建筑消防设施中电机的启动方式研究

牛运晨 冯春勇 李森

摘要：随着城市发展的加快，越来越多的复杂建筑、高层建筑涌现出来，给消防救援带来了较大的压力，对建筑中现有消防设备的可靠性提出了较高的要求。本文对建筑消防设施中电机的启动方式进行研究，从电机的启动方式出发，结合现有的规范和实际消防要求进行分析，从而得出适合建筑消防设施电机的启动方式，为设计人员提供技术指导。

关键词：电机; 启动方式; 消防; 泵; 风机

1   引言

近年来由于城市规模的快速扩大以及大量复杂结构建筑的大量涌现使火场救援更加困难，对建筑内现有的消防设施的可靠性进行加强就更加重要。由于电机的启动方式多种多样，相对其他设施而言带有电机的启动尤为特殊，目前建筑消防设施中使用电机的设备主要有消防泵和消防风机，而消防泵和消防风机是建筑消防设施的重要组成部分，其电机能否正常启动决定着建筑火灾能否及时得到控制，因此对其电机的启动方式进行研究尤为重要。

2   电机的常用启动方式

2.1  直接全压启动

三相异步电动机直接全压启动，启动电流倍数为kI=Ist/IN=4～7，启动时n=0，s=1，其中n为转速，s为转差率，转子电动势增大，所以转子电流也会增大，根据磁动势平衡关系，定子电流也必然增大，所以启动电流很大，同时也增大了启动转矩。由于启动电流很大，对电动机本身和电网都有很大影响。因此当满足下列经验公式时，电动机便可以采用直接全压启动：

直接全压启动的特点如下：

（1）启动转矩较小，只能达到额定转矩的1.5倍;

（2）启动电流较大，为额定电流的5-8倍，会产生非常大的涌浪冲击;

（3）结构简单，无须其他辅助设备，可靠性高，成本低。

2.2  星-三角降压启动

星形-三角形降压启动是一种降压启动方式，适用于定子绕组为三角形联结的电动机。当电动机启动时，通过星形联结将每个绕组上的电压降至额定电压的，实现降压启动。当电动机转速接近额定转速时，切换到三角形联结方式上，使电动机在全压模式下进行工作。由转矩与电压的平方成正比得，启动转矩为直接启动时的1/3。这种方式造价相对低廉，但启动转矩较小。星-三角启动的特点如下：

（1）可以有效限制启动电流，通常启动电流仅为额定电流的2倍;

（2）星型联结和三角联结切换的瞬间会产生较大的冲击电流，以及弧光造成短路，易损害设备;

（3）启动转矩仅为额定转矩的1/3倍，启动转矩较小，多用于空载或轻载启动;

（4）启动操作方便，设备简单。

2.3  自耦变压器降压启动

自耦变压器降压启动时，利用自耦变压器电路将电压降低后再加载到电动机定子绕组上，以达到减小启动电流的目的。

自耦变压器启动特点为：

（1）启动电流比较小，一般为额定电流的2-4倍;

（2）适用于容量较大的低压电机中，可以获得较大的启动转矩;

（3）设备笨重复杂，维护困难;

（4）能够实现有级调速;

2.4  软启动

软启动是一种利用电力电子技术，采取小电流控制大电流的方式，相对于直接启动方式和降压启动方式，软启动具有明显优势：操作方便、可反馈闭环控制、平滑性好。软启动采用六组晶闸管构成三相无中线交流电路进行调压。通过微控制器，根据移相控制原理，改变晶闸管导通角导通时间来控制电流相位角，从而起到增大电压减少电流的效果，进而获得良好的启动性能。其最主要的特点如下：

（1）冲击电流较小。软启动器在启动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机启动电流从零线性上升至设定值，启动过程平稳。

（2）软启动器带有闭环电流控制环节，电流平稳、电压上升斜率和启动时间均可调。

（3）可根据负载大小，无极调控启动电流。

2.5  变频器启动

变频启动的工作原理是将电源通过整流电路变为直流，进行滤波变频后再通过逆变电路将电流转化为交流。通过改变初始电源频率，从而让异步电机的转速逐渐上升。一般变频器都采用PWM（脉宽调制技术），利用晶闸管变流技术，达到改变电源频率效果，其主要特点如下：

（1）使用变频器能通过改变频率可快速调整电动机的正、反转;

（2）变频器本身具有过流、过压、欠压、过载等保护电流，电动机无须再安装保护开关等设备，减小了成本;

（3）可进行高速运转，运行平稳;

（4）克服了直接启动和降压启动无法无极变速的缺点。

3   消防泵和消防风机的电机启动方式

3.1  全壓启动适用性分析

3.1.1  规范要求

消防给水及消火栓系统技术规范（GB50974-2014）规定，消防水泵控制柜应设置机械应急启泵功能，并应保证在控制柜内的控制线路发生故障时，能手动启动消防水泵。其条文解释为：若因继电器故障，而无法采用电信号自动或手动启动消防泵及风机时则需要机械装置进行应急启动。在紧急情况下，扳动机械式应急启动手柄，强行闭合主回路接触器，进行全压启动。

消防给水及消火栓系统技术规范（GB50974-2014）规定在任何状态下，消防控制中心应能直接手动启动和停止各风机，发生火灾时，现场模块能直接自动启动和停止各风机。

虽然直接全压启动存在着许多不足之处，但因为这种启动方式结构非常简单，因此它可靠性是最高的，这在消防中是非常重要的，可靠、稳定高于一切。因此直接全压启动在建筑消防设施中电机的启动具有广泛的应用。

3.1.2  在消防中使用注意事项

（1）为了保证消防泵和消防风机的直接全压启动，以及紧急启动时依靠机械方式启动，所有电气设备均需按照电机全压启动要求进行设计;

（2）在设计时，对于为消防泵和消防风机等消防设备提供备用电源的柴油发电机组的容量选择时，应按照经验公式，选用柴油发电机组的容量。以确保火灾发生时主电路被切断，柴油备用电机依然可以为消防泵和风机提供全压直接启动的条件。

3.2  星-三角降压启动适用性分析

3.2.1  在消防中使用注意事项

消防泵、喷淋泵、正压送风机、排烟风机电动机的启动方式均应优先选用直接全压启动方式，但是当消防泵和消防风机的电动机功率较大时，线路在启动的一刻启动电流较大，若都使用直接全压启动可能会导致配电母线电压低于系统标称电压的85%，这时就应该考虑其他启动方式。采用星-三角降压启动的方式是解决电动机启动时配电母线电压降较大问题的良好途径。

3.3  自耦变压器降压启动适用性分析

3.3.1  在消防中使用注意事项

自耦变压器降压启动时，电路不能频繁操作。若启动失败则会产生较大的启动电流。为了避免电流过大造成自耦变压器的绝缘性能被破坏，需要等待4min后才可以二次启动，若二次启动仍然不成功则需要停电4h以后才能进行启动工作。消防给水及消火栓系统技术规范（GB50974-2014）规定消防泵在报警后5min内应正常启动。所以电机的启动速度应快、可靠，一次启动失败后应能快速进行再次启动。由于自耦变压器降压启动方式连续启动间隔时间较长，因此在消防中一般不建议采用。

3.4  软启动适用性分析

目前规范中虽然未对软启動这种电机启动方式进行详细的规定，但无论是消防风机还是消防泵均使用于危急时刻，最重要的作用是灭火救援，电机保护则为次要，所以其对启动时间要求较为苛刻，而软启动前要进行一系列的过压、欠压、过流等保护的检查工作，用时较长因此当采用软启动方式启动不适合建筑消防设施中的电机。

3.5  变频器启动适用性分析

《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-2013）规定“水泵控制柜、风机控制柜等消防电气控制装置不应采用变频启动方式”。因此在目前建筑中的消防设施中电机是不能采用变频器启动的方式进行启动的。

4   总结

直接全压启动是最可靠的启动方式，规范要求在消防电机的启动中必须采用直接全压启动方式作为消防泵和消防风机电机的直接或备用启动方式;星-三角启动方式可以降低启动电流，降低电网的压力，成为直接全压启动的有效替换启动方式;自耦变压器启动因启动转矩较小，适合空载启动，对于消防泵须带水进入消防网这种有负载的电机，会延长其启动时间;软启动前的系列检查工作，也会延长启动时间，自耦启动和软启动都不利于消防救援;变频器启动按规范要求不允许使用。因此对于消防泵和消防风机这类在应急救援时使用的电机，最理想的启动方式就是全压启动和星型-三角型启动。

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基金项目：

国家自然科学基金青年基金资助项目（51504219）;

郑州轻工业学院校科研基金（2015XJJY001）。