史 杰

（天津市排水管理事務(wù)中心，天津 300070）

排水泵站是城市重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，是整個(gè)排水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的中樞。雨水泵站在汛期防止城市內(nèi)澇、快速排除積水方面發(fā)揮著重要作用。每年天津市政府20項(xiàng)民心工程中都包括雨水泵站的建設(shè)。泵站分布的數(shù)量多少在某種程度上體現(xiàn)著政府對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施的重視程度。

水泵是泵站快速有效排除積水的高效機(jī)械工具。控制水泵運(yùn)行的軟啟動(dòng)柜，其核心元件軟啟動(dòng)器是高科技產(chǎn)品，是一種智能型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)備，在水泵控制系統(tǒng)中應(yīng)用已有十幾年時(shí)間，應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的自耦變壓器、星三角等降壓?jiǎn)?dòng)方式相比，軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)具有節(jié)能降耗、便于操控的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)啟動(dòng)方式啟動(dòng)電流不可調(diào)的缺陷，靠單片機(jī)控制晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)電壓從零平滑上升，使電壓、電流在一定范圍可調(diào)，達(dá)到正常啟動(dòng)減少?zèng)_擊的目的。

1 軟啟動(dòng)器功能特點(diǎn)和故障原因分析

1.1 軟啟動(dòng)器的工作原理

軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新型電機(jī)控制裝置。它將三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間，這種電路可以比作三相全控橋式整流電路。使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率。

軟啟動(dòng)器同時(shí)還具有軟停車功能。軟停車與軟啟動(dòng)過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。泵站中電機(jī)停機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)的控制方式都是通過瞬間停電完成的。軟啟動(dòng)器軟停車時(shí)，晶閘管在得到停機(jī)指令后，從全導(dǎo)通逐漸地減小導(dǎo)通角，經(jīng)過一定時(shí)間過渡到全關(guān)閉。停車的時(shí)間根據(jù)實(shí)際需要可在0～120 s調(diào)整。應(yīng)用軟停車技術(shù)可避免泵站的拍門損壞，減少維修費(fèi)用和維修工作量。

1.2 軟啟動(dòng)器的功能特點(diǎn)

（1）軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)可以控制電壓，以恒電流平滑漸進(jìn)加速啟動(dòng)電機(jī)，其最大尖峰電流是額定電流的2～3倍，可以有效控制保護(hù)外網(wǎng)電壓壓降，降低電網(wǎng)的諧波污染。

（2）軟啟動(dòng)器所附帶的軟停車功能有效地避免水泵停止時(shí)所產(chǎn)生的“水錘效應(yīng)”，保護(hù)水泵和管道及閥門，將“水錘效應(yīng)”造成的損壞降到最低點(diǎn)。

（3）軟啟動(dòng)器體積小、重量輕，性能優(yōu)良，安裝方便，易于操作控制，具有智能控制及多種保護(hù)功能，而且各項(xiàng)啟動(dòng)參數(shù)可根據(jù)不同負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，其負(fù)載適應(yīng)性很強(qiáng)。

（4）軟啟動(dòng)器是電子智能設(shè)備，可安裝模塊與互聯(lián)網(wǎng)接通，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)夭僮骱瓦h(yuǎn)程自動(dòng)控制起停車，將水泵啟動(dòng)運(yùn)行的各種參數(shù)傳輸?shù)娇刂浦行模瑢?shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制操作水泵運(yùn)行。

1.3 軟啟動(dòng)器的缺點(diǎn)

（1）軟啟動(dòng)器造價(jià)昂貴，沒有配件進(jìn)行維修。市場(chǎng)上和廠商售后不提供配件，損壞后必須購(gòu)置新軟啟動(dòng)器整機(jī)更換，提高維修成本費(fèi)用，給運(yùn)行成本核算控制管理帶來額外經(jīng)濟(jì)消耗。

（2）軟啟動(dòng)器運(yùn)行時(shí)間不能超長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)增加晶閘管熱損耗，縮短軟啟動(dòng)器使用壽命。運(yùn)行一定時(shí)間后，必須倒車運(yùn)行，不能頻繁使用。

（3）軟停車降低“水錘效應(yīng)”損壞，在理論上只適用于高層建筑供水的水泵系統(tǒng)。管道管徑細(xì)、長(zhǎng)度長(zhǎng)、彎度多，安裝有微阻緩閉止回閥，能降低“水錘效應(yīng)”。排水泵站中臥式混流泵出水管道短，中間安裝逆止閥和伸縮節(jié)，“水錘效應(yīng)”回流能量作用在逆止閥板上，泵軸自由降速，沒有力矩?fù)p耗，也能降低“水錘效應(yīng)”。實(shí)踐中，泵站常用的潛水軸流泵電機(jī)功率大，混凝土井筒直徑1.4 m，深度達(dá)到9～10 m。水泵停車后，軟啟動(dòng)器的軟停車降低“水錘效應(yīng)”的作用不明顯，不能有效避免“水錘效應(yīng)”的危害。

1.4 軟啟動(dòng)器故障原因分析

排水泵站大部分已采用軟啟動(dòng)柜控制水泵啟停車，提高了泵站運(yùn)行工作效率。在使用過程中也有一些問題出現(xiàn)，軟啟動(dòng)器使用較短時(shí)間就報(bào)故障損壞。雨水泵站只在汛期排水工作中才使用軟啟動(dòng)柜啟停車，但運(yùn)行不了2～3個(gè)汛期就損壞掉，不能再繼續(xù)使用，需要花費(fèi)巨資購(gòu)置新的軟啟動(dòng)器，或者選購(gòu)額定電流比原先大一級(jí)的新軟啟動(dòng)器安裝使用或者換另一品牌使用。市場(chǎng)上各種品牌的軟啟動(dòng)器在泵站中都有使用，有國(guó)產(chǎn)品牌也有進(jìn)口品牌，但更換新軟啟動(dòng)器使用不長(zhǎng)時(shí)間，繼續(xù)出現(xiàn)故障損壞，運(yùn)行效果不是很理想。

汛期中，若雨水泵站停止1臺(tái)水泵運(yùn)行，就極大地降低泵站收水范圍內(nèi)排水運(yùn)行效率和排除積水速度，延長(zhǎng)排除積水時(shí)間。同時(shí)，提高其他水泵啟停車的運(yùn)行頻率，增加人力物力投入和維修成本，給泵站運(yùn)行管理帶來較大的壓力。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，縮短軟啟動(dòng)器使用壽命的因素眾多，有泵站內(nèi)環(huán)境的影響，如潮濕、腐蝕、溫度、閑置、通風(fēng)散熱等客觀因素，但最主要的是停車時(shí)的“水錘效應(yīng)”。目前雨水泵站使用的都是潛水軸流泵，大功率水泵（90～310 kW）安裝在混凝土井筒底部，垂直結(jié)構(gòu)井筒直徑1.4 m，深度達(dá)9～10 m。水泵停車瞬間，井筒內(nèi)呈滿水狀態(tài)（此時(shí)拍門還沒有完全關(guān)閉，出水池中水倒流回井筒）。巨大水柱垂直向下并出現(xiàn)水躍產(chǎn)生巨大的能量，水的全部重量形成向下重力流體，其產(chǎn)生的慣性能量和壓力全部作用在水泵葉輪上。葉輪在水柱壓強(qiáng)的作用下，旋轉(zhuǎn)力矩方向發(fā)生改變，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)泵軸和電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，強(qiáng)大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。水泵電機(jī)像發(fā)電機(jī)一樣，輸出諧波不穩(wěn)定的脈沖電流，通過動(dòng)力電纜傳到軟啟動(dòng)器的下端端子，電流逆向擊穿晶閘管和沖爆其他電子元件，進(jìn)而導(dǎo)致軟啟動(dòng)器損壞。這些故障在多數(shù)雨水泵站汛期運(yùn)行中都出現(xiàn)過，每次停車時(shí)軟啟動(dòng)器屏幕上顯示出現(xiàn)從低點(diǎn)到高點(diǎn)的尖峰電流，就是“水錘效應(yīng)”導(dǎo)致的。

2 軟啟動(dòng)器保護(hù)可行性技術(shù)改進(jìn)研究

2.1 軟啟動(dòng)器保護(hù)可行性技術(shù)改進(jìn)方法

鑒于目前排水泵站在軟啟動(dòng)柜設(shè)計(jì)生產(chǎn)制作時(shí)，只考慮水泵的各種綜合控制保護(hù)（如過流、過壓、超溫、跑單相、啟動(dòng)頻率等），而沒有考慮軟啟動(dòng)器的外部控制保護(hù)，可以對(duì)水泵控制系統(tǒng)軟啟動(dòng)柜主、控制回路進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，以減小“水錘效應(yīng)”的危害。

以某雨水泵站135 kW軟啟動(dòng)柜為例進(jìn)行可行性技術(shù)改裝，原理如圖1所示。在控制主回路軟啟動(dòng)器下端安裝1個(gè)交流接觸器，交流接觸器額定電流選裝要比柜內(nèi)旁路交流接觸器大一級(jí)。在二次控制回路增加1個(gè)中間繼電器，中間繼電器常開點(diǎn)控制新裝交流接觸器線圈，線圈有電產(chǎn)生磁場(chǎng)，交流接觸器主觸頭動(dòng)作，水泵正常運(yùn)行。水泵停車時(shí)交流接觸器線圈斷電主觸頭動(dòng)作斷開，主回路上有明顯的斷開點(diǎn)，水泵電機(jī)輸出的脈沖電流沖擊交流接觸器的下端子，而不能沖擊到軟啟動(dòng)器的下端子，完成對(duì)軟啟動(dòng)器的保護(hù)。

2.2 改進(jìn)后軟啟動(dòng)柜工作原理

經(jīng)技術(shù)改進(jìn)后的原理如圖2所示，工作原理如下：合上主回路空氣開關(guān)Q1，主回路有電，再合上二次控制回路控制開關(guān)Q11、Q12，控制回路有電，轉(zhuǎn)換開關(guān)SW1撥到手動(dòng)位置、SW3撥到本地位置，將轉(zhuǎn)換開關(guān)SW2撥到就地啟動(dòng)位置，直流中間繼電器K1線圈得電動(dòng)作，K1常開點(diǎn)閉合，二次控制回路中軟啟動(dòng)器內(nèi)R1A點(diǎn)閉合，此時(shí)KM1交流接觸器線圈得電動(dòng)作，KM1主觸頭動(dòng)作閉合，同時(shí)二次控制回路加裝的中間繼電器K4線圈得電動(dòng)作，中間繼電器常開點(diǎn)動(dòng)作閉合，使KM2交流接觸器線圈得電動(dòng)作，KM2主觸頭動(dòng)作閉合，水泵電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)，電流平穩(wěn)上升，同時(shí)K3線圈得電，K3常開點(diǎn)閉合，柜內(nèi)排風(fēng)機(jī)運(yùn)行。經(jīng)過降壓?jiǎn)?dòng)一定時(shí)間后，水泵電流降到額定電流值時(shí)，軟啟動(dòng)器時(shí)間控制R2A點(diǎn)動(dòng)作閉合，旁路交流繼電器KM3線圈得電動(dòng)作，主觸頭動(dòng)作閉合，電機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。轉(zhuǎn)換開關(guān)SW2撥到停止位置，二次控制回路各元件線圈斷電，主觸頭斷電打開，水泵停車。此時(shí)，主回路上的KM2交流接觸器主觸頭斷開，發(fā)揮出作用，將水泵逆轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖電流斷開，保護(hù)了軟啟動(dòng)器。

圖1 某雨水泵站135 kW軟啟動(dòng)柜原理

圖2 改進(jìn)后的315 kW水泵軟啟動(dòng)柜控制原理

3 結(jié)語

交流接觸器和中間繼電器都是常規(guī)常用電器元件，市場(chǎng)價(jià)格便宜適中，但能起到保護(hù)功能大作用。軟啟動(dòng)器技術(shù)改進(jìn)在技術(shù)上并不復(fù)雜，安裝操作簡(jiǎn)單，但有待于實(shí)踐檢驗(yàn)。首先，可以在小功率且軟啟動(dòng)器損壞的軟啟動(dòng)柜上進(jìn)行試驗(yàn)改裝，觀察改裝后啟動(dòng)柜運(yùn)行效果。其次，收集軟啟動(dòng)器在技術(shù)改進(jìn)后各種技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行頻率、本體溫度等信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行總結(jié)論證。最后，得到具有可行性技術(shù)推廣應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果，就可以逐步推廣作為設(shè)計(jì)部門和生產(chǎn)廠商的參考依據(jù)。在泵站進(jìn)行軟啟動(dòng)柜維修改造時(shí)，建議由生產(chǎn)廠商在柜內(nèi)加裝交流接觸器，最大程度提高水泵軟啟動(dòng)柜的運(yùn)行效率，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，發(fā)揮出其應(yīng)有的功能價(jià)值。