具有无功补偿的高压软启动装置

方长全，陈 刚，陈 静，袁佑新，杨小勇，潘辛敏

(1.武汉理工大学武汉同力机电有限公司，湖北武汉430070;2.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070;3.温州特种设备检测中心，浙江 温州325027)

随着国民经济的不断发展，电机的大型化带来了一系列的问题，如启动冲击大、启动力矩高、启动时功率因数低等，其中交流电机的启动一直是人们关注的课题。

目前国内有相关产品，如西普公司的STR、先导倍尔公司的RQD－D7等，实现的功能有:电压斜坡启动、恒电流启动、软停车、自由停车、过电流、三相不平衡、过热、缺相保护、实时监测和软启动参数设置。也有相关专利，如低压电动机智能软启动补偿控制装置、高压软启动器晶闸管串联装置等［1－2］。然而这些产品和专利也存在明显的不足，如大部分软启动器仅适用于低压电机启动，而高压软启动器一般采用在主回路直接串连晶闸管的方案，晶闸管的耐压要求高限制了其适用范围［3］，且软启动时没有无功补偿功能。

为此，笔者曾发明了一种电机的软启动装置［4］，并研制了磁控式软启动装置，该装置是将可变电抗器串接在主回路中，通过调节串接在电抗器二次侧的晶闸管的导通角，来调节电抗器的阻抗，从而调节电抗器的分压，达到调节电机启动电流的目的。这种方案不受晶闸管耐压能力的限制，扩大了磁控式软启动装置的适用范围，降低了成本。但是在多年的运行实践中，笔者发现启动时功率因数过低，需要另外增加无功补偿装置。为此，开发了一种集软启动和无功补偿于一体的软启动装置。

1 总体方案设计

基于可变电抗器的无功补偿软启动装置由电源投切装置、可变电抗器1 KL、功率变换器、无功补偿电容组和控制系统等组成，其组成结构图如图1所示。

图1 基于可变电抗器的无功补偿软启动装置的组成结构图

电源投切装置包括高压隔离开关、熔断器和接触器;无功补偿电容组由一组电容容量不同的电容器并联3C1～3Cn组成，每一个电容器支路上都串联一个电容投切接触器3KM1～3KMn和熔断器3FS1～3FSn;控制系统主要由电能信号处理模块、控制器、脉冲触发输出板和中间继电器组等组成。

2 软启动装置的配置与工作原理

2.1 软启动装置的配置

隔离开关用于隔离高压电源，保证安全检修，并能够通断一定的电流，常被工业上采用。断路器对电源线路实行保护，当它们发生严重的过载、短路及欠压等故障时能自动切断电路。

功率变换器通过直接控制可变电抗器二次侧线圈的电流，进而控制可变电抗器的电流，实现电机的软启动［5］。功率变换器由两组反并联的晶闸管组成，其中晶闸管可采用MTC型号，根据需要确定电流和电压等级。

电容器组由快速熔断器、电容投切接触器和电容器组成。其中快速熔断器在电路电流过载时，其熔丝在焊点的作用下，快速发热，迅速断开熔丝，保护其他器件。电容投切接触器同样能实现电力的开断，控制其容器的投入和切除，区别于之前交流接触器的是这种接触器能有效降低浪涌冲击对电容的影响，延长电容器的使用寿命［6］。快速熔断器可采用RS32系列熔断器，电容接触器可采用LC1D.K系列，电容器可采用CZ82系列的油浸电容。

电能信号处理模块选用交流电路参数采集模块WB1831BX5，该模块采用高速DSP和MCU控制器，高速采集三相电压和三相电流并计算电压、电流和功率因数等参数，且有RS485通信接口。

控制器通过RS485通信接口接收电力参数［7］，根据功率因数大小动态地选择投入或切除电容器的组数实现无功补偿，并完成所有的控制功能［8］。控制器可选取单片机、DSP或PLC等进行设计开发。笔者采用西门子S7－200 CPU226来设计控制器，配置的触摸屏是北京昆仑通态生产的TPC7062K。

中间继电器组根据开关量输出点数配置，每一路开关量配一中间继电器HH54P，并设有输出过电压抑阻容保护。

脉冲触发输出板选用西安宏宇公司生产的RSC6F－1触发板。

2.2 软启动装置的工作原理

通过闭合高压隔离开关和熔断器给基于可变电抗的无功补偿软启动装置上电。电机启动前，通过控制器闭合充电接触器2KM1对电容器组充电。电机启动时，通过控制器断开充电接触器2KM1，闭合补偿接触器2KM2，闭合启动接触器1KM1，实现电机的软启动;当电机完成软启动过程后，则运行接触器1KM2合上，启动接触器1KM1断开;在启动和运行过程，电能信号处理模块对电压电流信号进行处理，计算出电网的电压、电流和功率因数等电力参数［9］，控制器根据计算得到的功率因数大小来选择投入或切除最合适的电容器组，动态地控制电容接触器的吸合与断开，实现无功补偿。同理，当电机停车时，先合上启动接触器1KM1，运行接触器1KM2断开，电机进行软停车;电机完成停车过程后，开启启动接触器1KM1，补偿接触器2KM2断开，电机处于停车状态。

3 控制器的PLC软件设计

笔者采用西门子S7－200PLC设计基于可变电抗器的无功补偿软启动装置的控制器。采用PLC中比较常用的梯形图编程，在PLC软启动程序设计［10］的基础上，增加从电能信号处理模块读取电量参数、无功补偿电容器组投切两大功能。主要包括主程序、初始化子程序、报警子程序、软启动子程序、软停车子程序、电能参数读取子程序和无功补偿电容器组投切子程序。

主程序主要包含软起、软停、调试允许条件和各种接触器的合分闸条件的判断，只有满足一系列的条件才会进入相应的子程序;初始化子程序主要用于PLC上电后、软启动开始前以及软停结束后的变量初始化、参数赋值;电能参数读取子程序通过RS485总线读取从站设备WB1831BX5的参数;无功补偿电容器组投切子程序根据检测得到的功率因数大小，动态地控制电容接触器的吸合与断开，实现无功补偿。

采用MCGS嵌入式组态软件进行触摸屏的人机界面HMI设计，在原有基础上，增加电能参数显示、无功补偿电容器组投切控制两个子界面。

4 结论

具有无功补偿的高压软启动装置研制成功后，投入11 kW、额定电流为23 A的绕线式风机带载的软启动运行。运行结果是在保持原有软启动性能前提下，电流调节平滑、快速、有效、可靠性高，功率因数由0.2 ～0.4 提高到0.9 以上。

［1］张卫平，朱慧琳，龙兴砚.低压电动机智能软启动补偿控制装置:中国，ZL200720073919.9［P］.2008 －06－18.

［2］冷严冬，刘志强，丁兆国，等.高压软启动器晶闸管串 联 装 置:中 国，ZL200620021046.2［P］.2007－06－20.

［3］黄俊，王兆安.电力电子变流技术［M］.北京:机械工业出版社，1999:37－41.

［4］袁佑新，陈静，夏泽中.一种电机的软启动装置:中国，ZL200620096602.2［P］.2007 －05 －23.

［5］袁佑新，肖义平.可变电抗器的阻抗变换机理研究［J］.武汉理工大学学报，2008，30(3):133 －135.

［6］靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术［M］.北京:中国水利电力出版社，1997:42－45.

［7］刘新华.基于Modbus协议PLC通信的模块化实现［J］.电气自动化，2001，4(1):15 －18.

［8］朱毅，骆和平.低压电网无功补偿方式和补偿容量的选择［J］.水利科技，2005，5(4):53 －55.

［9］吴宏波.基于GPS的输电线路参数在线测量的研究［D］.保定:华北电力大学图书馆，2003.

［10］陈静，彭友亮，袁佑新，等.基于PLC200的磁控软启动装置的研制［J］.武汉理工大学学报，2010，32(23):93－95.