一種高壓干式移磁無級調(diào)壓軟起動裝置技術

張 曉 明(甘肅省水利水電勘測設計研究，蘭州 730000)

0 引 言

目前市場上有不同原理的軟起動裝置，如：液態(tài)水阻柜、固態(tài)可控硅(晶閘管)、磁控、磁閥高壓軟起動、固態(tài)降補軟起動等，根據(jù)各自的制造原理不同，各有優(yōu)缺點。液態(tài)水阻高壓軟起動工作原理是通過串聯(lián)有功水電阻來實現(xiàn)降壓啟動，有功水電阻值可以通過水電阻本身的溫度變化或液阻箱內(nèi)極板的距離而變化，屬串聯(lián)調(diào)壓原理。如圖1所示。

圖1 液態(tài)水阻高壓軟起動工作原理

特點是可以通過改變液阻的阻值進行機端電壓的調(diào)節(jié)，不改變供電頻率，不產(chǎn)生諧波。但其受環(huán)境地理條件限制，對使用環(huán)境溫度敏感性強 ，起動曲線難控制，起動時為有功消耗，熱積累大，必須預留足夠的熱容量，體積大，PVC板液阻箱受環(huán)境影響，易老化開裂漏液，屬淘汰技術類產(chǎn)品。

固態(tài)可控硅(晶闡管)高壓軟起動工作原理是通過調(diào)整晶閘管的導通角來實現(xiàn)降壓啟動，屬斬波原理。如圖2所示。

圖2 固態(tài)可控硅(晶闡管)高壓軟起動工作原理

其特點是可以通過調(diào)節(jié)導通角來控制調(diào)節(jié)電機機端的有效電壓，可以實現(xiàn)電機機端電壓的可調(diào)，主回路及控制回路都為電子產(chǎn)品，成套設備重量相對較輕，便于運輸。但可控硅易擊穿，怕雷擊，維護成本高，工作時產(chǎn)生大量諧波，干擾電網(wǎng)影響電機，且每相都需由多個硅管串并聯(lián)組成，控制精度高，控制技術復雜，故障點多，維護困難。再者可控硅屬半導體器件，導電熱損耗大，不利于頻繁起動，電子器件對環(huán)境的要求比較苛刻，故障率高。

磁控、磁閥高壓軟起動工作原理為通過調(diào)節(jié)電抗器硅鋼片鐵芯的磁飽和，根據(jù)硅鋼片的磁化曲線可知，當達到飽和點時其磁化強度迅速下降，從而實現(xiàn)電抗器阻抗值的下降達到改變串聯(lián)電機機端電壓的目的，實際就是飽和電抗衍生的一個產(chǎn)品。如圖3所示。

圖3 磁控、磁閥高壓軟起動工作原理

其特點是安全性能相對水阻高，適應性較強，使用環(huán)境的溫度與地理位置的范圍較大，硅管用于調(diào)磁回路，沒有直接串入電機主回路，使用穩(wěn)定性相對提高。但只有達到飽和點時才可實現(xiàn)調(diào)節(jié)，所以調(diào)節(jié)范圍窄，起動時電流大，對電網(wǎng)和電機沖擊大，采用可控硅調(diào)節(jié)必然有諧波產(chǎn)生，同時飽和電抗原理容易使系統(tǒng)中存在的諧波疊加放大，損壞電機或破壞電機的絕緣，再者直流調(diào)磁回路的電子元件可靠性低，故障點多，起動時，電磁聲音較大。

固態(tài)降補軟起動工作原理為通過自耦變壓器進行降壓，同時用電容來補償起動過程中的無功，從而實現(xiàn)降低電機的起動電流。如圖4所示。

圖4 固態(tài)降補軟起動工作原理

其特點是非液態(tài)導體，安全性也相對較高。對使用環(huán)境要求不高，起動過程中可以有效地降低無功。由油浸式自耦變壓器構成，屬有級降壓，全壓切換時雖加有緩沖電抗，但其為實芯電抗，二次切換時壓差較大，沖擊明顯，非無級可調(diào)，起動過程中通過投切無功發(fā)生器組來調(diào)節(jié)電機的起動力矩，在切除無功發(fā)生器組的瞬間會造成電動機機端電壓的波動，無功發(fā)生器組在投切過程中，因沖擊電流致使其容量衰減是避免不了的，所以頻繁的起動會加快無功發(fā)生器組的老化速度，存在較大的安全隱患。

綜合上述高壓電動機軟起動產(chǎn)品原理存在各種缺陷與不足，本文將對一種能完全滿足無諧波污染、電流調(diào)節(jié)范圍廣、使用條件不受地理位置和環(huán)境限制、體積小，控制簡單、安全性高、使用范圍廣、性價比高、性能完善的高壓干式移磁無級調(diào)壓軟起動產(chǎn)品進行技術探討。

1 高壓干式移磁無級調(diào)壓軟起動柜移磁原理

移磁原理實際上是通過改變高導磁率的鐵芯磁介質(zhì)在空芯電感線圈中的位置，而調(diào)節(jié)線圈磁場中磁介質(zhì)的導磁率,改變線圈磁場強度,以達到改變線圈阻抗值的目的，使電動機端電壓逐漸上升至接近全壓，從而實現(xiàn)電動機的軟起動。

現(xiàn)分析探討如下：設空芯線圈軸向長度為L，繞組匝數(shù)為N，通入的交流電流為i=Icosωt，鐵芯軸向長度為L，截面面積為A，空氣的磁導率為μ0，鐵芯的磁導率為μFe。

圖5 鐵芯全部位于淺圈中時

圖6 鐵芯不在線圈中時

圖7 鐵芯部分位于線圈中時

當鐵芯全部位于線圈中時(圖5)，線圈中的電流產(chǎn)生的磁動勢為:

F=Ni

(1)

假設該磁動勢全部消耗在鐵芯磁路中，則在鐵芯中感應的磁通密度為:

(2)

則在鐵芯中產(chǎn)生的磁鏈為:

(3)

所以此時線圈中的電感值為：

(4)

當鐵芯不在線圈中時,如圖6所示線圈中的電流產(chǎn)生的磁動勢為:

F=Ni

(5)

假設該磁動勢全部消耗在線圈中的空氣磁路中，則在空氣中感應的磁通密度為:

(6)

則產(chǎn)生的磁鏈為:

(7)

所以此時線圈中的電感值為：

(8)

下面來分析當鐵芯位于線圈中任意位置時線圈的電感量，設鐵芯向右移動了x的長度，如圖所示，此時線圈軸向長度范圍的磁介質(zhì)分為空氣和鐵芯兩段，所以線圈電感也分為兩段來計算，設空氣段的電感為L1，鐵芯段的電感為L2。

根據(jù)式(1)和式(2)的分析計算，可得：

(10)

所以：

(11)

當x=0時，

(12)

當x=L時，

(13)

下面來分析，線圈電感量Lm隨鐵芯位置量x的變化規(guī)律。

圖8 Lm(x)隨x變化圖

2 電動機移磁調(diào)壓軟起動數(shù)學模型

根據(jù)電機學中的知識，異步電動機直接起動時的起動電流可以由下式得到：

(14)

式中：U1為定子繞組相電壓有效值；R1為定子繞組電阻值；R′2為轉(zhuǎn)子繞組電阻值；X1σ為定子繞組漏電抗值；X′2σ為轉(zhuǎn)子繞組漏電抗值。

當電動機使用移磁軟起動器起動時，起動電流變?yōu)椋?/p>

(15)

式中：Rm為串入起動線圈的電阻值；Xm(x)=2πfLm(x)為串入起動線圈的電抗值。

從上式可以看出：當使用移磁調(diào)壓軟起動器起動異步電動機時，其起動電流是可控的，而且是與鐵芯在空芯線圈中的位移量x成反方向變化規(guī)律而變化的。因此通過控制鐵芯在空芯線圈中的位置，就可以達到控制異步電動機起動電流的目的。

3 高壓干式調(diào)壓軟起動柜移磁調(diào)壓的實現(xiàn)

移磁調(diào)壓軟起動器由起動真空斷路器、運行真空接觸器、移磁調(diào)壓裝置、保護系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其主要部分移磁調(diào)壓裝置由一組三相電感線圈、軌道、鐵芯柱、傳動機構和控制系統(tǒng)構成。將三相空芯電感線圈每相一端通過真空接觸器與工頻電網(wǎng)連接，另一端直接與電動機定子繞組連接。整個系統(tǒng)的工作原理由圖9所示。

圖9 移磁調(diào)壓系統(tǒng)工作框圖

4 關鍵技術和實現(xiàn)途徑

4.1 移磁原理的采用

在線圈磁場中，高導磁鐵芯磁介質(zhì)的導磁率μFe和空氣為磁介質(zhì)的導磁率Uo，在數(shù)值上存在巨大的差異，利用μF3?Uo可實現(xiàn)調(diào)節(jié)線圈的磁場強度，從而改變線圈的阻抗值。

鐵芯磁介質(zhì)在空芯線圈中的位移量x與導磁率是成反比的，因此通過控制鐵芯磁介質(zhì)在空芯線圈中位置的變化，使線圈磁場的導磁率由μFe變?yōu)閁o，而改變線圈磁場強度，達到線圈阻抗值由大到小的無級可調(diào)。

4.2 干式移磁無級調(diào)壓軟起動柜的形成

干式移磁無級調(diào)壓軟起動柜由真空斷路器、真空接觸器、移磁調(diào)壓裝置、保護系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其工作原理示意圖如圖10。

圖10 工作原理示意圖

4.3 具體實施方式

按照工作原理示意圖敘述：①接通低壓控制電源，控制系統(tǒng)開始工作；②按下起動按鈕，起動真空斷路器合閘，線圈與被起動電機串聯(lián)成回路接通電源，此時線圈阻抗值最大，與工作電壓分壓80%左右，起動電流在電動機額定電流的1倍左右，電流互感器的取樣電流供給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)根據(jù)起動電流大小，發(fā)出指令，線圈阻抗值緩慢減小，電動機的起動電壓平穩(wěn)增加，達到額定電壓95%以上；③根據(jù)電動機所拖動設備的轉(zhuǎn)矩大小及電網(wǎng)的承受能力，在保證電機起動力矩的同時，將起動電流控制在最佳、值最小狀態(tài)，直到電動機完成，達到額定轉(zhuǎn)速時，控制裝置發(fā)信號，真空接觸器自動合閘，電機全壓運行，可調(diào)電感線圈成旁路，調(diào)壓軟起動系統(tǒng)退出，軟起動成功，反之在停機時亦可實現(xiàn)電動機的軟停機。

4.4 系統(tǒng)諧波分析

干式移磁無級調(diào)壓軟起動裝置采用機械方式改變串入電動機定子回路中電抗，既沒使用晶閘管等電力電子裝置，也不用額外的直流電源，因此不會產(chǎn)生額外的諧波污染，保證了輸出電壓與上級變壓器電壓波形相同，系統(tǒng)頻率也不會發(fā)生改變。

4.5 移磁調(diào)壓自動控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的指令計算信號來自起動電流的給定值，給定值與實際采樣的起動電流相比，其差值輸入滯環(huán)比較器，當差值大于設定的門檻值時，則驅(qū)動拖動電機使鐵芯移動，直至實際起動電流滿足給定電流的要求，使電動機在最佳電流下起動，或在給定起動曲線下完成起動過程。

4.6 一體化成型的新型結(jié)構

干式移磁無級調(diào)壓軟起動柜一體化成型，結(jié)構新穎，其特征是：采用標準KYN28金屬鎧裝高壓中置柜體，將標準中置柜的內(nèi)部構造稍作調(diào)整，柜體前上部為儀表室、裝置有電機綜合保護裝置、各種信號指示、操作開關按鈕，柜體的前中部及上中部為上手車室，室內(nèi)裝斷路器手車連帶真空斷路器，柜體的后上部為高壓母線室及真空斷路器上靜觸頭，真空斷路器的下靜觸頭、帶電顯示傳感器、避雷器，分上中下排列裝置在高壓母線室外柜體的中中部，柜體的下部為下手車室，下手車室內(nèi)設置干式移磁無級調(diào)壓軟起動裝置及手車，干式移磁無級調(diào)壓軟起動裝置通過模塊化優(yōu)化組合，在柜體底部的后端，設有高壓電纜出線孔，零序電流互感器裝置在高壓電纜出線孔口，高壓電纜穿過零序電流互感器從高壓電纜出線孔引出，在柜外接至高壓電動機?？茖W巧妙地將傳統(tǒng)高壓開關柜、運行旁路柜和軟起動柜三柜合一的安裝在一個柜內(nèi)、體積小，是同等高壓軟起動器體積30%～40%，安裝方便、節(jié)約空間，同時提升了可靠性，杜絕了因柜間連接而存在的故障點。

5 高壓干式移磁無級調(diào)壓軟起動柜的綜合特點

(1)將開關柜、運行旁路柜和起動柜三合一的一體化設計、結(jié)構巧妙、體積小，是同等高壓軟起動器體積30%～40%，安裝方便、節(jié)約空間。

(2)免維護設計，投入使用后無其他維護，可以節(jié)約大量的維護費用與消耗。(相當于干式變壓器的特性)。

(3)無任何可控硅等電子元件，保持了工頻電網(wǎng)的正弦波，無諧波污染，不影響電能質(zhì)量，抗干擾性強。

(4)操作簡單，適用性很強，不受使用環(huán)境的溫度與地理位置的影響，適用于各種苛刻的環(huán)境條件。

(5)節(jié)能效果好，由于通過改變電感的感抗來調(diào)壓，無有功功率消耗，耗能極小。

(6)安全性高，過載能力強，控制參數(shù)及曲線調(diào)整范圍大，屬無級無觸點調(diào)壓。

(7)起動過程平滑，電流小，力矩大，可以頻繁起動。

6 結(jié) 語

高壓干式移磁無級調(diào)壓軟起動柜，是一種結(jié)構新穎、模塊化、互換性強、運行安全可靠、使用壽命長、起動電流小、起動力矩大、過載能力強、無諧波污染、不受使用環(huán)境和溫度與地理位置影響、使用維護方便的全新軟起動設備，解決其他各種高壓軟起動裝置所存在的各種不足與缺陷，在技術上具有較大的優(yōu)越性，有利于電動機安全穩(wěn)定運行的要求。為中大容量高壓電動機起動應用的進一步推廣奠定了技術基礎(注：高壓干式移磁無級調(diào)壓軟起動柜已由湖南科太電氣有限公司實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化)。

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