关于中小型泵站低压异步电动机启动方式的探讨

中国水利学会2011学术年会——大力推广节水节能技术促进农村水利现代化建设1关于中小型泵站低压异步电动机启动方式的探讨张西安1，余军2（1.湖北省水利水电勘测设计院武汉430064；2.湖北省樊口电排站管理处湖北鄂州436000）摘要：主要介绍了农村中小型泵站水泵机组中电压为0.4kV的电动机的启动特性，对其启动电压降计算工况、方法进行分析，还重点介绍了低压电动机的启动方式，推荐了适用于农村中小型泵站水泵机组电动机的启动方式。关键词：中小型泵站；异步电机；启动方式中图法分类号：S275.1文献标识码：A1概述本文所指的中小型泵站低压电动机主要是指农村中小型泵站水泵机组中电压为0.4kV的电动机。湖北省号称千湖之省，农村中小型泵站很多，装机台数以千计，如洪湖市：单机功率155kW及以上的中小型站80多处、装机340多台套，单机功率30kW及以上的小型站210多处、260多台套；潜江市：单机功率155kW以上的中小型站80多处、装机约240台套，单机功率30kW及以上的小型站约160处、装机约240台套；沙洋县：单机功率155kW及以上的中小型站30多处、装机120多台套，单机功率30kW及以上的小型站近200处、装机260多台套。中小型泵站承担着区域性的农田除涝、灌溉、调水的重任,在水资源的合理配置和保证农业生产、农民增收中起着不可替代的作用。但是，中小型泵站大多建于20世纪六、七十年代，由于运行时间长，设备老化失修，中小型泵站几近瘫痪的边缘。故中小型泵站的改造势在必行。在中小型泵站改造中，水泵机组电动机可采用直接启动和降压启动两种启动方式。降压启动又可分为自偶变压器降压启动、星/三角降压启动、软启动等方式。不同的启动方式不仅造成投资的差别，还将关系到泵站运行的可靠性，对管理维护的要求也不一样。收稿日期：2011-09-18作者简介：张西安，男，教授级高级工程师，长期从事泵站电气设备设计工作。中国水利学会2011学术年会——大力推广节水节能技术促进农村水利现代化建设32中小型泵站的启动特性中小型泵站水泵机组的电动机多采用鼠笼异步电动机。中型站的电动机功率多为110－220kW；小型站的电动机功率多为30－110kW。2.1水泵机组启动特性水泵出力是扬程与流量的积，与水泵转轮转速的平方成正比，在启动瞬间，转速为0，水泵出力也为0。随着转速升高，水泵出力加大。但水泵各个轴承存在摩摖力，在转速为零启动瞬间存在静阻力矩。水泵启动要求电动机的启动力矩大于静阻力矩，并克服转动惯量，从而使水泵加速，最终达到额定转速，完成启动过程。水泵各个轴承存在摩摖力取决于推力镜板和各个导轴承的直径、面积以及润滑方式。通常由摩摖力产生的静阻力矩为水泵额定力矩的18%～25%。通用的计算方法如下：水泵静摩檫力矩：fGRMc（1）121FGGG（2）式中：Mc为摩檫力矩；f为摩摖系数，半干摩摖为0.1～0.5；半液体摩摖为0.008～0.08；液体摩摖为0.001～0.008；G1为电动机转动部分重量，kg；G2为水泵转动部分重量，kg；R为镜板平均半径，m；2122212132rrrrrrR（3）式中：1r为镜板外径，m；2r镜板内径，m。1F为水推力，kg。2.2鼠笼异步电动机启动特性鼠笼异步电动机以其结构简单、运行可靠而获得广泛使用。缺点是运行力矩不可调。通常启动力矩为0.7～0.9倍额定力矩（在额定电压时），且电磁转矩与电压的平方成正比。多用于水泵、风机等启动力矩不大的负荷。2.3中小型水泵机组电动机的启动分析水泵机组中，通常按电动机轴出力大于水泵负荷10%选配电动机。电动机转速—力矩特性要满足水泵启动和运行力矩的要求。由于电动机电磁转矩与机端电压的平方成正比关系，水泵机组在启动时，电动机最低启动电压取决于电动机的电磁力矩和水泵的静阻力矩。实例分析：水泵：28ZLB—70配电动机：Y355M3—8水泵机组转动部分重量约2.0t，镜板外径为0.17m，镜板内径为0.12m。R=0.147mf为半干摩摖，摩摖系数取0.07；启动瞬间水推力为0。Mc=0.1×2000×0.147=29.4kgm三相异步电动机的固有机械特性：pMd，602n(4)P=155kW；n=730r/min；Md=202kgm。即水泵静阻力矩Mc=29.4kgm；电动机额定力矩Md=202kgm。当电动机启动转矩大于29.4kgm时，水泵机组可启动。按在额定电压时启动力矩为0.8倍额定力矩，即Mdq=202×0.8=161.6，Mc与Mdq的比值为0.182。按电动机电磁力矩与其机端电压的平方成正比的关系，电动机的最低启动电压为42%额定电压。鼠笼异步电动机的启动电流一般为5-7倍的额定电流。而电流与电压成正比关系，故最小启动电流为18%×7=1.27倍额定电流。由上述分析可知，中小型站为空载启动，且水泵机组静阻力矩很小，启动电压大于40%额定电压，机组就可以启动。由此可见，在现行的多种降压启动方式中，星/三角形启动方式的启动电压为57%额定电压，为不可调，能满足中小型站启动要求。其它各种降压启动方式的启动电压可调，均能满足中小型泵站启动要求。3启动电压降计算3.1电源按《农村电力网规划导则》（DLL/T5118－2000）的规定，农村电力网10kV电压线路的供电半径为5km；10kV母线短路电流不大于20kA，可估算供电系统10kV母线的阻抗为0.4－0.5Ω。10kV线路按5km，0.4Ω/km，10kV线路阻抗为2Ω。总阻抗为2.5Ω。3.2电气主接线及计算方式3.2.1启动计算的工况中小型泵站多采用单母线接线，若水泵机组台数多于6台，也可采用单母线分段接线，不论是单母线接线，还是单母线分段接线，对于异步电动机，最后一台机组启动是电压降最大的运行工况，是泵站启动校验工况。3.2.2启动计算方法启动计算的方法很多，其中按电动机端阻抗与总阻抗的比值计算较为简单。具体方法如下：Xd--------电动机起动电抗标幺值X1--------35kV线路电抗标幺值Xb--------变压器电抗标幺值Xx--------系统电抗标幺值UmDUm系统LGJ-7015kmX2--------6kV线路电抗标幺值YJV22-3*2400.3km图1简化网络示意图电动机端电压计算公式：dlbxdmXXXXXU(5)式中，Xd为运行电动机和启动电动机的综合阻抗。即运行电动机按额定电压、额定电流工况计算阻抗，启动电动机按电动机启动电流计算阻抗，综合阻抗为所有运行电动机和最后一台启动电动机等阻抗的并联阻抗。上述计算中没有考虑无功补偿，若考虑无功补偿，可采用其它计算方式。根据《泵站设计规范》（GB/T50265—97），机组启动时，母线电压降不宜超过额定电压15%，但当电动机启动引起的电压波动不致破坏其它用电设备正常运行，且启动电磁力矩大于静阻力矩时，电压降可不受15%额定电压的限制。中国水利学会2011学术年会——大力推广节水节能技术促进农村水利现代化建设54启动方式选择通过启动计算，当全压启动时，启动电压降不大于15%额定电压，则应采用全压启动。当考虑无功补偿和适当加大变压器容量、选择短路比较小的变压器等方法后仍不能满足启动电压降小于15%额定电压时，则应采用降压启动。降压启动是指利用启动设备将电压适当降低后加到电动机的定子绕组上进行启动，待电动机启动运转后，再使其电压恢复到额定值正常运转。由于电流随电压的降低而减小，所以降压起动达到了减小启动电流的目的。但同时，由于电动机转矩与电压的平方成正比，所以降压启动也将导致电动机的启动转矩大大降低。因此，选用降压启动方式时，要校验启动转矩。4.1角形(Y-△)降压启动的方法星形—三角形降压启动是指电动机启动时，把定子绕组接成星形(Y)，以降低启动电压，限制启动电流；待电动机启动后，再把定子绕组改接成三角形(△)，使电动机全压运行。电动机启动时，接成星形，加在每相定子绕组上的启动电压只有三角形接法直接启动时的1/√3，即57%的额定电压，启动电流为直接采用三角形接法时的1/3，启动转矩也只有三角形接法直接启动时的1/3。从上述可以得出，这种降压启动方法满足中小型站的水泵机组启动要求。星形—三角形降压启动的最大优点是设备简单，易于维护，适应农村中小型泵站水泵机组的低压电动机启动。4.2自耦变压器降压启动的方法自耦变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压；待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运动。自耦变压器副边有2－3组抽头，如二次电压分别为原边电压的80%、60%、40%。自耦变压器降压启动优点：可以按允许的启动电流和所需的启动转矩来选择自耦变压器的不同抽头实现降压启动，而且不论电动机的定子绕组采用Y或△接法都可以使用。缺点：设备体积大，投资较贵。4.3软启动装置运用串接于电源与被控电动机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电动机全电压，即为软起动。在软起动过程中，电动机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动有多种启动特性，如斜坡升压软起动、斜坡恒流软起动、阶跃起动、脉冲冲击起动等。启动电压、电流及其时间可调。适应面很宽，但与其它启动设备相比，技术复杂，对于面向农村的中小型泵站来说，其使用受到管理维护能力的限制。综上所述，几种常用的降压启动方式均能满足中小型泵站水泵机组电动机的启动要求，但中小型泵站主要由农村乡镇或村组管理，技术力量有限，要求设备简单可靠，易于维护检修。泵站用于排涝和灌溉，常见的运行方式时大部分时间不运行，少有维护，但一旦有灾情，要及时投入运行，因而也要求设备简单可靠，易于维护检修。上述几种降压启动方式中，星/三角降压启动方式最简单、投资最少、易于维护和修理；自耦变压器降压启动方式次之；软启动方式则对维护管理水平要求最高。故此，作者认为，优先常用直接启动方式，若直接启动不能满足电压降要求，需要采用降压启动，则优先采用星/三角启动方式。