任务二 水泵控制系统的软启动电路设计与安装调试
学习目标
1.掌握导通角对晶闸管电压的影响。
2.理解晶闸管在软启动控制电路中的作用。
3.理解软启动电路工作原理。
情景导入
自来水厂的取水泵房和排水泵房的泵机采用星形－三角形降压启动方式，启动转矩不大，启动电流较大，启动过程中易产生二次甚至三次冲击电流，发热严重，启动快结束时会产生一个速度的突变，引起冲击效应。近年来，随着科技的发展，利用晶闸管交流调压技术制作的软启动器可基本替代星形－三角形降压启动方式，对电动机的启动和停止提供保护。通过改变晶闸管的触发角，提供可以调节的平稳的无级加速，实现启动无冲击。其广泛应用于风机、水泵、输送类及压缩机等负载，是传统的星形－三角形转换、自耦降压、磁控降压等降压设备的理想换代产品。
任务分析
软启动器是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电动机控制装置，采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。自来水厂的取水泵房和排水泵房的泵机使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，即实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。
1.晶闸管
晶闸管具有单向导电特性，并且晶闸管的导通是通过门极进行控制的。即晶闸管的阳极与阴极间加正向电压，同时门极与阴极间加正向电压，晶闸管才能导通；当通过晶闸管的电流小于维持电流，或者阳极与阴极间的电压减小为零，或者将阳极与阴极间加反向电压，晶闸管将截止。晶闸管一旦触发导通，就能维持导通状态，门极失去控制作用。要使导通的晶闸管关断，必须减小阳极电流到维持电流以下。如图3－2－1所示。
从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通所对应的电角度称为控制角α。晶闸管实际导通的角度称为导通角θ，α＋θ＝π。改变α的大小，即可改变输出电压uL的波形。α越大，θ越小。晶闸管的相位控制，改变晶闸管控制角α的大小，就可以改变交流电压的大小，从而起到调压的作用。晶闸管的控制角与导通角如图3－2－2所示。
图3－2－1 晶闸管的结构和符号
图3－2－2 晶闸管的控制角与导通角
2.软启动器的工作原理电路图(见图3－2－3)
在软启动器中，三相交流电源与被控制电动机之间串有三相反并联晶闸管(又称双向可控硅)及电子控制电路。软启动器通过单片机来控制晶闸管触发脉冲、触发导通角的大小，进而改变晶闸管的导通程度，从而改变了加到电动机定子线圈绕组的三相电压。由于三相异步电动机的转矩近似于与定子电压的平方成正比。当晶闸管导通角从0°开始上升时，晶闸管的输出电压开始增加，电动机开始启动，随着导通角的增大，晶闸管的输出电压也逐渐增高，电动机开始加速，直到晶闸管完全导通，电动机在额定电压下正常工作，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。
待电动机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提供工作效率，避免谐波污染电网，防止“水锤”效应。
图3－2－3 软启动器的工作原理
任务实施
目前世界上许多电气公司都在生产智能化软启动器，比较知名的产品如ABB生产的Softstrat－PSA，功率在4～37kW，加速时间在0.5～30s，Softstrat－PSD，功率在22～560kW，加速时间在0.5～60s，Siemens生产的3RW22，功率在2.2～1000kW，加速时间在0.3～180s等。软启动器外形图及接线图如图3－2－4所示。
图3－2－4 软启动器外形图及接线图
本次项目使用的即是图3－2－4所示的西诺克Sinoco系列软启动器，采用美国硅谷最新控制技术设计生产的数字式三相电动机软启停控制设备，其特点是体积小巧，适应能力强。
1.识读电路图
图3－2－5所示为水泵运行系统的软启动电路图。主电路中，软启动器Sinoco－SS2实现电路的软启动和软停车，KM接通时，电动机进行全压运行。控制电路使用中间继电器控制软启动器Sinoco－SS2的启停信号输入端子S1、S2和旁路信号输出端子S3、S4得电失电。
图3－2－5 水泵运行系统的软启动电路图
其工作过程如下:
2.材料准备
电器元件明细表如表3－2所示。
表3－2 电器元件明细表
本次任务所需工具器材有各类常用电工工具(螺钉旋具、钳子、验电笔、剥线钳等)、万用表、电器安装底板、端子排、BV1.5mm和BVR0.75mm2绝缘导线、熔断器、交流接触器、热继电器、组合开关、按钮、三相交流异步电动机等。
在安装前，应检查元器件:所用元器件的外观应完整无损，附件、备件齐全，并用万用表检测元器件及电动机的参数是否符合要求。
3.电路安装
绘制电器布置图。本项目重在理解，且课时安排有限，可不进行接线，仅进行分析。其电器布置图如图3－2－6所示。
图3－2－6 水泵运行系统软启动的电器布置图
注意事项:平时注意检查软启动器的环境条件，防止在超过其允许的环境条件下运行。注意检查软启动器周围是否有妨碍其通风散热的物体，确保软启动器四周有足够的空间(大于150mm)。定期检查配电线端子是否松动，柜内元器件是否有过热、变色、焦味等异常现象。定期清扫灰尘，以免影响散热，防止晶闸管因温升过高而损坏，同时也可避免因积尘引起的漏电和短路事故。清扫灰尘可用干燥的毛刷进行，也可用皮老虎吹和吸尘器吸。对于大块污垢，可用绝缘棒去除。若有条件，可用0.6MPa左右的压缩空气吹除。平时注意观察风机的运行情况，一旦发现风机转速慢或异常，应及时修理(如清除油垢、积尘，加润滑油，更换损坏或变质的电容器)。对损坏的风机要及时更换。在没有风机的情况下使用软启动器，将会损坏晶闸管。如果软启动器使用环境较潮湿或易结露，应经常用红外灯泡或电吹风烘干，驱除潮气，以避免漏电或短路事故的发生。
拓展提高
下面将三种启动方式进行对比，可作为选择的依据(见表3－3)。
表3－3 几种电动机启动方法比较
直接启动、星形－三角形启动和软启动的电动机电压、电流、转矩对比如图3－2－7所示。
图3－2－7 直接启动、星形－三角形启动和软启动的电动机电压、电流、转矩对比
拓展 其他降压启动控制电路
1.定子绕组串电阻降压启动控制电路
定子绕组串电阻降压启动，是电动机启动时在三相定子电路中串接电阻，通过电阻的分压作用，使电动机定子绕组电压降低，启动后，再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。启动电阻一般采用由电阻丝绕制的板式电阻或铸铁电阻，它的阻值小，功率大，允许通过较大的电流。常用的启动电阻有ZX1、ZX2、ZX15系列。
图3－2－8所示为三相笼型异步电动机定子绕组串电阻降压启动控制电路。这种启动方式不受电动机定子绕组接线形式的限制，较为方便。但由于串入电阻，启动时在电阻上的电能损耗较大，适用于不频繁启动场合。工作过程如下:
图3－2－8 三相笼型异步电动机定子绕组串电阻降压启动控制电路
2.自耦变压器降压启动控制电路
自耦变压器降压启动(补偿器减压启动)是指利用自耦变压器来降低加在电动机三相定子绕组上的电压，达到限制启动电流的目的。电动机启动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压，一旦启动完毕，自耦变压器便被切除，电动机全压正常运行。
自耦变压器降压启动分为手动与自动操作两种。手动的补偿器有QJ3、QJ5等型号，自动操作的补偿器有XJ01型和CT2系列等。QJ3型手动控制补偿器有65%、80%两组抽头。可以根据启动时负载大小来选择，出厂时接在65%的抽头上。XJ01型补偿降压启动器适用于14～28kW的电动机，其控制电路如图3－2－9所示。
图3－2－9 XJ01系列自耦降压启动电路图
自动控制的自耦降压启动器电路由自耦变压器、交流接触器、热继电器、时间继电器、按钮等元件组成。图3－2－9所示为XJ01系列自耦降压启动电路图。其中KM1为降压启动接触器，KM2为全压运行接触器，KA为中间继电器，KT为降压启动时间继电器，HL1为电源指示灯，HL2为降压启动指示灯，HL3为正常运行指示灯。工作过程如下:
3.延边三角形降压启动控制电路
延边三角形降压启动方式是在每相定子绕组中引出一个抽头，电动机启动时将一部分定子绕组接成三角形联结，另一部分定子绕组接成星形联结，使整个绕组接成延边三角形，经过一段时间，电动机启动结束后，再将定子绕组接触三角形全压运行，以减小启动电流。采用延边三角形减压启动，电动机共有九个出线端，绕组联结如图3－2－10所示。
图3－2－10 延边三角形绕组联结示意图
(a)原始状态；(b)延边三角形联结；(c)三角形联结
电动机定子绕组作延边三角形接线时，每相定子绕组承受的电压大于星形联结时的相电压，而小于三角形联结时的相电压，启动转矩大于星形－三角形降压启动时的转矩。但延边三角形降压启动方法仅适用于定子绕组有抽头的特殊三相交流异步电动机。工作过程如图3－2－11所示。
图3－2－11 延边三角形降压启动控制线路
