給排水行業(yè)中常用交流低壓電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、保護(hù)及控制

1啟動(dòng)方式

目前,給排水行業(yè)中所使用的電動(dòng)機(jī)主要用于連續(xù)運(yùn)行、負(fù)荷平穩(wěn)、操作不頻繁的場(chǎng)合,主要代表設(shè)備有水泵、風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)、推流器、污泥泵、加藥泵、脫水機(jī)等:另有少部分間隙運(yùn)行、操作頻繁的設(shè)備,如格柵、輸送機(jī)、電動(dòng)調(diào)節(jié)堰門、刮泥機(jī)、吸泥機(jī)等:還有一些短時(shí)運(yùn)行的設(shè)備,如電動(dòng)閥門、電動(dòng)閘門、電動(dòng)葫蘆、起重機(jī)等。除起重機(jī)等少部分設(shè)備外,給排水行業(yè)一般用電設(shè)備采用的都是鼠籠式電動(dòng)機(jī)。

給排水行業(yè)中的電動(dòng)機(jī)應(yīng)優(yōu)先采用全壓?jiǎn)?dòng),但應(yīng)滿足以下3個(gè)條件:

(1）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),配電母線上的電壓符合相應(yīng)規(guī)范規(guī)定:

(2）電動(dòng)機(jī)本身允許全壓?jiǎn)?dòng):

(3）生產(chǎn)機(jī)械能夠承受全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的沖擊轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)不滿足全壓?jiǎn)?dòng)條件時(shí),電動(dòng)機(jī)需要采用降壓?jiǎn)?dòng)或其他適當(dāng)?shù)膯?dòng)方式。低壓鼠籠式電動(dòng)機(jī)常用的降壓?jiǎn)?dòng)方式有星三角啟動(dòng)、電阻降壓?jiǎn)?dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)等。目前,給排水行業(yè)所采用的降壓?jiǎn)?dòng)方式大多數(shù)是軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)。相比其他的降壓?jiǎn)?dòng)方式,軟啟動(dòng)器有著很大的優(yōu)越性:

(1）可對(duì)啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活的控制:

(2）可平滑地控制電壓和電流:

(3）可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話并讀取電壓、電流及故障信息等:

(4）可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線通信:

(5）可采用軟停止控制延長(zhǎng)電機(jī)的減速時(shí)間:

(6）可為電動(dòng)機(jī)提供更全面的保護(hù)。

使用軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)的唯一缺陷就是成本較高,軟啟動(dòng)器的價(jià)格比其他幾種降壓?jiǎn)?dòng)的價(jià)格要高得多。但隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高、軟啟動(dòng)器功能的不斷完善以及生產(chǎn)成本的下降,除部分消防設(shè)備外,使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)將成為鼠籠式電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)的主流。

2保護(hù)及控制

電動(dòng)機(jī)的保護(hù)往往與其拖動(dòng)設(shè)備控制方式有一定關(guān)系,保護(hù)中通常有控制,控制中也帶有保護(hù)。在一般情況下,除設(shè)備自帶的保護(hù)(如繞組過熱、軸承過熱、滲水、漏油、過力矩等）之外,對(duì)于給排水行業(yè)中的三相交流低壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)裝設(shè)過載保護(hù)、斷相保護(hù)、短路保護(hù)和接地故障保護(hù)。

2.2全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的主回路及控制回路

低壓交流電動(dòng)機(jī)的主回路一般要求具有隔離功能、控制功能、短路保護(hù)功能、過載保護(hù)功能、斷相保護(hù)功能,目前主流的低壓電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)主要有以下4種主回路接線方式:

(1）熔斷器＋接觸器＋熱繼電器:熔斷器提供隔離功能和短路保護(hù)功能,接觸器提供控制功能,熱繼電器提供過載保護(hù)功能和斷相保護(hù)功能。

(2）普通斷路器＋接觸器＋熱繼電器:普通斷路器提供隔離功能和短路保護(hù)功能,接觸器提供控制功能,熱繼電器提供過載保護(hù)功能和斷相保護(hù)功能。

(3）電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器＋接觸器:電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器提供隔離功能、短路保護(hù)功能、過載保護(hù)功能和斷相保護(hù)功能,接觸器提供控制功能。

(4）一體化型電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制器:集隔離功能、控制功能、短路保護(hù)功能、過載保護(hù)功能、斷相保護(hù)功能于一體。

給排水行業(yè)由于低壓電動(dòng)機(jī)功率范圍較大,從0.37kW的電動(dòng)閥門到250kW的風(fēng)機(jī)水泵都有涉及,綜合考慮各種因素,一般采用普通斷路器+接觸器+熱繼電器的主回路接線方式。

給排水行業(yè)中典型的電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)主回路和控制回路接線圖如圖1所示,主回路由斷路器QF、接觸器KM的常開主觸點(diǎn)、熱繼電器KH的熱元件組成,控制電路由啟動(dòng)按鈕SB、停止按鈕SBS、接觸器KM線圈和常開輔助觸點(diǎn)、熱繼電器KH的常閉觸頭以及其他一些轉(zhuǎn)換開關(guān)、信號(hào)燈、中間繼電器等組成。

2.2全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)保護(hù)電器的選擇

2.2.1過載保護(hù)

給排水行業(yè)中,水泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器、推流器等大部分均為連續(xù)運(yùn)行設(shè)備,宜裝設(shè)過載保護(hù),過載保護(hù)動(dòng)作于斷開電源。在圖1中,電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)通過熱繼電器KH實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)過載時(shí)KH動(dòng)作,斷開控制電路,接觸器KM失電,切斷主電路,電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。一般情況下,熱繼電器的整定電流應(yīng)接近但不小于電動(dòng)機(jī)的額定電流,同時(shí)需要考慮到保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)躲過電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)間。

2.2.2斷相保護(hù)

給排水行業(yè)中的直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)一般都宜裝設(shè)斷相保護(hù)。實(shí)際工程中使用帶斷相保護(hù)功能的熱繼電器即能滿足要求。

2.2.3短路保護(hù)

采用低壓斷路器作為短路保護(hù)元件。

（1）采用瞬動(dòng)過電流脫扣器作為短路保護(hù)時(shí),其整定電流應(yīng)取電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的2～2.5倍[2]:當(dāng)整定電流不在此區(qū)間時(shí),可以向上取值,但應(yīng)滿足末端短路跳閘的靈敏性要求。

（2）采用短延時(shí)過電流脫扣器作為短路保護(hù)時(shí),其整定電流應(yīng)不小于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流,延時(shí)時(shí)間不小于0.1s

（3）采用電動(dòng)機(jī)保護(hù)型斷路器或一體化保護(hù)控制器時(shí),為躲過啟動(dòng)電流,其長(zhǎng)延時(shí)過電流脫扣器在7.2倍整定電流下的動(dòng)作時(shí)間,應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間。

2.2.4接地故障保護(hù)

當(dāng)?shù)蛪簲嗦菲鞯乃矂?dòng)或短延時(shí)脫扣器整定值滿足動(dòng)作靈敏性要求時(shí),應(yīng)兼作接地故障保護(hù)。在TN-S系統(tǒng)中,因?yàn)橄嗑€一中性線短路故障的存在,低壓斷路器的整定值一般都能滿足接地故障保護(hù)的要求,當(dāng)不能滿足要求時(shí),可以選用帶接地故障保護(hù)功能的低壓斷路器。

2.3全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的控制原理

給排水行業(yè)中的設(shè)備一般都采用三地控制（就地箱手動(dòng)、開關(guān)柜手動(dòng)和PLC自動(dòng)）。以圖1為例,1SA、1SB、1SBS、1HR、1HG安裝于就地箱,2SA、2SB、2SBS、2HR、2HG安裝于開關(guān)柜,J為遠(yuǎn)程PLC無源觸點(diǎn)。當(dāng)選擇開關(guān)1SA處于就地位置時(shí),電動(dòng)機(jī)只能由現(xiàn)場(chǎng)就地箱手動(dòng)控制:當(dāng)選擇開關(guān)1SA處于遠(yuǎn)程位置、2SA處于開關(guān)柜位置時(shí),電動(dòng)機(jī)只能由開關(guān)柜手動(dòng)控制:當(dāng)選擇開關(guān)1SA處于遠(yuǎn)程位置、2SA處于PLC位置時(shí),電動(dòng)機(jī)只能由遠(yuǎn)程PLC自動(dòng)控制。由于1SA和2SA的設(shè)置,控制的優(yōu)先級(jí)別為就地箱>開關(guān)柜>PLC。即使處于遠(yuǎn)程控制,但當(dāng)巡檢人員現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)故障或緊急情況時(shí),也可以通過1SA現(xiàn)場(chǎng)直接停機(jī)。

圖1的控制原理比較簡(jiǎn)單,下面以就地箱手動(dòng)控制為例分析其控制原理:

(1）啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)(按啟動(dòng)按鈕1SB,接觸器KM的吸引線圈得電,三對(duì)常開主觸點(diǎn)閉合,將電動(dòng)機(jī)M接入電源,電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)。同時(shí),與1SB并聯(lián)的KM的常開輔助觸點(diǎn)閉合,即使松手?jǐn)嚅_1SB,吸引線圈KM通過其輔助觸點(diǎn)也可以繼續(xù)保持通電,維持吸合狀態(tài)。凡是接觸器利用自己的輔助觸點(diǎn)來保持其線圈帶電的,都稱之為"自鎖",這個(gè)觸點(diǎn)稱為"自鎖觸點(diǎn)"。由于KM的自鎖作用,當(dāng)松開1SB后,電動(dòng)機(jī)M仍能繼續(xù)啟動(dòng),最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2）停止電動(dòng)機(jī)(按停止按鈕1SBS,接觸器KM的線圈失電,其主觸點(diǎn)和輔助觸點(diǎn)均斷開,電動(dòng)機(jī)脫離電源,停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這時(shí),即使松開停止按鈕,由于自鎖觸點(diǎn)斷開,接觸器KM線圈不會(huì)再通電,電動(dòng)機(jī)不會(huì)自行啟動(dòng)。只有再次按下啟動(dòng)按鈕1SB時(shí),電動(dòng)機(jī)方能再次啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果有其他故障保護(hù),可以將故障保護(hù)的無源觸點(diǎn)接入電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)回路,故障時(shí)就可以自動(dòng)停機(jī)。

2.4軟啟動(dòng)時(shí)的保護(hù)和控制

對(duì)于給排水行業(yè)中一些重要的55kW及以上較大功率水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備,一般采用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)。以ABB公司生產(chǎn)的PST軟啟動(dòng)器為例,主回路接線圖如圖2所示,主要由低壓斷路器QF、軟啟動(dòng)器PST、旁路接觸器KM組成。

短路保護(hù)和接地故障保護(hù)由低壓斷路器QF提供,過載保護(hù)、斷相保護(hù)由軟啟動(dòng)器PST提供。此外,軟啟動(dòng)器PST還提供大電流、欠載保護(hù)、相不平衡、反相保護(hù)等電動(dòng)機(jī)的特殊保護(hù),用戶可根據(jù)需要自行選擇上述保護(hù)。

采用軟啟動(dòng)時(shí)的控制方式也為三地控制(就地控制箱、開關(guān)柜和PLC,控制原理和全壓?jiǎn)?dòng)基本相同。

使用軟啟動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)總線通信,可以迅速準(zhǔn)確地將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的一些參數(shù)、故障信號(hào)輸送至遠(yuǎn)方中控室內(nèi),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí),為避免晶閘管等元件引起的損耗,回路中接入了旁路接觸器KM(如使用PSTB型軟啟動(dòng)器,其內(nèi)部自帶旁路接觸器）,當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢后,旁路接觸器閉合,但軟啟動(dòng)器內(nèi)置的保護(hù)功能仍然存在。對(duì)于給排水行業(yè)中的水泵,采用軟啟動(dòng)器軟停止可以避免水泵急停過程中產(chǎn)生的"水錘"效應(yīng),大大延長(zhǎng)水泵的使用壽命。

3結(jié)語(yǔ)

交流電動(dòng)機(jī),一直被稱作"工業(yè)的馱馬",給排水行業(yè)中的主要電動(dòng)機(jī)一旦出現(xiàn)故障,水廠、污水廠就得停產(chǎn),會(huì)給人們生活造成重大影響。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、保護(hù)和控制直接關(guān)系到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行成敗與否,因此在相關(guān)工程中一定要認(rèn)真做好這方面的工作,制訂出既經(jīng)濟(jì)又安全的電動(dòng)機(jī)配電和控制方案。