時間為零時完全關閉。軟起動器可減少電機啟動過程中對電網的沖擊，減少對機械的磨損，可調啟動電流和啟動轉矩，并且可對電機實現軟停止，從而更好的保護電機和負載，是傳統星三角、自耦降壓啟動器的最佳換代產品[3]。

圖1 三相全控橋式整流電路的主電路圖

2.2 主要作用及保護功能

軟起動器主要應用于異步電動機的起動過程，通過降低起動電壓和電流使電動機平穩可靠起動，避免因電網波動而影響同一電網其他用電設備的正常運行。防止因干擾引發繼電保護誤動作，從而降低起動時對設備的沖擊力，減少對設備的損害，延長設備的使用壽命。

軟起動器具有完善的保護功能，能夠確保軟起動器和異步電動機在安全的情況下使用，具體具有以下保護功能：EOL 電子式過載保護；子堵轉保護；相保護；流電壓不平衡保護；過壓或欠壓保護；接地故障保護；電壓輸出保護；外部溫度傳感器PT100、PTC 保護；功率因數欠載保護；電流欠載保護；過長電流限制保護；旁路開路保護；現場總線故障保護；擴張IO 故障保護；HMI 故障保護。

除了擁有上述保護功能之外，軟起動器還具有完善的故障檢測功能，比如缺相、高電流、低控制電源電壓、電網、晶閘管過載、短路、并聯、散熱片過熱、晶閘管開路等故障，大大減少了故障查找與檢修時間。

2.3 軟起動器的起停方式

軟起動器主要用電壓斜坡和力矩斜坡兩種啟停方式，如圖2 和圖3 所示。

圖2 電壓起動與停止斜坡

圖3 轉矩起動與停止斜坡

（1）電壓起動斜坡：向軟起動器發出起動信號時，軟起動器會快把初始電壓水平的電壓快速提升到所設置的起始起動電壓；隨后會對起動斜坡期間的輸出電壓進行控制；當輸出電壓達到標稱電壓時，軟起動器會關閉旁路。

（2）電壓停止斜坡：向軟起動器發出停止信號時，軟起動器會在快速停止斜坡期間輸出給電動機的電壓從全壓降到所設置的初始降壓水平。當達到初始降壓水平時，軟起動器會在預設的停止降壓時間內將輸出電壓控制在終止電壓水平并停止向電動機輸出電壓。

（3）力矩起動斜坡：向軟起動器發出起動信號時，軟起動器會向所設置的啟動斜坡初始水平快速升壓；隨后會控制輸出電壓，以使輸出轉矩在預設的時間內遵循預定義的最佳轉矩曲線以達到100%的標稱轉矩；當輸出電壓達到100%標稱電壓（全壓）時，軟起動器會關閉旁路。

（4）力矩停止斜坡：向軟起動器發出轉矩停止斜坡時，軟起動器會對輸出到電動機的電壓進行控制，以使力矩在停止期間按照計劃好的最佳曲線從初始降壓水平降到終止電壓。

3 軟起動器在供水泵中的應用

由于軟起動器在電機控制系統中對電機的起動、運行狀態、停止均能有效控制，并且在電機不需要調速的情況下，相對于變頻器，軟起動器既經濟又實用。因此，近年軟起動器在電機控制系統中的應用較為廣泛，主要用于控制泵類和風機類負載。

3.1 起動方式的選擇

由圖2 和圖3 可知，電壓起動斜坡時間是指從起始電壓（即設定電壓）提升到標稱電壓所花費的時間；轉矩起動斜坡時間是指發出起動信號（起始電壓為0）到達到標稱轉矩（即標稱電壓，也叫全壓）所需的時間。在實際應用中，軟起動器達到全壓狀態所花費的實際時間還取決于電流，這就意味著達到全壓所花費的時間可能會超過所設置的電壓斜坡時間。基于此，根據泵的啟動狀態和負載特性，選擇電壓起動斜坡模式。

3.2 停止方式的選擇

由圖2 和圖3 可知，電壓停止斜坡停止降壓時間為初始降壓電壓水平到終止電壓的時間段。其終止電壓由于液體依然存在慣性，在止回閥的作用下對管道還存在一定的影響；轉矩停止斜坡降壓電壓從接到停止指令后，輸出電壓就以波浪形式降壓，直到輸出電壓為零，對管道有較好的保護。基于此，選擇轉矩停止模式。

3.3 主要參數的設置

（1）啟動參數的設置：由于電壓起動斜坡模式相對比較單一，不具備電流閉環控制功能。只要調整晶閘管導通角與時間形成一定因變量關系增加，在電動機實際起動過程中，為避免起動電流損壞晶閘管，以及對電網的影響，初始起動電壓與起動升壓時間應視使用設備起停狀況盡量放寬。

（2）停止參數的設置：由于轉矩停止斜坡屬于軟停車功能，即晶閘管在接收到停止指令時，晶閘管導通角根據設定時間逐漸減小，直到設定時間為零時完全關閉的過程。這個過程可以根據樓層的高度及管道的長度，對停止終止電壓與停止降壓時間做出相應的設置。

4 實際效果

通過PSTX 軟起動器在水泵供水系統的實際使用，表明該軟起動器具有非常高的可靠性，以及完善的保護功能，能滿足水泵供水系統的要求。主要體現在以下幾個方面：

（1）軟啟動器投入使用后，起動電流明顯降低，同電網內其他用電設備受到的影響程度也明顯減少；

（2）采用電壓起動斜坡，既保證水泵起動特性又實現平穩起動，不但對水泵及管件無沖擊，而且供電可靠性和供水可靠性均得到提高；

（3）采用轉矩停止斜坡，降低對機械的沖擊，扼制水錘效應，延長水泵及其相關設備的使用壽命；

（4）多種起停模式及保護功能融于一體，傳統起動設備的諸多弊端得到了根本性的解決，從而有效防止事故的發生。

5 結語

軟起動器作為多種起停模式及保護功能融于一體的電動機啟動裝置，大大地改善了原來交流異步電動機直接起動對電網造成的沖擊，以及對傳動機械帶來的損害，有效延長了傳動機械的壽命，降低和扼制了供水系統中的“水錘”效應，是當前水泵交流異步電動機起動的首選產品。