高壓同步電機(jī)軟起動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)

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(dòng)器在安鋼焦化廠中高壓大容量電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。

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

通過(guò)飽和電抗器的強(qiáng)力“杠桿”，磁控軟起動(dòng)裝置是以安全輕巧地完成軟起動(dòng)。磁控軟起動(dòng)按電流閉環(huán)原則工作，具有軟起動(dòng)、軟停止以及電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器的功能。磁控軟起動(dòng)的電流給定波形以及各種保護(hù)的動(dòng)作值可預(yù)先設(shè)定（整定）。磁控軟起動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)軟起動(dòng)原因

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間，因?yàn)檗D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N=0，轉(zhuǎn)差率S=1，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速大，所以它在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流大，這時(shí)定子電流也比較大，一般為6倍額定電流[3]。起動(dòng)時(shí)的過(guò)大電流將產(chǎn)生不良影響，主要的有以下三個(gè)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(guò)大的起動(dòng)電流，將使電機(jī)繞組絕緣過(guò)熱老化，對(duì)轉(zhuǎn)子造成傷害，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條；3.對(duì)所帶的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生沖擊。

利用軟起動(dòng)可減少電動(dòng)機(jī)硬起動(dòng)（即直接起動(dòng)）引起的電網(wǎng)電壓降，不會(huì)影響共網(wǎng)其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，可減少電動(dòng)機(jī)的沖擊電流，沖擊電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)局部溫升過(guò)大，降低電動(dòng)機(jī)壽命，可減少硬起動(dòng)帶來(lái)的機(jī)械沖力，沖力加速所傳動(dòng)機(jī)械（軸、嚙合齒輪等）的磨損，減少電磁干擾，沖擊電流會(huì)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(dòng)沖擊，需要使用軟起動(dòng)裝置，軟起動(dòng)裝置可通過(guò)平滑升高電機(jī)電壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊起動(dòng)，很好地保護(hù)電網(wǎng)和電動(dòng)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(dòng)器是一種創(chuàng)新的標(biāo)準(zhǔn)裝置，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更靈活、成本更低。它是從電抗器起動(dòng)衍生出來(lái)的，用電抗器串在電動(dòng)機(jī)定子實(shí)現(xiàn)壓降是兩者的共同點(diǎn)。磁控軟起動(dòng)不同于電抗器軟起動(dòng)的是用可控飽和電抗器來(lái)取代固定電抗器。飽和電抗器在起動(dòng)完成后被旁路。

RQD-D7型磁控軟起動(dòng)器其工作原理是將飽和電抗器的工作繞組串連在電動(dòng)機(jī)定子回路，通過(guò)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)。其調(diào)節(jié)特性和用晶閘管組成的軟起動(dòng)裝置相同。磁控軟起動(dòng)裝置工作原理如框圖（圖1）所示：

圖1 磁控軟起動(dòng)裝置工作原理框圖

2.2裝置組成

磁控軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)定子回路，其電流可調(diào)整，約為電動(dòng)機(jī)額定電流的3倍。磁控軟起動(dòng)用磁飽和鐵芯電抗取代固定鐵芯電抗，每相含2個(gè)工作繞組分別挨著2個(gè)口字型鐵芯的內(nèi)側(cè)芯柱。勵(lì)磁部分：磁控軟起動(dòng)的勵(lì)磁繞組包在所有（6個(gè)）工作繞組外面，將6個(gè)口字型鐵芯栓為一體。在起動(dòng)過(guò)程中，裝置內(nèi)的PLC按電流閉環(huán)原則控制電抗器的勵(lì)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(diǎn)，用西門子的TD200文本顯示器組成人機(jī)界面，用來(lái)顯示和設(shè)定參數(shù)，查看所發(fā)生的事件記錄及起動(dòng)波形，具有中文界面。

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

2.3接線型式

按交流電機(jī)起動(dòng)接線型式如圖（圖2）所示：

圖2 交流電機(jī)起動(dòng)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(kāi)關(guān)；

N01：裝置接于電機(jī)的中性點(diǎn)；

N02：裝置接于電機(jī)的中性點(diǎn)，增加起動(dòng)測(cè)量電壓互感器；

N03：裝置接于電機(jī)的中性點(diǎn)，不包括短接開(kāi)關(guān)。

3技術(shù)特點(diǎn)及環(huán)境條件

3.1技術(shù)特點(diǎn)

在磁控軟起動(dòng)裝置里，SCR通過(guò)飽和電抗器的功率和電壓放大作用，控制電動(dòng)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(dòng)有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：可靠、便宜、精確、靈活、對(duì)環(huán)境要求不高。

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

（1） 該裝置通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)恒流起動(dòng)，減小電機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響，起動(dòng)電流可在1.5Ie-4.5Ie任意選擇（視負(fù)載不同），起動(dòng)完成時(shí)，無(wú)二次浪涌電流沖擊。

（2） 對(duì)電機(jī)和起動(dòng)器的熱過(guò)載保護(hù)，對(duì)傳動(dòng)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(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，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(guò)調(diào)整設(shè)定參數(shù)優(yōu)化起動(dòng)曲線。運(yùn)行參數(shù)存儲(chǔ)于EEPROM中。

（5） 電機(jī)起動(dòng)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(jiǎn)單、性能可靠、設(shè)定靈活，具有全數(shù)字化的特點(diǎn)。

（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(guò)8個(gè)功能按鍵和5個(gè)設(shè)置按鍵實(shí)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(cè)器件的故障，如電源電壓、缺相、相序等故障，并自動(dòng)閉鎖。

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

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

（11）采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，使整個(gè)過(guò)程可預(yù)測(cè)、可控制、可調(diào)整。

（12）軟起動(dòng)重復(fù)性好，起動(dòng)性能不受環(huán)境溫度影響?；久饩S護(hù)，使用壽命長(zhǎng)?？蓪?shí)現(xiàn)軟停止。

3.2環(huán)境條件

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

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

（3）海拔高度不超過(guò)1000m。超過(guò)時(shí)，應(yīng)提供海拔高度。

（4）運(yùn)行地點(diǎn)應(yīng)無(wú)導(dǎo)電或爆炸塵埃，無(wú)腐蝕金屬或破壞絕緣的氣體或蒸汽。

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

4 應(yīng)用效果

（1） RQD-D7型磁控軟起動(dòng)一次起動(dòng)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(shí)間。

（2）在軟起動(dòng)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(dòng)裝置比較，具有安全性高，成本低，諧波小等特點(diǎn)。電壓總諧波畸變率控制在3%以內(nèi)。與液態(tài)軟起動(dòng)裝置相比，具有體積小、免維護(hù)、起動(dòng)重復(fù)性好等特點(diǎn)。與固定電抗器比起動(dòng)快，起動(dòng)過(guò)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(shí)間，用磁控軟起動(dòng)可以起停自如。

（3）采用PLC，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁飽和電抗器的PID閉環(huán)控制，使起動(dòng)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(gè)自然冷卻的整體，共用一個(gè)直流勵(lì)磁繞組，很好地解決了線圈之間兼容和配合問(wèn)題。

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

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

（7）起動(dòng)時(shí)裝置中的飽和電抗器會(huì)發(fā)出一定的電磁噪音，尤其是前半程，噪音大，估計(jì)有80分貝，要注意防護(hù)。

應(yīng)用效果表明：高壓磁控軟起動(dòng)裝置通過(guò)一個(gè)電抗質(zhì)可平滑調(diào)節(jié)的三相電抗器實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，電抗質(zhì)的調(diào)節(jié)是平滑的。通過(guò)微電子技術(shù)按反饋原理實(shí)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(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊等方面，高壓磁控軟起動(dòng)是一種很實(shí)用和很值得推廣的技術(shù)，它勢(shì)必成為國(guó)內(nèi)乃至國(guó)外高壓大容量電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品。

5 結(jié)束語(yǔ)

RQD-D7型磁控軟起動(dòng)裝置具有電源電壓過(guò)高、過(guò)低和缺相，電流不平衡，電動(dòng)機(jī)過(guò)流等保護(hù)功能，在安鋼焦化廠投用以來(lái)，目前運(yùn)行良好，它可將起動(dòng)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(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)較小，滿足了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的需要，保證了高壓大容量電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行?？煽啃愿撸收下实?，達(dá)到了滿意的效果，提高了企業(yè)的整體自動(dòng)化水平。

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