1前言 在水電廠，隨著生產(chǎn)設(shè)備的大型化，電動(dòng)機(jī)（例如 壓油泵、消防供水泵、排水泵等）容量越來(lái)越大。交流電動(dòng)機(jī)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是交流電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)的過(guò)程中，將產(chǎn)生5～8倍于電動(dòng)機(jī)額定電流的起動(dòng)電流，對(duì)供電設(shè)備、電動(dòng)機(jī)及所拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)各造成極大的損害。同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的0.4～l.2倍（電動(dòng)機(jī)容量越大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍率越?。?，對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大的負(fù)載（如球磨機(jī)、抽油機(jī)等）為了能正常起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，必須增加電動(dòng)機(jī)容量，造成大馬接小車(chē)。另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，造成很大的電壓降，影響廠用電的安全運(yùn)行，尤其是在事故情況下，可能造成事故擴(kuò)大。所以，較大容量的電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用降壓起動(dòng)。 傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法有YI△轉(zhuǎn)換和自耦變壓器降壓起動(dòng)，起動(dòng)控制過(guò)程靠時(shí)間繼電器等控制，起動(dòng)特性不理想、起動(dòng)過(guò)程變換時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊電流、起動(dòng)控制設(shè)備復(fù)雜、成本高。同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流的平方成正比，當(dāng)電流降低50％時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低75％。而且在降壓起動(dòng)過(guò)程完成后的分檔投切和加全壓的瞬間，仍將產(chǎn)生數(shù)倍額定電流的尖峰電流，也會(huì)影響廠用電源的安全及電氣、機(jī)械設(shè)備的使用壽命。而電力電子軟起動(dòng)器的誕生則解決了上述問(wèn)題，它作為一種降壓起動(dòng)元件，既能改變電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，保護(hù)所拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，更能降低起動(dòng)電流，保護(hù)電氣設(shè)備，減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)電源系統(tǒng)的沖擊，是理想的電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)選擇。 2磁控高壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 圖1中，QS為高壓隔離開(kāi)關(guān)，QF為真空斷路器，SR為磁飽和電抗器，M為電動(dòng)機(jī)。高壓大容量電動(dòng)機(jī)多數(shù)是定子6出線的。 磁控軟起動(dòng)是從電抗器軟起動(dòng)衍生出來(lái)的。電抗器軟起動(dòng)器里的電抗值是固定的，在軟起動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)電流會(huì)隨著轉(zhuǎn)速增高而減少，而且電抗值選擇小了軟起動(dòng)沖擊電流太大：選大了，軟起動(dòng)（尤其是其后半程）電動(dòng)機(jī)電流太小，軟起動(dòng)“后勁”不足，過(guò)程拖長(zhǎng)，另外，軟起動(dòng)結(jié)束時(shí)電抗器的短接還會(huì)引起“二次電流沖擊”。磁控軟起動(dòng)克服了上述缺點(diǎn)。磁控軟起動(dòng)不同于電抗器軟起動(dòng)的主要特點(diǎn)是其等效電抗值可控。 SR（SatuIable Reactor）在軟起動(dòng)中的作用：軟起動(dòng)在QS、QFl相繼開(kāi)始閉合后時(shí)，SR具有較大的電抗值，隨后，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)使其逐漸減小，及至完成后被QF2旁路。在軟起動(dòng)裝置中，SR不是線性器件，它實(shí)質(zhì)上是電力電子開(kāi)關(guān)。所不同的是SR的通、斷是通過(guò)其直流繞組勵(lì)磁電流間接控制的。 SR用以限流的三對(duì)交流繞組（每相含2個(gè)，串連出2根線）串連在電動(dòng)機(jī)的定子回路里，每個(gè)交流繞組纏繞1個(gè)口字形鐵心。一相采用2個(gè)交流繞組的目的有2個(gè)：①使電動(dòng)機(jī)交流電流波形不含偶次諧波分量。②減弱交流繞組電流在直流繞組上感應(yīng)出的諧波電勢(shì)。諧波感應(yīng)電勢(shì)有可能會(huì)危及勵(lì)磁回路的安全運(yùn)行。SR勵(lì)磁繞組僅1個(gè)，套住6個(gè)鐵心，控制它們的飽和度。 SR的控制是電力電子的。磁控軟起動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)軟停止，具有晶閘管軟起動(dòng)所具有的幾乎全部功能。磁控軟起動(dòng)裝置的控制中心是一個(gè)抗干擾能力強(qiáng)的PLC，它具有PID調(diào)節(jié)、信號(hào)發(fā)生器、綜合保護(hù)、遠(yuǎn)程通信功能。PLC接收來(lái)自電流互感器和電壓互感器的信號(hào)，對(duì)偏差作PID運(yùn)算，經(jīng)過(guò)三相橋式晶閘管整流電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)于直流勵(lì)磁電流和鐵心飽和度的控制。R的勵(lì)磁繞組僅1個(gè)，套住6個(gè)鐵心，直流勵(lì)磁電流改變所有6個(gè)鐵心的飽和度。 高壓磁飽和電抗器在原理和結(jié)構(gòu)上與低壓（380 V）磁飽和電抗器沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。但在直流控制繞組匝數(shù)數(shù)倍于交流繞組匝數(shù)的情況下，必須防范交流高電壓對(duì)于直流控制繞組的電磁感應(yīng)。所以，在耐壓和防干擾方面，必須作了一些針對(duì)性的處理。圖2為飽和電抗器俯視剖面圖。 3磁控軟起動(dòng)裝置/磁飽和電抗器SR的設(shè)計(jì) 在磁控軟起動(dòng)裝置的研制中，磁飽和電抗器SR的設(shè)計(jì)是其重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)包括電路，磁路設(shè)計(jì)和SR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電路/磁路的設(shè)計(jì)任務(wù)是從軟起動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)條件和工藝要求出發(fā)，確定SR的鐵心截面積和窗口面積，交、直流繞組導(dǎo)線匝數(shù)和截面積。SR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是從結(jié)構(gòu)上落實(shí)電路/磁路設(shè)計(jì)，并使SR滿足耐壓、尺寸、環(huán)境等要求。 在SR電路/磁路設(shè)計(jì)時(shí)，以下幾個(gè)參數(shù)至關(guān)緊要：最大鐵心磁密BM，電流密度j，直/交流繞組的安匝比，需要在設(shè)計(jì)前按照實(shí)際情況選定。 在設(shè)計(jì)中，需要明確SR的數(shù)學(xué)模型。將SR等效為一個(gè)可控開(kāi)關(guān)和線性電感串聯(lián)支路，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時(shí)域分析，是一種比較可行的設(shè)計(jì)方法。所以在設(shè)計(jì)中，需要對(duì)軟起動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻的電網(wǎng)、電抗器、電動(dòng)機(jī)的電壓、電流波形在既有的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上作出較精確的預(yù)測(cè)。 磁控軟起動(dòng)裝置的生產(chǎn)是按用戶要求定制的。在設(shè)計(jì)前，對(duì)于軟起動(dòng)過(guò)程均通過(guò)離線仿真作出預(yù)測(cè)。通過(guò)電流閉環(huán)控制，確保軟起動(dòng)成功。開(kāi)發(fā)的磁控軟起動(dòng)裝置中的“微電子”就是采用西門(mén)子公司的S7型PLC作為其核心部件的。磁控軟起動(dòng)裝置中的晶閘管運(yùn)行電壓為500V以下的低壓，高、低壓的隔離由SR實(shí)現(xiàn)。SR在耐受惡劣環(huán)境方面（溫度、濕度和海拔容限）的能力強(qiáng)。所以，它具有很高的可靠性。 4實(shí)際效果 某水電廠主廠房和12號(hào)壩滲漏泵運(yùn)行時(shí)壓力約0．4 MPa，豐水期每天運(yùn)行數(shù)次，每次約30 min，為自動(dòng)控制運(yùn)行。全壓（380 v）起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)沖擊電流高達(dá)700 A以上，過(guò)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩使起動(dòng)過(guò)程太快，噪聲很大。安裝磁控軟起動(dòng)裝置后，起動(dòng)電流限制在2倍額定電流下，起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，噪聲大大減小，設(shè)備的振動(dòng)大大減小。水泵自由停機(jī)時(shí)，明顯地聽(tīng)到水擊逆止閥的響聲，逆止閥和底閥常損壞。安裝了磁控軟起動(dòng)裝置后．設(shè)置好電機(jī)的制動(dòng)時(shí)間，停機(jī)時(shí)水泵緩慢平滑地減速至零，水擊聲消失，大大減小了回水沖動(dòng)，逆止閥和底閥的使用壽命得以顯著延長(zhǎng)。雖然制動(dòng)過(guò)程磁控軟起動(dòng)裝置輸出波形不好，由于起停不頻繁，所以對(duì)設(shè)備的安全無(wú)不良影響。 5結(jié)論 使用磁控軟起動(dòng)裝置解決水泵起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中存在的電氣沖擊、機(jī)械沖擊和水擊現(xiàn)象，有著效果好、價(jià)格低、現(xiàn)實(shí)容易等特點(diǎn)，在其它領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用的前景。