基于ABB 软起动器在水泵供水系统中的研究与应用

吴海廉

广西中医药大学制药厂 广西南宁 530023

交流异步电动机以其优良的性能及无需维护的特点，在各行业中得到广泛应用[1]。由于电动机起动时产生Ie 的5～8 倍的启动电流，形成较大的冲击电流和起动应力，大大地降低了负载设备的使用寿命。在供水系统中，交流异步电动机是应用最广泛的电气设备之一。

1 概述

广西中医药大学制药厂生产用水是把市政供水管道引到低位水池，然后通过离心泵的作用把低位水池的水抽到高位水池。该水泵采用的是直接起动，也称全压起动，即起动设施通过接触器将电机直接接到电网上。该起动方式的优点是设备简单、起动速度快，但其危害也很大：电网受到冲击和起动电流都较大，加快绝缘老化，影响电机使用寿命；严重的机械冲击及过大的冲击力矩加速了联轴节等的损坏；停止过程中的流体压力突变产生水锤效应，泵系统管道、阀门将受到损伤，使用寿命会缩短，正常的过程控制也会受到影响。由于供水系统需要经常维修，以及存在缺点与不足。为确保供水系统能够安全使用，经商讨，认为应当从起动方式和停止方式这两个方面入手进行改进。然而在市场上比较流行用来改变交流异步电动机的起动和停止方式是变频器或者软起动器。变频器通过改变输出电压和频率实现改变异步电动机启动方式与停止方式，广泛应用于需要调速的场合；软起动器实质上是个电压调整器，在异步电动机起动时只对输出电压有改变但对频率并没有改变。虽然变频器集合了软起动器所具备的功能，但是其价格相对较昂贵、结构也比较复杂。而且因仅用于离心泵供水，无需改变频率。基于此，决定采用ABB PSTX 系列软起动器。

2 软起动器

2.1 工作原理

软起动器是一种将电动机软起动、软停车、轻载节能及多种保护功能融汇于一体的新式电机控制装备，国外称为Softstarters。它是由六个晶闸管组成，采用三相反并联的结构作为电压调节器，将其串接于电网与电动机定子之间，通过控制晶闸管触发角的大小，便可控制晶闸管调压电路输出电压的大小。这种电路实质上就是三相全控桥式整流电路，主电路图见图1[2]。电动机用软起动器起动时，晶闸管的导通角逐步增大，输出电压逐步升高，电动机转速逐步加速；晶闸管导通角完全导通时，电动机便工作在额定电压的机械特性上，完成平稳起动，可减少起动电流，防止起动过流而跳闸；电动机工作在额定转速时，此时起动过程完成，旁路接触器自动吸合替代晶闸管的工作。可减少晶闸管通电工作时的热损耗，延长使用时间，提升工作能力，避免谐波污染对电网造成的不良影响。软起动器同时还提供软停车功能。软停车与软起动过程相反，即晶闸管在从接收到停止指令时，晶闸管导通角根据设定时间逐渐减小，直到设定时间为零时完全关闭。软起动器可减少电机启动过程中对电网的冲击，减少对机械的磨损，可调启动电流和启动转矩，并且可对电机实现软停止，从而更好的保护电机和负载，是传统星三角、自耦降压启动器的最佳换代产品[3]。

图1 三相全控桥式整流电路的主电路图

2.2 主要作用及保护功能

软起动器主要应用于异步电动机的起动过程，通过降低起动电压和电流使电动机平稳可靠起动，避免因电网波动而影响同一电网其他用电设备的正常运行。防止因干扰引发继电保护误动作，从而降低起动时对设备的冲击力，减少对设备的损害，延长设备的使用寿命。

软起动器具有完善的保护功能，能够确保软起动器和异步电动机在安全的情况下使用，具体具有以下保护功能：EOL 电子式过载保护；子堵转保护；相保护；流电压不平衡保护；过压或欠压保护；接地故障保护；电压输出保护；外部温度传感器PT100、PTC 保护；功率因数欠载保护；电流欠载保护；过长电流限制保护；旁路开路保护；现场总线故障保护；扩张IO 故障保护；HMI 故障保护。

除了拥有上述保护功能之外，软起动器还具有完善的故障检测功能，比如缺相、高电流、低控制电源电压、电网、晶闸管过载、短路、并联、散热片过热、晶闸管开路等故障，大大减少了故障查找与检修时间。

2.3 软起动器的起停方式

软起动器主要用电压斜坡和力矩斜坡两种启停方式，如图2 和图3 所示。

图2 电压起动与停止斜坡

图3 转矩起动与停止斜坡

（1）电压起动斜坡：向软起动器发出起动信号时，软起动器会快把初始电压水平的电压快速提升到所设置的起始起动电压；随后会对起动斜坡期间的输出电压进行控制；当输出电压达到标称电压时，软起动器会关闭旁路。

（2）电压停止斜坡：向软起动器发出停止信号时，软起动器会在快速停止斜坡期间输出给电动机的电压从全压降到所设置的初始降压水平。当达到初始降压水平时，软起动器会在预设的停止降压时间内将输出电压控制在终止电压水平并停止向电动机输出电压。

（3）力矩起动斜坡：向软起动器发出起动信号时，软起动器会向所设置的启动斜坡初始水平快速升压；随后会控制输出电压，以使输出转矩在预设的时间内遵循预定义的最佳转矩曲线以达到100%的标称转矩；当输出电压达到100%标称电压（全压）时，软起动器会关闭旁路。

（4）力矩停止斜坡：向软起动器发出转矩停止斜坡时，软起动器会对输出到电动机的电压进行控制，以使力矩在停止期间按照计划好的最佳曲线从初始降压水平降到终止电压。

3 软起动器在供水泵中的应用

由于软起动器在电机控制系统中对电机的起动、运行状态、停止均能有效控制，并且在电机不需要调速的情况下，相对于变频器，软起动器既经济又实用。因此，近年软起动器在电机控制系统中的应用较为广泛，主要用于控制泵类和风机类负载。

3.1 起动方式的选择

由图2 和图3 可知，电压起动斜坡时间是指从起始电压（即设定电压）提升到标称电压所花费的时间；转矩起动斜坡时间是指发出起动信号（起始电压为0）到达到标称转矩（即标称电压，也叫全压）所需的时间。在实际应用中，软起动器达到全压状态所花费的实际时间还取决于电流，这就意味着达到全压所花费的时间可能会超过所设置的电压斜坡时间。基于此，根据泵的启动状态和负载特性，选择电压起动斜坡模式。

3.2 停止方式的选择

由图2 和图3 可知，电压停止斜坡停止降压时间为初始降压电压水平到终止电压的时间段。其终止电压由于液体依然存在惯性，在止回阀的作用下对管道还存在一定的影响；转矩停止斜坡降压电压从接到停止指令后，输出电压就以波浪形式降压，直到输出电压为零，对管道有较好的保护。基于此，选择转矩停止模式。

3.3 主要参数的设置

（1）启动参数的设置：由于电压起动斜坡模式相对比较单一，不具备电流闭环控制功能。只要调整晶闸管导通角与时间形成一定因变量关系增加，在电动机实际起动过程中，为避免起动电流损坏晶闸管，以及对电网的影响，初始起动电压与起动升压时间应视使用设备起停状况尽量放宽。

（2）停止参数的设置：由于转矩停止斜坡属于软停车功能，即晶闸管在接收到停止指令时，晶闸管导通角根据设定时间逐渐减小，直到设定时间为零时完全关闭的过程。这个过程可以根据楼层的高度及管道的长度，对停止终止电压与停止降压时间做出相应的设置。

4 实际效果

通过PSTX 软起动器在水泵供水系统的实际使用，表明该软起动器具有非常高的可靠性，以及完善的保护功能，能满足水泵供水系统的要求。主要体现在以下几个方面：

（1）软启动器投入使用后，起动电流明显降低，同电网内其他用电设备受到的影响程度也明显减少；

（2）采用电压起动斜坡，既保证水泵起动特性又实现平稳起动，不但对水泵及管件无冲击，而且供电可靠性和供水可靠性均得到提高；

（3）采用转矩停止斜坡，降低对机械的冲击，扼制水锤效应，延长水泵及其相关设备的使用寿命；

（4）多种起停模式及保护功能融于一体，传统起动设备的诸多弊端得到了根本性的解决，从而有效防止事故的发生。

5 结语

软起动器作为多种起停模式及保护功能融于一体的电动机启动装置，大大地改善了原来交流异步电动机直接起动对电网造成的冲击，以及对传动机械带来的损害，有效延长了传动机械的寿命，降低和扼制了供水系统中的“水锤”效应，是当前水泵交流异步电动机起动的首选产品。