雨水泵站使用软启动器改造应用.docx

技师专业论文雨水泵站使用软启动器改造应用工种：维修电工姓 名： 身份证号：级 别： 技师准考证号：工作单位： 北京排水集团培训单位：北京工业技师学院日 期： 2017年 4月 目录引言-3关键词-3一、软启动器的功能与构造特点-4二、对原控制柜的改造-11三、调试-16四、故障排除-17结论-17参考文献-18雨水泵站使用软启动器改造应用引言：丰台区梅市口园博园雨水泵站负责在降雨时抽升桥下积水。该泵站配备有4台75KW的干式水泵，因为75KW电机的起动电流较大，在投入运行两年多的时间里，控制柜里空气断路器接线端塑料外壳出现明显过热发黄痕迹。而且在抽升开启瞬时及停止抽升时，水头和水锤对泵体有较大的冲击，容易造成机械设备的损坏，有的连轴器使用不到一年时间就被打坏了，而且启动的噪声也比较大，四台电机都经常出现过热故障。为了保证泵站的正常运行，排水集团公司决定用软启动器对四台干式泵进行电控系统改造。关键词：软启动器 雨水泵站的内部 实际的雨水排污泵一、软起动器的功能与构造特点1、软启动器的功能软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置，笼型异步电动机在不需要调速的各种应用场合都可适用。 软起动器对一般机械设备应用时，还存在当启动转矩过大时，启动困难的情况。但是对各种流体负载，如泵类负载或风机类负载，使用软起动与软停车则特别适用。因为对于流体变负载工况下的电机，是经常处于轻载运行的工况，只有短时或瞬间处于重载场合，应用软起动器持续运转（不带旁路接触器）的情况下，还具有轻载节能的效果。在控制柜中实际使用的软起动器 在系统运行中纪录软起动器的工作参数2、软启动器的结构及工作原理软启动器在三相电源与电机间串入三相并联晶闸管，利用晶闸管移相控制原理，改变晶闸管的相位触发角，启动时电机端电压随晶闸管的导通角从零逐渐上升，就可调节晶闸管调压电路的输出电压，电机转速亦逐渐增大，直至达到满足启动转矩的要求而结束启动过程。 软起动器的主回路软起动器的输出是一个平滑的连续升压过程，且在其内部集成了完善的限流保护功能，当晶闸管全导通时，电机就可以在额定电压下长时间稳定工作了。而且使用软起动器启动水泵，可以有效的消除水泵在启动时的水锤效应。由水泵特性可知： 即流量与转速成正比。式中N=转速，Q=流量由式子可以看出泵的转速和流量成正比，异步电动机在直接启动过程中会产生较大的加速转矩，可导致转速迅速提高，在极短时间内流量也会发生巨大变化，对管道及阀门产生巨大冲击，而管道内部的液体在受压状态近似刚体，会产生猛烈的冲击，称为水锤效应。当水泵停止时，如果电动机自由停车，供水系统的水头的重力将克服电动机的惯性使水泵急剧停止，也会引起压力冲击和水锤。由以上分析可知管道内产生水锤效应的根本原因是起停过程中电动机起动/停止太快，因此可以适当延长电动机起动/停止时间来抑制和缓解。利用电动机软起动器可以控制施加于电机定子上的端电压，由此也可以控制电动机电磁转矩。软起动不同的控制方式对水锤效应都有良好的抑制作用。下面以电压斜坡起动方式和转矩控制方式为例来说明其对抑制水锤效应的作用。从下图中可以看出，电压斜坡控制在起动时加速转矩比直接起动时已经大幅度降低，使用了转矩控制后，电动机转矩和泵负载转矩相差一个近似恒定且数值不大的一个值，起动过程产生的加速转矩更是大大的降低。由上图可以看出，电压斜坡起动方式下流量曲线比直接起动时平缓，转矩控制起动下流量曲线最为柔和，呈现出一个S型，流量是一个平缓上升的过程，没有瞬间突变的效果很明显。所以，对水泵类电机使用软起动器可以有效的抑制水锤效应。当软启动器已经完成启动过程，全压驱动电机时，软起动器可以利用自身的一个控制触点使旁路接触器接通，此时电机在直接使用工频电源下进入持续稳定的运行。工频电源直接运行的好处，是可以避免软起动器在长时间运行中对电网形成谐波污染，亦能够有效的延长软起动器的寿命。而且软起动器在完成了启动过程，辅助触点控制旁路接触器接通时，接线和控制都非常简单，不存在电源相位可能错误的问题，这一点上是优于使用变频器的旁路系统。在停车阶段，先切断旁路接触器，然后由软启动器内晶闸管导通角由大逐渐减小，使三相供电电压逐渐减小，电机转速也由大逐渐减小到零，实现软停车，且与启动阶段一样没有水锤效应。3、晶闸管在电机软起动器中的应用晶闸管是电机软起动器中最关键的功率器件，软起动器整机装置是否能够可靠的工作，与正确理解和选择晶闸管的额定电流、电压等参数有很大关系。对软起动器选型的原则应该首先考虑工作可靠性，即必须有足够的电流、电压的余量倍数；其次才考虑经济性即性价比；最后是考虑安装美观，体积尽量小等指标。平常的低压电机的线电压为380V，所使用的晶闸管正反向重复额定电压VDRM、VRSM为1200V即足够了。对晶闸管额定电流选择，必须考虑电机额定工作电流。一般要求要达到电机额定电流有效值Ie的2.5-3倍。如果整个系统不带旁路接触器，则对应电流值还必须保证足够的散热条件。电机软起动器中,大多是采用两个独立的单向晶闸管器件反并联工作，在正负半周各对应一个晶闸管工作。单向晶闸管的过流、耐压、关断速度、散热等主要性能指标都优于双向晶闸管，但是半导体器件的性能存在较大的离散值，所以对两个反并联器件的参数一致性要求较高，在生产、制造、维修中要对包括晶闸管触发参数、维持电流等参数提出很高的配对要求，其主要参数都尽量要求性能基本一致。而且要尽量做到正负半波对称工作。因为晶闸管移相调压含有强烈的谐波成分，对附近的电气设备会造成严重的干扰，因此软起动器的触发线路也与一般常见的晶闸管同步变压器触发电路不同，特别强调能够在强烈电磁干扰环境中的工作能力。现在的电路板经常采用的是光电耦合器件，触发形式也是宽脉冲强触发方式，其参考电路如下图： 图中白色器件是光电耦合器件电路分析：在A相正半波，电路中的移相触发脉冲由数字电路产生，驱动晶体管Q1，Q1导通后驱动MOCA光电耦合器件的发光管，使MOCA的双向晶闸管导通，A相的电压经D2/R5、R2、MOCA、SCR1的触发脚，使SCR1导通，则A相的正半波导通。在A相负半波，电路中的移相触发脉冲由数字电路产生，驱动晶体管Q1，Q1导通后驱动MOCA光电耦合器件的发光管，使MOCA的双向晶闸管导通，A相的电压经D1/R4、MOCA、R2、SCR2的触发脚，使SCR2导通，则A相的负半波导通。其它各相均相同。三相电路如下：另一种触发形式：软起动器中的主晶闸管的保护措施1、过电压保护凡超过正常工作时晶闸管应承受的最大峰值电压，称为过电压。电路产生过电压的外部原因主要是雷击电网电压激烈波动或干扰。内部原因主要是电路状态发生变化时积累电磁能量不能及时消散。产生原因可分为两类，开关过电压和雷击干扰过电压。在实际电路中必须采取必要措施使晶闸管承受的过电压受到限制。2、晶闸管关断过电压、换流过电压保护当晶闸管关断正向电流下降到零时，管芯内部会残留许多载流子。在反向电压作用下，会瞬间出现反向电流，使残存载流子迅速形成极大的di/dt。线路中串联电感很小的反向电动势V=-Ldi/dt,也能产生很高电压尖峰(或毛刺),这个尖峰电压超过晶闸管最大峰值,就会损坏器件。消除这种尖峰电压的影响的方法，一般是在器件两端并联阻容吸收回路，利用电容两端电压不能突变的特性，吸收尖峰电压。阻容吸收回路要尽可能靠近晶闸管引线，接线要尽可能短粗。绝对不能借用门极触发回路中的辅助阴极线，因辅助阴极线线径很细，吸收回路中过大电流会将该线烧断。阻容元件选取值一般是按照经验值和公式选取。3、过电流保护使用快速熔断器是最多的一种保护形式，与普通熔断器比较，快速熔断器是专门用来保护半导体功率器件的过电流。它具有快速熔断特性，当流过6倍额定电流时，其熔断时间小于50Hz交流电一个周期20ms。快速熔断器额定电流值的有效值小于被保护晶闸管的额定有效值，同时要大于流过晶闸管的实际有效值电压及电流。4、电流上升率di/dt保护晶闸管开通时，电流是从靠近门极区阴极开始导通，然后逐渐扩展到整个阴极区直至全部导通。这个过程需要一定时间，如果阳极电流上升太快，使电流来不及扩展到整个管子的PN结面，就会造成门极附近阴极因电流密度过大，发热过于集中，PN结温会很快超过额定结温而烧毁。故必须限定晶闸管电流上升的速率。5、温度保护软起动器的晶闸管功率器件在实际工作中，由于自身功耗会引起管芯温度升高，其P-N结温急剧上升，直至达到或超过额定结温(Tjm)。不采取措施将这种热量散发出去，就会致使管芯漏电流增加直至完全过热击穿损坏。软起动器中普遍使用风扇强迫风冷。还要在晶闸管的散热器上安装热敏电阻，随时监测功率器件的温度，如果温度达到或超过规定的温度，控制系统就发出指令要求系统停止工作，这就是超温保护停车功能。在软起动器中普遍采用上述两种冷却/保护功能。软起动器内部的系统保护功能1、电流过载保护功能：软起动器内部利用电子元件检测电流，电路上也设置电流控制环节，因而能够随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过在硬件或软件里增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机达到设定的过载保护值时，立即关断晶闸管并发出过载保护报警信号。 2、电压缺相保护功能：工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生三相电流严重不平衡或断流，即可作出缺相保护反应，这个功能使软起动器在驱动电机时的安全性远远高于普通接触器。 3、晶闸管过热保护功能：通过软起动器设置的内部热电阻，可以检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。 4、其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它种种联锁保护。 软启动器的启动方式电流转速电压时间带有电压斜坡的软启动器启动曲线1、斜坡升压软起动。这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。2、斜坡恒流软起动。这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。 这种起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。（园博园雨水泵站就是采用这个启动方式。）3、阶跃起动。开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。4、脉冲冲击起动。在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，只适用于重载并需克服较大静摩擦的机械设备起动场合。 二、对原控制柜的改造 1、电路设计 泵站改造选用的是一种国内品牌易事达，型号为estar03型软起动器，其外观简洁，接线的位置合理，便于安装。控制线路板上有4对控制端子供用户使用，其功能简洁、清晰、实用，可以完善的解决外部控制要求。端子号描述输入/输出信号类型功能1、2旁路信号输出继电器，常开AC230V/5A，DC24V/10A软启动过程结束时，自动给出旁路信号，控制旁路接触器动作。3、4启动/停止信号输入无源控制软起动器的启动和停止5、6控制电源输入AC85-230V/10W主控制板供电电源7、8故障信号输出继电器，常开AC230V/5ADC24V/10A当发生过流、过载、缺相、过压、过热、漏电等现象时，输出故障报警。软起动器的控制柜的电气原理接线非常简洁。柜子改造时摘除原回路的老旧的继电器，保留原回路的主接触器做旁路接触器使用。软启动控制柜电路主回路图软起动器控制柜的控制回路图 电路中的KA时间继电器得电延时，是给软启动器10S的准备启动时间，利用时间继电器触点控制软启动器启动，有工作稳定及防止人工操作抖动的作用。 软启动器的硬件接线图下图是软起动器的外围接线示意图，可以看出控制系统接线非常简洁清晰。（1）1 L1,3 L2,5 L3电源输入端子连接主电路电源；（2）2 T1,4 T2,6 T3软启动输出端子连接三相电机，电机外壳做接地保护；A2,B2,C2旁路连接端子连接旁路接触器；软起动器需要连接旁路接触器KM时，其输入端与输出端的相序必须一致，如果没有认真的核相，会造成电源短路的事故；G接地端子做接地保护；控制端子01，02内部继电器干接点输出，控制旁路接触器；控制端子05，06内部继电器干接点输出，连接故障指示灯；控制端子08，09短接，07，10短接，接KT时间继电器4、软起动器的软件设置：软起动器的功能比较全面，具有软启、软停、限流、过载保护等很多实用的功能，其出厂到达用户工地，必须要有符合用户需要的设置，才能满足设计要求。软起动器的人机界面都很友好，设置简单方便。4个指示灯为：控制电源（红色）、晶闸管工作状态（绿色）、旁路运行状态（绿色）、故障发生指示（红色）；4个八段数码管做参数显示：左一位显示功能码（红色）、右边三位显示参数（红色）；4个操作键做参数的设置、修改和显示切换。功能码的说明功能码描述单位参数范围参数更改出厂设定说明P软起动器额定功率KW15600不可视实际功率确定正常显示F起动、停止方式-00，01，10，11可以00为自由停车，电流限幅起动01为自由停车，电压斜坡起动10为软停车，电流限幅起动11为软停车，电压斜坡起动A电流限幅/额定电流的倍数-1.55.0可以3.0电流限幅起动方式有效U初始起动电压V100300可以140电压斜坡起动方式有效B起动时间S3120可以15电压斜坡起动方式有效D软停车时间S3120可以6软停车方式有效E故障-001008不可以-参看故障代码其中F项的功能选择：00为自由停车，电流限幅起动01为自由停车，电压斜坡起动10为软停车，电流限幅起动11为软停车，电压斜坡起动其中A项的功能选择：设定电流限幅倍数的范围为1.55.0，每0.5一档。其中U项的功能选择：初始起动电压的设定范围为100300V，每40V一档。其中B、D项的功能选择：起动时间和软停车时间的设定范围为3120秒，每3秒一档。对有关参数设置完成后，软起动器的起动过程就如下图所示：起动为电压斜坡起动方式，这时可以通过设定，确定初始起动电压和起动时间，如上图所示，当在T0时刻起动器收到起动信号后，晶闸管开始受触发工作，电机上的电压将从设定的初始起动电压开始，依照设定的起动时间，沿着斜率上升，直到T1时间全压输出。T0T1时间是起动时间，在电压斜坡起动方式时可以3120秒设定，实际泵站的设定是15秒。电流经过起动期间的3倍电流期后，转入正常运行，正常运转的电流降至额定电流，待电机电流降至额定电流后发出旁路信号，同时结束起动信号，这时旁路接触器工作，晶闸管中没有电流流过，电机使用旁路接触器长时间运转。为了避免水锤效应，泵站实际采用的是电压斜坡停车方式，在T2停车时期，软起动器收到停止信号，起动器首先触发晶闸管投入工作，接着断开旁路接触器。旁路接触器打开后，由软起动器根据设定参数控制输出电压，完成降压、限流、截止等停车过程，直至T3时刻完全关断晶闸管。T2T3时期为软停车时间，可以3120秒可调，每3秒一档。为了避免水锤效应，泵站实际的设定是21秒。三、调试1、运行前电路检查（1）核对接线是否正确，旁路接触器是否接好。（2）接地端良好。（3）输出端不能接电源。（4）端子间没有短路、对地情况。2、调试（1）启动原控制柜后软启动器键盘面板显示准备状态。（2）设置软控制器控制