基于液体变阻器的高压大功率电动机软启动设计

周连平

(常州信息职业技术学院电子与电气工程学院江苏常州213164)

基于液体变阻器的高压大功率电动机软启动设计

周连平

(常州信息职业技术学院电子与电气工程学院江苏常州213164)

交流电动机的软起动技术，是电动机运用中的一个重要环节，目前市场上有许多种类的产品。但由于价格、技术、对电网影响的因素造成在传统的电动机拖动领域难以大面积推广。因此，结合传统的控制方法，根据液体变阻器的工作原理实现了高压大功率电动机的软启动。

软起动;起动电流;起动力矩;液体变阻器;电力谐波

0 引言

交流电动机由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的特点，而广泛作为电力拖动生产机械的动力，在各种行业有大量的应用。电动机在恒压下直接起动，其起动电流约为额定电流的6～12倍，其转速要在很短时间内从零升至额定转速，会在起动过程中产生冲击，很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。特别是高压电动机在起动瞬间大电流的冲击下，将引起电网电压降低，影响到电网内其它设备的正常运行。

1 电动机起动控制的现状

在电动机技术发展的过程中，有许多减小电动机起动电流的方法:星形—三角形(Y—△)降压起动、自耦变压器降压起动、定子回路中串接电阻、电感进行分压，实现降压启动。这些方法在减小起动电流的同时，也减小起动力矩。转子回路串接金属电阻起动、转子回路串接频敏变阻器起动等。这些方法可以在减小电流的同时，获得较大的力矩。但串接金属电阻和串接频敏变阻器，起动电流的倍数值虽然可以控制在2.5以下，但在起动的过程中有较大的能量损耗产生在串接进去的元件上。

随着电力电子技术、电力电子元件技术、数字控制技术的发展，市场上出现了许多所谓的电动机软启动装置。它可以实现的技术指标是:电动机的起动电流倍数接近于1，而且起动力矩接近额定工作力矩，大大地改善了交流电动机的性能［1］。

电子软起动器是20世纪70年代由美国AB公司最新推出来，之后世界各大电气公司很快推出，但它们都是晶闸管在线运行，更有甚者，采用兼有速度调节功能的变频器来进行电动机的起动。其优点是对电动机的起动控制与保护达到智能化，保护功能非常强大。但数字控制设备造价昂贵，电力电子元件的非线性带来的数量极大的高次谐波，污染了电网，给其他电器设备的正常工作带来麻烦，特别是在高电压和大功率的场合就更加突出。而且数字控制设备造价高，高压变频器价格更高，同时数字控制设备在运行维护方面所需要的知识和能力，对于在传统电气控制领域的工作人员也极具挑战力。因此目前在使用上受到很大限制。

结合转子回路串接金属电阻、频敏变阻器的起动方式和现代电子软起动器的思想，用一种原理简单、实施方便、调节可靠的液体变阻器也能实现交流电动机的软起动。

2 液体变阻器的结构和工作原理

液体变阻器，就是利用液体导电形成的可变电阻。基本的结构是由化学盐溶解在水中形成电解质的溶液，例如碳酸钠或氯化钠的水溶液制成的可导电的液体，在溶液中间插入两个金属的极板作为电阻的对外接线端。液体变阻器的结构如图1。

图1 液体变阻器的结构示意图

由于导电液体的导电能力与化学盐溶液中的参与导电的离子数量有关，改变溶液的浓度，或者改变溶液的温度，都可以改变导电离子的数量，不同的导电能力就对应于不同的电阻值。用作为电极的金属和液体的导电能力具有较大的差别，改变极板间距或极板和溶液的接触面积(即极板的有效面积)都能均匀地改变电阻的大小。

实践证明:采用不同的电极截面、不同的电极的初始距离、不同的盐溶液的浓度，可以得到不同的变阻器最大电阻值。利用电极移动装置使两个电极间的距离连续变小，可以在电极间得到连续变化的电阻值。当两个电极间的距离为0时，液体变阻器对外的电阻值就等于零。

3 电动机软启动的实现过程和保护电路

电动机利用转子回路串接液体变阻器起动的电路和使用金属固定电阻、頻敏变阻器是一致的。在电动机起动时保证液体变阻器以最大的电阻值串接在转子回路中，保证电动机以较小的起动电流和较大的力矩开始起动。随着电极在丝杆的作用下移，液体变阻器所表现的电阻值连续地、慢慢地变小，电动机的速度连续增加，在电极移动的极限点，动、静极板结合在一起时，液体变阻器的电阻值为0，电动机可以运行在固有特性曲线上，端接电动机转子回路的并头接触器将已经是0电阻的液体变阻器切除，起动过程结束切换到运行状态。

和转子回路串接金属固定电阻、頻敏变阻器起动不同的是:使用液体变阻器起动电动机在切换状态时，转子回路中已经没有附加的电阻，电动机已经运行在固有特性曲线上。所以切换时，无论是在电气上，还是在机械上，都不存在冲击，十分平稳。液体变阻器在起动电路的连接如图2所示。

图2 转子回路串接液体变阻器起动电动机示意图

综上所述:液体变阻器的最大电阻值应该是电动机以接近最大力矩起动的电阻值，此值的计算方法和串接金属固定电阻完全一致［2］。电动机的启动时间应该是电极的全部移动时间，和电极的最大距离及丝杆移动速度有关，丝杆的移动由丝杆电动机的转速和变速箱的变比来决定。所以调节因素很多，调节较方便。它的计算与电机参数和起动时所带负载有关［3］。

按照理论计算调节电阻进行电动机起动试验时发现:采用液体变阻器起动电动机，在启动力矩相等的情况下，起动电流的倍数比采用转子回路串接金属固定电阻、頻敏变阻器起动更小(可以接近1)，也就是用电动机的额定电流来起动，因此有利于供电变压器的容量选择和电动机过流保护的实现。分析液体变阻器的结果，可以从中找到原因:

电动机力矩、转子电流的计算公式显示;转子电流及其功率因数和转子回路的阻抗有关。由于电动机在起动时，转子电流的频率较高，阻抗中电抗的比例显得较大，所以起动过程中，电动机转子回路的功率因数就很低。当然受其影响，电动机的功率因数也很低。这就是起动电流较大，而起动力矩较小的原因所在［4］。

液体变阻器和金属电阻、頻敏变阻器不一样的原因:是由于液体变阻器的两个电极板结构，类似于电容器的两个电极板，中间的液体虽然也能导电，但导电能力和金属极板是绝对有差别的，这就和电容器极板中间的绝缘介质有类似的功能。也就是说，液体电阻的两个电极板和处在其中的电解质溶液构成了一个电容。在转子回路中，串入液体变阻器时，同时将这个电容串入其中，但不带有任何电感的成分，所以一定程度上将起动回路中，电抗对起动阻抗的作用由于电容的存在变小了，电阻的成分增加了，起动回路的功率因素就提高了，同样的起动力矩只要较小的起动电流就可以实现。由于液体电容的作用，转子回路功率因数可能比正常运行时更高，当然，比额定工作电流小的起动电流就可以产生大于额定工作力矩还要大的起动力矩。

液体变阻器的使用关键在于其连续变阻的过程。虽然其电阻值的决定因素很多，较为方便的实现方法是移动电极板。为了保证液体变阻器在使用过程中出现的非正常情况，应采取必要的保护措施。保护电路见图3。

图3 液体变阻器电极移动电气控制原理示意图

在整个液体变阻器的原理、结构、控制、和运行维护等诸方面，都是传统的电气知识就可以解决，所以对于运行维护人员就不具备新知识的压力感。对于电网和其他的电气设备，也不存在高次谐波的污染问题。

利用转子回路中串接液体变阻器起动电动机可以实现电动机以额定工作电流、最大转矩起动三相交流电动机。而且在设备使用和维护上，技术要求和工作量都不是很高。

如图4所示，某钢铁压延加工企业一台6 kV、2 800 kW、型号为YR1600-10电动机的起动过程的电流变化示意。(该高压电动机的定子回路额定工作电流为325 A)

图4 某钢铁厂2 800 kW电动机起动电流示意图

由于液体变阻器的电阻值和电极板的距离并不是一种线性关系，所以要取得更加完美的起动特性，应利用起动电流和电极移动距离、速度间的反馈控制，这还值得更多的探索。

［1］金茂春.电动机调速的原理及系统［M］.成都:电子科技大学出版社，1993:16-18.

［2］袁世鹰，龚幼民.电机学［M］.北京:煤炭工业出版社，1993:76-80.

［3］林瑞光.电机与拖动基础［M］.杭州:浙江大学出版社，1994:88-92.

［4］顾绳谷.电机及拖动基础［M］.北京:机械工业出版社，1996:85-88.

Design of High-voltage and High-power Motor System Based on Liquid Rheostat

ZHOU Lian-ping
(School of Electronic and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

Soft start-up about A.C.electric motor is an important part of motor appliance.There are many kinds of products in the market.However，soft start-up technology can not be widely used in the field of traditional electric motor drive due to the causes of price，technology and grid interruption.The article realizes an uncomplicated soft start-up on the basis of traditional motor control

soft start-up;start-up current;start-up torque;liquid rheostat;harmonics

TM 34

B

1672-2434(2011)01-0017-03

2010-10-28

周连平(1965-)，男，高级工程师，从事研究方向:工业自动化、电气传动