自控电机起动方式原理分析

自控电机起动方式原理分析

从异步电动机起动装置产生的原因和存在的问题出发，介绍无刷自控电机软起动器的原理和结构特点，说明无刷自控电机软起动器的优势和代替其它电机起动装置的必然性.。

关键词：软起动器起动电流起动转矩无刷自控电机鼠笼电机绕线电机

一、问题的提出

1.1社会的发展

随着生产设备的大型化，工业领域的球磨机、破碎机、风机、水泵、打浆机等设备中的电动机容量越来越大。交流电动机以结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜等特点，得到了广泛的应用。但是,

1、起动电流是额定电流的5-7倍，对供电设备、电机及所拖动的机械设备的造成极大的损害。

2、起动时因过大的起动电流产生过大的电压降，严重威胁着邻近用电设备的安全运行。

3、起动转矩只有电机额定转矩的0.4-1.2倍(电机容量越大,起动转矩倍率越小),对起动转矩比较大的负载（如球磨机、抽油机等）为了能正常起动电机,必须增加电机容量，造成电机大马接小车。

1.2传统起动设备存在的问题

传统的鼠笼式异步电动机起动设备（Y-△、串电阻、串电抗器、自耦变压器等），属有级降压起动，起动控制过程靠时间继电器等间接控制。起动特性不理想、起动过程变换时产生较大的冲击电流、起动控制

设备复杂、成本高。同时，起动转矩与起动电流的平方成正比，当电流降低50%时，起动转矩降低75% 绕线式异步电机串电阻多级起动，能极大地增加电机起动转矩、减少起动电流，但复杂的起动控制装置，且起动过程中需频繁切换起动电阻，造成多次冲击电流。绕线式异步电机串频敏变阻器起动，频敏变阻器仍属电抗器,起动电流仍达到电机额定电流的3-4倍，启动转矩不足额定转矩的1.5倍,电压稍低时，起动困难。同时，绕线式异步电机滑环、碳刷是造成电机运行维护工作量大、故障率高的根本原因。

1.3现代的软起动设备不能满足用户的需要

高压鼠笼式异步电动机液态电阻（热变电阻）、磁控电抗器、固态（晶闸管）软起动设备，能实现恒电流软起动电机（因电机起动电流与时间的关系是非线性，仅靠时间根本无法实现恒电流软起动）。但装置串联在电机的定子回路，要承受高电压。这使得起动装置体积较大、价格高、运行维护工作量大。同时，它仍受起动转矩与起动电流的平方成正比，当电流降低50%时，起动转矩降低75%的影响，起动电流必须大于电机额定电流3倍以上，才能起动轻载电机（对重载电机如球磨机，该起动方式无效）。绕线式异步电机液态电阻软起动设备，靠伺服电机改变水电阻极板距离。距离改变的速度需预先设置，无法自动跟踪实际负载的变化。同时它的结构复杂、体积大、价格高，无法克服滑环、碳刷造成的不良影响。

变频器起动电机，虽具有良好的静、动态起动特性（能以1.5倍额定电流、额定转矩起动电机），起动电流倍数可以在一定的范围内随意调节、

实现了恒电流、恒转矩起动电机的目的。但价格昂贵（高压电机每KW 达到1000元、低压电机每KW近500元）、结构复杂、运行维护难度大，如用它起动电机，目前时机显然不成熟。

二、无刷自控电机软起动器工作原理及结构特点

2．1无刷自控电机软起动器简介

无刷自控电机软起动器是将起动电阻直接安装在电动机的转轴上，利用电机旋转时产生的离心力作为动力，控制电阻的大小，达到减少电机起动电流、增加起动转矩，使绕线式异步电动机实现无刷自控运行的装置。它在交流电动机上安装使用方法如图1所示

2．2无刷自控电机软起动器工作原理

无刷自控电机软起动器控制原理如图2所示，它与绕线式交流异步电动机转子串入电阻相当，即：

人们将S = r1/x1+x2时的转差率定义为临界转差率Slj，Slj一般在0.06—0.16之间，此时，电机的转矩为最大转矩，电机电流为启动时电流的0.717倍即5倍额定电流；随着电机转速的升高，S减少，电机电流和转矩均降低。当S=Se时（0.02

公式简化为：

起动转矩：Mst=K1U12S/（rst+r2）其中：K1=m1/Ω

起动电流：Ist= U1S/（rst+r2）

上式说明：只要保证电机起动电流恒定，就能保证电机起动转矩恒定；只有使起动电阻rs随S按一定的函数关系变化，才能保证起动电流的基本恒定。

2．3无刷自控电机软起动器结构特点

为保证水电阻能在电机转子上长期免维护运行，无刷自控电机软起动器在整体设计上应用了以下技术：

a）选用具有下述特性的电解液为水电阻：A、对金属（铜和钢）具有防锈作用；B、通过大电流后，不发生电解液变质、极板腐蚀、产生气体的化学反应；C、电解液的冰点为-20℃，沸点为120℃，以满足不同环境下安全工作

热变电阻软起动原理

前言

最近，某公司通过媒体以新闻和广告的形式，对热变电阻软起动作了大量的宣传。宣称：‘此类软起动可以完全替代进口变频软起动，并且价格优势特别大’。

作为一名多年从事软起动技术工作的知识分子，我认为有必要比较客观地从技术角度上给热变电阻软起动一个准确的定位，因而撰写本文。

一、热变电阻软起动原理：

热变电阻软起动中的电阻是液态电阻，是由水和电解质配制的，导电机理是离子导电。离子导电的电导率随温度增加而上升，其温度灵敏度因电解质元素和浓度而异。

电动机软起动时，需要随着电动机转速的增加而平滑减小串在电动机定子回路的阻抗。可以实现这种平滑减小的方法很多，例如，通过电极移动、通过晶闸管的导通角变化，通过改变饱和电抗器的饱和度等。热变电阻软起动装置利用了液阻阻值的温度热变性：既然液阻的发热（温升）是不可避免的，那么就利用它，‘以毒攻毒’，使液阻电阻值随温升而平滑减小，达到软起动的目的。

热变电阻软起动装置的限流电力器件是装有固定电极的液阻箱（每相一个，共三个）。每箱的一对电极之间的距离比较近，电极之间的空间（以下简称极空间）在整个液箱容积中所占的比例不大。液箱内的所有离子均参与决定液箱电阻阻值，但是，极空间的离子对于液阻箱阻值起决定作用。所谓‘热变’主要是指极空间内离子导电率的热变。它是由极空间的温升决定的。在软起动过程中，极空间液体温度因发热而上升，又因对流等热交换而下降。加热和对流是决定极空间温度的一对矛盾。及至软起动结束，电极失电，加热停止。停止后，在对流作用下，液箱内的温度逐渐趋于平衡。所谓‘液箱电解液一次软起动温升’，是指停止后的新热平衡温度对于软起动前热平衡温度增量。

因此，极空间温升和一次起动温升是二个概念。前者大于后者。这个‘大于’当然是有利的，它使热变电阻软起动装置一方面可以利用‘前者’ 实现热变软起动；另一方面，又可以利用‘后者’使装置能够具有一定的‘连续起动数次’ （例如3次）。

现在，进而就某公司对热变电阻软起动原理的陈述作以下评论。

根据该公司的《技术报告》（2000年），极空间温度‘在常温到之间电

阻率呈近似反比关系……，这一发现……提供了宝贵的技术依据’。对于软起动而言，软起动从开始到完成，极空间电解液阻值可以表示为一条时间曲线，在不同的环境温度下软起动，其时间曲线自然亦不相同。热变电阻软起动装置允许的环境温度是，人们有理由担心，在和软起动是否均能成功。退一步说，即便均能成功，在这两种情况下，极空间电解液阻值时间曲线肯定是很不相同的。因此，软起动所能达到的指标亦是大不相同的。

《技术报告》指出，‘液体在时，其表面就有大量的蒸汽散发’。所以，热变电阻软起动装置应该对蒸汽散发以及大量散发乃至防爆有所防范，例如，采取‘缓冲室’，‘液面封油’等措施。

二、热变电阻软起动装置的几个内在特点：

以下的内在特点是由‘原理’决定的，‘与生俱来’的。

1. 电极无需动，因而减免了移动电极的伺服机构，减免了伺服机构可能带来的不安全。但是，需要采取防范蒸汽散发的措施。

2. 无法进行实时控制，更谈不上‘闭环控制’。

3. 根据一次软起动的质量对装置进行下次再调整的余地不大。

可能的调整仅仅是：极间距离，电解质浓度，液面高度。但调整裕度相当有限。

4. 具有一切液态软起动装置的共性，如发热量大、体积大，不能作到免维护，不产生高次谐波等。

5. 对环境尤其是温度变化的耐受能力较差。难于保证不同环境温度下软起动性能的一致性。

6. 软起动功能单一，使适用范围受到一定的限制：不能实现软停止，不能实现带电流突跳的软起动。

三、热变电阻软起动不具有易控性的实例：

液态软起动装置设计者总是希望在整个过程中液阻是不断下降的。事实上能否真的做成这样呢？

国家配电设备质量检验中心2000.6.6对该公司热变电阻软起动装置作了检验，得到了软起动过程中热变电阻上的电压时间曲线和电流时间曲线（附后）。由此可见，热变电阻阻值是先降后升的。由于热变电阻软起动装置实际上并不能保持电动机定子电流恒定，在软起动后期电流下降，由于发热量的减少和对流作用的增强，出现了人们不愿意看见的热变电阻阻值回升。对于这种回升，装置是束手无策的。此例表明，热变电阻软起动的易控性是很差的。差的根源仍然在于‘无法进行实时控制’。

四、关于热变电阻软起动的风险问题

热变软起动极空间电解液温度是发热和对流这对矛盾相互作用的结果。对它虽然‘无法进行实时控制’，但是，可以通过液箱容积选择，电极设计等方法，使在软起动过程中的极空间电解液温度时间曲线和与之相应的电流曲线满足软起动的要求。

如果设计者对于软起动系统（电动机，负载，电网）的数学模型和热变液箱内热力学的数学模型把握得比较精准，软起动一次成功是可以指望的。

但是，如果对以上这些数学模型把握得不是那么精准，或者数学模型有

了变异，就会遇到风险。

风险之一：极空间温度超过了‘沸点’，这时，将有大量的水蒸气产生，突破液面封油，冲到缓冲室，带来诸多麻烦。造成超过沸点的原因可能是环境温度过高，可能是对飞轮惯量估计不足，可能是对于负载的阻转矩估计太小等等。

风险之二：软起动超时，肇致软起动失败。极空间温度达不到设计要求将是软起动超时的主要原因。

五、几个常识问题

1．什么叫‘变频软起动’？变频软起动是通过变频装置实现的软起动。它以频率从零开始逐渐增高的方法完成软起动。它也降压。但是，这个降压并没有降低电动机的电磁转矩。所以，‘变频软起动’的性能是任何形式的工频降压软起动无法与之匹敌的。

2．目前，现代固态软起动主导产品是晶闸管软起动装置。

3．软起动电流是一条时间曲线。所以，如果不提供曲线，则应该用‘最大起动电流’或‘起动电流变化范围’描述起动电流。

4．电网压降正比于电网短路阻抗。在不知道电网短路阻抗的条件下测得的电网压降是没有意义的。

六、究竟那种液阻装置（热变或动电极）更适合于高压、大容量电动机的软起动

人们看好高压、大容量电动机的软起动市场。

1．变液阻软起动装置和动电极热变液阻软起动装置的区别：

热变液阻软起动装置不需要改变电极板之间的距离因而使装置得到了

简化。

热变液阻软起动装置失去了电极板运动的功能，也就失去了通过改变电极板之间的距离改变液阻的手段，失去了易控性，带来了更大的软起动风险。

据悉，动电极液阻软起动装置已经有了软起动6800千瓦交流电动机的工业运行实例。

2．液阻软起动装置向更大容量电动机软起动前进。

如果它的电极移动已经成为制约的主要因素了，那么，以上的‘得’就是主要的，具有决定意义的。反之，如果并非如此，那么，以上的‘得’就是得不偿失的了。

3．顺便说一下，一种以移动绝缘隔板为主要特征的专利（专利名称为：电动机液态软起动液阻箱）

如果能做成液阻软起动产品，在高压、大容量电动机的软起动领域将比以上两类液阻软起动装置具有更强的生命力。

七、究竟那种降压软起动更适合于高压、大容量电动机？

这里，要比较的是液阻软起动、晶闸管软起动和磁控软起动。关于磁控软起动技术的特点，请参看发表在chinakong网上的文章，题目是‘作为降压软起动形式之一的磁控软起动’。

这篇文章预言：磁控软起动装置将成为这一领域内的主导产品。

结论

一、热变电阻软起动装置是以热变电阻为限流电力器件的液态降压软起动装置。它的‘一次起动成功’说明它在一定程度上完成软起动任务的可

能性。但是，它的可用性、可推广性还要经受时间的考验。

二、动机软起动是电气工程中的一个学科。有关的专家、学者应该在电动机软起动学科知识的普及上多下一点功夫，使人们多一点科学常识，少一点盲目性。

作为一名多年从事软起动技术工作的知识分子，我认为有必要比较客观地从技术角度上给热变电阻软起动一个准确的定位，因而撰写本文。一、热变电阻软起动原理：热变电阻软起动中的电阻是液态电阻，是由水和电解质配制的，导电机理是离子导电。离子导电的电导率随温度增加而上升，其温度灵敏度因电解质元素和浓度而异。电动机软起动时，需要随着电动机转速的增加而平滑减小串在电动机定子回路的阻抗。可以实现这种平滑减小的方法很多，例如，通过电极移动、通过晶闸管的导通角变化，通过改变饱和电抗器的饱和度等。热变电阻软起动装置利用了液阻阻值的温度热变性：既然液阻的发热（温升）是不可避免的，那么就利用它，‘以毒攻毒’，使液阻电阻值随温升而平滑减小，达到软起动的目的。热变电阻软起动装置的限流电力器件是装有固定电极的液阻箱（每相一个，共三个）。每箱的一对电极之间的距离比较近，电极之间的空间（以下简称极空间）在整个液箱容积中所占的比例不大。液箱内的所有离子均参与决定液箱电阻阻值，但是，极空间的离子对于液阻箱阻值起决定作用。所谓‘热变’主要是指极空间内离子导电率的热变。它是由极空间的温升决定的。在软起动过程中，极空间液体温度因发热而上升，又因对流等热交换而下降。加热和对流是决定极空

间温度的一对矛盾。及至软起动结束，电极失电，加热停止。停止后，在对流作用下，液箱内的温度逐渐趋于平衡。所谓‘液箱电解液一次软起动温升’，是指停止后的新热平衡温度对于软起动前热平衡温度增量。因此，极空间温升和一次起动温升是二个概念。前者大于后者。这个‘大于’当然是有利的，它使热变电阻软起动装置一方面可以利用‘前者’实现热变软起动；另一方面，又可以利用‘后者’使装置能够具有一定的‘连续起动数次’（例如3次）。现在，进而就某公司对热变电阻软起动原理的陈述作以下评论。根据该公司的《技术报告》（2000年），极空间温度‘在常温到之间电阻率呈近似反比关系……，这一发现……提供了宝贵的技术依据’。对于软起动而言，软起动从开始到完成，极空间电解液阻值可以表示为一条时间曲线，在不同的环境温度下软起动，其时间曲线自然亦不相同。热变电阻软起动装置允许的环境温度是，人们有理由担心，在和软起动是否均能成功。退一步说，即便均能成功，在这两种情况下，极空间电解液阻值时间曲线肯定是很不相同的。因此，软起动所能达到的指标亦是大不相同的。《技术报告》指出，‘液体在时，其表面就有大量的蒸汽散发’。所以，热变电阻软起动装置应该对蒸汽散发以及大量散发乃至防爆有所防范，例如，采取‘缓冲室’，‘液面封油’等措施。二、热变电阻软起动装置的几个内在特点：以下的内在特点是由‘原理’决定的，‘与生俱来’的。 1、电极无需动，因而减免了移动电极的伺服机构，减免了伺服机构可能带来的不安全。但是，需要采取防范蒸汽散发的措施。 2、无法进行实时控制，更谈不上‘闭环控制’。 3、根据一次软起动的质量对装置进行下次再调整的余地不大。

可能的调整仅仅是：极间距离，电解质浓度，液面高度。但调整裕度相当有限。 4、具有一切液态软起动装置的共性，如发热量大、体积大，不能作到免维护，不产生高次谐波等等。 5、对环境尤其是温度变化的耐受能力较差。难于保证不同环境温度下软起动性能的一致性。 6、软起动功能单一，使适用范围受到一定的限制：不能实现软停止，不能实现带电流突跳的软起动。三、热变电阻软起动不具有易控性的实例：液态软起动装置设计者总是希望在整个过程中液阻是不断下降的。事实上能否真的做成这样呢？国家配电设备质量检验中心2000.6.6对该公司热变电阻软起动装置作了检验，得到了软起动过程中热变电阻上的电压时间曲线和电流时间曲线（附后）。由此可见，热变电阻阻值是先降后升的。由于热变电阻软起动装置实际上并不能保持电动机定子电流恒定，在软起动后期电流下降，由于发热量的减少和对流作用的增强，出现了人们不愿意看见的热变电阻阻值回升。对于这种回升，装置是束手无策的。此例表明，热变电阻软起动的易控性是很差的。差的根源仍然在于‘无法进行实时控制’。四、关于热变电阻软起动的风险问题热变软起动极空间电解液温度是发热和对流这对矛盾相互作用的结果。对它虽然‘无法进行实时控制’，但是，可以通过液箱容积选择，电极设计等方法，使在软起动过程中的极空间电解液温度时间曲线和与之相应的电流曲线满足软起动的要求。如果设计者对于软起动系统（电动机，负载，电网）的数学模型和热变液箱内热力学的数学模型把握得比较精准，软起动一次成功是可以指望的。但是，如果对以上这些数学模型把握得不是那么精准，或者数学模型有了变异，就会遇到

风险。风险之一：极空间温度超过了‘沸点’，这时，将有大量的水蒸气产生，突破液面封油，冲到缓冲室，带来诸多麻烦。造成超过沸点的原因可能是环境温度过高，可能是对飞轮惯量估计不足，可能是对于负载的阻转矩估计太小等等。风险之二：软起动超时，肇致软起动失败。极空间温度达不到设计要求将是软起动超时的主要原因。