高压同步电机软起动试验平台

本文从原因、工作原理及组成等方面介绍了RQD-D7型磁控软起动器在安钢焦化厂中高压大容量电动机的应用。

磁控软起动技术是一种通过饱和电抗器控制交流电动机电流，以实现软起动的技术。其工作原理与晶闸管软起动技术相似，主要区别在于其控制是间接的。磁控软起动中的晶闸管仅仅用以控制饱和电抗器的饱和度，电动机电流并不通过它们。这对于高压、大容量电动机的软起动是特别有利的。

通过饱和电抗器的强力“杠杆”，磁控软起动装置是以安全轻巧地完成软起动。磁控软起动按电流闭环原则工作，具有软起动、软停止以及电动机综合保护器的功能。磁控软起动的电流给定波形以及各种保护的动作值可预先设定（整定）。磁控软起动装置的电控是以PLC为核心的微电子电路，它具有远程控制和通讯功能。磁控软起动装置可耐较恶劣的环境，是一种基本免维护的设备[1-2]。

1利用电动机软起动原因

电动机起动的瞬间，因为转子转速N=0，转差率S=1，转子与旋转磁场之间的相对转速大，所以它在转子导体上感应电动势和电流大，这时定子电流也比较大，一般为6倍额定电流[3]。起动时的过大电流将产生不良影响，主要的有以下三个方面：1.较大的线路压降，影响并网的其他电气设备的正常运行，一般要求电网压降小于15%；2.过大的起动电流，将使电机绕组绝缘过热老化，对转子造成伤害，容易出现转子断条；3.对所带的机械设备产生冲击。

利用软起动可减少电动机硬起动（即直接起动）引起的电网电压降，不会影响共网其他电气设备的正常运行，可减少电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命，可减少硬起动带来的机械冲力，冲力加速所传动机械（轴、啮合齿轮等）的磨损，减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。

为了减缓起动冲击，需要使用软起动装置，软起动装置可通过平滑升高电机电压，实现无冲击起动，很好地保护电网和电动机及其负载[4]。

2工作原理及组成

2.1工作原理

RQD-D7型磁控软起动器是一种创新的标准装置，使驱动系统更灵活、成本更低。它是从电抗器起动衍生出来的，用电抗器串在电动机定子实现压降是两者的共同点。磁控软起动不同于电抗器软起动的是用可控饱和电抗器来取代固定电抗器。饱和电抗器在起动完成后被旁路。

RQD-D7型磁控软起动器其工作原理是将饱和电抗器的工作绕组串连在电动机定子回路，通过反馈调整电抗器控制绕组的直流电流的大小从而改变饱和电抗器的饱和程度，实现电机的软起动。其调节特性和用晶闸管组成的软起动装置相同。磁控软起动装置工作原理如框图（图1）所示：

图1 磁控软起动装置工作原理框图

2.2装置组成

磁控软起动装置由磁饱和电抗器和微电子控制器组成。

磁饱和电抗器：由铁芯和绕组组成，绕组分为交流绕组（工作绕组）和直流绕组（控制绕组）。磁饱和电抗器工作绕组串联在高压电动机定子回路，其电流可调整，约为电动机额定电流的3倍。磁控软起动用磁饱和铁芯电抗取代固定铁芯电抗，每相含2个工作绕组分别挨着2个口字型铁芯的内侧芯柱。励磁部分：磁控软起动的励磁绕组包在所有（6个）工作绕组外面，将6个口字型铁芯栓为一体。在起动过程中，装置内的PLC按电流闭环原则控制电抗器的励磁电流，改变铁芯饱和度，维持电机电流恒定。

控制部分：主回路由三相全控桥式整流电路组成，调节器由西门子的可编程控制器S7-224及先导公司生产的脉冲放大板组成。具有全数字的特点，用西门子的TD200文本显示器组成人机界面，用来显示和设定参数，查看所发生的事件记录及起动波形，具有中文界面。

磁控软起动的适用范围由以上可知是笼形转子的异步电动机或同步电动机，而不适用于绕线转子的异步电动机。

2.3接线型式

按交流电机起动接线型式如图（图2）所示：

图2 交流电机起动接线形式

N11：装置接于电机的电源侧；

N12：装置接于电机的电源侧，不包括短接开关；

N01：装置接于电机的中性点；

N02：装置接于电机的中性点，增加起动测量电压互感器；

N03：装置接于电机的中性点，不包括短接开关。

3技术特点及环境条件

3.1技术特点

在磁控软起动装置里，SCR通过饱和电抗器的功率和电压放大作用，控制电动机的电流。这里耐高压和流通大电流都是饱和电抗器完成。磁控软起动有以下技术优势：可靠、便宜、精确、灵活、对环境要求不高。

磁控软起动器具有以下特点：降低起动电流，避免电网电压骤降；平滑起动，避免产品的损坏；延长相关机械部件的使用寿命。

（1） 该装置通过对电机的控制，实现恒流起动，减小电机起动对电网的影响，起动电流可在1.5Ie-4.5Ie任意选择（视负载不同），起动完成时，无二次浪涌电流冲击。

（2） 对电机和起动器的热过载保护，对传动机械的机械保护，消除转矩浪涌并降低冲击电流。

（3） 对于大多数应用来说，出厂设置即可满足要求，而不需要作任何调整。

（4） 可以通过调整设定参数优化起动曲线。运行参数存储于EEPROM中。

（5） 电机起动倍数连续可调，只要根据需要改变参数设定值即可。

（6） 该装置采用西门子公司PLC和先进的多功能传感器模块，使结构简单、性能可靠、设定灵活，具有全数字化的特点。

（7） 采用标准人机接口，具有2行显示运行状态和数据，通过8个功能按键和5个设置按键实现参数设定、显示、系统控制及中文在线提示等功能。

（8） 具有自检功能，可智能检测器件的故障，如电源电压、缺相、相序等故障，并自动闭锁。

（9） 具有事件记录功能，保存最近发生的50个事件，可通过操作面板显示每个事件发生的年月日时分秒。

（10） 文本显示器具有中文菜单：本励磁系统的操作界面符合中国人习惯，具有中文菜单，每种操作都有中文提示说明，使得没有说明书也可以进行参数设定，处理故障，缩短检修时间。

（11）采用计算机仿真技术，使整个过程可预测、可控制、可调整。

（12）软起动重复性好，起动性能不受环境温度影响。基本免维护，使用寿命长。可实现软停止。

3.2环境条件

（1） 环境温度：不超过+40℃, 并且24小时内平均温度不超过+35℃。

（2） 空气的最大相对湿度不超过90%(20℃)，对湿度的变化每小时不超过5%，且不得出现凝露。

（3）海拔高度不超过1000m。超过时，应提供海拔高度。

（4）运行地点应无导电或爆炸尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽。

（5）装置安装地点所允许的振动条件： 振动频率严酷度等级 10-150Hz时, 振动速度不大于5m/s。

4 应用效果

（1） RQD-D7型磁控软起动一次起动成功率高，性能稳定，操作维护方便，维护工作量小，缩短检修时间。

（2）在软起动装置里，饱和电抗器具有高、低压隔离和功率放大的双重作用，与晶闸管软起动装置比较，具有安全性高，成本低，谐波小等特点。电压总谐波畸变率控制在3%以内。与液态软起动装置相比，具有体积小、免维护、起动重复性好等特点。与固定电抗器比起动快，起动过程平稳。炼轧厂是连续性的生产，应尽量减少事故及停机时间，用磁控软起动可以起停自如。

（3）采用PLC，实现对磁饱和电抗器的PID闭环控制，使起动电流大小可以根据电网情况灵活设置，可以调节电抗器的分接头在一定范围内改变电抗的大小以满足要求，且有通讯功能。

（4）成功地将饱和电抗器合为一个自然冷却的整体，共用一个直流励磁绕组，很好地解决了线圈之间兼容和配合问题。

（5）软起动方式是1.5Ie-4.5Ie倍的恒流软起动，软起动时间一般为20-40秒，软起动重复性好，可连续起动。

（6）在风机的应用中，风机转速接近额定时电抗两端的电压减小，起动全过程中始终保持较大的起动力矩，起动速度快，起动过程平稳，克服了固定铁芯电抗器降压起动时后期电机力矩不足的缺点，消除了短接时出现电流冲击的现象。

（7）起动时装置中的饱和电抗器会发出一定的电磁噪音，尤其是前半程，噪音大，估计有80分贝，要注意防护。

应用效果表明：高压磁控软起动装置通过一个电抗质可平滑调节的三相电抗器实现降压起动，电抗质的调节是平滑的。通过微电子技术按反馈原理实现，所产生的高次谐波含量小。在解决大风机负载起动对电网冲击等方面，高压磁控软起动是一种很实用和很值得推广的技术，它势必成为国内乃至国外高压大容量电动机软起动的主流产品。

5 结束语

RQD-D7型磁控软起动装置具有电源电压过高、过低和缺相，电流不平衡，电动机过流等保护功能，在安钢焦化厂投用以来，目前运行良好，它可将起动冲击电流控制在电网和电机容许的范围之内，且起动过程平稳，电网电压波动较小，满足了电动机起动的需要，保证了高压大容量电动机的正常运行。可靠性高，故障率低，达到了满意的效果，提高了企业的整体自动化水平。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于高压电动机的磁控软起动应用”，作者为申凌云、何俊正、陈春香、李运蛾。）