一種高壓干式移磁無級調壓軟起動裝置技術

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：液態水阻柜、固態可控硅(晶閘管)、磁控、磁閥高壓軟起動、固態降補軟起動等，根據各自的制造原理不同，各有優缺點。液態水阻高壓軟起動工作原理是通過串聯有功水電阻來實現降壓啟動，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極板的距離而變化，屬串聯調壓原理。如圖1所示。

圖1 液態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節，不改變供電頻率，不產生諧波。但其受環境地理條件限制，對使用環境溫度敏感性強 ，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板液阻箱受環境影響，易老化開裂漏液，屬淘汰技術類產品。

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

圖2 固態可控硅(晶闡管)高壓軟起動工作原理

其特點是可以通過調節導通角來控制調節電機機端的有效電壓，可以實現電機機端電壓的可調，主回路及控制回路都為電子產品，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，工作時產生大量諧波，干擾電網影響電機，且每相都需由多個硅管串并聯組成，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節電抗器硅鋼片鐵芯的磁飽和，根據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，從而實現電抗器阻抗值的下降達到改變串聯電機機端電壓的目的，實際就是飽和電抗衍生的一個產品。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，使用環境的溫度與地理位置的范圍較大，硅管用于調磁回路，沒有直接串入電機主回路，使用穩定性相對提高。但只有達到飽和點時才可實現調節，所以調節范圍窄，起動時電流大，對電網和電機沖擊大，采用可控硅調節必然有諧波產生，同時飽和電抗原理容易使系統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，從而實現降低電機的起動電流。如圖4所示。

圖4 固態降補軟起動工作原理

其特點是非液態導體，安全性也相對較高。對使用環境要求不高，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，起動過程中通過投切無功發生器組來調節電機的起動力矩，在切除無功發生器組的瞬間會造成電動機機端電壓的波動，無功發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、電流調節范圍廣、使用條件不受地理位置和環境限制、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壓軟起動產品進行技術探討。

1 高壓干式移磁無級調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在空芯電感線圈中的位置，而調節線圈磁場中磁介質的導磁率,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，從而實現電動機的軟起動。

現分析探討如下：設空芯線圈軸向長度為L，繞組匝數為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的變化規律。

圖8 Lm(x)隨x變化圖

2 電動機移磁調壓軟起動數學模型

根據電機學中的知識，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為轉子繞組電阻值；X1σ為定子繞組漏電抗值；X′2σ為轉子繞組漏電抗值。

當電動機使用移磁軟起動器起動時，起動電流變為：

(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 高壓干式調壓軟起動柜移磁調壓的實現

移磁調壓軟起動器由起動真空斷路器、運行真空接觸器、移磁調壓裝置、保護系統和控制系統組成。其主要部分移磁調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連接，另一端直接與電動機定子繞組連接。整個系統的工作原理由圖9所示。

圖9 移磁調壓系統工作框圖

4 關鍵技術和實現途徑

4.1 移磁原理的采用

在線圈磁場中，高導磁鐵芯磁介質的導磁率μFe和空氣為磁介質的導磁率Uo，在數值上存在巨大的差異，利用μF3?Uo可實現調節線圈的磁場強度，從而改變線圈的阻抗值。

鐵芯磁介質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在空芯線圈中位置的變化，使線圈磁場的導磁率由μFe變為Uo，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。

4.2 干式移磁無級調壓軟起動柜的形成

干式移磁無級調壓軟起動柜由真空斷路器、真空接觸器、移磁調壓裝置、保護系統和控制系統組成。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，由控制系統根據起動電流大小，發出指令，線圈阻抗值緩慢減小，電動機的起動電壓平穩增加，達到額定電壓95%以上；③根據電動機所拖動設備的轉矩大小及電網的承受能力，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，直到電動機完成，達到額定轉速時，控制裝置發信號，真空接觸器自動合閘，電機全壓運行，可調電感線圈成旁路，調壓軟起動系統退出，軟起動成功，反之在停機時亦可實現電動機的軟停機。

4.4 系統諧波分析

干式移磁無級調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，系統頻率也不會發生改變。

4.5 移磁調壓自動控制系統

控制系統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，其差值輸入滯環比較器，當差值大于設定的門檻值時，則驅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構

干式移磁無級調壓軟起動柜一體化成型，結構新穎，其特征是：采用標準KYN28金屬鎧裝高壓中置柜體，將標準中置柜的內部構造稍作調整，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，下手車室內設置干式移磁無級調壓軟起動裝置及手車，干式移磁無級調壓軟起動裝置通過模塊化優化組合，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。科學巧妙地將傳統高壓開關柜、運行旁路柜和軟起動柜三柜合一的安裝在一個柜內、體積小，是同等高壓軟起動器體積30%～40%，安裝方便、節約空間，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、結構巧妙、體積小，是同等高壓軟起動器體積30%～40%，安裝方便、節約空間。

(2)免維護設計，投入使用后無其他維護，可以節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，保持了工頻電網的正弦波，無諧波污染，不影響電能質量，抗干擾性強。

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

(5)節能效果好，由于通過改變電感的感抗來調壓，無有功功率消耗，耗能極小。

(6)安全性高，過載能力強，控制參數及曲線調整范圍大，屬無級無觸點調壓。

(7)起動過程平滑，電流小，力矩大，可以頻繁起動。

6 結 語

高壓干式移磁無級調壓軟起動柜，是一種結構新穎、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越性，有利于電動機安全穩定運行的要求。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壓軟起動柜已由湖南科太電氣有限公司實現了產業化)。

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