带短路线圈的频敏变阻器在热剪电动机启动和转差率调节方面的应用

高 燕，刘 睿

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401122)

某钢厂棒材生产线热剪为离合式曲柄剪，由飞轮、气缸驱动的离合器，剪刃主轴编码器，曲柄连杆升降的上剪刀滑座组成。上剪刀升降，下剪刀固定，用于切头及对部分规格轧件的分段［1］。

热剪由交流电动机驱动，启动时三相频敏变阻器星形连接，启动完毕后三相频敏变阻器改为三角形连接，作为转差率调节器使用，从而达到启动用频敏变阻器兼作转差率调节器使用的目的［2－8］。

1 带短路线圈的频敏电阻器用于电动机重载启动

频敏变阻器实质上是一个铁芯损耗非常大的的三相电抗器，一般制成开启式［9－10］。在电动机启动时，三相频敏变阻器采用星形连接，串接在电动机转子回路中，其每相阻抗可以表示为Zm=Rm+jXm。其中:Xm代表频敏变阻器绕组的励磁电抗;Rm代表频敏变阻器铁损耗的等效电阻。异步电动机在启动过程中，转子电流频率f2与电源频率f1的关系为f2=sf1。在启动开始的瞬间，电动机转速为零，s=1，f2=f1;随着电动机转速的上升，s减小，f2下降，启动完毕正常运行时f2下降到仅几赫兹，而Xm∝f2，Rm与铁芯磁通密度幅值的平方以及频率的平方二者之积成正比，因此随着启动的进行，Rm及Xm都将变小，也就是说频敏变阻器的阻抗能够随着转子电流频率的下降而自动减小，相当于逐步切除电阻，电动机平稳启动。

频敏变阻器带短路线圈，能有效提高功率因数，增大启动力矩，符合热剪电动机重载启动的要求。转子串带短路线圈的频敏变阻器的启动方式具有结构简单、运行可靠、维护方便，在整个启动过程中都能始终保持较大的启动转矩，实现电动机的平滑无极近恒转矩启动的特点。

2 带短路线圈的频敏电阻器用于电动机转差率调节

热剪在运转过程中会出现高达电动机额定转矩2.5倍以上的尖峰负荷，且尖峰负荷持续时间较短。为了减小电动机容量以及削平尖峰负荷，可采用带飞轮传动装置的电动机，并设有带短路线圈的频敏变阻器用作转差率调节器，使电动机的转速能随着尖峰负荷的有无而自动升降，利用飞轮储能来克服尖峰负荷。

频敏变阻器的阻抗能够随着电动机转子频率的变化而自动变化。这种频敏特性使得它能根据负载转矩的增加而自动调节，充分释放飞轮储能，但其功率因数较低。为了提高功率因数，改善电动机特性，在普通频敏变阻器的主磁路上装设适当匝数的“短路圈”以增加有功功率成分，降低无功损耗，从而获得较高的功率因数和转矩，改善转差率特性。增加短路线圈后，电动机机械特性曲线上部趋近于“挖土机”特性，飞轮和主电机的能力均得以充分利用，极大地提高了电动机的平均转矩，并缩短了回升时间。

3 带短路线圈的频敏变阻器在电动机启动和转差率调节方面的综合应用

在电动机启动时，带短路线圈的三相频敏变阻器星形连接，串入转子绕组，做启动用变阻器，实现电动机的平滑、无极、自动启动。这种启动方式与转子串电阻分级启动相比，因无需逐级切除启动电阻，避免了因切除启动电阻时产生较大电流和转矩冲击，启动较为平稳、安全。

启动完成后，通过接触器开闭改变主回路接线，将带短路线圈的三相频敏变阻器改为三角形连接，串入转子绕组，频敏变阻器进入转差调节工作状态。与接触器电阻式转差率调节器相比，主电机平均转矩增大，回升时间缩短，调节装置稳定性和可靠性均有所提高。

4 实际应用效果分析

以某钢厂棒材生产线热剪电动机为例，介绍带短路线圈的频敏变阻器在热剪电动机启动和转差率调节方面综合应用的工作原理及实际运行效果。

4.1 设备资料

1)主电机

电机型号为YR355M4－8;额定功率 Pe=200 kW;额定转速nN=730 r/min;过载能力λ=1.8 r/min;定子额定电压UN=380 V;定子额定电流IN=402 A;转子额定电压Uze=383 V;转子额定电流Ize=317 A。

2)频敏变阻器

对于频敏变阻器的选择，要求考虑负载类型和电动机功率2个方面，故选择适用于重载启动和断续周期工作制用频敏变阻器类型即可。本研究选择BP4G系列的频敏变阻器，其铁芯柱采用厚壁钢管，轭铁采用厚钢板共同组成骨架，作为导磁及感应产生涡流的机构，钢管外装有线圈，线圈外加装铝管作为二次短路线圈以提高功率因数和增大启动转矩。

4.2 工作原理

热剪电动机转子接线图如图1所示。

图1 热剪电动机转子接线图

图1中:QA为断路器;KM、KY、KD均为接触器;KR为热继电器;1TA、2TA均为电流互感器;A表示电流表;BP为带短路线圈的频敏变阻器(BP4G系列)。控制回路如图2所示。

图2 热剪电动机控制回路原理图

图2中:QA、QL均表示断路器;KM、KY、KD均为接触器;KR为热继电器;K1、K2均表示中间继电器;KT为时间继电器;W1、R2、C3为指示灯;X1为端子排。

合上断路器QA后，中间继电器K1瞬时吸合，合闸指示灯W1亮。PLC运行指令到达后，接触器KM线圈得电，触点吸合，运行指示灯C3亮，接触器KY和时间继电器KT线圈得电，KY触点瞬时吸合，频敏变阻器星形连接，串入电动机转子绕组，热剪电动机开始启动。随着电动机转子转速平稳上升，三相星形连接的频敏变阻器阻抗自动下降，当转速上升到额定转速后，时间继电器KT触点吸合，接触器KD线圈得电，其常闭触点断开，接触器KY线圈失电，触点断开，同时KD常开触点闭合，三相频敏变阻器改为三角形连接，电动机启动过程结束，进入转差调节运行阶段。当启动和运行过程中发生故障时，故障指示灯R2亮。

如上所述，只需通过接触器的开闭来改变电动机主回路的接线，启动用频敏变阻器就能兼作转差率调节变阻器使用，获得无接点的转差率调节用频敏变阻器，使启动和调节系统大为简化，维护和检修工作量减少。

4.3 实际运行情况分析

长期生产实践表明:该钢厂棒材生产线自投入运行以来，热剪电动机的启动和运行情况均良好。现场监控仪表的长期监测数据表明:带短路线圈的频敏变阻器在热剪电动机启动和运行过程中作用显著，电动机启动电流较小，启动时间较短，启动声音正常，启动平稳;转差率调节运行时，热剪电动机工作正常，功率因数较高，满足电网的要求，对生产和降低电耗都起到了一定的作用，适用于目前的生产状况。

5 结束语

转子串频敏变阻器是绕线式异步电动机常用的启动器件，带短路线圈的频敏变阻器作为转差率调节器又具有无可比拟的优点。通过电动机主接线的简单变化实现启动用频敏变阻器兼做转差率调节器使用，节省了投资、简化了线路、运行安全可靠，满足了实际生产要求。

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