電機(jī)軟起動智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用
摘 要：青溪水電廠排水系統(tǒng)的水泵控制系統(tǒng)原設(shè)計采用舊式常規(guī)電動機(jī)控制系統(tǒng)，投入運(yùn)行后多次出現(xiàn)故障，存在許多安全隱患。為確保該系統(tǒng)的安全運(yùn)行進(jìn)行了技術(shù)改造，以軟啟動器代替原電動機(jī)接觸器，以可編程控制器取代常規(guī)的繼電器，增加了水位信號系統(tǒng)。改造后的排水控制系統(tǒng)具有以下功能：可根據(jù)水位和運(yùn)行要求自動起動、停運(yùn)排水泵；可根據(jù)運(yùn)行要求靈活切換排水泵的工作方式；提供過載、欠載、缺相和電壓不平衡保護(hù)；現(xiàn)場顯示運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)智能化監(jiān)控。改造后系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，消除了輸水管道的水錘現(xiàn)象和電動機(jī)起動時的沖擊電流，減少了電動機(jī)的起動電流和檢修維護(hù)工作量。該項技術(shù)還可推廣應(yīng)用于水電廠其它輔機(jī)設(shè)備或其它領(lǐng)域的自動控制中。
關(guān)鍵詞：自動控制技術(shù)；智能化；排水系統(tǒng)；軟啟動器；可編程控制器
青溪水電廠裝機(jī)容量4×36 MW，屬低水頭河床式電廠，水庫特性為日調(diào)節(jié)，設(shè)計水頭20.5m，梯級運(yùn)行年發(fā)電量0.433 TWh。廠排水系統(tǒng)裝設(shè)了4臺檢修滲漏深井泵和2臺廠前區(qū)排水泵，分別擔(dān)負(fù)機(jī)組檢修滲漏排水和廠房滲漏排水的任務(wù)。各水泵的主要技術(shù)參數(shù)如表1。
1 排水泵控制系統(tǒng)存在的問題
青溪水電廠排水系統(tǒng)的水泵控制系統(tǒng)原采用常規(guī)繼電控制，維護(hù)工作量大且可靠性不高，自動化水平低，不能滿足電廠無人值班(少人值守)的要求；另外，水泵電動機(jī)起動采用全電壓直接起動方式，起動時產(chǎn)生很大的沖擊電流(達(dá)4～7倍額定電流)，有可能危及電氣設(shè)備、機(jī)械傳動和輸水管道的安全運(yùn)行，甚至?xí)绊憦S用電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。具體表現(xiàn)在：
a) 對電氣設(shè)備的影響。以廠前區(qū)排水泵為例，單臺水泵電動機(jī)起動時Z大沖擊電流可達(dá)1.4 kA，在正常的起、停操作中曾多次出現(xiàn)接觸器等電氣設(shè)備故障的現(xiàn)象，使經(jīng)常性的維修工作量增大。
b) 對傳動機(jī)械的影響。起動水泵電動機(jī)所產(chǎn)生的沖擊電流可轉(zhuǎn)化為沖擊轉(zhuǎn)矩，沖擊轉(zhuǎn)矩影響水泵傳動機(jī)械的使用壽命，甚至造成損壞。青溪水電廠檢修滲漏深井泵在運(yùn)行中多次發(fā)生傳動部件被卡和水泵葉輪斷裂的故障，究其原因，都與沖擊轉(zhuǎn)矩的影響有關(guān)。
c) 對輸水管道的影響。水泵突然起、停時會引起輸水管道內(nèi)水壓波動，極端情況下有可能產(chǎn)生破壞力極大的水錘現(xiàn)象，危及逆止閥和輸水管道的安全。青溪水電廠曾發(fā)生過逆止閥閥體受水錘沖擊而振裂的故障。
d) 對廠用電負(fù)荷的影響。首先，由于水泵電動機(jī)功率較大并在廠用電負(fù)荷中占較大的比重，起動時產(chǎn)生很大的沖擊電流，造成廠用電電壓瞬時降低，影響其它廠用電負(fù)荷的正常運(yùn)行；其次，由于水泵電動機(jī)發(fā)生故障時常規(guī)繼電控制不能及時可靠地切除電源，對廠用電負(fù)荷的正常運(yùn)行構(gòu)成直接威脅。
2 軟起動智能控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的電動機(jī)軟起動智能控制系統(tǒng)可以較好地解決上述問題。青溪水電廠按“無人值班(少人值守)”的技術(shù)要求，將集水井排水的水泵控制系統(tǒng)改造為電動機(jī)軟起動智能控制系統(tǒng)�，F(xiàn)以檢修滲漏深井泵控制系統(tǒng)(技改后電氣主回路如圖1所示)為例，說明軟起動智能控制系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況。
2.1軟啟動器
用施耐德電氣公司ATS46C25N型軟啟動器代替原電動機(jī)接觸器控制元件。軟啟動器采用相控斬波原理，電動機(jī)電壓受到斬波器的控制，每相當(dāng)中的斬波器為2只晶體閘流管，對電網(wǎng)電壓進(jìn)行連續(xù)的斬波，使啟動器具有大轉(zhuǎn)矩輸出和頻繁啟停的能力。電流互感器時刻監(jiān)測電動機(jī)電流以實現(xiàn)電動機(jī)起動過程的恒流控制，并作為電動機(jī)各種運(yùn)行和保護(hù)的控制依據(jù)。采用轉(zhuǎn)矩控制起動，即通過調(diào)整啟動時間ts(1～60 s)來改變加速力矩的斜率，以實現(xiàn)電動機(jī)由小到大線性無階躍式平滑起動，延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命，減小對傳動元件的機(jī)械沖擊。當(dāng)軟啟動器應(yīng)用于水泵控制系統(tǒng)時，可以消除水錘現(xiàn)象。由此，減少了設(shè)備的檢修時間，延長了設(shè)備的平均壽命，同時降低電動機(jī)起動時對電網(wǎng)的沖擊，是較優(yōu)的重載起動方式。此外，軟啟動器不僅能提供過載保護(hù)，而且能提供各種操作故障狀態(tài)下的保護(hù)，諸如輸入(或輸出)缺相、電動機(jī)堵轉(zhuǎn)和晶體閘流管短路等故障保護(hù)。它的缺點(diǎn)是起動時間較長。
2.2可編程控制器
軟起動智能控制系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)控制。PLC是在繼電器控制和計算機(jī)控制的基礎(chǔ)上，以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體的自動控制裝置。如圖2所示，其輸入設(shè)備和輸出設(shè)備與原常規(guī)繼電控制系統(tǒng)相同，直接接到PLC輸入和輸出端；控制程序是通過一個編程器寫到PLC 的程序存儲器中的。運(yùn)行時依次讀取并執(zhí)行程序存儲器中的程序，接通輸出設(shè)備控制被控對象，同時可實現(xiàn)與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的鏈接。
青溪水電廠選用Keyo公司的SU5型可編程控制器，以可編程控制取代常規(guī)的繼電控制，通過軟件的設(shè)計(集水井排水系統(tǒng)自動起動程序如圖3所示)實現(xiàn)智能化運(yùn)行。選用進(jìn)口的水位計等基礎(chǔ)元件，同時在水位檢測環(huán)節(jié)設(shè)計了2套獨(dú)立的水位信號系統(tǒng)，2組水位信號通過或門運(yùn)算控制排水系統(tǒng)，提高了運(yùn)行可靠性，以滿足不同運(yùn)行方式下對排水控制系統(tǒng)的不同要求。
3 軟起動智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況
2003年的年初，排水系統(tǒng)電動機(jī)軟起動智能控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，從運(yùn)行情況看效果良好，較好地解決了原控制系統(tǒng)存在的問題。表2對改造前后排水系統(tǒng)電動機(jī)的起、停情況進(jìn)行了比較。
技改后的排水控制系統(tǒng)具有以下功能和特點(diǎn)：
a) 能可靠地根據(jù)集水井的水位高低和運(yùn)行的要求自動起動、停運(yùn)排水泵；
b) 可以根據(jù)運(yùn)行的要求，對排水泵的工作方式進(jìn)行靈活的手動或自動循環(huán)切換；
c) 通過微處理技術(shù)來實現(xiàn)排水泵電動機(jī)的保護(hù)，有過載保護(hù)、欠載保護(hù)、缺相及電壓不平衡保護(hù)，當(dāng)水泵有故障時能可靠地停泵并退出運(yùn)行；
d) 集水井排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可以在現(xiàn)場顯示，同時也能通過軟件實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的連接，加強(qiáng)了運(yùn)行的監(jiān)控功能；
e) 接線、編程簡單，使用方便、可靠，減少了檢修維護(hù)的工作量。
4 結(jié)束語
軟起動智能控制系統(tǒng)是集電力電子技術(shù)、微處理技術(shù)和現(xiàn)代自動控制理論于一體的新型電動機(jī)智能控制系統(tǒng)，在青溪水電廠集水井排水系統(tǒng)的應(yīng)用中取得了很好的效果，大大提高了集水井排水系統(tǒng)的自動化水平和運(yùn)行可靠性，達(dá)到了水電廠實施無人值班(少人值守)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為實現(xiàn)“創(chuàng)一流”目標(biāo)創(chuàng)造了條件。該系統(tǒng)也可在水電廠其它輔機(jī)設(shè)備(如油、氣系統(tǒng)及閘門控制系統(tǒng)等設(shè)備)和其它控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
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