李立強-雨水泵站軟啟動器改造應(yīng)用

1、技師專業(yè)論文雨水泵站使用軟啟動器改造應(yīng)用工種：維修電工姓 名： 李立強身份證號：級 別： 技師準(zhǔn)考證號：工作單位： 北京排水集團培訓(xùn)單位：北京工業(yè)技師學(xué)院日 期： 2017年 4月 目錄引言-3關(guān)鍵詞-3一、軟啟動器的功能與構(gòu)造特點-4二、對原控制柜的改造-11三、調(diào)試-16四、故障排除-17結(jié)論-17參考文獻-18雨水泵站使用軟啟動器改造應(yīng)用引言：豐臺區(qū)梅市口園博園雨水泵站負(fù)責(zé)在降雨時抽升橋下積水。該泵站配備有4臺75KW的干式水泵，因為75KW電機的起動電流較大，在投入運行兩年多的時間里，控制柜里空氣斷路器接線端塑料外殼出現(xiàn)明顯過熱發(fā)黃痕跡。而且在抽升開啟瞬時及停止抽升時，水頭和水錘對泵體

2、有較大的沖擊，容易造成機械設(shè)備的損壞，有的連軸器使用不到一年時間就被打壞了，而且啟動的噪聲也比較大，四臺電機都經(jīng)常出現(xiàn)過熱故障。為了保證泵站的正常運行，排水集團公司決定用軟啟動器對四臺干式泵進行電控系統(tǒng)改造。關(guān)鍵詞：軟啟動器 雨水泵站的內(nèi)部 實際的雨水排污泵一、軟起動器的功能與構(gòu)造特點1、軟啟動器的功能軟起動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的電機控制裝置，籠型異步電動機在不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場合都可適用。 軟起動器對一般機械設(shè)備應(yīng)用時，還存在當(dāng)啟動轉(zhuǎn)矩過大時，啟動困難的情況。但是對各種流體負(fù)載，如泵類負(fù)載或風(fēng)機類負(fù)載，使用軟起動與軟停車則特別適用。因為對于流體變負(fù)載工

3、況下的電機，是經(jīng)常處于輕載運行的工況，只有短時或瞬間處于重載場合，應(yīng)用軟起動器持續(xù)運轉(zhuǎn)（不帶旁路接觸器）的情況下，還具有輕載節(jié)能的效果。在控制柜中實際使用的軟起動器 在系統(tǒng)運行中紀(jì)錄軟起動器的工作參數(shù)2、軟啟動器的結(jié)構(gòu)及工作原理軟啟動器在三相電源與電機間串入三相并聯(lián)晶閘管，利用晶閘管移相控制原理，改變晶閘管的相位觸發(fā)角，啟動時電機端電壓隨晶閘管的導(dǎo)通角從零逐漸上升，就可調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，電機轉(zhuǎn)速亦逐漸增大，直至達到滿足啟動轉(zhuǎn)矩的要求而結(jié)束啟動過程。 軟起動器的主回路軟起動器的輸出是一個平滑的連續(xù)升壓過程，且在其內(nèi)部集成了完善的限流保護功能，當(dāng)晶閘管全導(dǎo)通時，電機就可以在額定電壓下長

4、時間穩(wěn)定工作了。而且使用軟起動器啟動水泵，可以有效的消除水泵在啟動時的水錘效應(yīng)。由水泵特性可知： 即流量與轉(zhuǎn)速成正比。式中N=轉(zhuǎn)速，Q=流量由式子可以看出泵的轉(zhuǎn)速和流量成正比，異步電動機在直接啟動過程中會產(chǎn)生較大的加速轉(zhuǎn)矩，可導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速提高，在極短時間內(nèi)流量也會發(fā)生巨大變化，對管道及閥門產(chǎn)生巨大沖擊，而管道內(nèi)部的液體在受壓狀態(tài)近似剛體，會產(chǎn)生猛烈的沖擊，稱為水錘效應(yīng)。當(dāng)水泵停止時，如果電動機自由停車，供水系統(tǒng)的水頭的重力將克服電動機的慣性使水泵急劇停止，也會引起壓力沖擊和水錘。由以上分析可知管道內(nèi)產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是起停過程中電動機起動/停止太快，因此可以適當(dāng)延長電動機起動/停止時間來抑

5、制和緩解。利用電動機軟起動器可以控制施加于電機定子上的端電壓，由此也可以控制電動機電磁轉(zhuǎn)矩。軟起動不同的控制方式對水錘效應(yīng)都有良好的抑制作用。下面以電壓斜坡起動方式和轉(zhuǎn)矩控制方式為例來說明其對抑制水錘效應(yīng)的作用。從下圖中可以看出，電壓斜坡控制在起動時加速轉(zhuǎn)矩比直接起動時已經(jīng)大幅度降低，使用了轉(zhuǎn)矩控制后，電動機轉(zhuǎn)矩和泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩相差一個近似恒定且數(shù)值不大的一個值，起動過程產(chǎn)生的加速轉(zhuǎn)矩更是大大的降低。由上圖可以看出，電壓斜坡起動方式下流量曲線比直接起動時平緩，轉(zhuǎn)矩控制起動下流量曲線最為柔和，呈現(xiàn)出一個S型，流量是一個平緩上升的過程，沒有瞬間突變的效果很明顯。所以，對水泵類電機使用軟起動器可以有效的

6、抑制水錘效應(yīng)。當(dāng)軟啟動器已經(jīng)完成啟動過程，全壓驅(qū)動電機時，軟起動器可以利用自身的一個控制觸點使旁路接觸器接通，此時電機在直接使用工頻電源下進入持續(xù)穩(wěn)定的運行。工頻電源直接運行的好處，是可以避免軟起動器在長時間運行中對電網(wǎng)形成諧波污染，亦能夠有效的延長軟起動器的壽命。而且軟起動器在完成了啟動過程，輔助觸點控制旁路接觸器接通時，接線和控制都非常簡單，不存在電源相位可能錯誤的問題，這一點上是優(yōu)于使用變頻器的旁路系統(tǒng)。在停車階段，先切斷旁路接觸器，然后由軟啟動器內(nèi)晶閘管導(dǎo)通角由大逐漸減小，使三相供電電壓逐漸減小，電機轉(zhuǎn)速也由大逐漸減小到零，實現(xiàn)軟停車，且與啟動階段一樣沒有水錘效應(yīng)。3、晶閘管在電機軟起

7、動器中的應(yīng)用晶閘管是電機軟起動器中最關(guān)鍵的功率器件，軟起動器整機裝置是否能夠可靠的工作，與正確理解和選擇晶閘管的額定電流、電壓等參數(shù)有很大關(guān)系。對軟起動器選型的原則應(yīng)該首先考慮工作可靠性，即必須有足夠的電流、電壓的余量倍數(shù)；其次才考慮經(jīng)濟性即性價比；最后是考慮安裝美觀，體積盡量小等指標(biāo)。平常的低壓電機的線電壓為380V，所使用的晶閘管正反向重復(fù)額定電壓VDRM、VRSM為1200V即足夠了。對晶閘管額定電流選擇，必須考慮電機額定工作電流。一般要求要達到電機額定電流有效值Ie的2.5-3倍。如果整個系統(tǒng)不帶旁路接觸器，則對應(yīng)電流值還必須保證足夠的散熱條件。電機軟起動器中,大多是采用兩個獨立的單向

8、晶閘管器件反并聯(lián)工作，在正負(fù)半周各對應(yīng)一個晶閘管工作。單向晶閘管的過流、耐壓、關(guān)斷速度、散熱等主要性能指標(biāo)都優(yōu)于雙向晶閘管，但是半導(dǎo)體器件的性能存在較大的離散值，所以對兩個反并聯(lián)器件的參數(shù)一致性要求較高，在生產(chǎn)、制造、維修中要對包括晶閘管觸發(fā)參數(shù)、維持電流等參數(shù)提出很高的配對要求，其主要參數(shù)都盡量要求性能基本一致。而且要盡量做到正負(fù)半波對稱工作。因為晶閘管移相調(diào)壓含有強烈的諧波成分，對附近的電氣設(shè)備會造成嚴(yán)重的干擾，因此軟起動器的觸發(fā)線路也與一般常見的晶閘管同步變壓器觸發(fā)電路不同，特別強調(diào)能夠在強烈電磁干擾環(huán)境中的工作能力?，F(xiàn)在的電路板經(jīng)常采用的是光電耦合器件，觸發(fā)形式也是寬脈沖強觸發(fā)方式，其

9、參考電路如下圖： 圖中白色器件是光電耦合器件電路分析：在A相正半波，電路中的移相觸發(fā)脈沖由數(shù)字電路產(chǎn)生，驅(qū)動晶體管Q1，Q1導(dǎo)通后驅(qū)動MOCA光電耦合器件的發(fā)光管，使MOCA的雙向晶閘管導(dǎo)通，A相的電壓經(jīng)D2/R5、R2、MOCA、SCR1的觸發(fā)腳，使SCR1導(dǎo)通，則A相的正半波導(dǎo)通。在A相負(fù)半波，電路中的移相觸發(fā)脈沖由數(shù)字電路產(chǎn)生，驅(qū)動晶體管Q1，Q1導(dǎo)通后驅(qū)動MOCA光電耦合器件的發(fā)光管，使MOCA的雙向晶閘管導(dǎo)通，A相的電壓經(jīng)D1/R4、MOCA、R2、SCR2的觸發(fā)腳，使SCR2導(dǎo)通，則A相的負(fù)半波導(dǎo)通。其它各相均相同。三相電路如下：另一種觸發(fā)形式：軟起動器中的主晶閘管的保護措施1、過

10、電壓保護凡超過正常工作時晶閘管應(yīng)承受的最大峰值電壓，稱為過電壓。電路產(chǎn)生過電壓的外部原因主要是雷擊電網(wǎng)電壓激烈波動或干擾。內(nèi)部原因主要是電路狀態(tài)發(fā)生變化時積累電磁能量不能及時消散。產(chǎn)生原因可分為兩類，開關(guān)過電壓和雷擊干擾過電壓。在實際電路中必須采取必要措施使晶閘管承受的過電壓受到限制。2、晶閘管關(guān)斷過電壓、換流過電壓保護當(dāng)晶閘管關(guān)斷正向電流下降到零時，管芯內(nèi)部會殘留許多載流子。在反向電壓作用下，會瞬間出現(xiàn)反向電流，使殘存載流子迅速形成極大的di/dt。線路中串聯(lián)電感很小的反向電動勢V=-Ldi/dt,也能產(chǎn)生很高電壓尖峰(或毛刺),這個尖峰電壓超過晶閘管最大峰值,就會損壞器件。消除這種尖峰電壓

11、的影響的方法，一般是在器件兩端并聯(lián)阻容吸收回路，利用電容兩端電壓不能突變的特性，吸收尖峰電壓。阻容吸收回路要盡可能靠近晶閘管引線，接線要盡可能短粗。絕對不能借用門極觸發(fā)回路中的輔助陰極線，因輔助陰極線線徑很細(xì)，吸收回路中過大電流會將該線燒斷。阻容元件選取值一般是按照經(jīng)驗值和公式選取。3、過電流保護使用快速熔斷器是最多的一種保護形式，與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專門用來保護半導(dǎo)體功率器件的過電流。它具有快速熔斷特性，當(dāng)流過6倍額定電流時，其熔斷時間小于50Hz交流電一個周期20ms?？焖偃蹟嗥黝~定電流值的有效值小于被保護晶閘管的額定有效值，同時要大于流過晶閘管的實際有效值電壓及電流。4、電流上

12、升率di/dt保護晶閘管開通時，電流是從靠近門極區(qū)陰極開始導(dǎo)通，然后逐漸擴展到整個陰極區(qū)直至全部導(dǎo)通。這個過程需要一定時間，如果陽極電流上升太快，使電流來不及擴展到整個管子的PN結(jié)面，就會造成門極附近陰極因電流密度過大，發(fā)熱過于集中，PN結(jié)溫會很快超過額定結(jié)溫而燒毀。故必須限定晶閘管電流上升的速率。5、溫度保護軟起動器的晶閘管功率器件在實際工作中，由于自身功耗會引起管芯溫度升高，其P-N結(jié)溫急劇上升，直至達到或超過額定結(jié)溫(Tjm)。不采取措施將這種熱量散發(fā)出去，就會致使管芯漏電流增加直至完全過熱擊穿損壞。軟起動器中普遍使用風(fēng)扇強迫風(fēng)冷。還要在晶閘管的散熱器上安裝熱敏電阻，隨時監(jiān)測功率器件的溫

13、度，如果溫度達到或超過規(guī)定的溫度，控制系統(tǒng)就發(fā)出指令要求系統(tǒng)停止工作，這就是超溫保護停車功能。在軟起動器中普遍采用上述兩種冷卻/保護功能。軟起動器內(nèi)部的系統(tǒng)保護功能1、電流過載保護功能：軟起動器內(nèi)部利用電子元件檢測電流，電路上也設(shè)置電流控制環(huán)節(jié)，因而能夠隨時跟蹤檢測電機電流的變化狀況。通過在硬件或軟件里增加過載電流的設(shè)定和反時限控制模式，實現(xiàn)了過載保護功能，使電機達到設(shè)定的過載保護值時，立即關(guān)斷晶閘管并發(fā)出過載保護報警信號。 2、電壓缺相保護功能：工作時，軟起動器隨時檢測三相線電流的變化，一旦發(fā)生三相電流嚴(yán)重不平衡或斷流，即可作出缺相保護反應(yīng)，這個功能使軟起動器在驅(qū)動電機時的安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通

14、接觸器。 3、晶閘管過熱保護功能：通過軟起動器設(shè)置的內(nèi)部熱電阻，可以檢測晶閘管散熱器的溫度，一旦散熱器溫度超過允許值后自動關(guān)斷晶閘管，并發(fā)出報警信號。 4、其它功能：通過電子電路的組合，還可在系統(tǒng)中實現(xiàn)其它種種聯(lián)鎖保護。 軟啟動器的啟動方式電流轉(zhuǎn)速電壓時間帶有電壓斜坡的軟啟動器啟動曲線1、斜坡升壓軟起動。這種起動方式最簡單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之與時間成一定函數(shù)關(guān)系增加。其缺點是，由于不限流，在電機起動過程中，有時要產(chǎn)生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網(wǎng)影響較大，實際很少應(yīng)用。2、斜坡恒流軟起動。這種起動方式是在電動機起動的初始階段起動電流逐漸增加，當(dāng)電流達到預(yù)先所設(shè)定的

15、值后保持恒定，直至起動完畢。起動過程中，電流上升變化的速率是可以根據(jù)電動機負(fù)載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大，則起動轉(zhuǎn)矩大，起動時間短。 這種起動方式是應(yīng)用最多的起動方式，尤其適用于風(fēng)機、泵類負(fù)載的起動。（園博園雨水泵站就是采用這個啟動方式。）3、階躍起動。開機，即以最短時間，使起動電流迅速達到設(shè)定值，即為階躍起動。通過調(diào)節(jié)起動電流設(shè)定值，可以達到快速起動效果。4、脈沖沖擊起動。在起動開始階段，讓晶閘管在級短時間內(nèi)，以較大電流導(dǎo)通一段時間后回落，再按原設(shè)定值線性上升，連入恒流起動。該起動方法，在一般負(fù)載中較少應(yīng)用，只適用于重載并需克服較大靜摩擦的機械設(shè)備起動場合。 二、對原控制柜的改造 1、電路設(shè)計

16、 泵站改造選用的是一種國內(nèi)品牌易事達，型號為estar03型軟起動器，其外觀簡潔，接線的位置合理，便于安裝?？刂凭€路板上有4對控制端子供用戶使用，其功能簡潔、清晰、實用，可以完善的解決外部控制要求。端子號描述輸入/輸出信號類型功能1、2旁路信號輸出繼電器，常開AC230V/5A，DC24V/10A軟啟動過程結(jié)束時，自動給出旁路信號，控制旁路接觸器動作。3、4啟動/停止信號輸入無源控制軟起動器的啟動和停止5、6控制電源輸入AC85-230V/10W主控制板供電電源7、8故障信號輸出繼電器，常開AC230V/5ADC24V/10A當(dāng)發(fā)生過流、過載、缺相、過壓、過熱、漏電等現(xiàn)象時，輸出故障報警。軟起

17、動器的控制柜的電氣原理接線非常簡潔。柜子改造時摘除原回路的老舊的繼電器，保留原回路的主接觸器做旁路接觸器使用。軟啟動控制柜電路主回路圖軟起動器控制柜的控制回路圖 電路中的KA時間繼電器得電延時，是給軟啟動器10S的準(zhǔn)備啟動時間，利用時間繼電器觸點控制軟啟動器啟動，有工作穩(wěn)定及防止人工操作抖動的作用。 軟啟動器的硬件接線圖下圖是軟起動器的外圍接線示意圖，可以看出控制系統(tǒng)接線非常簡潔清晰。（1）1 L1,3 L2,5 L3電源輸入端子連接主電路電源；（2）2 T1,4 T2,6 T3軟啟動輸出端子連接三相電機，電機外殼做接地保護；A2,B2,C2旁路連接端子連接旁路接觸器；軟起動器需要連接旁路接觸

18、器KM時，其輸入端與輸出端的相序必須一致，如果沒有認(rèn)真的核相，會造成電源短路的事故；G接地端子做接地保護；控制端子01，02內(nèi)部繼電器干接點輸出，控制旁路接觸器；控制端子05，06內(nèi)部繼電器干接點輸出，連接故障指示燈；控制端子08，09短接，07，10短接，接KT時間繼電器4、軟起動器的軟件設(shè)置：軟起動器的功能比較全面，具有軟啟、軟停、限流、過載保護等很多實用的功能，其出廠到達用戶工地，必須要有符合用戶需要的設(shè)置，才能滿足設(shè)計要求。軟起動器的人機界面都很友好，設(shè)置簡單方便。4個指示燈為：控制電源（紅色）、晶閘管工作狀態(tài)（綠色）、旁路運行狀態(tài)（綠色）、故障發(fā)生指示（紅色）；4個八段數(shù)碼管做參數(shù)顯

19、示：左一位顯示功能碼（紅色）、右邊三位顯示參數(shù)（紅色）；4個操作鍵做參數(shù)的設(shè)置、修改和顯示切換。功能碼的說明功能碼描述單位參數(shù)范圍參數(shù)更改出廠設(shè)定說明P軟起動器額定功率KW15600不可視實際功率確定正常顯示F起動、停止方式-00，01，10，11可以00為自由停車，電流限幅起動01為自由停車，電壓斜坡起動10為軟停車，電流限幅起動11為軟停車，電壓斜坡起動A電流限幅/額定電流的倍數(shù)-1.55.0可以3.0電流限幅起動方式有效U初始起動電壓V100300可以140電壓斜坡起動方式有效B起動時間S3120可以15電壓斜坡起動方式有效D軟停車時間S3120可以6軟停車方式有效E故障-001008不

20、可以-參看故障代碼其中F項的功能選擇：00為自由停車，電流限幅起動01為自由停車，電壓斜坡起動10為軟停車，電流限幅起動11為軟停車，電壓斜坡起動其中A項的功能選擇：設(shè)定電流限幅倍數(shù)的范圍為1.55.0，每0.5一檔。其中U項的功能選擇：初始起動電壓的設(shè)定范圍為100300V，每40V一檔。其中B、D項的功能選擇：起動時間和軟停車時間的設(shè)定范圍為3120秒，每3秒一檔。對有關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，軟起動器的起動過程就如下圖所示：起動為電壓斜坡起動方式，這時可以通過設(shè)定，確定初始起動電壓和起動時間，如上圖所示，當(dāng)在T0時刻起動器收到起動信號后，晶閘管開始受觸發(fā)工作，電機上的電壓將從設(shè)定的初始起動電壓開

21、始，依照設(shè)定的起動時間，沿著斜率上升，直到T1時間全壓輸出。T0T1時間是起動時間，在電壓斜坡起動方式時可以3120秒設(shè)定，實際泵站的設(shè)定是15秒。電流經(jīng)過起動期間的3倍電流期后，轉(zhuǎn)入正常運行，正常運轉(zhuǎn)的電流降至額定電流，待電機電流降至額定電流后發(fā)出旁路信號，同時結(jié)束起動信號，這時旁路接觸器工作，晶閘管中沒有電流流過，電機使用旁路接觸器長時間運轉(zhuǎn)。為了避免水錘效應(yīng)，泵站實際采用的是電壓斜坡停車方式，在T2停車時期，軟起動器收到停止信號，起動器首先觸發(fā)晶閘管投入工作，接著斷開旁路接觸器。旁路接觸器打開后，由軟起動器根據(jù)設(shè)定參數(shù)控制輸出電壓，完成降壓、限流、截止等停車過程，直至T3時刻完全關(guān)斷晶閘管。T2T3時期為軟停車時間，可以3120秒可調(diào)，每3秒一檔。為了避免水錘效應(yīng)，泵站實際的設(shè)定是21秒。三、調(diào)試1、運行前電路檢查（1）核對接線是否正確，旁路接觸器是否接好。（2）接地端良好。（3）輸出端不能接電源。（4）端子間沒有短路、對地情況。2、調(diào)試（1）啟動原控制柜后軟啟動器鍵盤面板顯示準(zhǔn)備狀態(tài)。（2）設(shè)置軟控制器控