Analysis on the Starting Mode of Electric Motor in Electric Row Station
钟干松 ZHONG Gan-song
（梅州市梅州大堤管理处，梅州 514031）
（Meizhou Dike Management Office，Meizhou 514031，China）
摘要：电排站工程设计建造阶段，需根据实际需要，考虑如何对电动机启动和保护进行优化，这对于泵站长期稳定运行至关重要。本文结合自身多年工作经验，从水泵的启动特点出发，浅析了电排站常用的鼠笼式异步电动机全压及降压各种启动方式，从基本作用原理角度，对各种启动方式的优缺点进行分析对比，希望能够对行业内相关单位提供可行的技术参考意见。
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 author’s 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.
关键词：电排站；电动机；启动方式
Key words: electric row station；electric motor；starting method
中图分类号：TV675 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）23-0167-03
0 引言
通常电排站与水泵负载相连的电机，全年的工作情况来看，只有在排涝时段是持续作业的，无需进行频繁操作，所以设计选用的电动机只需考虑额定功率超过水泵负载功率就能实现正常工作。根据实际情况，常用小型电排站多数会结合价格、设备构造、维护保养等综合因素，选择三相交流鼠笼型异步电动机，电压、功率，转速与水泵相配套。还有一种绕线型电动机，转矩更大，但同等功率下，其价格比鼠笼型高很多。多数情况下水泵负载选用低压鼠笼型电动机就能满足要求。但是遇到降压启动难以启动转矩要求时,就要选择绕线式电动机来替代。传统的三相鼠笼式异步电动机启动方案是比较成熟的，不过随着科技不断进步，一些新的电机启动控制方式逐渐发展起来，所以要做好各项启动方式的充分对比，实现优中选优。
1 水泵的启动特点
1.1 水泵机组的启动特性
通常离心水泵出口压力等于其扬程和流量相乘，而且跟水泵转轮的转速呈现正比例关系。所以，电机启动的刹那，转轮是零转速，其负载带动的水泵出口压力也是零。当转轮转速持续增加时，水泵出口压力也就跟着线性增大。从根本情况分析，实际运转过程中的水泵与轴承之间也或多或少有一定的摩擦阻力，因此，要想水泵顺利启动就必须让启动力矩超过水泵自身的静阻力矩，同时要解决转动惯量问题，这样就能让水泵快速提升转速，短时间内维持在额定转速工况下工作。水泵所承受的摩擦力和推力镜板、轴承直径、面积以及润滑条件密切相关。计算数据表明，整个泵组由摩擦阻力形成的力矩约为水泵额定力矩的20%左右。可以用公式表达关系：Mc=fGR
Mc代表摩擦力矩；f是摩擦系数；G是电动机转动部分重量、水泵转动部分重量以及水的推力之和；R为镜板的平均半径。
1.2 异步电动机的启动特性
异步电动机的启动特性主要有两点：一是必须能够提供设计要求的启动转矩，保证电动机启动转矩超过阻力和负载的转矩之和，不然的话将难以正常启动；二是达到正常启动的条件后，启动电流尽量减小，因为瞬间电流过大的化会给电网和电动机本身造成巨大冲击，容易引发安全事故。排水站机组设计方案中，电动机的转速足够大才能够带动水泵和并且保持持续运转。
2 电动机的启动方式分析
传统的三相鼠笼式异步电动机主要是全压启动和降压启动两种启动方式，随着科技不断进步，软启动和变频启动方式也逐渐普及开来。
①电动机启动过程，两端电压稳定在一定范围，实现有效的启动转矩带动负载，同时保证对配电系统电压的冲击不能影响用电设备正常运行。
②通常条件下，电动机工作场合要求实现频繁启动，必须确保其两端电压不小于额定电压90%；电动机工作场合不要求实现电动机频繁启动，必须确保其两端电压不小于额定电压85%。
2.1 全压启动方式分析
通常说的全压启动其连接方式较简单，就是把电动机定子绕组接线柱直接与额定电压连接启动，所以又被称作直接启动。该启动方式所需启动电流非常大，测量数据表明，鼠笼式异步电动机启动电流通常是其自身4～7倍的额定电流大小，启动转矩介于额定转矩1.2～2.0倍范围内。该启动方式启动转矩大、所需时间短、启动设备简单、操作简单、容易保养、投入少和故障率很少等一系列优点。
不足之处，需注意如果在频繁启动的工作场景运用该启动方式，由于电流过大发热严重，会损坏电动机绕组，引发火灾。转矩变化过快也容易损伤电动机轴承和减速齿轮，长期运行将导致机械性能不断降低。如果连接的是泵类负载，其连接皮带一段时间后会严重磨损无法使用，而且泵管道内水压快速增大，容易导致管路产生裂纹。利用全压启动方式时，如果是大功率电动机的前提下，直接导致整个电网电源骤然快速降低，很可能会触发其他网内设备低电压保护装置，以至于发生跳闸现象，还有可能导致其它电机负载转矩不足而停止运行。为了克服大功率电机的冲击，电网电源需要增大配电变压器的装载容量。不过，一些中小型泵站运行中，电动机全压启动允许最大容量一般是变压器容量30%以内才可以实现。不过这样会导致整个电排站工程成本投入加大，也会使变压器运行中铜损和铁损加剧，进而消耗更多电能源和电费。
2.2 降压启动方式分析
2.2.1 星-三角降压启动方式
按照测量数据所示，利用星-三角型降压启动方式，电动机所需的启动电压是正常工作时额定电压的0.58倍，启动电流只有三角形连接方式启动电流的0.33倍，启动转矩也只有三角形连接方式的0.33倍。该启动方式多数是用在定子绕组额定电压380V，正常运行时三角形连接，同时启动到稳定运行阶段负载转矩必须维持较低数值的中小型容量电动机启动。星-三角型降压启动设备价格便宜，操作简单，维护难度小。整个启动过程中，电流和转矩都偏小，频繁启动也不会造成影响。所以通常小型泵站会选用这种启动方式，经济高效且稳定。
2.2.2 延边三角形降压启动方式
这种启动方式是在星-三角型降压启动方式的基础上进行升级改进的一种实施方案。启动电动机之前，定子绕组一边采用三角形连接方式，一边采用星型连接方式。完成电机启动后，再绕组全部改回三角形连接方式，电动机保持额定转速工作。该启动方式的启动电压、启动电流和启动转矩随着变化的抽头比例而发生调整。该启动方式同时兼顾自耦变压器降压和星-三角型两种模式的优点。其实施过程中的电机启动电流较小，但是转矩却较大，即使频繁启动也不会造成不利影响。这种启动方式多用在绕组额定电压380V，具有9个出线头的电动机。
2.2.3 电阻降压启动方式
运用这种启动方式，要在三相定子回路中串连对称三相电阻，对启动电动机形成分压分流作用。等到电动机启动运转稳定，再短接各项电阻，实现电机额定电压工作工况。采取该方式时，电机启动电流偏大，但输出转矩偏小。启动过程会损耗较多能源，频繁启动的话，电阻温度不断上升，会对周围的精密设备造成干扰。而且从节能角度来看，不建议采用这种方式。
2.2.4 自耦变压器降压启动方式
该方式又叫补偿器启动。启动电机前，要先把高压侧电线接到电网，低压侧接到电动机，启动电流和启动转矩利用抽头位置实现可调。自耦变压器均有65%和80%额定电压的两组抽头，选择不同组别启动电流和启动转矩分别为其额定数量的43.2%和64%。该启动方式下启动电流偏小，输出转矩较大。但是自耦降压器一套装置体积大、投入成本高，多用在高压、低压电动机不频繁启动工况。
2.2.5 电抗器降压启动方式
使用该启动方式时，要把电抗器接入定子回路，当电动机运转速度接近额定转速时，把电抗器断开。该方式的启动电流随电压成正比降低，启动转矩与所加电压的平方成正比例关系。启动电流偏大，输出转矩较小。一般常用于轻载启动的高压电动机。
2.3 软启动方式
软启动方式从其根本属性来看，是属于降压启动的特殊类型。实验数据表面，软启动器在对电动机进行启动时，其呈现出性能曲线平滑，可调启动电流较小，等待时间较少。倘若泵站电动机数量大，借助1台软启动器能够控制多台电动机启动，成本低，经济性好。另外能够实现电动机启动全过程自动切换，主要适用于大功率电动机日常工作使用。软启动器的输出电压都是呈现规律增加的状态，带动的负载电压由也会随之持续增加到额定电压，转速变化过程相对于较平稳，从零开始一直逐步达到稳定的额定转速。软启动器多数都是用于控制大功率电机，根据实际应用情况来看，电动机功率只要不超过1200kW都是可以实现自由控制的。
3 各种启动方式的对比分析
3.1 从对电网电源电压冲击情况对比
全压启动方式，多数会直接导致整个电网电源骤然快速降低，很可能会触发其他网内设备低电压保护装置，以至于发生跳闸现象，还有可能导致其它电机负载转矩不足而停止运行。
星-三角降压启动时的短暂时间内会出现极大的电流高峰，这一瞬间的电流产生的动态转矩是有害的，会对电动机转子、轴联接器、减速齿轮和负载水泵产生损害。
星-三角和自耦变压器这两种降压启动，能够实现明显降低电动机启动时对电网产生的有害冲击，也能让电动机顺利安全启动运行，不过电动机难以实现平顺线性启动和停车，还存在一定的不足。
软启动器的操作方式，能够让电压稳步提高，电动机的转速也稳定增加直至达到额定工作工况。整个启动过程能实现电动机平滑顺畅运行，还能对启动过程限流值、启动时间动态调整。这种方式能有效减少冲击电网电源影响。能够顺利操控各类大功率电动机启动和工作，时目前最好的降压启动方案。
3.2 根据负载情况对比
如果站用变压器的负载率不超过30%，全压启动方式较好；当变压器的负载率介于30%-58%范围，多建议采取星-三角启动或软启动；变压器负载率超过58%时，一般采取自耦变压器降压启动。
3.3 根据投入成本对比
星-三角启动器单价为60元/kW，但是日常工作很容易出现故障，后期维护费用较大。自耦降压启动器80元/kW，但是其结构较大，布置占用更多空间，不过故障率相对前者要少一些，而且维护成本也降低不少；软启动器价格介于100～200元/kW，但是很少出现故障，因此后期的维护保养成本最少。
4 结束语
总而言之，在设计选择电排泵站电动机启动方式时，要综合泵站设计基本性能参数要求和工程总投资等情况来分析。科学化地选用并实施泵站电动机启动方案，对控制电排站工程成本投入、延长设备使用寿命有极大的帮助，还能借助节能降耗来实现可持续性发展。
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