船舶消防水泵軟啟動器應用與故障分析

◎ 單純正 許林

1.駐上海地區第四軍事代表室；2.中國船舶集團有限公司第七一一研究所

1.船舶消防水泵中軟啟動器的作用

近年來，船舶工業發展迅速，船舶電氣自動化程度越來越高，許多自動化控制裝置和儀表設備對船舶電網的供電質量要求也大大提高，船舶噸位也不斷提高，消防水泵功率也在增大，使用軟啟動器控制已經普遍應用到該領域。傳統控制方式是采用接觸器直接啟停，在啟停過程中都將因為轉矩突變而導致水流形成水錘現象，使消防泵產生喘震和噪音，同時也會晃動消防管道和支架，甚至造成爆管、閥門松動、消防水泵遭到損壞，這種比較簡單的控制方式，但是它對船舶電網沖擊有很大的影響[1]；該啟動裝置是采用接觸器進行切換,在啟停的瞬間接觸器容易產生大的電弧,會引起觸頭燒損造成相互短路,輕則對電網沖擊影響船上其他設備運行，重則危及船舶電力系統安全運行造成全船停電；同時容易損壞控制電路元器件，造成很大的安全隱患，使維護保養工作量增多[2]。在多型船舶上使用羅克韋爾（Rockwell）公司SMC系列軟啟動器，可以在控制消防泵電機啟停過程中實時檢測，輸出電壓可以根據負載條件和泵的轉速，使輸出到達最佳擬合，大大的提高了泵的使用壽命，降低維護成本和維護工作，同時有效地消除了水錘現象，降低消防泵的喘震和噪音。它不僅對電網系統沖擊小，保護功能更加完善，控制元件不容易損壞，并且相對于變頻器，它具有結構簡單，維修方便，價格實惠，實用性較強等優點。

2.軟啟動器在船舶消防水泵中的應用

2.1 軟啟動器的工作原理

軟啟動器是采用電力電子技術集電機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電動機控制裝置，國外稱為Soft Starter 。使用三相反并聯晶閘管（SCR）作為調壓器，其連接在電源和電動機定子之間，及以微處理器和信號檢測、保護控制構成控制器，通過控制晶閘管調節器輸出的晶閘管觸發角使軟啟動器電壓升高，觸發角增大，電機逐漸加速，一直到完全導通晶閘管，SMC-Flex控制器檢測電機達到額定轉速自動引入內部的旁路接觸器使輸出電壓達到滿電壓，以減少熱損耗，延長軟啟動器的壽命，提高其效率，而且避免了晶閘管使電網諧波污染，同時實現非接觸式軟啟動，軟停車，泵控制模式，輕載節能及多種保護功能。使用AB公司的SMC系列軟啟動器就具有專門的泵控制方式和內部旁路接觸器，軟啟動器控制原理系統框圖如圖1所示。

圖1 軟啟動器控制原理系統框圖

2.2 消防水泵軟啟動器控制器接線圖

實際使用SMC-Flex控制器主回路采用標準接線“一控一”控制方式如圖2所示，這種控制方式可提高設備的安全可靠性，軟啟動后，控制器會自動引入內部旁路接觸器，然后關斷晶閘管使輸出電壓達到全壓，從而降低了軟啟動器晶閘管的熱損耗。不僅延長了軟啟動器的使用壽命，避免了諧波對電網污染。

圖2 軟啟動器主回路接線圖

2.3 軟啟動器參數設置

一般出廠時，廠家對每一個參數都有一個默認值，用戶在正確使用軟啟動器之前通過適當設定控制參數，調節輸出可以使消防泵電機運行電流和負載，以獲得更好的匹配。基本參數設置，檢查電機參數，軟啟動在參數中設定電機的功率、電流、電壓、轉速、頻率、功率因數，這些參數可以直接從電機銘牌獲得。根據電機信息，輸入數據同電機銘牌上的數據一致至關重要，將參數正確完整輸入，使控制器獲得最佳的性能。注意在電機運行期間，修改參數值是無效的，直到下一次運行參數值才會被修訂，同時允許用戶通過密碼保護來限制他人越權進入編程系統。

消防泵機旁控制箱具有電源、泵閥運行、故障等狀態的實時指示功能，具有控制部位轉換、起停控制、過載保護、電動碟閥開閉等控制功能。在機旁控制箱采用了SMC系列軟起動器，通過應用欠壓啟動的方法，將單臺消防泵組原來6倍于額定電流的起動電流限制在現在3倍于額定電流的起動電流范圍之內，根據機旁控制箱與消防泵組的聯調試驗證明效果理想，額定功率125千瓦的電動消防泵實際啟動電流可控制在700A以內。有效防止了大功率電動消防泵組投入時產生對電網的破壞性沖擊，同時采用軟停止逐漸降壓的停泵方式，減輕了水錘效應對消防泵的損壞程度。同時該軟啟動器結構牢固可靠，內置旁路，外形緊湊，發熱量小，在滿足軟啟動的前提下又做到了節能。

根據對試驗數據分析：既滿足消防泵起動電流不大于其顫定電流(額定電流為235A的3倍的要求，又能確保消防泵快速起動投入運行；則實驗數據中的配置參數采用軟起動方式、斜坡時間20S、初始轉矩10%、突跳起動時間0S、突跳起動等級0%、軟停止時間5S的一組為最佳配置參數，測量參數為：沖擊電流600A、起動時間4.8S、停止時間5.3S，并在該組參數上試驗三次均滿足條件，該組參數作為消防泵機旁控制箱的初始配置參數。

2.4 軟啟動器的功能

2.4.1 泵控制功能

泵控制功能是將消防泵電機的特性曲線預設儲存在SMC-Flex控制器中，該功能能夠通過對消防泵電機的加速和平滑加速，而消防泵，以減少在啟動和停止時水錘現象。微處理器分析消防泵每個運行參量，并發出命令來控制電機的運轉，降低系統發生的水錘現象的可能性。但是傳統的降壓線性斜坡軟停止不能有效的改善消防泵系統的性能，消防泵要使用特殊的泵控制功能，泵控制選項運行時序圖見圖3。

圖3 泵控制選項運行時序圖

2.4.2 軟停車功能

停車時消防泵電壓逐漸減小，轉速下降斜坡時間用戶可以調節電壓斜坡下降時間范圍是0-120秒。當輸入電壓下降到負載轉矩比電機輸出轉矩較大時對應負載停止的電壓值，可消除由于自由停車帶來的系統二次沖擊，對消防泵負載可以減輕突然停車造成的水錘效應。

2.4.3 保護功能

SMC-Flex控制器提供了過載、過流、欠載、欠電壓、過電壓、缺相、失速保護和堵轉檢測等多種保護功能[3]。

同時可以看出軟啟動器有傳統起動裝置無法比擬的優點，對于船舶消防泵較特殊的如平滑加速、軟停止、各種保護功能的要求，它是傳統起動裝置的理想換代產品。

3.軟啟動器運行過程中常見故障及原因分析

3.1 啟動故障

正常啟動后無反應，首先檢查主電路是否供電，然后再去啟動；主電路電源缺相，軟啟動器保護動作，首先檢測三相電是否缺相。

晶閘管擊穿短路，晶閘管損壞原因頻繁啟動過熱而損壞或者濾波板損壞，造成晶閘管非正常導通，及時更換。

門極開路故障，可能是某個電源電極上由于門極開路造成的，將門導線松動加以緊固，如果必要時，請更換電源電極。

欠電壓故障軟啟動器電源輸入部分有問題，需檢查電源后才可以運行。

負載斷開軟啟動器輸出端沒有連接負載，可能電源線與消防泵接線端子處連接松脫或接觸不良。

軟啟動器SMC-Flex控制器模塊損壞系統故障，更換控制器。

3.2 溫度故障

啟動過程中突然停機，溫度過熱可能是軟啟動器通風情況不良或風扇故障，因為軟啟動器用晶閘管控制存在散熱問題，SMC-Flex控制器的開放式設計要求將其安裝在機箱內，機箱溫度必須控制在0-50℃之間，保證通風排出軟啟動器工作時產生的熱量，及時清理軟啟動器出風口積灰或更換風扇；

周圍環境溫度過高或者消防泵啟動瞬間過載嚴重，也會引起溫度保護動作。因為SMC-Flex控制器通過內部的熱敏電阻器監視晶閘管和旁路的溫度，當電源電極到達最高額定溫度時，組件就關斷晶閘管門信號關閉，軟啟動器停止工作。環境溫度過高，再加上啟動瞬間過載嚴重，這將大大增加整流器的溫度，造成保護跳閘，應盡量降低它的環境溫度；

如果消防泵堵轉，起動轉矩大，也可能導致溫度故障，使軟啟動器不能正常工作。解決溫度故障時，必須從兩個方面考慮自身溫度和外部負載，如果消防泵存在過載，軟啟動器就會瞬間嚴重過熱不能啟動。

3.3 接地故障

接地故障絕緣或高阻抗系統中，通常以磁芯平衡電流傳感器檢測等級較低的接地故障，檢測到這種故障可以中斷系統的運行，發出警報防止設備進一步損壞，及時開展維修，這些故障通常由于絕緣擊穿或者異物進入造成。

3.4 失速堵轉故障

消防泵轉動部分堵轉過載嚴重，引起的起動力矩過大，軟啟動器保護動作，解決方法是檢查管道是否有異物進入，造成消防泵轉動部分卡澀，保證管道內沒有異物；另外也可能是吸入閥沒有打開，而過載嚴重而無法啟動；軟啟動器控制器組件的問題，則檢查軟啟動器本身。失速保護和堵轉檢測增強對消防泵整個系統的保護。

3.5 線路故障

SMC-Flex控制器能夠持續檢測線路狀況是否發生異常，起動前包括：

線路故障（帶相電壓指示）

①電源斷電；

②消防泵電機連接的三相電源線松動或者消防泵故障或者三相電源不平衡；

③SCR短路。

運行期間線路故障（無相電壓指示）

①供電電源消失斷電；

②負載斷開連接；

③軟啟動器自身故障，控制器組件故障或者電源門極電阻器開路。

3.6 故障顯示

從軟啟動器故障指示入手，SMC-Flex控制器上顯示屏故障代碼顯示可以通過故障代碼索引表來查看，來精準的定位故障原因和故障位置，并快速的排除故障。在實際運行過程中多數故障是失速堵轉和溫度故障，軟啟動器自身出現問題很少。

4.結論

結合實際運用總結歸納了軟啟動器的故障，可以通過參考快速有效的排除故障，恢復工作。實際中，船舶消防水泵軟啟動器應用對改善消防泵啟動對船舶電站的沖擊，減輕消防泵停機時的“水錘效應”的影響，改善控制電器的維護工作有極高價值的意義。