水泵与风机起动方式的选择

水泵与风机起动方式的选择
2003-4-9
摘要文章阐述了笼型感应电动机全压起动的优点，用简便计算及列表方法表示全压起动时配电系统的压降，并对全压起动和各种降压起动的特点进行分析比较，以便选择，同时对风机、水泵的起动转矩作了简要分析。

关键词笼型感应电动机全压起动星三角换接起动自耦变压器降压起动起
动电流起动转矩
工业与民用建筑中的水泵与风机常采用笼型感应电动机拖动，恰当的选择其起动方式，具有重要的意义。

笼型感应电动机的起动方式分为全压起动、降压起动、变频起动等，现对各种起动方式的特点进行简要分析，以利选择。

1 全压起动
1.1 全压起动的优点及允许全压起动的条件
全压起动是最好的起动方式之一，它是将电动机的定子绕组直接接入额定电压起动，因此也称为直接起动。

全压起动具有起动转矩大、起动时间短、起动设备简单、操作方便、易于维护、投资省、设备故障率低等优点。

为了能够利用这些优点，目前设计制造的笼型感应电动机都按全压起动时的冲击力矩与发热条件来考虑其机械强度与热稳定性。

所以，只要被拖动的设备能够承受全压起动的冲击力矩，起动引起的压降不超过允许值，就应该选择全压起动的方式。

有人误认为降压起动比全压起动好，将15kW～75kW的电动机未经计算就采用了降压起动方式，因而降低了起动转矩，延长了起动时间，使电动机发热更加严重，且设备复杂，投资增加，这是一个误区，应当引起重视。

尤其是消防泵等应急设备希望起动快，故障少，凡能采用全压起动者，均不应采用降压起动。

全压起动的缺点是起动电流大，笼型感应电动机的起动电流一般为额定电流的4～7倍，如果电动机的功率较大，达到可与为其供电的变压器容量相比拟时，电动机的起动电流将会引起配电系统的电压显著下降，影响接在同一台变压器或同一条供电线路上的其他电气设备的正常工作，因此在设计规范中，对电动机起动引起配电系统的压降有明确规定。

JGJ/T16－92《民用建筑电气设计规范》(以下简称《规范》)第10.2.1.1条规定：“交流电动机起动时，其端子上的计算电压应符合下列要求：
(1)电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90％，电动机不频繁起动时，不宜低于额定电压的85％。

(2)电动机不与照明或其他对电压波动敏感的负荷合用变压器，且不频繁起动时，不应低于额定电压的80％。

(3)当电动机由单独的变压器供电时，其允许值应按机械要求的起动转矩确定。

对于低压电动机，还应保证接触器线圈的电压不低于释放电压。

”
对于自设变压器的高压用户，较容易满足上述电压波动值的限制，很可能允许全压起
动，这正是本文要讨论的主要问题之一。

需要注意的是，《规范》中规定的电压是电动机端子上的计算电压，其真正目的却是为了限制电动机起动时配电系统的电压降，以免影响其他设备的运行。

过去曾规定“电源母线”电压波动值，由于“母线”的含义对于多级配电系统来说，其位置不太明确，设计者不易掌握。

现规定电动机端子电压，既易满足配电系统的要求，又顾及到了相同条件下的其他电动机。

《规范》规定电动机端子上的计算电压，实际上是配电系统电压的参考点。

随着配电变压器容量的不断增大，电动机的起动电流占变压器额定电流的比例越来越小，电动机起动时引起的压降也越来越小，采用全压起动的电动机也就越来越多。

1.2 电动机起动时的压降及允许全压起动的电动机最大功率
为控制电动机起动时配电系统的压降，需要进行压降的分析与计算。

如果电动机的电源是从变电所低压柜以专线放射式引来，电动机起动引起配电系统的压降就接近变压器出线端的压降，而影响此压降的主要因素是变压器的内阻抗，其表现形式是变压器的阻抗电压百分数μk％。

根据电动机的起动电流、变压器容量及其阻抗电压百分数，可以估算电动机起动时配电系统的压降，以便预估电动机是否可以全压起动，可按下式估算：Ｕst=((Kmst*Pm+Pa)/Stn) Uk%
(1)
式中：ΔUSt——电动机起动时配电系统的压降百分数；
Kmst——电动机起动电流倍数(起动电流与额定电流之比)；
Pm——电动机额定功率(kW)；
Pa——变压器带的其他负荷(kW)；
Stn——变压器的额定容量(kVA)；
μ k％——变压器阻抗电压百分数。

(1)式称作估算，是因为忽略了一些次要的因素，如母线及开关上的压降等，而且将有功功率与视在功率混算，有误差，但误差很小，能够满足工程设计的精度要求。

假设Kmst=7,Pa=0.7S tn,μ k％=4.5,代入(1)式并移项得Pm/Stn=(Ust-3.15)/31.5
(2)
为了满足《规范》第10.2.1.1条的要求，将电动机端子上的计算电压推算到母线上，又顾及变压器电动机组的起动方式，再设ΔUst=7、10、12、15、30，代入(2)式，计算结果见表1。

配电系统压降百分数 7 10 12 15 *30
电动机额定功率/变压器额定容量 0.122 0.217 0.281 0.376 0.852
为了更直观地看出不同变压器容量允许全压起动的最大电动机功率，并考虑到母线及开关上的压降等因素，6(10)/0.4kV变压器允许全压起动的笼型感应电动机最大的功率见表2。

变压器供电的其他负荷及功率因数起动时的电压降供电变压器的容量Stn(KVA)
100 125 160 180 200 250 315 400 500 560 630 750 800 1000
起动笼型感应电动机的最大功率Pm(KW)
Sa=0.5Stn
cos=0.7
10* 22 30 30 37 37 55 75 90 110 115 135 155 180 215
15* 30 37 55 55 75 90 100 155 185 185 225 240 260 280
20 37 55 75 75 90 100 155 185 225 260 280 320 340 400
Sa=0.6Stn
cos=0.8
10* 18.5 22 30 30 37 55 75 90 110 115 135 135 155 185
15* 30 30 55 55 75 90 100 155 185 185 225 240 260 280
《给排水设计手册》(第8册)中按电源容量列出了允许直接起动的笼型电动机功率，见表3。

电源允许直接起动的笼型电动机最大功率（KW）
小容量发电厂每1KVA发电机容量为0.1-0.12KW
变电所经常起动时，不大于变压器容量的20%
偶尔起动时，不大于变压器容量的30%
高压电源不超过电动机连接线路上的短路容量的3%
变压器-电动机组电动机容量不大于变压器容量的80%
根据表1～表3的数据，可以看出允许全压起动的笼型感应电动机的最大功率。

如果电源容量不够大，不允许全压起动，则要改选更大容量的变压器或采用降压起动。

1.3 由城市低压电网供电的电动机允许全压起动的最大功率
如果电动机的电源是与其他负荷共用一条线路，树干式配电引来，需要考虑电动机起动时的压降对其他负荷的影响，进行压降计算，如果不满足要求，则要加大供电线路的截面或采用降压起动。

由城市低压电网供电的电动机大多都属于这种情况，但因电源线路的情况难以了解，不易计算，所以《规范》第10.2.1.5条规定：“由城市低压网络直接受电的场合，电动机允许全电压起动的容量应与地区供电部门的规定相协调。

如当地供电部门对允许笼型感应电动机全压起动容量无明确规定时，可按下述条件确定：
(1)由公用低压电网供电时，容量在11kW及以下者，可全压起动；
(2)由居住小区变电所低压配电装置供电时，容量在15kW及以下者可以全压起动。

”
2 降压起动
当电动机全压起动将引起配电系统的压降过大，或者在某种情况下规范不允许采用全压起动时，可采用降压起动。

根据电动机起动电流与其端电压成正比的关系，采用降低电动机端电压的办法来减小起动电流，从而减小配电系统的压降，简称降压起动。

降压起动的方法较多，有星三角换接、自耦变压器降压、变压器－电动机组、延边三角形换接、串电抗器或电阻器降压等。

对于中小型电动机，采用星三角换接或自耦变压器降压的较多。

2.1 串电抗器降压起动
因为电动机的起动转矩与端子电压的平方成正比，在降低电动机端子电压的同时，更显著地降低了它的起动转矩。

若电动机的电压(电流)下降到原来的1/c时，起动转矩便下降到原来的1/c 2。

在电动机定子回路中串入电抗器降压起动的方法就是如此。

虽然起动电流有所减小，但其起动转矩小得更多，使起动时间延长，电动机发热更严重。

如果被拖动的负载阻转矩较大，甚至会起动不起来，所以这种方法不够好，在低压系统中很少采用。

2.2 自耦变压器降压起动
自耦变压器降压起动是将其原边接供电电源，副边(即原边的一部分)接到电动机定子绕组上，待电动机起动到转速基本稳定时，再切除自耦变压器，将电动机定子绕组直接接入供电电源，电动机在全电压运转。

这种起动方法对电动机本身来说，降低了电动机的起动电压和起动电流，仍符合电流与电压成正比，转矩与电压的平方成正比这个规律。

假若自耦变压器的抽头变比为1∶2，则电动机的起动电压和电流都降到全压起动的一半，起动转矩降低到全压起动的1/4。

但是，需要强调的是此时配电线路中的电流(即自耦变压器原边的电流)比电动机中的电流(即自耦变压器副边的电流)又小了一半，这样配电线路中的电流也下降到全压起动的1/4，即这种起动方式显著地降低了配电系统中的电流和压降。

一般来说，采用自耦变压器降压起动，电动机的端子电压下降到额定电压的K倍时(K为自耦变压器抽头变比，其值小于1)，电动机的起动转矩与配电系统中的电流均下降到额定电压时的K2倍。

可见，在起动转矩相同的情况下，采用自耦变压器降压比电抗器降压更有效的减小了配电线路的电流和压降。

2.3 星三角换接降压起动
星三角换接起动是先将电动机的定子绕组接成星形起动，待电动机转速基本稳定时，再换接成三角形转入正常运行。

星形连接同三角形连接相比，电动机绕组的端子电压和绕组中的电流降低到1 / ，电动机的转矩降低到( 1 / )2，即1/3。

电动机星形连接时，绕组中的电流即配电系统中的电流。

三角形连接时，电动机绕组中的电流是相电流，而配电系统中的电流是线电流，相电流是线电流的1/。

这样，电动机的星形连接与三角形连接相比，其起动电流对配电系统而言下降了。

所以，电动机星三角换接的起动方式，其端子电压、绕组中的电流、电动机的转矩、配电系统中的电流(电压降)，四者的大小关系均相当于 1 ∶的自耦变压器降压的起动方式，只是这个比例是固定不变的。

自耦变压
器可以换接抽头来改变其变化，从而可以根据配电系统中的压降限制及负载的转矩要求，选择自耦变压器与电动机连接的抽头，比星三角换接灵活。

3 其他起动方式
3.1 变频起动
变频起动是在变频调速系统中，用逐步提高电动机定子绕组的供电频率来提高电动机的速度。

这种起动方式也降低了电动机的端子电压和起动电流。

因为变频调速改变了异步电动机的同步转速，保持了电动机的硬机械特性，与其他起动方式相比，起动电流小而起动转矩大，对设备无冲击力矩，对电网无冲击电流，既不影响其他设备的运行，又有最理想的起动特性。

但是，这种起动方式设备复杂，价格昂贵，在不需要变频调速的场合，如无特殊要求，只是为了得到良好的起动特性而装设变频设备是不合适的。

只有在变频调速系统中，才采用变频起动。

近年来，在采用变频调速的恒压供水系统、变风量系统中，其水泵、风机都是变频起动的。

3.2 化整为零的起动方式
一台大型设备，采用多台小电动机拖动，例如某些大型冷水机组，就是由多台小电动机拖动，每台小电动机单独起动，其起动电流与机组总容量比就显得很小，减小了对配电系统的影响。

此外，在给排水系统中，采用多台泵组成一个给水系统，既减缓了给水系统的流量扬程特性曲线(对水路管网有利)，又减小了水泵的起动电流(对配电系统有利)。

4 各种起动方式的比较
笼型感应电动机各种起动方式的特点见表4。

起动方式全压自耦变压器降压星三角换接变频
电动机端子电压 Un KUn Un 0-Un
电动机绕组中的电流Ist KIst 1/√3Ist 0-In
电动机的起动转矩 Mst K2Mst 1/3Mst 0-Mn
配电系统总的电流 Ist K2Ist 1/3Ist 0-In
优缺点及应用范围概述起动电流大起动电流小起动电流小起动电流小
起动转矩大起动转矩较大起动转矩小起动转矩大
能频繁起动不能频繁起动能频繁起动能频繁起动
投资最省价格较高投资较省价格昂贵
应用最广泛应用较广应用较广设备复杂
5 水泵起动方式选择
民用与一般工业建筑的水泵，多为笼型感应电动机拖动的离心泵。

它的起动也是要求电动机的起动转矩大于阻转矩，且配电系统的电压降不超过允许值。

水泵起动的阻转矩主要是由水的静压、惯性、管道阻力、水泵的机械惯性和静动摩擦等构成。

水的阻力、水泵的机械惯性阻力均与水泵的转速、加速度及叶轮直径有关，速度低时阻力小。

因水泵的叶轮直径不大，机械惯性小，起动阻力小。

水的静压阻力与扬程有关，水泵起动之初，由于水管中止回阀的作用，静压与静摩擦不同时起作用，有利于起动。

综上所述，水泵的起动阻力矩较小，一般为额定阻转矩的30％，属于轻载起动。

一般Y系列笼型感应电动机全压起动时的电磁转矩，均大于额定转矩。

当电动机采用全压起动时，其起动转矩远大于水泵的阻转矩，起动较快。

只有采用降压起动时，才需研究电动机的起动转矩的大小。

例如，采用星三角换接方式起动，电动机的起动转矩为全压起动的1/3，仍可满足水泵的起动阻转矩要求。

5.1 消防泵的起动
消防泵起动时引起的配电系统电压波动也必须在规范允许的范围内。

消防泵属于不频繁起动，按前面引述的《规范》要求，电动机起动时，其端子上的计算电压不低于额定电压的85％；当其不与照明或其他对电压波动敏感的负荷合用变压器时，电动机起动时端子上的计算电压不应低于额定电压的80％。

这个规定值是为了保证与消防泵合用供电变压器的其他电动机，在相同条件(端子电压)下的最大转矩不小于额定转矩。

按电动机制造的国家标准，GB755－87《旋转电机基本技术要求》第7.2条规定，三相异步电动机的最大转矩不小于额定转矩的1.6倍，若电动机的端子电压为额定电压的0.8倍时，其最大转矩为额定的0.82×1.6=1.024倍。

因此，80％的额定电压保证了正在运转的电动机的转矩不小于其额定转矩，不影响其正常运行。

5.2 生活给水及其他用途水泵的起动
生活给水泵起动比较频繁，起动时电动机端子上的计算电压，不宜低于额定电压的90％。

因为生活给水泵的容量一般不大，对于自设变压器的高压用户来说，大多数可以全压起动。

由城市公用电网供电或由很小容量的变压器供电时，可能要降压起动。

生活给水泵电动机采用星三角换接方式起动，设备简单，造价低，便于操作及维护，被广泛采用。

排水泵、热水循环泵、消防补压泵电动机功率一般也不大，通常采用全压起动。

6 风机的起动
民用与一般工业建筑中采用的风机，多数为笼型感应电动机拖动的离心风机(轴流风机)，其起动阻转矩与离心式水泵类似，阻转矩都与转速成正比，所以有的设计手册将离心式风机与水泵同样对待。

实际上，它们还是有区别的，把它们同样对待不尽合理。

因为，
风机与水泵的结构不同，对于高扬程水泵，有多级结构，叶轮直径小；而风机就很少有多级的，且叶轮直径大，其转动惯量比水泵的大得多，起动时的机械惯性阻转矩也大得多。

如果风机不关风阀起动，将因空气升能、管道阻力、摩擦阻力等因素，致使风机起动比水泵起动困难，起动加速的时间较长。

考虑到风机起动较困难的特点，在选择风机主电路的控制保护设备时需注意，其低压断路器的热脱扣器额定电流不可选得过紧，过载保护的热继电器要躲过起动电流。

当风机起动时间较长，如果选用双金属片式热继电器，则在风机起动时需将其短接，待起动完毕后再接入，以免在起动过程中热继电器过热断开，使风机的起动中断。

短接热继电器的方法，一般是设一组专门用于起动的接触器，起动完毕后断开这组接触器，这样使起动设备显得复杂，控制箱也加大，不是很理想。

近来，有的采用电子线路型热继电器，其动作电流和动作时间均可任意整定，可以躲过起动电流，省去了专门用于起动的接触器，简化了风机的起动电路。

综上所述，在选择笼型感应电动机的起动方式时，首先考虑选择全压起动，不得已时才采用降压起动等其他方式。

如果把可以采用全压起动的电动机，采用了降压起动，无疑是一种浪费，且增加了故障的可能。