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摘要：针对某单位医学研究大楼消防系统中喷淋泵、消火栓泵起动控制柜进行改造的实例，依据设备的现状及运行中存在的问题，通过比较、分析，提出了采用晶闸管软起动技术的解决方案。为电动机起动方式的选择提供了可借鉴的方法。
关键词：电动机；晶闸管软起动技术；应用
交流鼠笼型异步电动机是目前应用最为广泛的电气设备，他们的起动通常采用电阻降压起动、Y/Δ起动、自耦变压器降压起动等方式。这些传统起动设备价格低廉，是通过降低电动机的起动电压来降低起动电流，起动方式采用分步跳跃上升的恒压起动，起动过程中产生较大起动电流，影响供电电压的质量，造成供电线路损耗增大，对机械设备产生冲击。对于容量较大的电动机，这些危害尤为严重。电动机软起动智能化技术的应用成功地解决了上述问题。某单位医学研究大楼消防系统的喷淋泵、消火栓泵原采用自耦变压器降压起动，现改为晶闸管软起动器起动，改造后起动平稳，运行可靠，保证了消防系统的有效、安全运行。
1概况及存在的问题 某单位医学研究大楼消防系统现有喷淋泵2台、消火栓泵2台，功率皆为37Kw，原采用自耦变压器降压起动，自1999年4月投入运行，到改造前已运行了10余年，因使用时间较长，起动系统中空气开关、接触器等老化严重，空气开关短路保护（瞬时及短延时）不能可靠动作，接触器有时有拒动现象，自耦变压器起动时发热严重，不能连续起动，设备亟待更新。发生火灾时如果喷淋泵、消火栓泵不能及时起动，火情不能及时扑救，将危及楼内人员和设备的安全，损失严重。
2解决方案
针对喷淋泵、消火栓泵起动柜存在的问题，为保证消防系统的可靠运行，必须对起动柜进行改造，改造时电动机的起动应满足以下条件：
a. 电动机的输出力矩满足机械系统对起动力矩的要求，保证平滑加速，平稳过渡，避免破坏性力矩冲击；
b. 起动电流满足电动机承受能力的要求，避免电动机过热，造成绝缘破坏或烧毁；
c. 起动电流满足电网电能质量相关规范、标准的要求，减少电压暂降幅度，减少高次谐波含量等。
为此，将目前常用的电动机起动方式进行了比较：
表1 常用的电动机起动方式比较表
序号 起动方式 特点 适用范围
1 电阻降压起动 1、起动电流较大，起动转矩小。
2、允许起动次数由起动电阻容量决定。
3、起动变阻器的耗电量较大，不节能。 适用于小容量（7.5Kw及以下）电动机的起动。
2
Y/△起动 1、起动时为分步跳跃上升的恒压起动，起动电流小，但二次冲击电流较大；起动转矩较小。
允许起动次数较高。
3、设备价格较低，应用较广。 适用于定子绕组为三角形接线的中、小容量电机的起动。
3 自耦变压器降压起动 1、通过降低电压（60%Ue、80%Ue），恒压起动。起动电流小，起动转矩较大。
2、不能频繁起动，允许连续起动2~3次。
3、设备价格较Y/△起动高，但性价比较优，得到广泛应用。 适用于大、中容量电动机的起动。
4 变频器软起动 1、在低速时可以任意调节电动机转矩，起动转矩可达150%的额定转矩，也可以恒转矩起动电动机，起动电流可限制在1.5倍额定电流以内。可以软停车。
2、缺点是：运行时在电源测产生谐波电流，使电压、电流波形畸变，影响电能质量，干扰电子设备的正常工作。
3、设备价格比Y/△起动、自耦减压起动、晶闸管软起动设备高。 适用于需要调速的、起动转矩大的电动机。起动及运行过程中一直工作。
5 晶闸管软起动 1、通常为斜坡电压起动，也可突跳起动；起动电流、起动转矩、上升下降的时间可调，有多种控制方式 ；可带多种保护。
2、允许起动次数较高；可以使电机“柔性”起动， “柔性”停止，是一种电动机电压平滑上升的无级减压起动模式，减缓了起动时造成的机械和电气冲击。
3、设备价格仅次于变频器软起动 适用于不需要调速的、起动转矩大的电动机的起动。起动时工作，起动后退出，短时工作。
通过以上比较，并结合现有设备的情况：消火栓泵、喷淋泵功率较大（37kW），且运行中不需要调速，起动设备具有“软停车”功能，可以防止“水锺”效应，同时比较了各种改造方案的费用，最终确定改造方案：采用晶闸管软起动器作为消防系统中喷淋泵、消火栓泵的起动设备。
通过市场调查研究，选择了雷诺尔JJR系列电动机软起动器。
雷诺尔JJR系列全数字软起动控制器以先进的微处理器为核心，控制大功率晶闸管组件，该起动器具有斜坡升压起动、斜坡恒流起動、软停车功能，参数均可根据负载自行设定。软起动装置输出电压按设定规律上升，使受控电动机转矩按优化的加速曲线完成起动过程后，关断晶闸管组件，旁路交流接触器闭合，为电动机供电。
3雷诺尔JJR系列电动机软起动器的工作原理及功能
3.1工作原理
图1JJR系列软起动器控制原理图
如图1 雷诺尔JJR系列软起动器采用三对反并联的晶闸管串联于电动机三相供电电路上，利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其电压的大小以达到控制电动机的软起动过程。当电动机起动完成并达到额定电压，三相旁路接触器吸合，使电动机直接投入运行，由于JJR系列电动机软起动器采用了双单片机控制，可根据负载特性设置各种起动参数，因此有较强的负载适应性。
软起动一般有以下几种形式：
a．斜坡升压软起动。这种起动方式是通过设定电动机的输入电压的上升速率来完成电动机的起动过程，由于电压从初始值上升变化（初始值可保证电动机的最大起动力矩），所以整个起动过程可以保证电动机平稳的起动，该值的设定范围可在电动机的额定电压的30%~80%之间选择。
b．斜坡恒流软起动。这种起动方式是在电动机起动的初始阶段电流逐渐增加，当电流达到预先设定的值后保持恒定，直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。
c．阶跃起动。开机即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动的效果。
d．脉冲冲击起动。在起动初始阶段，让晶闸管在极短时间内以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，进入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。
雷诺尔JJR系列软起动器主要有斜坡恒流起动（图2）、斜坡升压起动（图3）两种控制模式。
图2 斜坡恒流起动电流变化图
说明：Ie 为电动机的额定电流。Im为电动机起动时预先设定的限流值，可根据用户电网容量及电动机负载情况确定，Im的设定范围为（1.5~5.0）Ie。
图3 斜坡升压起动电压变化图
说明：Ue为电动机的额定电压。
JJR系列软起动器的停车方式有两种：
a.自由停车：靠负载惯性自由停车。
b.软停车：如图4，晶闸管在得到停车指令后，从全导通逐渐减小导通角，经过一段时间过渡到全关闭的过程。停车时间可根据需要在0~120s间调整。
图4软停车电压变化图
3.2功能
雷诺尔JJR系列全数字式软起动器具有全面的工作状态LED显示功能，友好的人机对话界面，控制单元功能范围覆盖5.5~500kW的电动机。该起动器还具有以下功能：
3.2.1采用双单片机全数字自动控制，具有较强的抗干扰能力，保证控制系统不受强电干扰；
3.2.2起动转矩、电流、电压、时间可根据负载不同灵活设定，取得最佳的电流曲线和最佳的转矩控制特性；
3.2.3对电动机提供了平滑的渐进的起动过程，减少起动电流对电网的冲击，降低设备的振动和噪声，延长了传动系统的使用寿命；
3.2.4起动电流可根据负载调整，减小起动损耗，以最小的电流产生最佳转矩；
3.2.5软停车特性大大延长了电气触点的寿命，又满足了不同场合下的机械需求；
3.2.6具有过流、过载、过热、电源缺相保护；
3.2.7方便的外控接口具有多种功能：数字延时起动控制；瞬停控制输入；起动延时继电器输出；故障繼电器输出；
3.2.8全数字设定和外控功能，方便用户自由设定控制方式；
3.2.9自带标准的RS485接口；
4 雷诺尔JJR系列软起动器的技术参数及应用
4.1技术参数
表2雷诺尔JJR系列软起动器主要技术参数
表3JJR系列软起动器的应用场合
本次改造中将断路器，软起动器，旁路接触器和控制电路组成电动机控制中心，控制电动机的起动、运行和停车。这是目前广泛应用的做法。其特点是：在起动和停车阶段，晶闸管投入工作，实现软起动、软停车。起动结束后，旁路接触器闭合，晶闸管退出运行，电动机电压达到额定值，投入正常运行，此种组合的特点是：运行期间，电动机直接与电网相连，无谐波；旁路接触器还可以作为一种备用手段，紧急情况下或晶闸管故障时，电动机通过旁路接触器直接起动，增加了运行的可靠性。另外与传统减压起动方式相比，具有很多优点：a. 无冲击电流。软起动器在起动电动机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电动机起动电流从零线性上升至设定值。b. 恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电动机在起动过程中保持恒流，确保电动机平稳起动。c. 根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。
5 结束语
医学研究大楼消防系统喷淋泵、消火栓泵起动柜改造后，到现在已运行了一年，运行状况良好。与改造前相比：设备起动平稳可靠，噪音小；起动时电压波动小，起动电流较自耦变压器降压起动电流小；尤其是软停车功能，减小了设备及管道的振动，延长了维修周期，节省了维修费用。运行中未出现因故障而紧急维修的情况。晶闸管软起动器的应用成功地解决了传统起动器起动电动机过程中存在的问题，是传统的电阻降压起动、Y/Δ起动、自耦变压器降压起动理想的更新换代产品。
参 考 文 献
[1]《工业与民用配电设计手册》第三版.北京：中国电力出版社，2005年10月
[2]《民用建筑电气设计手册》第二版.北京：中国建筑工业出版社，2007年3月
[3]《全国民用建筑工程设计技术措施(电气)》. 2009年7月
杜胜祥
工作单位：北京世纪华侨城实业有限公司（北京市朝阳区东四环小武基北路）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：电动机；晶闸管软起动技术；应用
交流鼠笼型异步电动机是目前应用最为广泛的电气设备，他们的起动通常采用电阻降压起动、Y/Δ起动、自耦变压器降压起动等方式。这些传统起动设备价格低廉，是通过降低电动机的起动电压来降低起动电流，起动方式采用分步跳跃上升的恒压起动，起动过程中产生较大起动电流，影响供电电压的质量，造成供电线路损耗增大，对机械设备产生冲击。对于容量较大的电动机，这些危害尤为严重。电动机软起动智能化技术的应用成功地解决了上述问题。某单位医学研究大楼消防系统的喷淋泵、消火栓泵原采用自耦变压器降压起动，现改为晶闸管软起动器起动，改造后起动平稳，运行可靠，保证了消防系统的有效、安全运行。
1概况及存在的问题 某单位医学研究大楼消防系统现有喷淋泵2台、消火栓泵2台，功率皆为37Kw，原采用自耦变压器降压起动，自1999年4月投入运行，到改造前已运行了10余年，因使用时间较长，起动系统中空气开关、接触器等老化严重，空气开关短路保护（瞬时及短延时）不能可靠动作，接触器有时有拒动现象，自耦变压器起动时发热严重，不能连续起动，设备亟待更新。发生火灾时如果喷淋泵、消火栓泵不能及时起动，火情不能及时扑救，将危及楼内人员和设备的安全，损失严重。
2解决方案
针对喷淋泵、消火栓泵起动柜存在的问题，为保证消防系统的可靠运行，必须对起动柜进行改造，改造时电动机的起动应满足以下条件：
a. 电动机的输出力矩满足机械系统对起动力矩的要求，保证平滑加速，平稳过渡，避免破坏性力矩冲击；
b. 起动电流满足电动机承受能力的要求，避免电动机过热，造成绝缘破坏或烧毁；
c. 起动电流满足电网电能质量相关规范、标准的要求，减少电压暂降幅度，减少高次谐波含量等。
为此，将目前常用的电动机起动方式进行了比较：
表1 常用的电动机起动方式比较表
序号 起动方式 特点 适用范围
1 电阻降压起动 1、起动电流较大，起动转矩小。
2、允许起动次数由起动电阻容量决定。
3、起动变阻器的耗电量较大，不节能。 适用于小容量（7.5Kw及以下）电动机的起动。
2
Y/△起动 1、起动时为分步跳跃上升的恒压起动，起动电流小，但二次冲击电流较大；起动转矩较小。
允许起动次数较高。
3、设备价格较低，应用较广。 适用于定子绕组为三角形接线的中、小容量电机的起动。
3 自耦变压器降压起动 1、通过降低电压（60%Ue、80%Ue），恒压起动。起动电流小，起动转矩较大。
2、不能频繁起动，允许连续起动2~3次。
3、设备价格较Y/△起动高，但性价比较优，得到广泛应用。 适用于大、中容量电动机的起动。
4 变频器软起动 1、在低速时可以任意调节电动机转矩，起动转矩可达150%的额定转矩，也可以恒转矩起动电动机，起动电流可限制在1.5倍额定电流以内。可以软停车。
2、缺点是：运行时在电源测产生谐波电流，使电压、电流波形畸变，影响电能质量，干扰电子设备的正常工作。
3、设备价格比Y/△起动、自耦减压起动、晶闸管软起动设备高。 适用于需要调速的、起动转矩大的电动机。起动及运行过程中一直工作。
5 晶闸管软起动 1、通常为斜坡电压起动，也可突跳起动；起动电流、起动转矩、上升下降的时间可调，有多种控制方式 ；可带多种保护。
2、允许起动次数较高；可以使电机“柔性”起动， “柔性”停止，是一种电动机电压平滑上升的无级减压起动模式，减缓了起动时造成的机械和电气冲击。
3、设备价格仅次于变频器软起动 适用于不需要调速的、起动转矩大的电动机的起动。起动时工作，起动后退出，短时工作。
通过以上比较，并结合现有设备的情况：消火栓泵、喷淋泵功率较大（37kW），且运行中不需要调速，起动设备具有“软停车”功能，可以防止“水锺”效应，同时比较了各种改造方案的费用，最终确定改造方案：采用晶闸管软起动器作为消防系统中喷淋泵、消火栓泵的起动设备。
通过市场调查研究，选择了雷诺尔JJR系列电动机软起动器。
雷诺尔JJR系列全数字软起动控制器以先进的微处理器为核心，控制大功率晶闸管组件，该起动器具有斜坡升压起动、斜坡恒流起動、软停车功能，参数均可根据负载自行设定。软起动装置输出电压按设定规律上升，使受控电动机转矩按优化的加速曲线完成起动过程后，关断晶闸管组件，旁路交流接触器闭合，为电动机供电。
3雷诺尔JJR系列电动机软起动器的工作原理及功能
3.1工作原理
图1JJR系列软起动器控制原理图
如图1 雷诺尔JJR系列软起动器采用三对反并联的晶闸管串联于电动机三相供电电路上，利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其电压的大小以达到控制电动机的软起动过程。当电动机起动完成并达到额定电压，三相旁路接触器吸合，使电动机直接投入运行，由于JJR系列电动机软起动器采用了双单片机控制，可根据负载特性设置各种起动参数，因此有较强的负载适应性。
软起动一般有以下几种形式：
a．斜坡升压软起动。这种起动方式是通过设定电动机的输入电压的上升速率来完成电动机的起动过程，由于电压从初始值上升变化（初始值可保证电动机的最大起动力矩），所以整个起动过程可以保证电动机平稳的起动，该值的设定范围可在电动机的额定电压的30%~80%之间选择。
b．斜坡恒流软起动。这种起动方式是在电动机起动的初始阶段电流逐渐增加，当电流达到预先设定的值后保持恒定，直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。
c．阶跃起动。开机即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动的效果。
d．脉冲冲击起动。在起动初始阶段，让晶闸管在极短时间内以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，进入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。
雷诺尔JJR系列软起动器主要有斜坡恒流起动（图2）、斜坡升压起动（图3）两种控制模式。
图2 斜坡恒流起动电流变化图
说明：Ie 为电动机的额定电流。Im为电动机起动时预先设定的限流值，可根据用户电网容量及电动机负载情况确定，Im的设定范围为（1.5~5.0）Ie。
图3 斜坡升压起动电压变化图
说明：Ue为电动机的额定电压。
JJR系列软起动器的停车方式有两种：
a.自由停车：靠负载惯性自由停车。
b.软停车：如图4，晶闸管在得到停车指令后，从全导通逐渐减小导通角，经过一段时间过渡到全关闭的过程。停车时间可根据需要在0~120s间调整。
图4软停车电压变化图
3.2功能
雷诺尔JJR系列全数字式软起动器具有全面的工作状态LED显示功能，友好的人机对话界面，控制单元功能范围覆盖5.5~500kW的电动机。该起动器还具有以下功能：
3.2.1采用双单片机全数字自动控制，具有较强的抗干扰能力，保证控制系统不受强电干扰；
3.2.2起动转矩、电流、电压、时间可根据负载不同灵活设定，取得最佳的电流曲线和最佳的转矩控制特性；
3.2.3对电动机提供了平滑的渐进的起动过程，减少起动电流对电网的冲击，降低设备的振动和噪声，延长了传动系统的使用寿命；
3.2.4起动电流可根据负载调整，减小起动损耗，以最小的电流产生最佳转矩；
3.2.5软停车特性大大延长了电气触点的寿命，又满足了不同场合下的机械需求；
3.2.6具有过流、过载、过热、电源缺相保护；
3.2.7方便的外控接口具有多种功能：数字延时起动控制；瞬停控制输入；起动延时继电器输出；故障繼电器输出；
3.2.8全数字设定和外控功能，方便用户自由设定控制方式；
3.2.9自带标准的RS485接口；
4 雷诺尔JJR系列软起动器的技术参数及应用
4.1技术参数
表2雷诺尔JJR系列软起动器主要技术参数
表3JJR系列软起动器的应用场合
本次改造中将断路器，软起动器，旁路接触器和控制电路组成电动机控制中心，控制电动机的起动、运行和停车。这是目前广泛应用的做法。其特点是：在起动和停车阶段，晶闸管投入工作，实现软起动、软停车。起动结束后，旁路接触器闭合，晶闸管退出运行，电动机电压达到额定值，投入正常运行，此种组合的特点是：运行期间，电动机直接与电网相连，无谐波；旁路接触器还可以作为一种备用手段，紧急情况下或晶闸管故障时，电动机通过旁路接触器直接起动，增加了运行的可靠性。另外与传统减压起动方式相比，具有很多优点：a. 无冲击电流。软起动器在起动电动机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电动机起动电流从零线性上升至设定值。b. 恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电动机在起动过程中保持恒流，确保电动机平稳起动。c. 根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。
5 结束语
医学研究大楼消防系统喷淋泵、消火栓泵起动柜改造后，到现在已运行了一年，运行状况良好。与改造前相比：设备起动平稳可靠，噪音小；起动时电压波动小，起动电流较自耦变压器降压起动电流小；尤其是软停车功能，减小了设备及管道的振动，延长了维修周期，节省了维修费用。运行中未出现因故障而紧急维修的情况。晶闸管软起动器的应用成功地解决了传统起动器起动电动机过程中存在的问题，是传统的电阻降压起动、Y/Δ起动、自耦变压器降压起动理想的更新换代产品。
参 考 文 献
[1]《工业与民用配电设计手册》第三版.北京：中国电力出版社，2005年10月
[2]《民用建筑电气设计手册》第二版.北京：中国建筑工业出版社，2007年3月
[3]《全国民用建筑工程设计技术措施(电气)》. 2009年7月
杜胜祥
工作单位：北京世纪华侨城实业有限公司（北京市朝阳区东四环小武基北路）
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。