建筑消防設施中電機的啟動方式研究

牛運晨 馮春勇 李森

摘要：隨著城市發展的加快，越來越多的復雜建筑、高層建筑涌現出來，給消防救援帶來了較大的壓力，對建筑中現有消防設備的可靠性提出了較高的要求。本文對建筑消防設施中電機的啟動方式進行研究，從電機的啟動方式出發，結合現有的規范和實際消防要求進行分析，從而得出適合建筑消防設施電機的啟動方式，為設計人員提供技術指導。

關鍵詞：電機; 啟動方式; 消防; 泵; 風機

1 ? 引言

近年來由于城市規模的快速擴大以及大量復雜結構建筑的大量涌現使火場救援更加困難，對建筑內現有的消防設施的可靠性進行加強就更加重要。由于電機的啟動方式多種多樣，相對其他設施而言帶有電機的啟動尤為特殊，目前建筑消防設施中使用電機的設備主要有消防泵和消防風機，而消防泵和消防風機是建筑消防設施的重要組成部分，其電機能否正常啟動決定著建筑火災能否及時得到控制，因此對其電機的啟動方式進行研究尤為重要。

2 ? 電機的常用啟動方式

2.1 ?直接全壓啟動

三相異步電動機直接全壓啟動，啟動電流倍數為kI=Ist/IN=4～7，啟動時n=0，s=1，其中n為轉速，s為轉差率，轉子電動勢增大，所以轉子電流也會增大，根據磁動勢平衡關系，定子電流也必然增大，所以啟動電流很大，同時也增大了啟動轉矩。由于啟動電流很大，對電動機本身和電網都有很大影響。因此當滿足下列經驗公式時，電動機便可以采用直接全壓啟動：

直接全壓啟動的特點如下：

（1）啟動轉矩較小，只能達到額定轉矩的1.5倍;

（2）啟動電流較大，為額定電流的5-8倍，會產生非常大的涌浪沖擊;

（3）結構簡單，無須其他輔助設備，可靠性高，成本低。

2.2 ?星-三角降壓啟動

星形-三角形降壓啟動是一種降壓啟動方式，適用于定子繞組為三角形聯結的電動機。當電動機啟動時，通過星形聯結將每個繞組上的電壓降至額定電壓的，實現降壓啟動。當電動機轉速接近額定轉速時，切換到三角形聯結方式上，使電動機在全壓模式下進行工作。由轉矩與電壓的平方成正比得，啟動轉矩為直接啟動時的1/3。這種方式造價相對低廉，但啟動轉矩較小。星-三角啟動的特點如下：

（1）可以有效限制啟動電流，通常啟動電流僅為額定電流的2倍;

（2）星型聯結和三角聯結切換的瞬間會產生較大的沖擊電流，以及弧光造成短路，易損害設備;

（3）啟動轉矩僅為額定轉矩的1/3倍，啟動轉矩較小，多用于空載或輕載啟動;

（4）啟動操作方便，設備簡單。

2.3 ?自耦變壓器降壓啟動

自耦變壓器降壓啟動時，利用自耦變壓器電路將電壓降低后再加載到電動機定子繞組上，以達到減小啟動電流的目的。

自耦變壓器啟動特點為：

（1）啟動電流比較小，一般為額定電流的2-4倍;

（2）適用于容量較大的低壓電機中，可以獲得較大的啟動轉矩;

（3）設備笨重復雜，維護困難;

（4）能夠實現有級調速;

2.4 ?軟啟動

軟啟動是一種利用電力電子技術，采取小電流控制大電流的方式，相對于直接啟動方式和降壓啟動方式，軟啟動具有明顯優勢：操作方便、可反饋閉環控制、平滑性好。軟啟動采用六組晶閘管構成三相無中線交流電路進行調壓。通過微控制器，根據移相控制原理，改變晶閘管導通角導通時間來控制電流相位角，從而起到增大電壓減少電流的效果，進而獲得良好的啟動性能。其最主要的特點如下：

（1）沖擊電流較小。軟啟動器在啟動電機時，通過逐漸增大晶閘管導通角，使電機啟動電流從零線性上升至設定值，啟動過程平穩。

（2）軟啟動器帶有閉環電流控制環節，電流平穩、電壓上升斜率和啟動時間均可調。

（3）可根據負載大小，無極調控啟動電流。

2.5 ?變頻器啟動

變頻啟動的工作原理是將電源通過整流電路變為直流，進行濾波變頻后再通過逆變電路將電流轉化為交流。通過改變初始電源頻率，從而讓異步電機的轉速逐漸上升。一般變頻器都采用PWM（脈寬調制技術），利用晶閘管變流技術，達到改變電源頻率效果，其主要特點如下：

（1）使用變頻器能通過改變頻率可快速調整電動機的正、反轉;

（2）變頻器本身具有過流、過壓、欠壓、過載等保護電流，電動機無須再安裝保護開關等設備，減小了成本;

（3）可進行高速運轉，運行平穩;

（4）克服了直接啟動和降壓啟動無法無極變速的缺點。

3 ? 消防泵和消防風機的電機啟動方式

3.1 ?全壓啟動適用性分析

3.1.1 ?規范要求

消防給水及消火栓系統技術規范（GB50974-2014）規定，消防水泵控制柜應設置機械應急啟泵功能，并應保證在控制柜內的控制線路發生故障時，能手動啟動消防水泵。其條文解釋為：若因繼電器故障，而無法采用電信號自動或手動啟動消防泵及風機時則需要機械裝置進行應急啟動。在緊急情況下，扳動機械式應急啟動手柄，強行閉合主回路接觸器，進行全壓啟動。

消防給水及消火栓系統技術規范（GB50974-2014）規定在任何狀態下，消防控制中心應能直接手動啟動和停止各風機，發生火災時，現場模塊能直接自動啟動和停止各風機。

雖然直接全壓啟動存在著許多不足之處，但因為這種啟動方式結構非常簡單，因此它可靠性是最高的，這在消防中是非常重要的，可靠、穩定高于一切。因此直接全壓啟動在建筑消防設施中電機的啟動具有廣泛的應用。

3.1.2 ?在消防中使用注意事項

（1）為了保證消防泵和消防風機的直接全壓啟動，以及緊急啟動時依靠機械方式啟動，所有電氣設備均需按照電機全壓啟動要求進行設計;

（2）在設計時，對于為消防泵和消防風機等消防設備提供備用電源的柴油發電機組的容量選擇時，應按照經驗公式，選用柴油發電機組的容量。以確保火災發生時主電路被切斷，柴油備用電機依然可以為消防泵和風機提供全壓直接啟動的條件。

3.2 ?星-三角降壓啟動適用性分析

3.2.1 ?在消防中使用注意事項

消防泵、噴淋泵、正壓送風機、排煙風機電動機的啟動方式均應優先選用直接全壓啟動方式，但是當消防泵和消防風機的電動機功率較大時，線路在啟動的一刻啟動電流較大，若都使用直接全壓啟動可能會導致配電母線電壓低于系統標稱電壓的85%，這時就應該考慮其他啟動方式。采用星-三角降壓啟動的方式是解決電動機啟動時配電母線電壓降較大問題的良好途徑。

3.3 ?自耦變壓器降壓啟動適用性分析

3.3.1 ?在消防中使用注意事項

自耦變壓器降壓啟動時，電路不能頻繁操作。若啟動失敗則會產生較大的啟動電流。為了避免電流過大造成自耦變壓器的絕緣性能被破壞，需要等待4min后才可以二次啟動，若二次啟動仍然不成功則需要停電4h以后才能進行啟動工作。消防給水及消火栓系統技術規范（GB50974-2014）規定消防泵在報警后5min內應正常啟動。所以電機的啟動速度應快、可靠，一次啟動失敗后應能快速進行再次啟動。由于自耦變壓器降壓啟動方式連續啟動間隔時間較長，因此在消防中一般不建議采用。

3.4 ?軟啟動適用性分析

目前規范中雖然未對軟啟動這種電機啟動方式進行詳細的規定，但無論是消防風機還是消防泵均使用于危急時刻，最重要的作用是滅火救援，電機保護則為次要，所以其對啟動時間要求較為苛刻，而軟啟動前要進行一系列的過壓、欠壓、過流等保護的檢查工作，用時較長因此當采用軟啟動方式啟動不適合建筑消防設施中的電機。

3.5 ?變頻器啟動適用性分析

《火災自動報警系統設計規范》（GB50116-2013）規定“水泵控制柜、風機控制柜等消防電氣控制裝置不應采用變頻啟動方式”。因此在目前建筑中的消防設施中電機是不能采用變頻器啟動的方式進行啟動的。

4 ? 總結

直接全壓啟動是最可靠的啟動方式，規范要求在消防電機的啟動中必須采用直接全壓啟動方式作為消防泵和消防風機電機的直接或備用啟動方式;星-三角啟動方式可以降低啟動電流，降低電網的壓力，成為直接全壓啟動的有效替換啟動方式;自耦變壓器啟動因啟動轉矩較小，適合空載啟動，對于消防泵須帶水進入消防網這種有負載的電機，會延長其啟動時間;軟啟動前的系列檢查工作，也會延長啟動時間，自耦啟動和軟啟動都不利于消防救援;變頻器啟動按規范要求不允許使用。因此對于消防泵和消防風機這類在應急救援時使用的電機，最理想的啟動方式就是全壓啟動和星型-三角型啟動。

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基金項目：

國家自然科學基金青年基金資助項目（51504219）;

鄭州輕工業學院校科研基金（2015XJJY001）。