CN102983795B - 一种用于大功率笼型电机特变补偿软起动装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于大功率笼型电机特变补偿软起动装置。属于笼型大功率电机软起动技术领域。它主要是解决自耦变压器起动合闸浪涌冲击和旁路跃变冲击电流问题。主要特征是：“田”字型铁芯分为自藕变压器结构和电抗器结构，并配有独立自藕绕组和电抗绕组；第一、第二、第三、第四对外连接端口分别与自励起动断路器、旁路自励绕组断路器、起动补偿断路器、联络断路器、串励控制断路器一端连接，起动补偿断路器另一端与星点公共端之间串接起动无功补偿单元，联络断路器另一端分别与电机和旁路运行断路器一端连接，旁路运行断路器另一端与母线连接。具有消弱自耦起动瞬间浪涌及旁路阶跃冲击有一定抑制作用的特点，主要用于大功率笼型电机的特型补偿软起动装置。
Description
技术领域
本发明属于笼型大功率电机软起动技术领域。具体涉及一种用于大功率笼型特型变压补偿软起动装置的主回路。
背景技术
目前随着我国工业化进行程迅速膨胀，在我国第二产业结构中重点能耗企业（如钢铁、化工等行业）里，高压10000kW以上的大功率电机使用越来越频繁了，如此大功率电机起动所耗费的电网的坚强度（最小短路容量）、容忍裕度（电压波动范围）、扰动强度（无功起动电流冲击）都是一个强大的考验，降压限流防冲击的起动方式在高压大功率笼型电机面前可以实现形式越来越少，是否可以找到电机起动瞬间无功冲击电流尽量的小，网侧电压波动少的起动方式，是目前高压大功率笼型电机起动困难主要问题。
而目前采用无谐波较为稳妥的自耦变压器进行降压起动方式里，无可避免会产生以下几个突出问题：
其一，采用自耦变压器起动时，起动瞬间由于瞬时浪涌冲击会给电动机起动电流形成冲击峰值电流；
其二，自耦变压器起动完成时，由于自耦变压器电气结构特点决定了其旁路方式会有主回路会有极其短暂断电自起动过程，在这个转换过程中，电机运行会出现明显振动；
其三，自耦变压器转换旁路全压运行时，电机转速接近额定转速，电机从降压起动状态转为全压全速状态，由于电机端电压突变，会造成瞬间的跃变冲击浪涌电流产生。
因此，传统降压起动方式（如水电阻、电抗器、自耦变压器等）对网侧起动电流限制和浪涌冲击减弱方面均有一定局限性。
发明内容
本发明是针对背景技术中提到的大型高压电机降压起动通用技术不足，设计的一种削弱自耦变压器在起动瞬间浪涌冲击电流峰值，并对运行旁路短接冲击浪涌电流也有一定抑制作用的用于大功率笼型电机特型变压器补偿软起动装置的主回路。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种用于大功率笼型电机的软起动装置，包括用于大功率笼型电机自励补偿软起动装置的主回路，该主回路包括含有“田”字型硅钢片铁芯的自耦变压器，自耦变压器内部装有三个抽头的手动分接开关，自耦变压器设有四个对外连接端口，其特征在于：所述“田”字型硅钢片铁芯由两个倒“日”字型硅钢片铁芯柱构成，其中一个倒“日”字型硅钢片铁芯柱是一段纯自耦变压器铁芯结构，另一个倒“日”字型硅钢片铁芯柱是由大、小“山”字型硅钢片铁芯、铁饼绝缘板构成的纯电抗器式铁芯结构，铁饼及其两侧的绝缘板位于大、小“山”字型硅钢片铁芯对接端部之间；“田”字型硅钢片铁芯上设有独立的自耦绕组和电抗器特性绕组，独立的自耦绕组设置在纯自耦变压器铁芯结构上，独立的电抗器特性绕组设置在纯电抗器式铁芯结构，构成特型自励起动变压器；自耦绕组的三组自耦抽头分别与手动分接开关相连；第一对外连接输入端口通过自励起动断路器与配电变压器连接；第二对外连接输出端口与旁路自耦绕组短接断路器、起动补偿断路器、联络断路器的一端连接，起动补偿断路器的另一端与特型自励起动变压器公共绕组星点公共端之间串接起动无功补偿单元，联络断路器的另一端分别与大功率笼型电机和旁路全压运行断路器的一端连接，旁路全压运行断路器的另一端与母线连接；第三对外连接输出端口与星点公共端之间串接串励控制断路器；第四对外连接输出端口与旁路自耦绕组短接断路器的另一端相连；母线与特型自励起动变压器公共绕组星点公共端之间连接有由就地补偿断路器、就地补偿电容器（C2）串联构成的就地补偿电路；公共绕组星点公共端为特型自励起动变压器公共绕组短接成封闭星点公共端，封闭星点公共端为就地补偿电容器三个单相电容并接公共端，公共绕组星点公共端、封闭星点公共端都是各自封闭悬空的。
本发明由于采用含有由特型自励起动变压器、自励起动断路器、起动补偿断路器、起动无功补偿单元、旁路自耦绕组断路器、联络断路器、旁路全压运行断路器、串励控制断路器构成主回路的大功率笼型电机特型变压补偿软起动装置，其中，特型自励起动变压器包括一段纯自耦变压器铁芯结构的一个倒“日”字型硅钢片铁芯柱，两个由大、小“山”字型硅钢片铁芯及铁饼、绝缘板构成的纯电抗器式铁芯结构，“田”字型硅钢片铁芯上设有独立的自耦绕组和电抗器特性绕组，独立自耦变压器绕组的三组自耦降压抽头完全满足自耦降压限流起动的全部特性，而独立电抗器绕组则所含的两个“山”型硅钢片的对接端口处的铁饼两侧的绝缘板厚度即间隙可根据大功率笼型电机功率起动特性要求作适当调整，独立自耦变压器绕组的自耦绕组部分与独立电抗器绕组经旁路自耦绕组并接，经自励起动断路器与配电变压器连接，特型变压器的自耦变压绕组抽头经分接开关连接后，通过起动补偿断路器的另一端与星点公共端之间串接起动无功补偿单元，起动补偿单元另一端短接成封闭星点公共端，联络断路器的另一端分别与大功率笼型电机和旁路全压运行断路器的一端连接，旁路全压运行断路器的另一端与母线连接，特型变压器电抗器绕组经特型变压器第四对输出端口，对外连接旁路自励绕组断路器一端相连，自励绕组断路器另一端与特型变压器第二对外接口输出端、起动补偿断路器、联络断路器另一端相连；特型变压器自耦变压公共绕组经过第三对外连接端口与星点公共端之间串接串励控制断路器，因而，起动时，特型起动变压器利用独立自耦绕组进入自耦变压状态，保证了电机实现恒压限流补偿软起动，同时由于在自耦变压器二次侧同时接入起动补偿单元，不但对起动回路功率因数得到补偿，也对网侧起动限流起到一定分流补偿作用，当电机起动完成，转速接进额定转速时，特型起动变压器会进入失磁状态，这时旁路并接入电抗器绕组，改变了自励绕组的电感值，保持有明显的线性度特性，不会出现明显电压陷落，而后再进行旁路短接全压运行状态接入，同时切除特型起动变压器，使其完全退出起动状态，而真正保证了降压轻载运行状态直接转换成全压全速过程中，实现阶梯式电压逐级平稳过渡转换到全压运行状态，彻底解决了因电机端电压突变造成瞬间跃变浪涌电流冲击问题。
本发明能够很好适应高压大功率笼型电机实现以降低起动电流、保护电机、减少电网冲击为目的软起动方式，其显著特点为： 1、特型起动变压器独立制作的自耦绕组，可以独立完成恒压限流软起动过程和电机端起动补偿分流的降补过程，恒压限流的作用在于利用特变的独立的自耦变压特性实现降压限流起动，电机侧起动降补作用在于起动瞬间迅速补充部分电动机起动过程所需要的大量无功，减少从电网吸取的无功容量； 2、特型起动变压器的两段独立的自耦绕组和电抗器绕组功能转换，很好解决传统自耦变压器起动过称中的失励转换冲击问题，可以在自耦状态和失磁转电抗状态做独立切换，很好地实现了电机由起动到轻载运行的平稳过渡； 3、特型起动变压器特殊制作的独立电抗器绕组，经过与自耦绕组并接，以及和电机绕组串接的精密计算匹配，可以保证在并接自耦绕组时，保证了失磁自励电感特性有明显的线性度，实现了降压轻载运行状态直接转换成全压全速过程中，不会出现明显电压陷落，完全保证了阶梯式的电压逐级平稳过渡转换到全压运行状态，彻底解决了因电机端电压突变造成瞬间跃变浪涌电流冲击的问题；4、同时由于特型自励变压器内部革新改造，也改变了其自身阻抗特性，这为削弱自励起动变压器在起动瞬间浪涌冲击电流峰值，有一定的抑制作用。
本发明主要用于大功率笼型电机的自励补偿软起动装置。
附图说明
图1是本发明实施例1的电气线路示意图。
图2是本发明实施例2的电气线路示意图。
图3是本发明实施例3的特型自励变压器绕组接线原理图。
图4是本发明实施例3的特型自励变压器铁芯结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步说明。
在图1中：1、自励起动断路器QF3，2、串励控制断路器QF1，3、起动补偿断路器QF2，4、起动补偿单元C1，5、联络断路器QF4，6、旁路全压运行断路器QF5，7、旁路自耦绕组短接断路器QF6，8、特型自励起动变压器T1，9、有三个抽头J1、J2、J3的手动分接开关K，10、特型自励起动变压器独立自耦绕组L1，11、特型自励起动变压器独立电抗器绕组L2，12、配电变压器T2，13、进线断路器QF7，14、高压大功率笼型电机M。
实施例1如图1所示。电网主母线通过配电变压器T2接通进线断路器QF7输入端，进线断路器QF7的出线端接通10（6）kV起动回路母线，起动回路母线得电后再接入自励起动断路器QF3进线端，自励起动断路器QF3出线端接特型自励起动变压器T1的对外接口①。特型自励起动变压器T1的接口①内部并接着两路独立内部绕组，一路连接着内部独立自耦变压绕组L1，另一路连接着内部独立电抗器特性绕组L2。特型自励起动变压器T1的自耦变压器绕组L1的自耦抽头部分通过手动分接开关K选取J1触点经与特型自励起动变压器T1的对外接口②一端相连，特型自励起动变压器T1的对外接口②另一端分为三路输出：对外接口②的一路与起动补偿断路器QF2进线端连接，起动补偿断路器QF2出线端与起动三相补偿单元C1相连，起动补偿单元C1三相电容的另一端短接成封闭星点公共端；特型自励起动变压器T1对外接口②的第二路输出与联络断路器QF4输入端相连，联络断路器QF4输出端与旁路全压运行断路器QF5输出端并接相连，并接点直接接通高压大功率电机M，而旁路全压运行断路器QF5输入端与电网10（6）kV起动回路母线相连接；特型自励起动变压器T1对外接口②的第三路输出连接着旁路自耦绕组断路器QF6输出端，旁路自耦绕组断路器QF6输入端连接着特型自励起动变压器T1的电抗器特性绕组L2。特型自励起动变压器T1对外接口③输出端与串励控制断路器QF1输入端相连，串励控制断路器QF1输出端另一端将特型自励起动变压器公共绕组短接成封闭星点公共端。特型自励起动变压器T1公共绕组短接成封闭星点公共端，图1内两个星点公共端都是各自封闭悬空的。
本发明实施例1的工作原理是：
主回路降压限流补偿起动回路是接通主回路进线断路器QF7，电网主母线通过配电变压器T2经进线断路器QF7为10（6）kV起动回路母线供电，接通串励控制断路器QF1，使特型自励起动变压器T1公共绕组短接成星点，再接通自励起动断路器QF3，特型自励起动变压器T1进入自耦变压状态，由于手动分接开关K事先已经调整好自励变压器抽头J1位置接通，此时再接通起动补偿断路器QF2，使起动三相补偿单元C1接入系统中，对起动回路功率因数进行补偿，最后接通联络断路器QF4，电源接进高压大功率笼型电机M，实现电机恒压限流补偿软起动全过程。
主回路全压全速运行回路是电机起动完成转速接近额定转速时，串励控制断路器QF1失电断开，特型自励起动变压器 T1进入失磁状态，这时接通旁路自耦绕组短接断路器QF6，形成了特型自励起动变压器T1内部的自耦绕组L1和电抗器绕组L2成为并接状态，由于电抗器绕组L2良好电抗器线性抗值特性改变了特型自励起动变压器原有失励抗值非线性特性，使并联串励绕组进入线性电感状态继续维持电机降压运行状态，此时电压抬升感抗值调整来源于特型自励起动变压器T1的内部电抗器绕组可调气隙铁芯即两个绝缘板厚度所决定的，此时一则断开起动补偿断路器QF2，使起动补偿单元C1及时退出系统补偿状态，电机恢复运行自然功率因数状态，二则接通旁路全压运行断路器QF5，使电机进入全压全速运行状态，同时断开自励起动断路器QF3和联络断路器QF4，使特型自励起动变压器T1完全退出起动状态。
在图2中：15、就地补偿断路器QF8，16、就地补偿电容器C2。
实施例2如图2所示。与实施例1不同的是在特型自励起动变压器T1对外输出端口②和星点公共端之间连接有由就地补偿断路器QF8、就地补偿电容器C2串联构成的就地补偿电路。
本发明实施例2的工作原理是：
主回路降压限流补偿起动回路是接通主回路进线断路器QF7，电网主母线通过配电变压器T2经进线断路器QF7为10（6）kV起动回路母线供电，接通串励控制断路器QF1，使特型起动变压器T1公共绕组短接成星点，再接通自励起动断路器QF3，特型自励起动变压器T1进入自耦变压状态，由于手动分接开关K事先已经调整好自励变压器抽头J1位置接通，此时再接通起动补偿断路器QF2，使起动三相补偿单元C1接入系统中，接通就地补偿断路器QF6，10（6）kV起动回路母线经就地补偿断路器QF6，接通就地补偿电容器C2，对起动回路功率因数进行补偿，最后接通联络断路器QF4，电源接进高压大功率笼型电机M，实现电机恒压限流补偿软起动全过程。
主回路全压全速运行回路是电机起动完成转速接进额定转速时，串励控制断路器QF1失电断开，特型自励起动变压器 T1进入失磁状态，这时接通旁路自藕耦绕组短接断路器QF6，形成了特型自励起动变压器T1内部的自耦绕组L1和电抗器绕组L2成为并接状态，由于电抗器绕组L2良好电抗器线性抗值特性改变了特型自励起动变压器原有失励抗值非线性特性，使并联串励绕组进入线性电感状态继续维持电机降压运行状态，此时电压抬升感抗值调整来源于特型自励起动变压器T1的内部电抗器绕组可调气隙铁芯即两个绝缘板厚度所决定的，此时一则断开起动补偿断路器QF2，使起动补偿单元C1及时退出系统补偿状态，但却保持10（6）kV起动回路母线经就地补偿断路器QF8，接通就地补偿电容器C2，电机运行功率因数就会得到必要就地补偿，二则接通旁路全压运行断路器QF5，使电机进入全压全速运行状态，同时断开自励起动断路器QF3和联络断路器QF4，使特型自励起动变压器T1完全退出起动状态。
本发明将大功率笼型电机起动过程有效分为几个阶段：首先是实现自耦恒压起动补偿工作阶段，该过程中特型自励起动变压器满足自耦变压器恒压起动特性，同时在变压器二次侧实现了无功起动补偿分流作用，可以很好地将网侧输入容量起动电流控制在（1.5～1.0）倍电机额定运行电流，其次在电机起动完成转入正常的轻载运行时，特型自励起动变压器失磁转入自励电感维持电机稳定运行状态工作阶段，保证转换电压无陷落，转换过程冲击电流小，从而实现阶梯式的电压逐级平稳过渡转换到全压运行状态，电机迅速转入全压全速正常运行状态工作阶段，至此完成了高压自励补偿软起动全部过程。
在图3、图4中：10-1、特型自励起动变压器内部自耦绕组L1a，10-2、特型自励起动变压器内部自耦绕组L1b，10-3、特型自励起动变压器内部自耦绕组L1c，11-1、特型自励起动变压器内部电抗器绕组L2a,11-2、特型自励起动变压器内部电抗器绕组L2b，11-3、特型自励起动变压器内部电抗器绕组L2c，9、有三个抽头J1、J2、J3的手动分接开关K，17、内部电抗器绕组小“山”字型铁芯，18、内部电抗器绕组大“山”字型铁芯，19-1、内部电抗器绕组A相铁饼，19-2、内部电抗器绕组B相铁饼，19-3、内部电抗器绕组C相铁饼，20-1、内部电抗器绕组A相绝缘板气隙调整，20-2、内部电抗器绕组B相绝缘板气隙调整，20-3、内部电抗器绕组C相绝缘板气隙调整，21、内部自耦绕组三相整体铁芯。
实施例3如图3、图4所示。主要是介绍特型自励起动变压器T1的内部结构，特型自励起动变压器的绕组接线原理图的输入部分来自对外接口①的A、B、C三相，特型自励起动变压器绕组通过三相独立自耦绕组L1 a、L1b、L1c经内部手动分接开关K的自励抽头选取J1触点与特型自励起动变压器三相的对外接口②一端相连，对外接口②的三个输出分别输出U1、V1、W1三相，特型自励起动变压器绕组通过三相独立电抗器绕组L2a、L2b、L2c经外接口④的三个输出分别输出U2、V2、W2三相，特型自励起动变压器自身绕组经对外公共输出接口③与X、Y、Z公共端相连，特型自励起动变压器的内部独立电抗器绕组L2的铁芯结构图的含有小“山”字型铁芯17、大“山”字型铁芯18两段“山”字型硅钢片铁芯，两个小、大“山”字型硅钢片铁芯17、18的对接端口设有A相铁饼19-1、B相铁饼19-2、C相铁饼19-3及铁饼两侧有调节气隙的A相绝缘板20-1、B相绝缘板20-2、C相绝缘板20-3，自励绕组的失励线性电感状态调整来源于特型自励起动变压器内部可调气隙铁芯即两个绝缘板厚度所决定的，而内部独立自耦绕组L1有三个自耦变压器分接头，其自耦绕组三相整体铁芯21的铁芯为整体式，符合自耦变压全部特性。
本发明实施例3的工作原理是：特型自励起动变压器的绕组接线原理图的输入部分来自对外接口①的A、B、C三相，经过特型自励起动变压器内部并接为两路，一路为独立自耦绕组L1a、L1b、L1c三路经内部手动分接开关K的自励抽头选取J1a触点、J1b触点、J1c触点与特型自励起动变压器三相的自励对外接口②一端相连，对外接口②的输出接U1、V1、W1三相，另一路为独立电抗器绕组L2a、L2b、L2c三路经与特型起动变压器三相的外接口④一端相连，对外接口④的输出接U2、V2、W2三相，特型自励起动变压器自身绕组经对外公共输出接口③与X、Y、Z公共端相连。小、大“山”字型硅钢片铁芯17、18的对接端口设有铁饼和绝缘板，自励绕组的失励线性电感状态调整来源于铁饼两侧绝缘板的厚度，而内部独立自耦绕组的铁芯为整体式，符合自耦变压全部阻抗特性。
Claims (1)
1.一种用于大功率笼型电机的软起动装置，包括用于大功率笼型电机自励补偿软起动装置的主回路，该主回路包括含有“田”字型硅钢片铁芯的自耦变压器，自耦变压器内部装有三个抽头(J1、J2、J3)的手动分接开关（K），自耦变压器设有四个对外连接端口（①、②、③、④），其特征在于：所述“田”字型硅钢片铁芯由两个倒“日”字型硅钢片铁芯柱构成，其中一个倒“日”字型硅钢片铁芯柱（21）是一段纯自耦变压器铁芯结构，另一个倒“日”字型硅钢片铁芯柱是由大、小“山”字型硅钢片铁芯（17、18）、铁饼（19-1、19-2、19-3）、绝缘板（20-1、20-2、20-3）构成的纯电抗器式铁芯结构，铁饼（19-1、19-2、19-3）及其两侧的绝缘板（20-1、20-2、20-3）位于大、小“山”字型硅钢片铁芯（17、18）对接端部之间；“田”字型硅钢片铁芯上设有独立的自耦绕组和电抗器特性绕组，独立的自耦绕组（L1）设置在纯自耦变压器铁芯结构上，独立的电抗器特性绕组（L2）设置在纯电抗器式铁芯结构上，构成特型自励起动变压器（T1）；自耦绕组的三组自耦抽头(J1、J2、J3)分别与手动分接开关（K）相连；第一对外连接输入端口（①）通过自励起动断路器（QF3）和断路器（QF7）与配电变压器（T2）连接；第二对外连接输出端口（②）与旁路自耦绕组短接断路器（QF6）、起动补偿断路器（QF2）、联络断路器（QF4）的一端连接，起动补偿断路器（QF2）的另一端与三相起动无功补偿单元（C1）相连，三相起动无功补偿单元（C1）另一端接为三相封闭星点公共端，该三相封闭星点公共端为悬空的，联络断路器（QF4）的另一端分别与大功率笼型电机（M）和旁路全压运行断路器（QF5）的一端连接，旁路全压运行断路器（QF5）的另一端与母线连接；第三对外连接输出端口（③）连接串励控制断路器（QF1），串励控制断路器（QF1）另一端接为三相封闭星点公共端，该三相封闭星点公共端为悬空的；第四对外连接输出端口（④）与旁路短接断路器（QF6）的另一端相连；就地补偿断路器（QF8）一端连接母线，另一端连接就地补偿电容器（C2），就地补偿电容器（C2）另一端接为三相封闭星点公共端，该三相封闭星点公共端为悬空的。
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