一种高压干式移磁无级调压软起动装置技术

张 晓 明(甘肃省水利水电勘测设计研究，兰州 730000)

0 引 言

目前市场上有不同原理的软起动装置，如：液态水阻柜、固态可控硅(晶闸管)、磁控、磁阀高压软起动、固态降补软起动等，根据各自的制造原理不同，各有优缺点。液态水阻高压软起动工作原理是通过串联有功水电阻来实现降压启动，有功水电阻值可以通过水电阻本身的温度变化或液阻箱内极板的距离而变化，属串联调压原理。如图1所示。

图1 液态水阻高压软起动工作原理

特点是可以通过改变液阻的阻值进行机端电压的调节，不改变供电频率，不产生谐波。但其受环境地理条件限制，对使用环境温度敏感性强 ，起动曲线难控制，起动时为有功消耗，热积累大，必须预留足够的热容量，体积大，PVC板液阻箱受环境影响，易老化开裂漏液，属淘汰技术类产品。

固态可控硅(晶阐管)高压软起动工作原理是通过调整晶闸管的导通角来实现降压启动，属斩波原理。如图2所示。

图2 固态可控硅(晶阐管)高压软起动工作原理

其特点是可以通过调节导通角来控制调节电机机端的有效电压，可以实现电机机端电压的可调，主回路及控制回路都为电子产品，成套设备重量相对较轻，便于运输。但可控硅易击穿，怕雷击，维护成本高，工作时产生大量谐波，干扰电网影响电机，且每相都需由多个硅管串并联组成，控制精度高，控制技术复杂，故障点多，维护困难。再者可控硅属半导体器件，导电热损耗大，不利于频繁起动，电子器件对环境的要求比较苛刻，故障率高。

磁控、磁阀高压软起动工作原理为通过调节电抗器硅钢片铁芯的磁饱和，根据硅钢片的磁化曲线可知，当达到饱和点时其磁化强度迅速下降，从而实现电抗器阻抗值的下降达到改变串联电机机端电压的目的，实际就是饱和电抗衍生的一个产品。如图3所示。

图3 磁控、磁阀高压软起动工作原理

其特点是安全性能相对水阻高，适应性较强，使用环境的温度与地理位置的范围较大，硅管用于调磁回路，没有直接串入电机主回路，使用稳定性相对提高。但只有达到饱和点时才可实现调节，所以调节范围窄，起动时电流大，对电网和电机冲击大，采用可控硅调节必然有谐波产生，同时饱和电抗原理容易使系统中存在的谐波叠加放大，损坏电机或破坏电机的绝缘，再者直流调磁回路的电子元件可靠性低，故障点多，起动时，电磁声音较大。

固态降补软起动工作原理为通过自耦变压器进行降压，同时用电容来补偿起动过程中的无功，从而实现降低电机的起动电流。如图4所示。

图4 固态降补软起动工作原理

其特点是非液态导体，安全性也相对较高。对使用环境要求不高，起动过程中可以有效地降低无功。由油浸式自耦变压器构成，属有级降压，全压切换时虽加有缓冲电抗，但其为实芯电抗，二次切换时压差较大，冲击明显，非无级可调，起动过程中通过投切无功发生器组来调节电机的起动力矩，在切除无功发生器组的瞬间会造成电动机机端电压的波动，无功发生器组在投切过程中，因冲击电流致使其容量衰减是避免不了的，所以频繁的起动会加快无功发生器组的老化速度，存在较大的安全隐患。

综合上述高压电动机软起动产品原理存在各种缺陷与不足，本文将对一种能完全满足无谐波污染、电流调节范围广、使用条件不受地理位置和环境限制、体积小，控制简单、安全性高、使用范围广、性价比高、性能完善的高压干式移磁无级调压软起动产品进行技术探讨。

1 高压干式移磁无级调压软起动柜移磁原理

移磁原理实际上是通过改变高导磁率的铁芯磁介质在空芯电感线圈中的位置，而调节线圈磁场中磁介质的导磁率,改变线圈磁场强度,以达到改变线圈阻抗值的目的，使电动机端电压逐渐上升至接近全压，从而实现电动机的软起动。

现分析探讨如下：设空芯线圈轴向长度为L，绕组匝数为N，通入的交流电流为i=Icosωt，铁芯轴向长度为L，截面面积为A，空气的磁导率为μ0，铁芯的磁导率为μFe。

图5 铁芯全部位于浅圈中时

图6 铁芯不在线圈中时

图7 铁芯部分位于线圈中时

当铁芯全部位于线圈中时(图5)，线圈中的电流产生的磁动势为:

F=Ni

(1)

假设该磁动势全部消耗在铁芯磁路中，则在铁芯中感应的磁通密度为:

(2)

则在铁芯中产生的磁链为:

(3)

所以此时线圈中的电感值为：

(4)

当铁芯不在线圈中时,如图6所示线圈中的电流产生的磁动势为:

F=Ni

(5)

假设该磁动势全部消耗在线圈中的空气磁路中，则在空气中感应的磁通密度为:

(6)

则产生的磁链为:

(7)

所以此时线圈中的电感值为：

(8)

下面来分析当铁芯位于线圈中任意位置时线圈的电感量，设铁芯向右移动了x的长度，如图所示，此时线圈轴向长度范围的磁介质分为空气和铁芯两段，所以线圈电感也分为两段来计算，设空气段的电感为L1，铁芯段的电感为L2。

根据式(1)和式(2)的分析计算，可得：

(10)

所以：

(11)

当x=0时，

(12)

当x=L时，

(13)

下面来分析，线圈电感量Lm随铁芯位置量x的变化规律。

图8 Lm(x)随x变化图

2 电动机移磁调压软起动数学模型

根据电机学中的知识，异步电动机直接起动时的起动电流可以由下式得到：

(14)

式中：U1为定子绕组相电压有效值；R1为定子绕组电阻值；R′2为转子绕组电阻值；X1σ为定子绕组漏电抗值；X′2σ为转子绕组漏电抗值。

当电动机使用移磁软起动器起动时，起动电流变为：

(15)

式中：Rm为串入起动线圈的电阻值；Xm(x)=2πfLm(x)为串入起动线圈的电抗值。

从上式可以看出：当使用移磁调压软起动器起动异步电动机时，其起动电流是可控的，而且是与铁芯在空芯线圈中的位移量x成反方向变化规律而变化的。因此通过控制铁芯在空芯线圈中的位置，就可以达到控制异步电动机起动电流的目的。

3 高压干式调压软起动柜移磁调压的实现

移磁调压软起动器由起动真空断路器、运行真空接触器、移磁调压装置、保护系统和控制系统组成。其主要部分移磁调压装置由一组三相电感线圈、轨道、铁芯柱、传动机构和控制系统构成。将三相空芯电感线圈每相一端通过真空接触器与工频电网连接，另一端直接与电动机定子绕组连接。整个系统的工作原理由图9所示。

图9 移磁调压系统工作框图

4 关键技术和实现途径

4.1 移磁原理的采用

在线圈磁场中，高导磁铁芯磁介质的导磁率μFe和空气为磁介质的导磁率Uo，在数值上存在巨大的差异，利用μF3≫Uo可实现调节线圈的磁场强度，从而改变线圈的阻抗值。

铁芯磁介质在空芯线圈中的位移量x与导磁率是成反比的，因此通过控制铁芯磁介质在空芯线圈中位置的变化，使线圈磁场的导磁率由μFe变为Uo，而改变线圈磁场强度，达到线圈阻抗值由大到小的无级可调。

4.2 干式移磁无级调压软起动柜的形成

干式移磁无级调压软起动柜由真空断路器、真空接触器、移磁调压装置、保护系统和控制系统组成。其工作原理示意图如图10。

图10 工作原理示意图

4.3 具体实施方式

按照工作原理示意图叙述：①接通低压控制电源，控制系统开始工作；②按下起动按钮，起动真空断路器合闸，线圈与被起动电机串联成回路接通电源，此时线圈阻抗值最大，与工作电压分压80%左右，起动电流在电动机额定电流的1倍左右，电流互感器的取样电流供给控制系统，由控制系统根据起动电流大小，发出指令，线圈阻抗值缓慢减小，电动机的起动电压平稳增加，达到额定电压95%以上；③根据电动机所拖动设备的转矩大小及电网的承受能力，在保证电机起动力矩的同时，将起动电流控制在最佳、值最小状态，直到电动机完成，达到额定转速时，控制装置发信号，真空接触器自动合闸，电机全压运行，可调电感线圈成旁路，调压软起动系统退出，软起动成功，反之在停机时亦可实现电动机的软停机。

4.4 系统谐波分析

干式移磁无级调压软起动装置采用机械方式改变串入电动机定子回路中电抗，既没使用晶闸管等电力电子装置，也不用额外的直流电源，因此不会产生额外的谐波污染，保证了输出电压与上级变压器电压波形相同，系统频率也不会发生改变。

4.5 移磁调压自动控制系统

控制系统的指令计算信号来自起动电流的给定值，给定值与实际采样的起动电流相比，其差值输入滞环比较器，当差值大于设定的门槛值时，则驱动拖动电机使铁芯移动，直至实际起动电流满足给定电流的要求，使电动机在最佳电流下起动，或在给定起动曲线下完成起动过程。

4.6 一体化成型的新型结构

干式移磁无级调压软起动柜一体化成型，结构新颖，其特征是：采用标准KYN28金属铠装高压中置柜体，将标准中置柜的内部构造稍作调整，柜体前上部为仪表室、装置有电机综合保护装置、各种信号指示、操作开关按钮，柜体的前中部及上中部为上手车室，室内装断路器手车连带真空断路器，柜体的后上部为高压母线室及真空断路器上静触头，真空断路器的下静触头、带电显示传感器、避雷器，分上中下排列装置在高压母线室外柜体的中中部，柜体的下部为下手车室，下手车室内设置干式移磁无级调压软起动装置及手车，干式移磁无级调压软起动装置通过模块化优化组合，在柜体底部的后端，设有高压电缆出线孔，零序电流互感器装置在高压电缆出线孔口，高压电缆穿过零序电流互感器从高压电缆出线孔引出，在柜外接至高压电动机。科学巧妙地将传统高压开关柜、运行旁路柜和软起动柜三柜合一的安装在一个柜内、体积小，是同等高压软起动器体积30%～40%，安装方便、节约空间，同时提升了可靠性，杜绝了因柜间连接而存在的故障点。

5 高压干式移磁无级调压软起动柜的综合特点

(1)将开关柜、运行旁路柜和起动柜三合一的一体化设计、结构巧妙、体积小，是同等高压软起动器体积30%～40%，安装方便、节约空间。

(2)免维护设计，投入使用后无其他维护，可以节约大量的维护费用与消耗。(相当于干式变压器的特性)。

(3)无任何可控硅等电子元件，保持了工频电网的正弦波，无谐波污染，不影响电能质量，抗干扰性强。

(4)操作简单，适用性很强，不受使用环境的温度与地理位置的影响，适用于各种苛刻的环境条件。

(5)节能效果好，由于通过改变电感的感抗来调压，无有功功率消耗，耗能极小。

(6)安全性高，过载能力强，控制参数及曲线调整范围大，属无级无触点调压。

(7)起动过程平滑，电流小，力矩大，可以频繁起动。

6 结 语

高压干式移磁无级调压软起动柜，是一种结构新颖、模块化、互换性强、运行安全可靠、使用寿命长、起动电流小、起动力矩大、过载能力强、无谐波污染、不受使用环境和温度与地理位置影响、使用维护方便的全新软起动设备，解决其他各种高压软起动装置所存在的各种不足与缺陷，在技术上具有较大的优越性，有利于电动机安全稳定运行的要求。为中大容量高压电动机起动应用的进一步推广奠定了技术基础(注：高压干式移磁无级调压软起动柜已由湖南科太电气有限公司实现了产业化)。

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