带转矩控制的BENSHAW固态软起动器可以消除水锤

上海杰诣通用电器有限公司 
厉无咎 李正中 蒋智华
Avoid Water Hammer By Using the Solid State Soft Starter  with Torque Control 
Shanghai Jieyi General Electric Inc. Li Wujiu  Li Zhengzhong  Jiang Zhihua  
摘要： 
当液体在管路系统中受外力突然加速或突然减速或改变流向就会造成水锤。水锤危害很大，轻则引起管路系统振动，发出噪声，重则造成损坏，甚至使泵房被淹。本文分析了水泵起动和停止时造成水锤的原因，认为采用具有转矩控制的BENSHAW固态软起动器可以消除水锤，而其他如水电阻之类的电机起动器因为不具备转矩控制能力，故不能消除水锤。
When a water transfer system is quickly started (to accelerate water), stopped (to decelerated water) or is forced to make a rapid change in direction, water hammer usually occurs. If not seriously the water hammer will cause vibration of transfer system, if seriously water hammer will cause catastrophic system component failure, even the pump station is in flood. After analyzing the cause that result to water hammer when a pump is started or stopped, the paper consider that the water hammer can be decreased or avoided by using the solid state soft starter with torque control, and other reduced voltage starter such as water rheostat have not torque closed loop control function, so it can not eliminate the pump. 
水和其它实用的液体都是不可压缩的，因此施加在液体上的能量会立即传递开去。当阀门开、关或水泵开、停造成流速的突然变化，则动能转变为弹性能，产生一连串的正负压力波，在管线中来回振动，这就是所谓的水锤。由此可见水锤的产生，一是由于外加驱动力的突然变化造成的，二是由于运动的液体速度突然变化造成的。所以我们要研究水泵开机和停机时的控制方法，以便避免水锤的产生。
1．采用转矩控制才能消除水泵起动时的水锤
水泵通常是由交流异步电动机驱动的，而异步电动机具有如图1 所示的转矩—转速特性和电流—转速特性。


 
图1 异步电动机的转矩—转速特性和电流—转速特性。图1 的特性是在异步电动机定子端电压U1 为额定电压U1rat 的情况下得到的。由于异步电动机的电流
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I1 = I '2 =  U1 （A）(r+r'/ s)2 + (x + x ' )2 
12 120 
式中I1—异步电动机定子电流；
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I 2'—异步电动机折算到定子侧的转子电流；U1—加于异步电动机定子的端电压；r1—异步电动机定子电阻；x1—异步电动机定子电抗；
r2'—异步电动机转子电阻；x20'—异步电动机折算到定子侧的转子电抗；
s = n0 n − 0 n 为异步电动机的转差率；
n0—异步电动机的同步转速（旋转磁场转速）；n—异步电动机转子转速。由式（1）可见，异步电动机的电流与端电压成正比。所以，只要把图1 的电流曲线乘以Uk/U1rat就可以得到在端电压为Uk时的电流特性。
异步电动机的转矩M＝Ω〔（r ＋r ‘ /3s U ）212 + (x + x ' )2〕∗ rs 2' （N*m）（2）
0 12 120 
式中Ω0 为异步电动机旋转磁场的角速度，Ω0 ＝ 2πn0 。
60 由式（2）可见，异步电动机的转矩与端电压的平方成正比，所以，只要把图1 的转上海市福建中路193 号2612 室邮编200001 2 Tel: 0086-21-63914290，63914792，28409679  Fax: 0086-21-63914792－13 


矩曲线，乘以Uk/U1rat就可以得到在端电压为Uk时的转矩特性。
由图1 可见，同样的电流值在不同转速时产生的转矩会有很大差异（6-8 倍）。在低速阶段，单位电流的力矩值很小，而在接近额定转速阶段，单位电流的力矩很大。因此，起动电动机时如果用电压斜坡或电流斜坡控制，在电动机接近额定转速时都会产生转矩冲击。图2 示出了采用电流斜坡起动水泵时的电机转矩和转速随时间变化曲线。这波形图可见最大转矩可达水泵在额定转速时的转矩的2.5 倍左右。而采用电压斜坡控制时，由于电流会更大（电流不受控制），其转矩波形与图2 相似，只是会在更早时间出现转矩冲击。这种冲击转矩的出现，就会引发水锤。
 
图2 
如果我们能够控制电动机的转矩，不使它过多的超过水泵需要的转矩，那么就能消除起动水泵时产生的水锤。图3 示出了采用转矩斜坡起动水泵时的电机转矩和转速随时间变化曲线。把这波形图与图2 相比可见，转矩冲击消失了。所以采用转矩控制方式起动水泵能够消除水锤。

 
图3 
这里顺便提一下，在电动机定子回路中串入液体变阻器，实际上是利用液体电阻器来降低加在电动机端子上的电压，达到降压起动目的。由于液体电阻的电阻值不仅仅与电极间的距离有关，而且还与液体电解质浓度和液体的温度有很大的关系。要利用液体电阻器做到对电动机实现转矩控制是十分困难的，到目前为止，尚未见有这类控制的液体变阻器出现。
2．采用转矩控制可以消除水泵停机时的水锤
水泵必须施加一定的力矩才能把水从较低的位置输送到较高的位置，所以如果使水泵停止时，水管中的水一方面因惯性而继续