CN103023391A - 高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，是由自耦磁控限流软起动子系统、无功补偿子系统和谐波滤波子系统的一体化系统来实现高压大功率电动机的平稳起动、就地无功补偿和谐波治理的，该方法包括降压限流软起动、动态无功补偿和谐波滤波步骤。本发明提供的方法在风机、水泵、空压机、轧机、窑磨、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中的应用，使所述电动机起动过程中的限流和无功补偿特性要求得到满足，并在电动机软起动结束后实现动态谐波滤波，在整体上能够更好地提高压大功率电动机的起动性能，节能降耗，保持电网电压稳定，便于工程实现，性价比高。

Description

高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法

技术领域

本发明涉及高压大功率电动机的软起动、无功补偿与谐波滤波领域，特别是涉及一种高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法。

背景技术

高压大功率电动机（电压在6kV以上，功率在几万千瓦以上）广泛应用于冶金、建材、石化、煤矿、水利等行业领域，是其领域中风机、水泵、空压机、轧机、窑磨、煤磨、矿井提升等大型设备拖动的原动机，其用电量占到工业用电量的70%左右，是全国用电量的一半。随着国民经济的发展升级、行业的兼并重组、淘汰落后产能，生产规模日益扩大，各行业领域使用的高压大功率电动机从几百千瓦到几万千瓦容量越来越大。

高压大功率电动机制造工艺与技术复杂、维修困难、价格昂贵，是相关行业的关键核心设备。高压大功率电动机直接起动时产生的超大电流（5-7倍以上电机额定电流）对电网、电动机及拖动设备危害巨大，可造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。使用软起动装置，可以避免电动机直接起动所造成的危害性及影响，电动机软起动装置工作时间虽短，但作用非常重要、不可或缺。从节能的角度，使用软起动装置有事半功倍的效果。

针对高压大功率电动机直接起动所带来的危害，国内外学者及工程技术人员开展了大量的电机软起动理论与方法研究。目前，高压电动机起动方法主要有降压起动、调压软起动和变频软起动，变频软起动性能好，但产品主要靠进口，技术复杂；降压起动包括电动机定子绕组串电抗器起动、自耦变压器起动、星形-三角形换接起动等；调压软起动包括电动机定子绕组串液态电阻软起动、晶闸管调压软起动、磁饱和电抗器降压软起动等。以上软起动方法，可解决一般高压中小功率电机的起动问题。对于实现高压大功率电动机的软起动，以上方法明显不足。例如在空载、轻载及重载多任务条件下，高压大功率电动机的限流、电动机起动过程中的无功补偿及谐波抑制等问题，上述方法难以解决。

实现高压大功率电动机的软起动，需要解决以下问题：

（1）限制高压大功率电动机软起动过程中的起动电流，满足多任务负载的机械特性要求，避免对电网产生大的冲击、电动机及其拖动设备的损坏。

（2）提高压大功率电动机软起动过程中的功率因数，节能降耗，保持电网电压稳定；

（3）抑制高压大功率电动机运行过程中的谐波电流，避免对电网及相关设备造成污染与危害。

本申请者先前发明了“一种电机的软起动装置（ZL200620096602.2）”、“基于可变电抗的无功补偿软起动装置ZL201020253241.9）”等。其中：专利“一种电机的软起动装置”属高漏抗变压器（可变电抗器）结构的磁控可变电抗器式软起动装置，该装置将磁控可变电抗器的一次绕组串接在电机主回路中，通过晶闸管控制磁控可变电抗器二次绕组的阻抗，来调节磁控可变电抗器一次线圈的阻抗，从而调节磁控可变电抗器一次线圈的分压，达到调节电动机的起动电流的目的。这种方案通过低压控制高压，不受晶闸管耐压能力和电流大小的限制，增加了软起动装置的适用范围，降低了成本；专利“基于可变电抗的无功补偿软起动装置”，针对电动机在软起动过程中功率因数低，无功需求大的特点，解决了磁控调压软起动的无功补偿。这些专利提供了起动限流与无功补偿功能。当电机起动结束后，成本最高的磁控调压部分完全被切除，造成了资源的浪费。因此，针对该问题，本申请者提出了高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波一体化方法，在电动机起动结束后，磁控调压部分与无功功率补偿电容器构成了动态谐波滤波电路，改善了电能质量，使装备的资源能够充分得到应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，该方法集“降压调压限流软起动、无功补偿和谐波滤波”功能为一体，实现高压大功率电动机的平稳起动、就地无功补偿和谐波治理。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

本发明提供的高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，是由自耦磁控限流软起动子系统、无功补偿子系统和谐波滤波子系统的一体化系统来实现高压大功率电动机的平稳起动、就地无功补偿和谐波治理，具体为：

（1）降压限流软起动：由自耦降压和磁控调压组成自耦磁控限流软起动子系统实现，具体是：首先由自耦降压子系统供给电动机50～70%的额定电压，使电动机做自耦降压起动；其次，通过磁控调压子系统使电动机从50～70%的额定电压逐渐升高至100%的额定电压，电动机做磁控调压软起动；

（2）动态无功补偿：由与自耦磁控限流软起动子系统并联的电容器组C构成的无功补偿子系统，实现电动机软起动过程中的动态无功补偿；

（3）谐波滤波：由电容器组C与磁控电抗器一次绕组串联构成谐波滤波子系统，该系统在电动机软起动结束后，对电动机拖动系统实施动态谐波滤波；

经过上述步骤实现高压大功率电动机的平稳起动、就地无功补偿和谐波治理。

本发明可以采用多模式控制器，确保实现自耦磁控限流软起动子系统、无功功率补偿子系统、谐波滤波子系统之间的协调工作。

所述多模式控制器可以采用工业可编程控制器，其具有实现包括起动过程动态区间划分、动态无功补偿计算、软起动逻辑切换处理的协调控制功能。

本发明可以在降压限流软起动过程中，高压大功率电动机软起动的电流限制在额定电流的2倍，电网压降≤5%。

本发明可以在谐波滤波子系统进行电力谐波滤波过程中，通过改变磁控电抗器的一次绕组的电感值，使谐振频率保持不变，构成低阻抗回路吸收谐波。

本发明提供的上述高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，其在风机、水泵、空压机、轧机、窑磨、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中的应用，使所述电动机起动过程中的限流和无功补偿特性要求得到满足，在整体上提高所述电动机的起动性能，保持电网电压稳定。

7．根据权利要求6所述的用途，其特征在于所述电动机的参数为：电压≥6kV，功率≥1万千瓦。、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中的应用，使所述电动机起动过程中的限流和无功补偿特性要求得到满足，在整体上提高所述电动机的起动性能，保持电网电压稳定。

所述电动机的参数为：电压≥6kV，功率≥1万千瓦。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

能同时实现“降压调压限流软起动、无功补偿和谐波滤波”功能，满足高压大功率电动机起动过程中的限流和无功补偿特性要求，并在电动机软起动结束后实现动态谐波滤波，在整体上更好地提高了高压大功率电动机的起动性能，节能降耗，保持电网电压稳定，便于工程实现，性价比高。具体如下：

（1）采用自耦降压与磁控调压软起动，并进行起动过程中无功功率补偿，使用电压斜坡与电流限制相结合技术，以使起动电流限制在额定电流的2倍，电网压降低于5%。满足多任务负载的机械特性要求，避免对电网产生大的冲击、电机及其拖动设备的损坏；节能降耗，保持电网电压稳定。

（2）提供的谐波滤波子系统，通过改变磁控电抗器的一次绕组的电感值，从而实现滤波器参数可以根据系统参数的变化而实时改变，使得滤波器时刻保持谐振，始终保持良好的滤波效果。同时，降低谐波对电气设备（变压器、电力电缆、电动机、控制系统或通信系统等）的危害，并且提高电气设备在电网中运行的效率和使用寿命。

（3）电容器组和磁控电抗器具有“双重”特性。在高压大功率电动机软起动时实现无功补偿和限流软起动；电动机软起动结束投入运行后，电容器组和磁控电抗器的一次绕组串联后与电网并联，实现谐波滤波。提高了电容器组和磁控电抗器的使用效率，其性价比高。

（4）采用多模式控制器（工业可编程控制器），其具有实现起动过程动态区间划分、动态无功补偿计算、软起动逻辑切换处理等协调控制功能，可确保实现自耦磁控限流软起动子系统、无功功率补偿子系统、谐波滤波子系统之间的协调工作。

附图说明

图1是本发明“高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法”结构示意图。

图2是本发明“高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法”的原理图。

图中：1.电网； 2.高压断路器； 3.电压和电流传感器； 4.自耦变压器； 5.磁控电抗器； 6.阻抗变换器； 7.多模式控制器； 8.高压大功率电动机。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明通过自耦磁控限流软起动子系统、无功补偿子系统和谐波滤波子系统组成的一体化系统（图1）来实现高压大功率电动机的平稳起动、就地无功补偿和谐波治理，具体为：

（1）降压限流软起动：由自耦降压和磁控调压组成自耦磁控限流软起动子系统实现，具体是：首先由自耦降压子系统供给电动机65%的额定电压（可调节），使高压大功率电动机做自耦降压起动；其次，通过磁控调压子系统使高压大功率电动机从65%的额定电压逐渐升高至100%的额定电压；

（2）动态无功补偿：由与自耦磁控限流软起动子系统并联的电容器组C构成的无功补偿子系统，实现高压大功率电动机软起动过程中的动态无功补偿；

（3）谐波滤波：由电容器组C与磁控电抗器一次绕组串联构成谐波滤波子系统，该系统在高压大功率电动机软起动结束后，可实现高压大功率电动机拖动系统动态谐波滤波。

所述的自耦磁控限流子系统，其结构如图2所示，由高压断路器2、电压电流传感器3，自耦变压器4、磁控电抗器5、阻抗变换器6、多模式控制器7和五个高压接触器1KM1~1KM5组成。其中：高压断路器2的一端与电网1相连，另一端经电压电流传感器3与高压接触器1KM1和1KM5相连；高压接触器1KM1的另一端与自耦变压器4和磁控电抗器5的一次绕组相连，自耦变压器4的另一端与高压接触器1KM2相连，高压接触器1KM2的另一端接地；磁控电抗器5一次绕组的另一端与高压接触器1KM3相连，高压接触器1KM3的另一端与高压接触器1KM5的一端相连后与高压大功率电动机8的定子相连；磁控电抗器5的二次绕组的一端经高压接触器1KM4与阻抗变换器6相连，磁控电抗器5的二次绕组的另一端与阻抗变换器6的一端相连。

所述的无功功率补偿子系统，其结构如图2所示，由电容器组C和n个高压接触器组成，n为自然数；高压断路器2的一端与电网1相连，另一端经电压电流传感器3与高压接触器2KM0的一端相连；高压接触器2KM0的另一端与高压接触器2KM1、2KM2…2KMn的一端相连，高压接触器2KM1、2KM2…2KMn的另一端分别与补偿电容器C1、C2…Cn相连，而补偿电容器C1、C2…、Cn的另一端与地相连。

所述的谐波滤波子系统，其结构如图2所示，由磁控电抗器5、高压接触器1KM4、阻抗变换器6、多模式控制器7、高压接触器3KM、高压接触器2KM1-高压接触器2KM n和电容器组C组成。高压断路器2的一端与电网1相连，另一端经电压电流传感器3与高压接触器1KM1的一端相连磁。高压接触器1KM1的另一端与磁控电抗器5的一次绕组的一端相连，该一次绕组的另一端与高压接触器3KM相连。高压接触器3KM的另一端与高压接触器2KM1…2KM n相连，高压接触器2KM1…2KM n的另一端分别与补偿电容器C1、C2…Cn相连，而补偿电容器C1、C2…、Cn的另一端与地相连。磁控电抗器5的二次绕组的一端经高压接触器1KM4与阻抗变换器6相连，磁控电抗器5的二次绕组的另一端与阻抗变换器6的一端相连。

上述的自耦磁控限流软起动子系统、无功功率补偿子系统、谐波滤波子系统之间的协调工作由多模式控制器7来实现。电压电流传感器3采集到的电压电流信号输入到多模式控制器7，多模式控制器7输出的脉冲触发信号与阻抗变换器6相连，数字量信号作用于高压接触器的控制线圈。

所述的多模式控制器，可采用具有实现起动过程动态区间划分、动态无功补偿计算、软起动逻辑切换处理等协调控制功能的工业可编程控制器，如西门子S7-200或其它公司生产的工业可编程控制器。

所述的自耦磁控限流软起动子系统与无功补偿子系统，在高压大功率电动机起动过程中一起共同作用，通过电压斜坡与电流限制相结合技术，使高压大功率电动机起动电流限制在额定电流的2倍，电网压降低于5%。

所述的谐波滤波子系统，当高压大功率电动机软起动结束后，通过改变磁控电抗器的一次绕组的电感值，使谐振频率保持不变，构成低阻抗回路吸收谐波。

本发明高压大功率电动机软起动及无功补偿的原理是：在高压大功率电动机起动开始时，首先投入无功补偿并采用自耦降压起动方式，高压断路器2、高压接触器1KM1、高压接触器1KM2、高压接触器1KM3、高压接触器2KM0闭合，高压大功率电动机经自耦变压器4分压65%的额定电压（可调节），确保从电网吸收电流明显小于高压大功率电动机起动电流Ih，减小对电网冲击；当高压大功率电动机起动电流接近Ie（额定电流）时，高压接触器1KM1和高压接触器1KM3保持不变，而高压接触器1KM2断开、高压接触器KM4闭合，高压大功率电动机经磁控电抗器5分压，使高压大功率电动机定子电压从65%额定电压逐渐增至100% 额定电压； 此后闭合高压接触器1KM5，断开高压接触器1KM3，结束高压大功率电动机软起动。整个软起动过程中，需要补偿无功功率的电容器容量由高压接触器2KM1-高压接触器2KM1n投切，用以提高起动过程中的功率因数。

电压和电流传感器3采集电压和电流信号送入多模式控制器7，分析处理后显示，并控制阻抗变换器6，实现磁控减压起动；上述接触器的开/闭均由多模式控制器7控制。

本发明动态调谐谐波滤波的原理是：在高压大功率电动机起动结束后，高压大功率电动机全电压运行。高压接触器3KM闭合，磁控电抗器5与电容器组C串联，构成LC滤波器，可动态地调节磁控电抗器5的电感量来稳定谐振频率，实现电力系统谐波滤波，提高电能质量。电压和电流传感器3采集电压和电流信号送入多模式控制器7，分析处理后显示，并控制阻抗变换器6，动态地调节磁控电抗器5的电感量，上述接触器的开/闭均由多模式控制器7控制。

本发明提供的高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波一体化方法，其过程如下： 

自耦降压补偿起动：通过自耦变压器给高压大功率电动机分压（电机接入的分压电压为50~70%的供电电压），此时，高压大功率电动机开始按自耦降压补偿起动方式起动，同时，补偿电容器组C向电机提供无功功率。

磁控调压补偿软起动：是在自耦降压补偿起动的基础上完成的。高压大功率电动机在自耦降压补偿起动的基础上，由磁控电抗器进行磁控调压，使高压大功率电动机定子电压（电机接入的分压电压为50~70%的供电电压）连续增加至供电电压，高压大功率电动机通过磁控调压实现软起动，同时，该装置中的电容器组C可以补偿电机起动时所需的无功，提高功率因数。高压大功率电动机起动完毕。电压和电流传感器3将电机起动电信号接入多模式控制器7，该控制器根据电机参数，设定起动电流值及相关参数与起动流程等，进行软起动与无功补偿控制算法计算和软起动逻辑判断等协调控制，通过控制晶闸管式阻抗变换器6的阻抗、改变磁控电抗器5的二次绕组阻抗来改变其一次绕组阻抗，从而实现高压大功率电动机8的磁控调压补偿软起动。

动态调谐谐波滤波：电机起动完毕后，全电压运行。磁控电抗器一次绕组L与电容器组C串联，构成LC无源电力滤波器。可动态地调节磁控电抗器的电感量来稳定谐振频率，实现电力系统谐波滤波，提高电能质量。

高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波一体化系统，具有软起动限流、无功补偿、动态谐波滤波等多重特性，适合高压大功率电动机软起动限流、无功补偿与电力谐波滤波。一套系统多种功能，具有结构简单、功能齐全、分时复用、节约成本等优点。

本发明提供的上述高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波一体化方法，其在风机、水泵、空压机、轧机、窑磨、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中的应用，使所述电动机起动过程中的限流和无功补偿特性要求得到满足，在整体上提高所述电动机的起动性能，保持电网电压稳定。所述电动机的参数为：电压≥6kV，功率≥1万千瓦。

本发明提供的上述高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波一体化方法，其创新点为：“自耦降压与磁控调压复合软起动软切换及磁控电抗变换调节与谐波滤波”一体化电路拓扑结构；高压大功率电动机自耦磁控电抗变换软起动动态无功补偿。除本发明人的前期成果报道外，国内有高压电机软起动技术方面的报道，但未见“自耦降压与磁控调压复合软起动软切换及磁控电抗变换调节”一体化电路拓扑结构方面的报道。国内有高压异步电动机动态无功补偿技术方面的报道，由小容量静止同步补偿器与多级并联固定有级电容组成电动机动态无功补偿电路，但未见高压大功率电动机电力电子自耦磁控电抗变换软起动动态无功补偿以及磁控阻抗变换电抗调节谐波滤波一体化方面的报道。经综合对比分析可知，本发明高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波抑制一体化方法创新点在国内相关文献中尚未发现相同报道。

Claims (7)

1.高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，其特征是该方法由自耦磁控限流软起动子系统、无功补偿子系统和谐波滤波子系统的一体化系统来实现高压大功率电动机的平稳起动、就地无功补偿和谐波治理，具体为： 

（1）降压限流软起动：由自耦降压和磁控调压组成自耦磁控限流软起动子系统实现，具体是：首先由自耦降压子系统供给电动机50～70%的额定电压，使电动机做自耦降压起动；其次，通过磁控调压子系统使电动机从50～70%的额定电压逐渐升高至100%的额定电压，电动机做磁控调压软起动；

（2）动态无功补偿：由与自耦磁控限流软起动子系统并联的电容器组C构成的无功补偿子系统，实现电动机软起动过程中的动态无功补偿；

（3）谐波滤波：由电容器组C与磁控电抗器一次绕组串联构成谐波滤波子系统，该系统在电动机软起动结束后，对电动机拖动系统实施动态谐波滤波；

经过上述步骤实现高压大功率电动机的平稳起动、就地无功补偿和谐波治理。

2.根据权利要求1所述的高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，其特征在于：采用多模式控制器，确保实现自耦磁控限流软起动子系统、无功功率补偿子系统、谐波滤波子系统之间的协调工作。

3.根据权利要求2所述的高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，其特征在于：所述多模式控制器采用工业可编程控制器，其具有实现包括起动过程动态区间划分、动态无功补偿计算、软起动逻辑切换处理的协调控制功能。

4.根据权利要求1所述的高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，其特征是在降压限流软起动过程中，高压大功率电动机软起动的电流限制在额定电流的2倍，电网压降≤5%。

5.根据权利要求1所述的高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法，其特征是在谐波滤波子系统进行电力谐波滤波过程中，通过改变磁控电抗器的一次绕组的电感值，使谐振频率保持不变，构成低阻抗回路吸收谐波。

6.权利要求1至5中任一权利要求所述高压大功率电动机软起动限流补偿与谐波滤波一体化方法的用途，其特征是在风机、水泵、空压机、轧机、窑磨、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中的应用，使所述电动机起动过程中的限流和无功补偿特性要求得到满足，在整体上提高所述电动机的起动性能，保持电网电压稳定。

7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于所述电动机的参数为：电压≥6kV，功率≥1万千瓦。

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