给排水行业中常用交流低压电动机的启动、保护及控制

1启动方式

目前,给排水行业中所使用的电动机主要用于连续运行、负荷平稳、操作不频繁的场合,主要代表设备有水泵、风机、搅拌机、推流器、污泥泵、加药泵、脱水机等:另有少部分间隙运行、操作频繁的设备,如格栅、输送机、电动调节堰门、刮泥机、吸泥机等:还有一些短时运行的设备,如电动阀门、电动闸门、电动葫芦、起重机等。除起重机等少部分设备外,给排水行业一般用电设备采用的都是鼠笼式电动机。

给排水行业中的电动机应优先采用全压启动,但应满足以下3个条件:

(1）电动机启动时,配电母线上的电压符合相应规范规定:

(2）电动机本身允许全压启动:

(3）生产机械能够承受全压启动时的冲击转矩。

当不满足全压启动条件时,电动机需要采用降压启动或其他适当的启动方式。低压鼠笼式电动机常用的降压启动方式有星三角启动、电阻降压启动、自耦变压器降压启动、软启动器降压启动等。目前,给排水行业所采用的降压启动方式大多数是软启动器降压启动。相比其他的降压启动方式,软启动器有着很大的优越性:

(1）可对启动电流和转矩实现简单灵活的控制:

(2）可平滑地控制电压和电流:

(3）可实现人机对话并读取电压、电流及故障信息等:

(4）可实现现场总线通信:

(5）可采用软停止控制延长电机的减速时间:

(6）可为电动机提供更全面的保护。

使用软启动器降压启动的唯一缺陷就是成本较高,软启动器的价格比其他几种降压启动的价格要高得多。但随着经济实力的提高、软启动器功能的不断完善以及生产成本的下降,除部分消防设备外,使用软启动器启动将成为鼠笼式电动机降压启动的主流。

2保护及控制

电动机的保护往往与其拖动设备控制方式有一定关系,保护中通常有控制,控制中也带有保护。在一般情况下,除设备自带的保护(如绕组过热、轴承过热、渗水、漏油、过力矩等）之外,对于给排水行业中的三相交流低压电动机应装设过载保护、断相保护、短路保护和接地故障保护。

2.2全压启动时的主回路及控制回路

低压交流电动机的主回路一般要求具有隔离功能、控制功能、短路保护功能、过载保护功能、断相保护功能,目前主流的低压电动机全压启动主要有以下4种主回路接线方式:

(1）熔断器＋接触器＋热继电器:熔断器提供隔离功能和短路保护功能,接触器提供控制功能,热继电器提供过载保护功能和断相保护功能。

(2）普通断路器＋接触器＋热继电器:普通断路器提供隔离功能和短路保护功能,接触器提供控制功能,热继电器提供过载保护功能和断相保护功能。

(3）电动机保护型断路器＋接触器:电动机保护型断路器提供隔离功能、短路保护功能、过载保护功能和断相保护功能,接触器提供控制功能。

(4）一体化型电动机保护控制器:集隔离功能、控制功能、短路保护功能、过载保护功能、断相保护功能于一体。

给排水行业由于低压电动机功率范围较大,从0.37kW的电动阀门到250kW的风机水泵都有涉及,综合考虑各种因素,一般采用普通断路器+接触器+热继电器的主回路接线方式。

给排水行业中典型的电动机全压启动主回路和控制回路接线图如图1所示,主回路由断路器QF、接触器KM的常开主触点、热继电器KH的热元件组成,控制电路由启动按钮SB、停止按钮SBS、接触器KM线圈和常开辅助触点、热继电器KH的常闭触头以及其他一些转换开关、信号灯、中间继电器等组成。

2.2全压启动时保护电器的选择

2.2.1过载保护

给排水行业中,水泵、风机、搅拌器、推流器等大部分均为连续运行设备,宜装设过载保护,过载保护动作于断开电源。在图1中,电动机过载保护通过热继电器KH实现。电动机过载时KH动作,断开控制电路,接触器KM失电,切断主电路,电动机停转,从而实现过载保护。一般情况下,热继电器的整定电流应接近但不小于电动机的额定电流,同时需要考虑到保护的动作时限应躲过电动机正常启动时间。

2.2.2断相保护

给排水行业中的直接启动电动机一般都宜装设断相保护。实际工程中使用带断相保护功能的热继电器即能满足要求。

2.2.3短路保护

采用低压断路器作为短路保护元件。

（1）采用瞬动过电流脱扣器作为短路保护时,其整定电流应取电动机启动电流的2～2.5倍[2]:当整定电流不在此区间时,可以向上取值,但应满足末端短路跳闸的灵敏性要求。

（2）采用短延时过电流脱扣器作为短路保护时,其整定电流应不小于电动机的启动电流,延时时间不小于0.1s

（3）采用电动机保护型断路器或一体化保护控制器时,为躲过启动电流,其长延时过电流脱扣器在7.2倍整定电流下的动作时间,应大于电动机的实际启动时间。

2.2.4接地故障保护

当低压断路器的瞬动或短延时脱扣器整定值满足动作灵敏性要求时,应兼作接地故障保护。在TN-S系统中,因为相线一中性线短路故障的存在,低压断路器的整定值一般都能满足接地故障保护的要求,当不能满足要求时,可以选用带接地故障保护功能的低压断路器。

2.3全压启动时的控制原理

给排水行业中的设备一般都采用三地控制（就地箱手动、开关柜手动和PLC自动）。以图1为例,1SA、1SB、1SBS、1HR、1HG安装于就地箱,2SA、2SB、2SBS、2HR、2HG安装于开关柜,J为远程PLC无源触点。当选择开关1SA处于就地位置时,电动机只能由现场就地箱手动控制:当选择开关1SA处于远程位置、2SA处于开关柜位置时,电动机只能由开关柜手动控制:当选择开关1SA处于远程位置、2SA处于PLC位置时,电动机只能由远程PLC自动控制。由于1SA和2SA的设置,控制的优先级别为就地箱>开关柜>PLC。即使处于远程控制,但当巡检人员现场发现故障或紧急情况时,也可以通过1SA现场直接停机。

图1的控制原理比较简单,下面以就地箱手动控制为例分析其控制原理:

(1）启动电动机(按启动按钮1SB,接触器KM的吸引线圈得电,三对常开主触点闭合,将电动机M接入电源,电动机开始启动。同时,与1SB并联的KM的常开辅助触点闭合,即使松手断开1SB,吸引线圈KM通过其辅助触点也可以继续保持通电,维持吸合状态。凡是接触器利用自己的辅助触点来保持其线圈带电的,都称之为"自锁",这个触点称为"自锁触点"。由于KM的自锁作用,当松开1SB后,电动机M仍能继续启动,最后达到稳定运转。

(2）停止电动机(按停止按钮1SBS,接触器KM的线圈失电,其主触点和辅助触点均断开,电动机脱离电源,停止运转。这时,即使松开停止按钮,由于自锁触点断开,接触器KM线圈不会再通电,电动机不会自行启动。只有再次按下启动按钮1SB时,电动机方能再次启动运转。如果有其他故障保护,可以将故障保护的无源触点接入电动机启动回路,故障时就可以自动停机。

2.4软启动时的保护和控制

对于给排水行业中一些重要的55kW及以上较大功率水泵、风机等设备,一般采用软启动器启动。以ABB公司生产的PST软启动器为例,主回路接线图如图2所示,主要由低压断路器QF、软启动器PST、旁路接触器KM组成。

短路保护和接地故障保护由低压断路器QF提供,过载保护、断相保护由软启动器PST提供。此外,软启动器PST还提供大电流、欠载保护、相不平衡、反相保护等电动机的特殊保护,用户可根据需要自行选择上述保护。

采用软启动时的控制方式也为三地控制(就地控制箱、开关柜和PLC,控制原理和全压启动基本相同。

使用软启动器可以实现总线通信,可以迅速准确地将电动机运行的一些参数、故障信号输送至远方中控室内,实现远程监控。同时,为避免晶闸管等元件引起的损耗,回路中接入了旁路接触器KM(如使用PSTB型软启动器,其内部自带旁路接触器）,当电动机启动完毕后,旁路接触器闭合,但软启动器内置的保护功能仍然存在。对于给排水行业中的水泵,采用软启动器软停止可以避免水泵急停过程中产生的"水锤"效应,大大延长水泵的使用寿命。

3结语

交流电动机,一直被称作"工业的驮马",给排水行业中的主要电动机一旦出现故障,水厂、污水厂就得停产,会给人们生活造成重大影响。电动机的启动、保护和控制直接关系到电动机的运行成败与否,因此在相关工程中一定要认真做好这方面的工作,制订出既经济又安全的电动机配电和控制方案。