高壓同步電機(jī)軟起動試驗平臺

本文從原因、工作原理及組成等方面介紹了RQD-D7型磁控軟起動器在安鋼焦化廠中高壓大容量電動機(jī)的應(yīng)用。

磁控軟起動技術(shù)是一種通過飽和電抗器控制交流電動機(jī)電流，以實現(xiàn)軟起動的技術(shù)。其工作原理與晶閘管軟起動技術(shù)相似，主要區(qū)別在于其控制是間接的。磁控軟起動中的晶閘管僅僅用以控制飽和電抗器的飽和度，電動機(jī)電流并不通過它們。這對于高壓、大容量電動機(jī)的軟起動是特別有利的。

通過飽和電抗器的強(qiáng)力“杠桿”，磁控軟起動裝置是以安全輕巧地完成軟起動。磁控軟起動按電流閉環(huán)原則工作，具有軟起動、軟停止以及電動機(jī)綜合保護(hù)器的功能。磁控軟起動的電流給定波形以及各種保護(hù)的動作值可預(yù)先設(shè)定（整定）。磁控軟起動裝置的電控是以PLC為核心的微電子電路，它具有遠(yuǎn)程控制和通訊功能。磁控軟起動裝置可耐較惡劣的環(huán)境，是一種基本免維護(hù)的設(shè)備[1-2]。

1利用電動機(jī)軟起動原因

電動機(jī)起動的瞬間，因為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N=0，轉(zhuǎn)差率S=1，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間的相對轉(zhuǎn)速大，所以它在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上感應(yīng)電動勢和電流大，這時定子電流也比較大，一般為6倍額定電流[3]。起動時的過大電流將產(chǎn)生不良影響，主要的有以下三個方面：1.較大的線路壓降，影響并網(wǎng)的其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，一般要求電網(wǎng)壓降小于15%；2.過大的起動電流，將使電機(jī)繞組絕緣過熱老化，對轉(zhuǎn)子造成傷害，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條；3.對所帶的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生沖擊。

利用軟起動可減少電動機(jī)硬起動（即直接起動）引起的電網(wǎng)電壓降，不會影響共網(wǎng)其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，可減少電動機(jī)的沖擊電流，沖擊電流會造成電動機(jī)局部溫升過大，降低電動機(jī)壽命，可減少硬起動帶來的機(jī)械沖力，沖力加速所傳動機(jī)械（軸、嚙合齒輪等）的磨損，減少電磁干擾，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運(yùn)行。

為了減緩起動沖擊，需要使用軟起動裝置，軟起動裝置可通過平滑升高電機(jī)電壓，實現(xiàn)無沖擊起動，很好地保護(hù)電網(wǎng)和電動機(jī)及其負(fù)載[4]。

2工作原理及組成

2.1工作原理

RQD-D7型磁控軟起動器是一種創(chuàng)新的標(biāo)準(zhǔn)裝置，使驅(qū)動系統(tǒng)更靈活、成本更低。它是從電抗器起動衍生出來的，用電抗器串在電動機(jī)定子實現(xiàn)壓降是兩者的共同點。磁控軟起動不同于電抗器軟起動的是用可控飽和電抗器來取代固定電抗器。飽和電抗器在起動完成后被旁路。

RQD-D7型磁控軟起動器其工作原理是將飽和電抗器的工作繞組串連在電動機(jī)定子回路，通過反饋調(diào)整電抗器控制繞組的直流電流的大小從而改變飽和電抗器的飽和程度，實現(xiàn)電機(jī)的軟起動。其調(diào)節(jié)特性和用晶閘管組成的軟起動裝置相同。磁控軟起動裝置工作原理如框圖（圖1）所示：

圖1 磁控軟起動裝置工作原理框圖

2.2裝置組成

磁控軟起動裝置由磁飽和電抗器和微電子控制器組成。

磁飽和電抗器：由鐵芯和繞組組成，繞組分為交流繞組（工作繞組）和直流繞組（控制繞組）。磁飽和電抗器工作繞組串聯(lián)在高壓電動機(jī)定子回路，其電流可調(diào)整，約為電動機(jī)額定電流的3倍。磁控軟起動用磁飽和鐵芯電抗取代固定鐵芯電抗，每相含2個工作繞組分別挨著2個口字型鐵芯的內(nèi)側(cè)芯柱。勵磁部分：磁控軟起動的勵磁繞組包在所有（6個）工作繞組外面，將6個口字型鐵芯栓為一體。在起動過程中，裝置內(nèi)的PLC按電流閉環(huán)原則控制電抗器的勵磁電流，改變鐵芯飽和度，維持電機(jī)電流恒定。

控制部分：主回路由三相全控橋式整流電路組成，調(diào)節(jié)器由西門子的可編程控制器S7-224及先導(dǎo)公司生產(chǎn)的脈沖放大板組成。具有全數(shù)字的特點，用西門子的TD200文本顯示器組成人機(jī)界面，用來顯示和設(shè)定參數(shù)，查看所發(fā)生的事件記錄及起動波形，具有中文界面。

磁控軟起動的適用范圍由以上可知是籠形轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)或同步電動機(jī)，而不適用于繞線轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)。

2.3接線型式

按交流電機(jī)起動接線型式如圖（圖2）所示：

圖2 交流電機(jī)起動接線形式

N11：裝置接于電機(jī)的電源側(cè)；

N12：裝置接于電機(jī)的電源側(cè)，不包括短接開關(guān)；

N01：裝置接于電機(jī)的中性點；

N02：裝置接于電機(jī)的中性點，增加起動測量電壓互感器；

N03：裝置接于電機(jī)的中性點，不包括短接開關(guān)。

3技術(shù)特點及環(huán)境條件

3.1技術(shù)特點

在磁控軟起動裝置里，SCR通過飽和電抗器的功率和電壓放大作用，控制電動機(jī)的電流。這里耐高壓和流通大電流都是飽和電抗器完成。磁控軟起動有以下技術(shù)優(yōu)勢：可靠、便宜、精確、靈活、對環(huán)境要求不高。

磁控軟起動器具有以下特點：降低起動電流，避免電網(wǎng)電壓驟降；平滑起動，避免產(chǎn)品的損壞；延長相關(guān)機(jī)械部件的使用壽命。

（1） 該裝置通過對電機(jī)的控制，實現(xiàn)恒流起動，減小電機(jī)起動對電網(wǎng)的影響，起動電流可在1.5Ie-4.5Ie任意選擇（視負(fù)載不同），起動完成時，無二次浪涌電流沖擊。

（2） 對電機(jī)和起動器的熱過載保護(hù)，對傳動機(jī)械的機(jī)械保護(hù)，消除轉(zhuǎn)矩浪涌并降低沖擊電流。

（3） 對于大多數(shù)應(yīng)用來說，出廠設(shè)置即可滿足要求，而不需要作任何調(diào)整。

（4） 可以通過調(diào)整設(shè)定參數(shù)優(yōu)化起動曲線。運(yùn)行參數(shù)存儲于EEPROM中。

（5） 電機(jī)起動倍數(shù)連續(xù)可調(diào)，只要根據(jù)需要改變參數(shù)設(shè)定值即可。

（6） 該裝置采用西門子公司PLC和先進(jìn)的多功能傳感器模塊，使結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、設(shè)定靈活，具有全數(shù)字化的特點。

（7） 采用標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)接口，具有2行顯示運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，通過8個功能按鍵和5個設(shè)置按鍵實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、顯示、系統(tǒng)控制及中文在線提示等功能。

（8） 具有自檢功能，可智能檢測器件的故障，如電源電壓、缺相、相序等故障，并自動閉鎖。

（9） 具有事件記錄功能，保存最近發(fā)生的50個事件，可通過操作面板顯示每個事件發(fā)生的年月日時分秒。

（10） 文本顯示器具有中文菜單：本勵磁系統(tǒng)的操作界面符合中國人習(xí)慣，具有中文菜單，每種操作都有中文提示說明，使得沒有說明書也可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，處理故障，縮短檢修時間。

（11）采用計算機(jī)仿真技術(shù)，使整個過程可預(yù)測、可控制、可調(diào)整。

（12）軟起動重復(fù)性好，起動性能不受環(huán)境溫度影響?；久饩S護(hù)，使用壽命長?？蓪崿F(xiàn)軟停止。

3.2環(huán)境條件

（1） 環(huán)境溫度：不超過+40℃, 并且24小時內(nèi)平均溫度不超過+35℃。

（2） 空氣的最大相對濕度不超過90%(20℃)，對濕度的變化每小時不超過5%，且不得出現(xiàn)凝露。

（3）海拔高度不超過1000m。超過時，應(yīng)提供海拔高度。

（4）運(yùn)行地點應(yīng)無導(dǎo)電或爆炸塵埃，無腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體或蒸汽。

（5）裝置安裝地點所允許的振動條件： 振動頻率嚴(yán)酷度等級 10-150Hz時, 振動速度不大于5m/s。

4 應(yīng)用效果

（1） RQD-D7型磁控軟起動一次起動成功率高，性能穩(wěn)定，操作維護(hù)方便，維護(hù)工作量小，縮短檢修時間。

（2）在軟起動裝置里，飽和電抗器具有高、低壓隔離和功率放大的雙重作用，與晶閘管軟起動裝置比較，具有安全性高，成本低，諧波小等特點。電壓總諧波畸變率控制在3%以內(nèi)。與液態(tài)軟起動裝置相比，具有體積小、免維護(hù)、起動重復(fù)性好等特點。與固定電抗器比起動快，起動過程平穩(wěn)。煉軋廠是連續(xù)性的生產(chǎn)，應(yīng)盡量減少事故及停機(jī)時間，用磁控軟起動可以起停自如。

（3）采用PLC，實現(xiàn)對磁飽和電抗器的PID閉環(huán)控制，使起動電流大小可以根據(jù)電網(wǎng)情況靈活設(shè)置，可以調(diào)節(jié)電抗器的分接頭在一定范圍內(nèi)改變電抗的大小以滿足要求，且有通訊功能。

（4）成功地將飽和電抗器合為一個自然冷卻的整體，共用一個直流勵磁繞組，很好地解決了線圈之間兼容和配合問題。

（5）軟起動方式是1.5Ie-4.5Ie倍的恒流軟起動，軟起動時間一般為20-40秒，軟起動重復(fù)性好，可連續(xù)起動。

（6）在風(fēng)機(jī)的應(yīng)用中，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定時電抗兩端的電壓減小，起動全過程中始終保持較大的起動力矩，起動速度快，起動過程平穩(wěn)，克服了固定鐵芯電抗器降壓起動時后期電機(jī)力矩不足的缺點，消除了短接時出現(xiàn)電流沖擊的現(xiàn)象。

（7）起動時裝置中的飽和電抗器會發(fā)出一定的電磁噪音，尤其是前半程，噪音大，估計有80分貝，要注意防護(hù)。

應(yīng)用效果表明：高壓磁控軟起動裝置通過一個電抗質(zhì)可平滑調(diào)節(jié)的三相電抗器實現(xiàn)降壓起動，電抗質(zhì)的調(diào)節(jié)是平滑的。通過微電子技術(shù)按反饋原理實現(xiàn)，所產(chǎn)生的高次諧波含量小。在解決大風(fēng)機(jī)負(fù)載起動對電網(wǎng)沖擊等方面，高壓磁控軟起動是一種很實用和很值得推廣的技術(shù)，它勢必成為國內(nèi)乃至國外高壓大容量電動機(jī)軟起動的主流產(chǎn)品。

5 結(jié)束語

RQD-D7型磁控軟起動裝置具有電源電壓過高、過低和缺相，電流不平衡，電動機(jī)過流等保護(hù)功能，在安鋼焦化廠投用以來，目前運(yùn)行良好，它可將起動沖擊電流控制在電網(wǎng)和電機(jī)容許的范圍之內(nèi)，且起動過程平穩(wěn)，電網(wǎng)電壓波動較小，滿足了電動機(jī)起動的需要，保證了高壓大容量電動機(jī)的正常運(yùn)行。可靠性高，故障率低，達(dá)到了滿意的效果，提高了企業(yè)的整體自動化水平。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“基于高壓電動機(jī)的磁控軟起動應(yīng)用”，作者為申凌云、何俊正、陳春香、李運(yùn)蛾。）