软起动技术在水泵控制中的应用

软起动技术在水泵控制中的应用
摘要：介绍了井用潜水泵和电动机的起动方式及其不足，重点叙述了软起动技术的特点、工作原理和应用。

关键词：水泵电动机软起动技术
一、基本情况介绍
长庆油田分公司水电厂主要业务有供电供水、水电设备检修及生产抢险施工、多元经济等三大业务。

主要承担八个采油厂、三个采气厂、甲醇厂、第二输油处、第三输油处等单位的生产生活供电业务，第一采油厂和第二采油厂的生产供水业务。

91个生产站点分布在陕、甘、蒙三省区16个县域。

庆阳长庆水电工程有限责任公司是水电厂的改制单位，具有独立法人资格的股份制企业，致力于石油、化工等行业用泵的研究与制造。

公司拥有一批经验丰富，理论基础扎实的工程技术人员。

并和高等院校和行业研究院所进行广泛的联合。

已形成具有自己的特色系列产品。

在生产各类潜水电泵的基础上，又相继开发出了130ZTQ型整筒泵。

通过产品开发和产品研究，培养和造就了一批科技开发队伍，企业通过技术改造和技术引进，消化吸收国外先进技术，企业的产品设计水平、工艺水平、生产制造水平在国内同行中处于领先地位。

我公司在吸收了国内外先进技术的基础上，生产的130ZTQ型整筒荣获国家专利。

ZTQ系列泵采用无轴向力设计，在高扬程工况下不给潜水电机传递轴向力，大大的提高了使用寿命。

轴承为靠介质润滑动轴承。

出口为法兰或螺纹连接，泵轴采用花键和电机连接。

产品结构简单，维修方便，体积小，重量轻。

高效节能，寿命长，材质优良。

独特的平衡装置，使泵不产生向下的轴向力，从而延长了电机的寿命。

应用的范围广，防沙能力强。

由于泵上采用耐磨填充聚四氟乙烯减磨垫片，增加了泵抗磨性能。

可比普通潜水泵的抗沙能力，提高5倍以上。

电机外壳采用优质无缝钢管，可提高电机本身质量，增加寿命。

2008年向八个采油厂和其它油田单位销售500台/套，实现销售收入2500多万元。

成套产品主要有电机、保护器、气水分离器、离心泵等四部分组成。

电机为两极三相鼠笼式异步电动机，由定子、转子、轴承及接头等构成。

电机定子的铁心中均匀地分布着三相绕组，该绕组主要是为电机提供旋转磁场。

本厂还生产用于驱动潜入式螺杆泵的4极、6极电机。

电机转子主要是为电机提供电磁转矩。

电机中的轴承采用滑动轴承结构，它包括一个用于承载转子重量的止推轴承和多个径向轴承，径向轴承主要是保证电机定子和转子间保持一定的间隙以及转子轴的顺利转动。

电机联接接头主要用于电机同保护器连接及多节电机时串接使用。

电机内充满高纯度、高介电强度的润滑油，该油在电机中起到绝缘、润滑和传递热量的作用。

电机由于受到套管直径的限制，为了电机有足够的功率，电机呈细长型立式悬挂在油井中，根据电机功率的不同，电机长度随功率不同可以从几米到几十米长。

电机采用多节串接方式，按所需功率大小，分别制成上节电机、中节电机、下节电机，电机功率为多节电机功率之和，电压为多节电机电压之和，便于使用中选择。

电机定子绝缘结构有两种形式：绝缘漆、环氧树脂。

电动机绝缘等级最高可达到H级。

目前在50Hz的情况下，电机114系列最大功率可达185Kw，138系列最大功率可达240Kw，143系列最大功率可达280Kw,195系列最大功率可达450Kw。

电压为380V.95系列最大7.5KW。

二、电动机起动的现状
三相型异步电动机因其具有结构简单、运行可靠、维修方便、惯性小、价格便宜等诸多优点，在油井中作为电能转化为机械能的主要动力设备而被广泛采用。

但由于其起动电流大，对电网的影响和对工作机械（如水泵、拍门等）的冲击力都很大，因而在起动过程中必须采取一些技术措施对起动电流和冲击力（起动电磁转矩）加以合理而有效的控制，实现比较稳定的起动，从而改善系统设备工况，有效延长系统寿命，减少故障率的发生。

异步电动机的起动问题，一直为业内人士所关注。

异步电动机的起动方式从原理上讲只有两种：直接起动和降压起动。

直接起动，就是将处于静止状态的电动机直接加上额定电压，使电动机在额定电压作用下直接完成起动过程。

直接起动转矩大，起动时间短，起动控制方式简单，设备投资少，因此在中小型电动机的起动上得到广泛的采用。

但直接起动方式也受到许多限制，主要表现在下列三个方面：
（1）起动电流可大到电动机额定电流的4～7倍，部分国产电动机的起动电流实际测量甚至高达8～12倍。

如果直接起动较大的电动机，过大的起动电流将造成电网电压显著下降，影响同一电网其它电气设备和电子设备的正常运行，严重时将使部分设备因电压过低而退出运行，甚至使电力线路继电保护装置过流保护动作而跳闸，使线路供电中断。

（2）直接起动会使被拖动的工作机械受到机械性冲击，对于水泵负载来说，过高的起动转矩对叶片、轴承、拍门等造成软性损伤（机械变形、疲劳性老化）及硬性损伤（裂纹、断裂等）是较为常见的，甚至会因水流对管道的冲击力（及
反作用力）过大而产生严重的水锤效应损坏设备。

（3）直接起动要求供电变压器容量较大，而对变电站供电的变压器容量往往达不到直接起动对电网容量的要求。

在不允许直接起动的情况下，就要采用降压起动的起动方式，即降低电动机端电压进行起动。

降压起动一般有星／三角起动，定子电路中串接电阻、电抗器起动，自耦变压器降压起动及本文主要介绍的软起动等方法。

1、星形／三角形起动器是降压起动器中结构最简单、成本最低的一种，然而它的性能受到限制，主要表现在：
（1）无法控制电流和转矩下降程度，这些值是固定的，为额定值的1／3。

（2）当起动器从星形接法切换到三角形接法时，通常会出现较大的电流和转矩变动。

这将引起机械和电气应力，导致经常性故障的发生。

2、自耦变压器式起动器比星形／三角形起动器提供了更多的控制手段，可以通过变压器抽头改变I段起动电压（典型为65％和80％两挡起动分接头）。

然而它的电压是分级升高的，所以其性能受如下限制：
（1）电压的阶跃性变化（分级转换时产生）引起较大的电流和转矩变动，同星形／三角形起动器性能限制“2”一样会导致机械、电气经常性故障的发生。

（2）有限的输出电压种类（起动电压分接头数量有限），限制了理想起动电流的选择。

因为自耦变压器式起动器控制是使用较额定电压低的电压级别进行降压起动，它控制的电机参数为电压而非电流，所以当电网电压波动及负载变化时，起动电流曲线将显著偏离设计理想曲线，从而恶化起动性能，设备在较差的工况下将大大缩短使用寿命，增加维护成本。

3、电阻式起动器也能提供比星形／三角形起动器更好的起动控制。

然而它同样有一些性能、使用上的限制，包括：
（1）起动特性很难优化。

原因是制造起动器时电阻值是确定的，在使用中很难改变，虽然可以通过转换分接头来进行分级起动，但当级数较多时，势必增加控制系统的复杂性，而制造成本、故障率也将随之大幅度提高，所以一般电阻式起动器均在2～5级间。

这样，加在电动机定子绕组上的电压、电流等主要电量参数在分级起动时仍有很大的波动。

（2）频繁起动场合下的起动特性不好。

原因是在起动过程中电阻值会随着电阻的温度变化，在停止到再起动过程中需经长时间冷却过程。

（3）负载较大或起动时间较长的场合下的运行特性变坏，原因是电阻值随着电阻器温度的变化而变化。

（4）在负载大小经常变化的应用场合（如水位落差变化较大），电阻式起动器不能提供理想的起动效果。

综上所述，传统的降压起动设备均有诸多性能限制和使用限制，越来越难以适应不断发展的电动机复杂使用场合的起动需要。

三、软启动介绍
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新颖电机控制装置，称为SOFTSTARTER。

它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。

运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。

1．运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升,直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。

软起动一般有下面几种起动方式。

（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，电流上升变化的速度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。

该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载起动。

（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，让晶闸管在极短时间内，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。

该起动方式，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。

2．笼型电机传统的减压起动方式有Y-△起动、自耦减压起动、电抗器起动等。

这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。

软起动与传统减压起动方式的不同之处是：
（1）无冲击电流：软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。

（2）恒流起动：软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。

（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。

3、控制功能：
控制装置（内选JR1-3型或JR1-4型软起动器）设有起动、停止按钮及运行、停止、故障指示。

装置内设有远控接点，远控接点包括起动、停止输入接点，运行指示输出接点，故障输出接点（均为无源继电器接点）。

具有短路保护、过载保护、过热保护、过流、输入缺相，输出断相保护功能。

四、软起动技术的工作原理
软启动技术结合了电力电子技术、自动控制技术和单片机技术，是专为三相异步电动机设计的一种全数字智能化启动设备。

其基本原理是通过对功率器件即可控硅的控制而实现对电动机的启动和停止，采用电压斜率的工作原理，控制输出给电动机的电压从可整定的初始值经过可整定的斜率时间上升到供电电网全压。

因此降低了对电动机电源的容量要求，并减少对供电电网的影响和机械传动的冲击。

软启动技术采用三相反向并联的晶闸管作为调压器，将其接人电源和电动机定子之间。

这种电路类似三相全控桥式整流电路，软启动器主要由3部分组成，主回路由6只晶闸管组成，以实现对交流三相电源进行斩波，控制电压幅度输出给电动机；控制和保护电路包括微控制器电路、光电隔离电路、过零检测电路、可控硅触发电路、电流检测电路、温度检测电路等，是软启动器的核心部分，控制晶闸管的导通和关闭，从而完成对电动机的启动和停车的理想化的控制；人机界面单元实现用户的参数设置、显示设备的运行状态等，给用户提供简单易用的人机界面。

使用软启动器启动电动机时，软启动器控制其内部晶闸管的导通角，使电动机输人电压从零开始以预设的函数关系逐渐上升，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通。

SCR软启动器在设计上采用了电流电压矢量传感动态监控技术，不改变电动机原有的运行特性。

同时采用锁相环技术和单片机，根据压控振荡器锁定三相同步信号的逻辑关系构成一种可控硅触发系统，控制输出脉冲的移相。

通过对电流的检测，控制输出电压按一定线性加至全压，限制启动电流，实现电动机的软启动。

五、软起动技术的应用
用软起动器组成软起动控制系统可以采取两种型式：在线式控制软起动系统和旁路切换式软起动系统。

在线式控制软起动系统采取“一带一”方式，即每一台负载电动机的起动由相应的软起动器来完成，选用长期工作制的软起动器，可以对电动机实现起动—运行—停止的全过程控制，并且主接线及控制系统均很简捷。

旁路切换式软起动系统是多台电动机共用同一台软起动器。

当一台电动机起动完成后，旁路接触器吸合将电动机转为电网供电脱开软起动器直接运行，这样软起动器在完成一台电动机的起动后可以再控制另一台电动机的起动。

旁路切换式软起动系统在控制电动机台数较多时可以大大降低系统成本，而且软起动器均工作在短时工作制，可以大大降低软起动器的故障率，唯一不足的是增加了主接线及整个系统的复杂性。

随着科技水平的发展，对电动机的控制机理和技术指要求越来越高，传统的降压起动设备已无法满足各行业的需要。

近年来，随着软起动设备逐步国产化，和长庆油田公司“四化”（市场化运作、数字化管理、标准化设计和模块化建设）的实施，以及服务保障油气生产工作的需求，将使软起动技术的应用成为今后我们的主流，并将最终取代传统的起动方式，在水泵控制上得到全面的推广应用。