基于PLC的礦井泵房自動(dòng)化設(shè)計(jì)

摘 要 文章 進(jìn)行了排水設(shè)備的選 型 設(shè) 計(jì)，然后根據(jù)排水控制的要求，進(jìn)行自動(dòng)控制方面的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用 列 并結(jié)合各種傳感器（主要為水位傳感器、負(fù)壓傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等），完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的控制功能。 本系統(tǒng)采用水泵及管路的“自動(dòng)輪換”工作制。又根據(jù)“避峰填谷”的原則確定開啟水泵臺(tái)數(shù)，以達(dá)到節(jié)省用電的目的。在就地 ，采用易控組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，做到有故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)并盡早處理。 用 就地 立聯(lián)系。 關(guān)鍵詞 ： 水系統(tǒng)、自動(dòng)控制 t on 7LC to in of to in of is by of in to On C,it to of of so be in to C on 錄 第一章 緒論 1 水系統(tǒng)概述 1 井生產(chǎn)過程中排水的重要性 1 井排水系統(tǒng)的組成部分 1 下排水系統(tǒng)存在的問題 3 水系統(tǒng)為何要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 3 國礦井主排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀 4 第二章 礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)的各種參數(shù)與檢測(cè) 4 倉水位的檢測(cè) 5 位傳感器介紹 5 位檢測(cè)裝置選擇 8 機(jī)即水泵溫度檢測(cè) 9 泵壓力檢測(cè) 10 水泵流量檢測(cè) 12 量檢測(cè)儀器的安裝 12 量計(jì)的要求 13 量檢測(cè)傳感器的使用 15 泵負(fù)壓檢測(cè) 15 第三章 基于 16 制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 16 于 礦井主排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 主 要特點(diǎn) 17 基本工作原理 20 址分配和實(shí)現(xiàn)控制功能 22 300 27 門子 32 第四章 礦井自動(dòng)主排水系統(tǒng)設(shè)備的選型設(shè)計(jì) 33 始數(shù)據(jù) 33 型設(shè)計(jì) 33 水設(shè)備 35 動(dòng)閥門 38 壓開關(guān)柜 40 第五章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 41 軟件設(shè)計(jì) 41 件流程圖 41 址分配 43 泵的自動(dòng)開啟、運(yùn)行、故障保護(hù)流行圖 45 程序設(shè)計(jì) 47 制系統(tǒng)上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì) 50 計(jì)要求 50 計(jì)內(nèi)容 51 位機(jī)與 通信 51 控主界面 53 警界面 55 第六章 如何使礦井主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)抗各種干擾 56 見的各種干擾源 56 何采取措施排除這些干擾 56 第七 章 總結(jié) 57 參考文獻(xiàn) 58 致謝 59 翻譯部分 60 第 1 頁 第 一 章 緒論 井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著井下積水排 除的重要任務(wù)。然而，目前我國的井下排水系統(tǒng)仍由很多依靠傳統(tǒng)的人工操作方式。本章分析這種排水系統(tǒng)的組成及工作過程，指出其存在的問題，為井下主排水系統(tǒng)自動(dòng)控制的研究提供依據(jù)。 水系統(tǒng)概述 井生產(chǎn)過程中排水的重要性 在煤礦地下開采的過程中，由于地層中含水的涌出，雨水和江河 中水的滲透，水砂充填和水力采煤礦井的井下供水，將要 有大量的水晝夜不停地匯集于井下。礦井涌水與采區(qū)的水文地質(zhì)及當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)系，涌水量在不同的季節(jié)也呈現(xiàn)不同。在一些大水礦井，礦井涌水量可達(dá)到每秒 17 立方米，甚至超過每秒 20 立方米。另外， 煤炭開采過程中，由于地層結(jié)構(gòu)被破壞，巖層斷裂，使采區(qū)與儲(chǔ)水層連通，發(fā)生突水事故，涌水量會(huì)突然增加。如果不能及時(shí)地將這些積水排送到井上，井下的生產(chǎn)就可能受到阻礙，井下的安全就會(huì)得不到保障，嚴(yán)重者會(huì)造成重大事故。給人民的生命、國家的財(cái)產(chǎn)都帶來了極大的威脅。因此，井下排水就顯得尤為重要。井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把流入井下煤礦巷 道中的礦井積水排送至地表。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每開采 1噸煤就要排出 2時(shí)甚至要 排出 30礦井水。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)的功率，小的幾千 瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的18%一般為 20%左右。 因此，井下排水設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性 (安全運(yùn)轉(zhuǎn) )與經(jīng)濟(jì)性 (效 率高、電耗量小 )，具有十分重要的意義。 井排水系統(tǒng)的組成部分 井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井 臨時(shí)排水系統(tǒng)也采用潛水泵。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式 水泵、電 動(dòng)機(jī)、起動(dòng)設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成 。 第 2 頁 濾水器和底閥 濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于 其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。但是現(xiàn)在的排水系統(tǒng)中，為了提高排水效率，減小水泵腐蝕，一般不用底閥，而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。 閘閥 調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其功用為 : 調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程 ； 起動(dòng)時(shí) 將它完全關(guān)閉，以降低起動(dòng)電流。 調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無方向性， 能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。其缺點(diǎn)是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時(shí)，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。 放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用 為檢修排水管路時(shí)放水用。 逆止閥 逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn) (如突然停電 )時(shí)，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時(shí)，能自 動(dòng)關(guān)閉，切斷水流，使水泵不致受到水力沖擊而遭到損壞。 灌引水漏斗 、放氣栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次起動(dòng)時(shí)，向水泵和吸水管中灌引水 用。在向水泵和吸水管中灌引水時(shí)，要通過放氣栓 (又叫氣嘴 )將 水泵和吸水管中的空氣放掉。 當(dāng)排水管中有存水時(shí)，也可通過旁通管向水泵和吸水管中灌引 水，此時(shí)要將旁通管上的閥門打開。此外，還可通過旁通管，利用排水管中的壓力水的反沖作用，沖掉積存于水泵流通部分和附著于濾水器上的雜物，但此時(shí)須通過連接在底閥上的鐵絲或鏈條將底閥提起。 壓力表和真空表 壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測(cè)排水管中水壓大小用。 常用的壓力表為普通彈簧管壓力表，根據(jù)其結(jié) 構(gòu)特征可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑有 60005000 250種。壓力表所測(cè)出的壓力叫做表壓力或 相對(duì)壓力，它比絕對(duì)壓力小 1個(gè)大氣壓。 真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢 測(cè) 吸水管的真空度用。 根據(jù)其結(jié) 第 3 頁 構(gòu)特征也可分為徑向無邊、徑向帶邊和軸向帶邊三種。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為 60, 100, 150， 和 250種。 真空表測(cè)量范圍為 個(gè)大氣壓 )。 射流泵或真空泵 離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才 能進(jìn)入運(yùn) 行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無法吸水，形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動(dòng)都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。如圖 1們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達(dá)到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。 下排水系統(tǒng)存在的問題 目前，我國大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎(chǔ)，泵站的起停時(shí)間判斷，完全依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。 當(dāng)水倉水位 到達(dá)設(shè) 定的高水位時(shí)，工人打開射流泵 (或真空泵 )，為水泵抽真空，同時(shí) 觀測(cè)真空表的讀數(shù)。真空度達(dá)到要求后，起動(dòng)水泵機(jī)組，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，開起閘閥進(jìn)行排水，同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵 (或真空泵 )。 停泵過程要進(jìn)行相反的操作。當(dāng)水倉積水降至低水位時(shí)，先將 閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。 根據(jù)現(xiàn)場涌水量的不同，工人還要判斷同時(shí)投入幾臺(tái)水泵工作， 以便于既能及時(shí)排出積水，又能使泵站合理使用，避免過度頻繁的起停。 其存在的問題有如下幾點(diǎn)： 效率低、可靠性差。這種排水系統(tǒng)的工作流程完全由手工完 成， 工人按部就班的完成各個(gè)執(zhí)行件的操作。另外，對(duì)水位、涌水量大小等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的判斷依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)過程比較復(fù)雜，要求工人具有很強(qiáng)的責(zé)任心，否則可能出現(xiàn)誤操作，甚至發(fā)生大的事故。 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。人工操作無法避免高強(qiáng)度的勞作。尤其是 閘閥的操作，勞動(dòng)量最大。而且，水泵房要時(shí)時(shí)有人值守，以便在發(fā)生異常情況時(shí)，及時(shí)報(bào)警檢修。 水系統(tǒng) 為何要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 針對(duì)上述排水系統(tǒng)存在的問題，本文提出了基于 礦井主排水自動(dòng) 第 4 頁 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，將使得排水系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)，整個(gè)工作流程通過軟件的編程來實(shí) 現(xiàn)，程序確定后，水泵機(jī)組將按給定的程序自動(dòng)啟停水泵、開合閥門，極大的減小工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控。 國礦井主排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀 井下排水是伴隨著采礦工程產(chǎn)生的一項(xiàng)系統(tǒng)工程。隨著控制理論 和現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)排水系統(tǒng)的研究在理論和實(shí)踐上都取得了一定進(jìn)步。 傳統(tǒng)的繼電器控制方法，用人工進(jìn)行檢測(cè) (如人工檢測(cè)水 倉水位、 淤泥厚度、管道、閘閥及配電設(shè)備狀況等 )，這種檢測(cè)控制方法效率低，工 人勞動(dòng)強(qiáng)度大，且由于井下環(huán)境惡劣，故障率較高 。所以靠人工檢測(cè)的方法已不適應(yīng)煤炭發(fā)展的需要，取而代之的是自動(dòng)化排水系統(tǒng)。 隨之， 一種新穎的礦井排水計(jì)算機(jī)自動(dòng)控 制系統(tǒng)問世。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是在管道和水泵等環(huán)節(jié)中，各變量之間又存在著交叉，因此礦井排水系統(tǒng)非常適合于采用模糊控制的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的集散式控制方式，建立了多級(jí)模塊化的結(jié)構(gòu)體系，提出了多參數(shù)的模糊綜合決策方法。 目前， 國內(nèi)外工業(yè)控制中已獲得廣泛應(yīng)用，在礦井排水系統(tǒng)中，采用 動(dòng)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)記錄、故障報(bào)警、事故分析、多臺(tái)水泵啟動(dòng)的自動(dòng)切換等，所得到的動(dòng)態(tài)資料準(zhǔn)確性高，控制的可靠性高。 第 二 章 礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)的各種參數(shù)與檢測(cè) 排水裝置要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無人職守，最根本的就是讓控制系統(tǒng)了解自動(dòng)化系 統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的狀況和運(yùn)行狀態(tài)。這些運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過系統(tǒng)中央處理單元的分析和運(yùn)算后，做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。 第 5 頁 圖 主排水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)圖 排水裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化的過程中，必須對(duì) 圖所示 參數(shù)進(jìn)行 檢 測(cè) ， 本 章 將對(duì)以下 5個(gè) 監(jiān)控的參數(shù)展開論述 并給出檢 測(cè)的方法和可實(shí)現(xiàn)性。 (1)水倉水位 的檢 測(cè) (2)水泵流量的 檢 測(cè) (3)水泵壓力檢測(cè) (4)水泵負(fù)壓檢測(cè) (5)電機(jī)及水泵溫度檢測(cè) 倉水位的檢測(cè) 位傳感器介紹 一、超聲波液位傳感器 超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。如果從發(fā)射超聲波脈沖開始，到接受到反射波為止的這個(gè)時(shí)間間隔為已知，就可以求出分界面的位置，利用這種方法可以對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)發(fā)射和接受換能器的功能，傳感器又可分 為單換能器和雙換能器。單換能器的傳感器發(fā)射和接收超聲波使用同一個(gè)換能器，而雙換能器的傳感器發(fā)射和接受各使用一個(gè)換能器。 下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。 第 6 頁 超聲波發(fā)射和接收換能器可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖 3 圖 超聲波液位計(jì)安裝示意圖 對(duì)于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為： 2式 3 則 2式 3 式中： h 換能器距液面的距離； c 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 從以上公式中可以看出，只要測(cè)得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，便可以求得待測(cè)的液位。 超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。在一般使用條件下，它的測(cè)量誤差為 ，檢測(cè)液位的范圍為 210 410 m。 本設(shè)計(jì)中采用的是 列的超聲波液位計(jì)， 在測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來計(jì)算傳感器到被測(cè)物體的距離。 工作特點(diǎn)：采用 術(shù)，提高儀器的可靠性，自動(dòng)功率調(diào)整，增益控制、溫度補(bǔ)償。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，豐富的軟件功能適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。采用新型的波形計(jì)算技術(shù)，提高儀表的測(cè)量精度。具有干擾回波的抑制功能 ， 保證測(cè)量數(shù) 據(jù)的真實(shí)。 16 位 D/A 轉(zhuǎn)換，提高電流輸出的精度和分辨率。傳感器采用四氟乙烯材料，可用于各種腐蝕性場合，多種輸出方式：可編程繼電器輸出、高精度 4 20字通信輸出等方式可供選擇。 第 7 頁 圖 超聲波液位計(jì)選型 設(shè)計(jì)中 選用二線制輸出型 液位計(jì) ，其參數(shù)如下： 量程： 0 3、 5、 8、 10、 15、 20m 精度： 盲區(qū)： 度： +55 電源： 24制： 無 輸出： 4 20線制 防護(hù)等級(jí)： 示方式： 4 位 二、 投入式液位傳感器 投入式液位傳感器是將傳感器的探頭投入液體中。利用處于一定深度時(shí)液體會(huì)產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)這個(gè)基本原理制成的。其示意圖如圖 3 圖 3位計(jì)示意圖 第 8 頁 圖 傳感器功能模塊圖 具體的來說是 :傳感頭根據(jù)水中的壓力與空氣中的壓力差，傳感頭把水位的高度 變換成壓力差，再把壓力差轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，該微弱的電信號(hào)經(jīng)放大器放大后 送 A/D 變換器，單片機(jī)采集數(shù)字信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理后，輸出的水位高度用數(shù)碼管來顯示，同 時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖 3 位檢測(cè)裝置的選擇 上述兩種液位傳感器是基于不同的工作原理設(shè)計(jì)和制造出來的，分別適應(yīng)于不同 的工作場所。當(dāng)然，有些場所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時(shí)使用在同一個(gè)被檢測(cè)對(duì)象 (水倉 )。 一、 兩種液位傳感器的比較 投入式液位傳感器的特點(diǎn)在于 : 制造成本相對(duì)于超聲波液位傳感器較為低廉 : 量程比較小 (5 10 米 )，但一般能滿足測(cè)量水倉水位的 要求 : 性能受到被檢測(cè)介質(zhì)物理性質(zhì) (如液體有固體沉積或粘稠 )的影響 ； 測(cè)量工作不受空氣中的懸浮成分如粉塵、濃煙等的影響 相對(duì)而言，超聲波液位傳感器的特點(diǎn)在于 : 超聲波傳播會(huì)受到空氣中粉塵的影響 ； 超聲波水位傳感器的測(cè)量量程大 ； 超聲波水位傳感器屬于非接觸式傳感器，性能不受被檢測(cè)介質(zhì)的影響 ； 制造成本比較高 。 二、 水位檢測(cè)裝 置 的選擇 由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全地位，而水位傳感器是整個(gè)排水系7 8 0 9A / D 轉(zhuǎn) 換 器放 大 電 路檢 測(cè) 電 橋傳 感 探 頭+ 6 V - 6 及 變 換電 流 輸 出數(shù) 碼 管 顯 示單片機(jī)振 蕩 器E P R O M 第 9 頁 統(tǒng)的嗅覺 器官。也就是說，一旦水位傳感器失靈，后面 的排水硬件和響應(yīng)軟件設(shè)置的再好都無法啟動(dòng)。所以，合理設(shè)計(jì)水位傳感也是很重要的。 在水位檢測(cè)裝置的選擇上，至少選擇兩個(gè)水位傳感器來提高水位檢測(cè)裝置的可靠 性。一般選擇一個(gè)超聲波液位傳感器與一個(gè)投入式液位傳感器相結(jié)合的方法來檢測(cè)水位。但是由于超聲波液位傳感器不能用在過于狹小的空間內(nèi)，當(dāng)條件不具備時(shí)，也可以使用兩個(gè)投入式傳感器來檢測(cè)水位。 機(jī)及水泵溫度檢測(cè) 溫 度 傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。所謂接觸式就是傳感器直接與被測(cè)物體接觸，這是測(cè)溫的基本形式。 這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定 性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的一類。 非接觸式溫度傳感器理論上不存在接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和應(yīng)用范圍上的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測(cè)溫度場，但測(cè)量精度低，使用不太方便。 通過比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測(cè)量溫度比較合適。本文選擇 感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測(cè)溫，其溫度 /阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為： （ 1） e by to At a a a to to in to a to he we is to be to of is in a it is up of is as As is up of A is so be to of a to 0 0%, to is on of is on on of be of 第 68 頁 中文譯文 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng) 的 方法和問題 摘要： 大容量的交流異步電動(dòng)機(jī)有多種啟動(dòng)方法?？蛇x擇的如全壓啟動(dòng)、降壓啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)、星三角轉(zhuǎn)換啟動(dòng)、軟啟動(dòng)、或者使用 可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器， 都有潛在優(yōu)勢(shì) 和選擇 。降壓啟動(dòng)可以減小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以防止損壞負(fù)載。此外， 功率因數(shù)校正電容器可以用來減 小 電流 ，但選擇的型號(hào)必須 合適，否則將會(huì)造成電容器的嚴(yán)重 損壞 。為電動(dòng)機(jī)選擇一個(gè)合適的啟動(dòng)方法 ， 需要分析電力系統(tǒng) 和啟動(dòng)負(fù)載以確保電機(jī)達(dá)到所需性能 且成本最少。 本文將探討最常見的 幾種啟動(dòng)方法以及它們的應(yīng)用。 檢索 詞： 電機(jī)啟動(dòng) 降壓啟動(dòng) 自耦 變壓器 星三角 功率因數(shù)校正 異步電動(dòng)機(jī)有多種啟動(dòng)方法：全壓啟動(dòng)、降壓啟動(dòng)、星三角轉(zhuǎn)換啟動(dòng)和部分繞組 等 類型 。降壓啟動(dòng)包括固態(tài)啟動(dòng)器、變頻啟動(dòng)和自耦變壓器啟動(dòng)。這些連同全壓或者直接啟動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場合被確定后可以給購買者大量類型的變化。每種方法都有它自己的好處，以及貿(mào)易業(yè)績。合理的選擇包括對(duì)電力系統(tǒng)透徹的研究，負(fù)載的加速以及設(shè)備的全部成本。 為了使負(fù)載能夠很好的加速，電動(dòng)機(jī)必 須產(chǎn)生比負(fù)載需求更大的轉(zhuǎn)矩。一般來說，在機(jī)械特性曲線上集中有 三點(diǎn) 。第一 點(diǎn) 是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（ 使電機(jī)由靜止到旋轉(zhuǎn)的最小轉(zhuǎn)矩。第二 點(diǎn) 是最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)由靜止加速到出現(xiàn)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是的最小轉(zhuǎn)矩。最后 一點(diǎn) 是臨街轉(zhuǎn)矩，就是電機(jī)能 產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。如果任何一段虛線在負(fù)載曲線以下，則電機(jī)就不能啟動(dòng)。如 圖 1所示 。電機(jī)的加速時(shí)間是由負(fù)載的慣性以及電機(jī)的機(jī)械特性曲線和負(fù)載的特性曲線之 間的差額決定的?？偟?來說，電機(jī)的加速時(shí)間越長，則電機(jī)轉(zhuǎn)子銅條、端環(huán)、定子繞組產(chǎn)生的熱量也就越多。這些熱量會(huì) 給 這些部件 帶來額外的壓力 甚至還會(huì)影響到電機(jī)的使用壽命。 第 69 頁 全壓文啟動(dòng)的方法也叫直接啟動(dòng)，是 最早被使用的方法，且設(shè)備成本最低工作最可靠。這種方法利用一個(gè)控制器閉合 電流接觸器給電動(dòng)機(jī)輸入全壓。此方法允許電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩使 加速時(shí)間最短。 由于用此方法啟動(dòng)電機(jī)會(huì)使啟動(dòng)電流達(dá)到電機(jī)額定電流的六到七倍，因此方法也是給供電系統(tǒng)帶來最大的壓力的方法。如果供電系統(tǒng)比較薄弱，大功率電機(jī)的突然啟動(dòng)不僅會(huì)使電動(dòng)機(jī)的電壓瞬間下降，而且會(huì)使給電機(jī)供電的整個(gè)母線端電壓下降。電壓下降會(huì)使此電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和工作在同一母線上的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩下降。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大 約和輸入電壓的平方成比例變化。因此，由于電壓的大幅下降，工作 在此 供電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)可能停車。另外許多控制系統(tǒng)監(jiān)控器工作在低電壓下，第二個(gè)全壓啟動(dòng)時(shí)電壓問題會(huì)使正在運(yùn)行的電機(jī)離線。同時(shí)，母線電壓變化，直接啟動(dòng)的另一個(gè)問題驅(qū)動(dòng)設(shè)備突然被加載。由于瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩可以超過轉(zhuǎn)子制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的 600%，這個(gè)沖擊負(fù)荷會(huì)增加設(shè)備的磨損，如果負(fù)載不能承受由電機(jī)啟動(dòng)產(chǎn)生的力矩，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性故障。 A電容器和啟動(dòng) 異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)通常很低 ,因此在開始有很大的 感性無功 。 如圖 2所示。 在啟動(dòng)時(shí)通過給電機(jī)增加電容器可以降低對(duì)系統(tǒng)的這種影響。 電機(jī)需要大量的無功電流滯后于輸入電壓 90度。這個(gè)無功功 率不產(chǎn)生任何輸出，但是這是電機(jī)運(yùn)行所必需的。輸入電壓產(chǎn)生無功功率和這個(gè)無功功率組成的可用無功功率功率表測(cè)量。電容器擔(dān)任提供一個(gè)超前 90度的電流。由電容器產(chǎn)生的超前電流取消了電機(jī)需要的滯后電流，降低了從供電系統(tǒng)輸入的感性無功功率。 避免過電壓和 電機(jī) 損壞 應(yīng)小心 謹(jǐn)慎 確保電容器 被切除當(dāng) 電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速 時(shí) ,否則由于 功率 損失，電動(dòng)機(jī)利用由 電容器提供 的 磁化電流 將 不會(huì)進(jìn)入 發(fā)電 模式 . 這將在 下 一段和附錄 中詳述。 B功率因數(shù)校正 電容器也可永久留下提高滿載功率因數(shù) ， 當(dāng)使用這種方式 時(shí) 被稱為功率 第 70 頁 因數(shù)校正電容器 。該電容器的容量不 能大于電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，除非當(dāng)功率降低時(shí)他們可以和電機(jī)分離。 附加的電容器將會(huì)改變電機(jī)的開環(huán)時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)表示電機(jī)斷電后電壓衰減到原來的 需要的時(shí)間。沒有電容的典型值是兩到三秒。 由于電容器和電動(dòng)機(jī)的前端相連，在電機(jī)斷開電源之后電容可以繼續(xù)提供勵(lì)磁電流。這表明該系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)較大。如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)高慣性負(fù)載，電動(dòng)機(jī)會(huì)利用電容提供的勵(lì)磁電流和負(fù)載的帶動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。這可能導(dǎo)致電機(jī)端部的電壓上升到額定電壓的 50%。如果在電壓劇烈衰減之前再次通電會(huì)產(chǎn)生很大的開關(guān)電流和轉(zhuǎn)矩，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備的嚴(yán)重 損壞。這種現(xiàn)象的例子在附錄中有概述。 每一種降壓方法都是通過控制電動(dòng)機(jī)的輸入電壓來減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流對(duì)供電系統(tǒng)的沖擊。在考慮具體的降壓啟動(dòng)方法時(shí)，了解負(fù)載特性是非常重要的。當(dāng)電機(jī)制造商要確定他們的設(shè)計(jì)時(shí)必須知道電機(jī)的機(jī)械特性和被驅(qū)動(dòng)設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?？梢酝ㄟ^初始狀態(tài)或脫離轉(zhuǎn)矩，以及不少于四個(gè)速度上升的數(shù)據(jù)點(diǎn)和全速時(shí)的轉(zhuǎn)矩構(gòu)成啟動(dòng)狀態(tài)的曲線。在很多情況下可以被假設(shè)成一個(gè)離心曲線或直角曲線， 但是在一些應(yīng)用場合這還是有問題的。 例如螺桿式壓縮機(jī)在低速時(shí)比離心式鼓風(fēng)機(jī)類負(fù)載需要更大的轉(zhuǎn)矩。 通過詳細(xì)了解負(fù)載的 特性，廠商可以確定選擇的啟動(dòng)方法可以產(chǎn)生足夠大的力矩啟動(dòng)負(fù)載。 A自耦變壓器 電動(dòng)機(jī)連接在變壓器的低壓側(cè)。 80%、 65%和 50%是最常用的接頭。電壓為原來的 50%電流則為全壓轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)的 25%。電動(dòng)機(jī)降低電壓啟動(dòng)，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的條件時(shí)就切換成全壓。這個(gè)條件可以是預(yù)先設(shè)定的時(shí)間、電流、母線電壓或者電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種變化既可以采用閉環(huán)方式也可以采用開環(huán)方式。采用開環(huán)方式在低壓和全壓切換時(shí)線路電壓嚴(yán)重，應(yīng)小心使用，以確保不會(huì)由于切換產(chǎn)生暫態(tài)問題。這個(gè)潛在的問題可以采用閉環(huán)的方法消除。采用閉環(huán)的方式可以給電機(jī)提 供連續(xù)的電壓。利用 自耦起動(dòng)另一個(gè)好處是盡 第 71 頁 可能 的 降低 了 振動(dòng)和噪音 。 因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩隨輸入電壓的平方變化而變化。 應(yīng)非常謹(jǐn)慎 ,以確保 可以從 電動(dòng)機(jī) 獲得 足夠的加速轉(zhuǎn)矩 。應(yīng)該用驅(qū)動(dòng)設(shè)備的機(jī)械特性和慣性來驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。 一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是至少有 10%的額定 轉(zhuǎn) 矩 ， 作為 該 曲線各點(diǎn) 的極限。 此外，對(duì)加速時(shí)間應(yīng)進(jìn)行計(jì)算 ，以確保電機(jī)有足夠的熱容量將電機(jī)在長時(shí)間加速時(shí)產(chǎn)生的熱量散發(fā)掉。 B固態(tài)軟啟動(dòng)器 這些裝置采用 可控硅 整流器或晶閘管，通過控制 晶閘管 的觸發(fā)角，可以控制該裝置產(chǎn)生的電壓 ， 并限制啟動(dòng)電流，在一個(gè)正弦周期中僅讓部分通過 ，來啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 最常用 的 軟起動(dòng)器的 類型是 限流型 ，電流被限制在滿載電流的 175%到 500%并編入裝置中。然后讓輸入電機(jī)的電壓斜坡上升一直到限制值，并使 保持 電 流 不變使電機(jī)加速。利用轉(zhuǎn)速表和軟啟動(dòng)器可以控制加速時(shí)間，軟啟動(dòng)器調(diào)整輸出電壓使電機(jī)維持一個(gè)恒定的加速度。關(guān)于啟動(dòng)力矩和其他降壓啟動(dòng)方法有同樣的問題，另一個(gè)問題是由于 晶閘管 的觸發(fā)角會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生 振蕩轉(zhuǎn)矩，依靠驅(qū)動(dòng)設(shè)備， 可能導(dǎo)致系統(tǒng)共振。 B星三角啟動(dòng) 用這種方法啟動(dòng)的異步電機(jī)，結(jié)構(gòu)上每一相的引出端都被放置在電機(jī)的接線盒內(nèi)。這允許電機(jī)在初始啟動(dòng)時(shí)星形連接，然后 重新接成三角形運(yùn)行。初始啟動(dòng)時(shí)用星形連接時(shí)電壓降為原來的 1/ 3 ，啟動(dòng)電流和啟動(dòng)力矩下降2/3。根據(jù)應(yīng)用，電機(jī)切換到三角形可在轉(zhuǎn)速為 50% 到最大速度 之間 。 必須指出 ,同樣的問題 存在 ,包括先前談到的切換 方法，如果采用開路法，暫態(tài)過渡可能是一個(gè)問題。這種方法經(jīng)常用在低于 600定電壓在 異步電動(dòng)機(jī)有許多啟動(dòng)方法，依據(jù)電力系統(tǒng)的制約、設(shè)備 成本、負(fù)載設(shè) 第 72 頁 備來選擇最好的啟動(dòng)方法。從設(shè)備的角度來看，全壓啟 動(dòng)是 最早的最便宜的方法，但它可能在使用效率上增加成本，或者該區(qū)域的供電系統(tǒng)不能滿足其需要。降壓啟動(dòng)方式有效的緩解了供電系統(tǒng)，卻以犧牲啟動(dòng)力矩為代價(jià)的。這些方法也可能導(dǎo)致不得不加大電機(jī)尺寸以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 帶動(dòng) 所需的負(fù)荷 。采用變頻器可以消除以上的兩個(gè)缺點(diǎn)，但需要額外的增加設(shè)備成本。理解應(yīng)用的局限性，以及驅(qū)動(dòng)設(shè)備的啟動(dòng)力矩和速度要求，可以讓你為你的應(yīng)用確定最佳的整體配置。 C變頻器 這種器件控制全面靈活，在一定量的電流可以產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，但同時(shí)也是成本最高的。這種裝置不僅電壓變化，而且頻率也同時(shí)變化，使電機(jī)的工作在一 個(gè)恒壓頻比條