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磁控软起动

供稿:中国工控网 2004/7/12 0:00:00

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  1. 关键词: 磁控软起动
磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的,用三相电抗器串在电动机定子实现降压是两者的共同点。磁饱和软起动不同于电抗器软起动的主要点是其限流作用可控。

软起动的分类
软起动可分为有级和无级两类,前者的调节是分档的;后者的调节是连续的。传统的软起动均是有级的。本文关心的是无级的,它们是液阻软起动、晶闸管软起动和磁控软起动。

变频调速装置液是一种软起动装置,它是比较理想的一种,它可以在限流同时保持高的启动转矩。价格贵是制约其推广应用的主要因素。
在电动机定子回路,通过串如有限流作用的电力器件实现软起动,叫做降压或者限流软起动,它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为:以电解液限流的液阻软起动,以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动,以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动。

软起动过程描述参数与软起动装置优劣评分项目
为了能够客观的对软起动过程以及装置做出比较和评价,提出以下15条。不言而喻,所有的比较和评价只有在电网、电动机和负载相同的条件下才有意义。
·软起动能否完成以及起动(完成)时间;
·软起动过程中的电动机最大电流(%);
·软起动过程中电网的最大电压降(%);
·软起动过程中电动机有否机电共振等异常现象;
·软起动过程中电流的高次谐波含量(%);
·软起动装置的价格(常以单位容量的人民币表示);
·软起动装置允许的连续起动次数;
·软起动装置站用的空间太少;
·软起动装置限流器件开度的易控性;调节是否平滑、快速;
·软起动装置对使用环境要求的裕度;
·软起动装置的启动重复性(相连两次软起动“过程描述参数”的守恒性);
·软起动装置所提供的起动和停止方式的多样性;
·软起动装置所具备的对于装置本身以及电动机综合保护功能的完备性(包括过流、过载、欠相、起动超时、接地等,还包括故障提示和显示、诊断、记忆等);
·软起动装置在起动过程中的噪声大小;
·软起动装置所需要的辅助电源功率的大小。

液阻软起动
液阻是一种由电解液形成的电阻,它导电的本质是离子导电。它的阻值正比于相对的二块电级板的距离,反比于电解液的电导率,极板距离和电到率都便于控制;液族的热容量大。液阻的这两大特点(阻值可以无机控制和热容量大),恰恰是软起动所需要的;加上另一个十分重要的优势即低成本使液阻软起动得到广泛的应用。

液阻软起动也有缺点。一是液阻箱容积大的,其根源在于阻性限流,减少容积引起温升加大。一次软起动后电解液通常会有10~30℃的温升,使软起动的重复性差。二是移动极板需要有一套伺服机构,它的移动速度较慢,难以实现起动方式的多样化。三是液阻软起动需要维护,液箱中的水需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中,表面会有一定的锈蚀,需要做表面处理(据说是2~3年一次)。四是液阻软起动装置不适合于置放在易结水或颠簸的现场。

近年有所谓的热变液阻软起动装置,通过液阻本身在软起动过程中的温升,借助电解液电导率与温度的正相关性实现无极板伺服机构的软起动。但是,其可行性大可质疑;它的限流器件不具备限流能力易控性,装置对使用环境温度要求高,软起动重复性差。

液阻软起动装置可以串在绕线电动机转子回路实现过程中不产生高次谐波等等,则是它突出的优点。预言它即将被淘汰,肯定是为时过早。

液阻软起动装置国外早已使用。在国内,至今仍然运行着不少国外的液阻软起动产品(来自日本、加拿大、意大利等国),出场日期从20世纪60年代到90年代均有。国内产品的生产厂家很多,知名度较高的有湖北襄樊的追日公司、大力公司、雷诺尔公司、沈阳前特兰公司以及上海的几家公司等。

晶闸管软起动
晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间,它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前,电器工程界就有人指出,晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380V)范围内,晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍,而其主要性能却大优于液阻软起动。与液阻软起动相比,它的体积小、结构紧凑,维护量小,功能齐全,菜单丰富,起动重复性好,保护周全,这些都是液阻软起动难以望其项背的。

但是晶闸管软起动产品也有缺点:一是高压产品的价格太高,是液阻的5~10倍;二是晶闸管引起的高次谐波较严重;三是对于绕线转子异步电机无所作为。在这几个缺点中,价格高是制约其发展的主要因素。对于贫者,无力选用它;对于富者,何不直接选用高压变频装置?这就是高压晶闸管软起动比较受冷落的原因。

生产高压晶闸管软起动的厂家主要是:Rockwell、Motorlronics和Benshaw等三家国外厂家,国内据说某研究所近期会由此类产品问世。据调查,国内外厂家截至2001年9月在中国大陆的高压晶闸管软起动销售量仅仅为30多台。

磁控软起动的工作原理和结构
磁控软起动在起动开始时限流作用较强,在软起动过程中逐渐减弱。电抗器在起动完成后被旁路。

限流作用的强弱变化是通过控制直流励磁电流、改变铁心的饱和度实现的,所以叫做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍,它也可以称为“磁放大器”。由于它不具有零输入对应零输出的特点,所以,不建议采用“磁放大器”这一词。

磁饱和电抗器有三对交流绕组(每相一对)和三相共有的一个直流励磁绕组。在交流绕组里流过的是电动机定子电流,它必然会在直流励磁绕组上感应出电势;后者会影响励磁回路的运行。不是用一个,而是用一对交流绕组的主要原因就是为了抵消这种影响。

显然,限流作用的强弱调解是静止的、无接触的、非机械似的,这就是为微电子技术打开了大门。所以,在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动是完全相同的。说磁饱和软起动所具有的几乎全部功能,其原因盖出于此。

高压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压(380V)磁饱和电抗器没有本质区别,只是在某些方面需要采取一些特殊处理罢了。

磁饱和电抗器具有0.1s量级的惯性,这使磁控软起动的快速性比晶闸管软起动慢一个数量级。对于电动机系统的大惯性来说,磁控软起动的惯性是不足为虑的。

有人说磁控软起动不产生高次谐波,这是错误的。只要饱和,就一定会有非线性,就一定会引起高磁谐波,只是磁饱和电抗器产生的高磁谐波会比工作于斩波状态的晶闸管要小一些。磁控软起动装置需要有相对较大功率的辅助电源,噪声较大则是其不足之处。

高压磁控软起动前瞻
我们研制的高压磁控软起动装置在济源钢铁公司顺利投产,标志着磁控软起动已经踏入了高压的门坎。该装置的起动对象是炼铁厂高炉的3#风井异步电动机(6KV,2MW),软起动方式是3.2倍额定的恒流软起动,软起动时间为34s,软起动重复性好,完全满足生产工艺要求。

什么是高压磁控软起动装置?它是一种兼具高压晶闸管软起动装置性能和高压液阻软起动价格的装置。所以,它有可能成为国内乃至国外高压软起动装置市场上的主流产品。

从高压磁控软起动今后发展看,要解决两个问题:一是将交流电压等级从目前的 6KV提高到10KV,预计这不会遇到大的困难,二是将容量从目前的(20MW以上)电动机的软起动至今还没有一种圆满的技术手段。已经个别的采用过的专建一个35KV/10KV变电站的办法,为之重金购买10KV特大容量的高压变频器装置的办法,都是出于无奈的办法。

因此,液阻软起动、晶闸管软起动和磁控软起动,都面对着特大容量电动机起动的挑战。特大容量往往要求将限流电力器件安装在主电室外甚至户外,液阻软起动装置将不得不面对户外环境的问题,特大箱体、特大极板的问题,晶闸管软起动将不得不面对串、并联高压晶闸管的军压,均流问题。

磁控软起动面临的主要问题将是如何在有效防干扰的前提下把磁饱和电抗器的容量做大。特大容量磁饱和电抗器在世界上并非没有先例。20世纪70年代末,在武汉钢铁公司1.7m工程热轧厂引进的比利时ACEC公司无功补偿装置里,就包含了一台这样的饱和电抗器:10KV,30MVA,它一直运行至今。磁控软起动装置攻克特大容量电动机软起动难题指日可待。

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