磁控式中压电动机软起动

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1、2 0 0 5 年全国石油和化学_ L 业动力技术( 设备) 交流研讨会论文集 磁控式中压电动机软起动 高越农 ( 天津市先导倍尔电气公司天津3 0 0 3 0 0 ) 摘要：中压电动机降压软起动均需要在电网与电动机之间介以降压器件或分压器。与传统的做法 不同，在现代的中压电动机降压软起动中，一律采用阻抗值或等效阻抗值可平滑调整的电力器件。 电力器件可以是液态电阻，S C R ，二次侧接S C R 的开关变压器和饱和电抗器。 饱和电抗器包括；铁芯，直流绕组( 控制绕组) 和交流绕组( 工作绕组) 。工作绕组与电动机定 子回路串连。直流绕组控制铁芯的饱和度，通过控制铁芯饱和度实现软起动。 采用闭

2、环控制。其抗扰动( 电网电压波动，环境温度变化等) 的能力强，起动重复性好，实现 控制的代价极小。 饱和电抗器还起中、低压隔离作用，和功率放大作用。 大津市先导倍尔电气公司率先开发了磁控式中压电动机软起动装置。这类装置从2 0 0 2 年进入市 场以后，受到工程界的普遍欢迎和重视。 1 什么是磁控式中压电动机软起动装置 磁控式中压电动机软起动是降压( 不改变电动机工作频率) 软起动的一种形式， 是软起动中最常见的一种。 凡是中压电动机降压软起动均需要在电网与电动机之间介以降压器件或分压器。 与传统的做法不同，在现代的中压电动机降压软起动中，一律采用阻抗值或等效阻抗值 可平滑调整的电力器件。这种

3、电力器件町以是电力器件液态电阻，电力电子器什S C R ， 二次侧接S C R 的开关变压器和饱和电抗器。本节讨论磁控式中压电动机软起动。 饱和电抗器是一种电力器件，它至少包括：封闭的铁芯，直流绕组( 控制绕组) 和交流绕组( 工作绕组) 。串连在电动机定子回路的就是它的工作绕组。直流绕组控制 铁芯的饱和度，从而控制交流绕组的等效电抗值。直流电流的安匝数大，铁芯就饱和， 安匝数小，铁芯的饱和度就弱，在铁芯不饱和的情况下，交流绕组的等效电抗值大，饱 和电抗器的降压( 限流) 作用强，反之，在铁芯饱和的情况下，交流绕组的等效电抗值 小，饱和电抗器的降压( 限流) 作用弱。磁控式中压电动机软起动装置

4、正是通过这种铁 芯饱和度控制的方法，实现电动机软起动的。 原则 ：磁控式中压电动机软起动的控制可以采用开环或闭环的方法。闭环控制是 目前这类装置中被采用的唯一控制方法。这是因为：闭环控制抵抗扰动( 如电网电压的 波动，环境温度的变化等) 的能力强，闭环控制软起动的重复性好，实现闭环控制的代 价极小。 原则上这类软起动装置里的饱和电抗器可以采取空气自然冷却，强制风冷，和浸 油冷却等制冷方式。目前在这类装置中被采用的唯一冷却方式为空气自然冷却。这是因 2 0 0 5 年全田石油和化学工业动力技术( 设备) 交流研讨会论文集 为：饱和电抗器在软起动过程中的运行时间不过2 0 3 0 秒，很少有超过6

5、 0 秒的情况， 与之串连的电动机定子绕组在大多数情况下也是采用空气自然冷却的冷却方式。 原则上这类软起动装置里的直流电源可以引自中压，也可以引自车间里的3 8 0 V 动力电源。在绝大多数情况下，这类软起动装置采用车间动力电源。这是因为：车间动 力电源能够承担，而且其作用时间不长。 在磁控式中压电动机软起动装置里，饱和电抗器除了起饱和度控制的作用以外， 还起中、低压隔离作用，和功率放大作用。因为隔离，使控制得以在低压侧进行，从原 理上确保了中压电路不致于危及低压控制电路的安全。因为功率放大，使直流控制回路 可能采用无须串、并联的常规的电力器件S C R 。 磁控式中压电动机软起动装置通常包括

6、一个主电柜和一个旁路柜，在电动机容量 小于2 0 0 0 K W 时，2 柜可以合并为1 柜。主电柜内主要的空问留给了饱和电抗器。主电柜 的尺寸因电动机容量而异，为8 0 0 0 K W 中压电动机配套的磁控式中压电动机软起动装置 的长，宽，高依次为1 6 ，1 6 ，2 2 ( 米) ，重量不大于2 5 吨。由于没有采用油浸冷却， 所以，整个磁控式中压电动机软起动装置可以安装在中压主电室里。 天津市先导倍尔电气有限公司是率先开发并生产磁控式中压电动机软起动装置 的电气公司。这类装置从2 0 0 2 年进入市场以后，受到工程界的普遍欢迎和重视。 2 磁控式电动机软起动装置的工作原理 2 1 、

7、 中压电动机磁控软起动装置的结构 。p 压电动机磁控软起动系统的单线图如图1 所示。在图1 中，Q s 为高压隔离开关； Q F 为真空断路器或真空接触器；S R ( S a t u r a b l eR e a c t o r ) 为饱和电抗器； i 为中压电 动机。 ( a ) 按电动机定子3 出线画出( b ) 按电动机定子6 出线画出 图1中压电动机磁控软起动系统的单线图 2 0 0 5 年全国石油和化学工业动力技术( 设备) 交流研讨会论文集 图2 饱和电抗器照片 图3 饱和电抗器剖面俯视图图 饱和电抗器照片如图2 所示，其俯视结构如图3 所示。它含有6 个辐射放置的口字 形铁芯，1

8、 2 个芯柱，6 个交流绕组( 每相2 串) ，每个交流绕组均绕在内芯柱上，均留有 一个备用抽头。直流绕组穿过6 个铁芯的窗口，控制6 个铁芯的饱和度。 中压电动机磁控软起动装簧由磁控柜和旁路柜组成。磁控柜的弱电部分( P L C 等) 在柜子前部；它的强电部分( S R 等) 在后部。 2 2 、每相串2 个交流绕组的目的： 铁芯材料由磁密B 与磁场强度H 关系曲线描述，铁芯状态由B H 曲线上的工作 点表征。在图4 里表示出了铁芯B H 曲线的简化形式( 图中，B s 为饱和磁密) 。简化 形式把握住了饱和电抗器的本质特征，忽略了B H 曲线里的一些次要因素。 、正1 B s 7 - 、

9、H 蕊 一B s I k 0 2 B s 厂一 、 I l t 一 一趣 图4B I H a c 曲线图5B 2 一H a e 曲线图6B 1 2 I t a c 曲线图 在铁芯同时存在交、直流磁化的条件下，我们用H 。表示直流安匝产生的磁 场强度，用H a c 表示交流安匝产生的磁场强度，铁芯磁场强度是它们的叠加： H = H 。+ H a e 。图4 和图5 分别表示在H 。0 条件下甲铁芯( 其磁密记做B I ) 的 B 1 一l t a c 曲线图和乙铁芯( 其磁密记做B 2 ) 的B 2 一I t a c 曲线图，图6 表示在I l k 0 条件下同一相的甲、乙两个铁芯B 1 2 一

10、H a c 曲线图( B 1 2 = B 1 + B 2 ) 。 对于B H a c 曲线而言，H 。是偏置。通过甲、乙2 个交流绕组串连的首尾 连接，可使2 个交流磁通闭路的方向互相相反，因此，甲、乙两个铁芯的偏置大小 6 8 2 0 0 5 年全国石油和化学工业动力技术( 设各) 交流研讨会论文集 相同、方向相反。在非零偏置的条件下，任一个铁芯的B H a c 曲线，都不是辐对 称的，但是，两个铁芯的B 1 2 一H a c 曲线却是辐对称的。 如果B H a c 曲线不具有辐对称性，流过饱和电抗器工作绕组的电流正、负 半波就彳i 会对称，因而含有我们4 i 希望的偶次谐波。所以，我们采用

11、2 个铁芯和2 个( 串连) 交流绕组，就能够得到具有辐对称特性的B 1 2 一H a c 曲线，就能够消除 在电动机电流中的偶次谐波。 2 3 、磁控软起动装置工作原理框图 电机起动电流设定 s c R ：三相全控诉 C T 电流互感器 0 F 1 O F 2 。真空断路器 图8 磁控软起动装置框图 图8 表明，磁控软起动装置按双闭环原理工作。内环足霍尔器件H R 作反馈元件 的以R 2 为调节器的直流电流环，外环是电流互感器C T 作反馈元件的以R 1 为调节器的 交流电流环。R 2 和R 1 的软、硬件均包含在P L C 里，软件采用过程控制里常用的算法。 图中R F 是起动电流设定，由

12、手持编程器送入P L C 。饱和电抗器S R 足该装置的电力器 件。它的直流绕组由S C R 全控桥馈电，辅助电源就是车问里的三相3 8 0 v 电源。 交流绕组作为占空比可控的开关串连在中压电动机的主电路中。 在磁控软起动装置中，饱和电抗器状态可以由B 1 2 一H a c 曲线中的工作点描述，它 的工作点总是在该曲线上周期性地移动。在H a c 土H 。时，工作点在水平线上移动。交 流绕组可以流通变化的电流而不产生感应电压，这就是可控开关的通态；向在 H a c = H 。时，工作点在垂直线上移动，在交流绕组上有感应电压，它可以保持 H a c = H 。因而保持交流电流不变化，它的交流阻

13、抗等于一，这就是可控开关的断态。 显然，当H 。相当大时，可控开关的通态持续时问长，通态占空比大；而当H 。很小时， 2 0 0 5 年全国石油和化学工业动力技术( 设备) 交流研讨会论文集 可控开关的断态持续时间长，通态占空比小。准确地说，应该把饱和电抗器看成是在一 个工作周期内导通比可以通过H 。( 直流安匝) 控制的开关。 但是，将饱和电抗器等效为看成可控阻抗已经是人们的习惯：当H 。大时，由于饱 和，等效阻抗小；而当H 。小时，由于不饱和，等效阻抗大。这种认识，符合事理，虽 然不很真切，但是易于被接受。 3 磁控中压电动机软起动装置的比较特点 3 1 、比较范围： 这里，仅仅比较磁控软

14、起动装置与各其它类型的中压电动机降压软起动装置在应用 上的不同点，包括使用、安装、维护等方面。些降压软起动的共性问题，例如多少倍 额定电流能够在多长时间内将某特定电动机带载起动起来，就不在比较的范围之内。 3 2 、磁控式中压电动机软起动装置性能的比较特点： 表格：磁控式中压电动机软起动装置的比较特点表。在表格栏目中，I 表示磁控软 起动装置，I I 表示S C R 软起动装置，I I I 表示开关变压器软起动装置，I V 表示液阻软起 动装置。 I 的特点I 特点的原因I I 与I 比较 I I I 与I 比I V 与I 比较 较 恒流，可平滑设P L C 为控带0 中心，能够能够能够，难平

15、滑 定软起动电流数字设定起动电流设定起动电流 倍数 倍数 倍数 占地小，装置可设备紧凑，无须油相同不可置放 占地大 以在主电室内浸在主电室 安装 具有好的重复电流闭环控制具有具有不具有 性 口J 以多次连续电抗器电流密度与相同相同可连续软起动 软起动电机相匹配 2 3 次 可靠性高，干式饱和电抗器，相当略逊极板会锈蚀， 易于维护S C R 无须串连或并电解液会挥发 联 成本较低，尤以 饱和电抗器国产， 售价3 5售价约2 倍售价比磁控略 大容量为著技术开发成本低倍于磁控于磁控 低 能够耐受较恶饱和电抗器绕组由对环境要求对环境要对环境温度要 劣环氧树脂封灌较高求较高求高 的环境 辅助电源电力要为饱和电抗器提辅助电源电辅助电源辅助电源电力 2 0 0 5 年全国石油和化学工业动力技术( 设各) 交流研讨会论文集 消耗大供励磁功率力消耗小电力消耗消耗较小 小 调节较慢，惯性源于饱和电抗器直调节惯性时调节惯性惯性取决伺服 时问约为流回路的惯性间约为时间约为机构 0 1 l SO 0 1 S0 0 1 S