某闸门启闭机串电阻启动平均电流校验及探讨

钟国梁，占华，戴睿，方国参，卢帆兴，李明辉

（1.江西理工大学应用科学学院，江西赣州341000；2.上饶中材机械有限公司，江西上饶334000；3.上犹县陡水镇上犹江水电厂，江西上犹341212）

某闸门启闭机串电阻启动平均电流校验及探讨

钟国梁1，占华2，戴睿1，方国参3，卢帆兴1，李明辉1

（1.江西理工大学应用科学学院，江西赣州341000；2.上饶中材机械有限公司，江西上饶334000；3.上犹县陡水镇上犹江水电厂，江西上犹341212）

电动机启动设计问题因涉及面广、专业性强而成为电气专业人员常研究的课题。结合具体工程实践，参照国家标准及相关设计手册，利用科学计算软件，对某闸门启闭机电动机启动设计进行分析，侧重点在于电动机启动平均电流的计算及电动机选型。探讨了绕线转子异步电动机启动平均电流工程计算方法，分析计算了启动平均电流及启动时间与转子所串电阻的关系，所得结论与实际运行数据相符。

闸门启闭机；串电阻启动；启动平均电流；启动时间；冶金起重电动机

1 引言

绕线转子异步电动机串电阻启动是电动机重载启动设计常见的方式，相关教科书及设计手册对这个问题也常有涉及，因技术条件的限制侧重点在启动转矩的校验，对电动机能否直接启动及对配电网的影响往往只能依据经验公式校验［1］。随着电机拖动技术在各行业的广泛应用及电动机容量的加大，限制电动机启动电流，减少启动电流对电网的冲击成为工程设计中不得不考虑的问题。

我国国家标准《通用用电设备配电设计规范 GB 50055—2011》中第2.2.4（1）条有这样的规定“启动电流平均值不宜超过电动机额定电流的2倍或制造厂的规定值”［2］。很明显为保证配电网及电动机自身的使用安全，国家标准采用了“启动平均电流”这一概念并且将其作为电机启动设计的一个指标进行量化。那么在工程设计中如何计算启动平均电流，以及如何应用这一国家标准条款指导绕线转子电动机串电阻重载启动设计，这是本论文所要研究和探讨的问题。

2 启动平均电流及时间的计算

绕线转子电动机Τ型等值电路相对复杂，在工程设计及研究分析中，通常采用简化等值电路及实用机械特性表达式［3］。电动机重载启动设计除启动电流要符合国家标准外，启动时间通常要满足设计要求（频繁启动的场合启动时间过长生产效率低）。下面就绕线转子电动机串电阻启动的“启动平均电流”及“启动时间”的计算问题进行分析，为使论述简单采用串电阻一级启动。

2.1 启动简化等值电路及平均电流求法

电机启动简化等值电路如图1所示，s为电动机的转差率，该值在启动过程中不断发生变化。作为工程设计先假设定子绕组相电压U1在启动过程中保持不变（实际往往是变化且低于额定值的）。

图1 电动机启动等值电路图Fig.1 Diagram of starting motor equivalent circuit

依据等值电路图可求得启动电流的表达式为

由于s在启动过程中是不断变化的，启动平均电流的表达式为

由式（2）可知只要知道转差率s的上下限，借助Matlab软件求被积函数的定积分［4］，可算出平均启动电流。

2.2 串电阻启动转差率s上下限的求法

求s上下限如图2所示。电动机串电阻启动机械特性为曲线A，电动机固有机械特性为曲线B，绕线转子电动机串电阻启动最大电磁转矩Tm不变，改变的只是最大电磁转矩对应的转差率sm。通常为充分利用电机的启动能力，绕线转子电机串电阻一级启动将启动转矩设计为电机的最大电磁转矩Tm，此时对应的sm=1，由式（4）可得串电阻启动机械特性表达式。电机固有机械特性对应的sm值可由下式求取：

图2 串电阻启动机械特性图Fig.2 Diagram of series resistance starting mechanical properties

式中：λM为电机最大转矩倍数。

电机的机械特性实用表达式：

电动机串电阻启动时sm=1，如下式：

计算出转子侧折算到定子侧的总电阻值，带入式（1）可得启动电流I(s)的表达式。

对于恒转矩负载为加快启动过程，通常在1.2TL作为切换点，电机由串电阻启动跳到固有机械特性继续启动运行，通过联解电动机机械特性与负载机械特性方程可以求出切换点b及稳定运行点d。显然电机的启动平均电流由两部分组成：一部分为串电阻的启动平均电流其s上=1 s下=sb，依据式（2）计算的平均启动电流为；另一部分为固有机械特性的启动平均电流其s上=sb=sc，s下=sd，依据式（2）计算的平均启动电流为

2.3 带载启动时间的计算

依据电机拖动运动方程式：

可推导出启动时间的计算公式：

当s下=1，s上=sb，借助Matlab软件求被积函数的定积分，可求出从a点到b点的串电阻启动时间t1；当s下=sb=sc，s上=sd同样可借助Matlab软件求被积函数的定积分，求出从c点到d点的固有机械特性启动时间t2（理论计算t2值是无穷大的，实际可采用e点作为固有机械特性曲线启动终止点，解方程可得se=0.05）。

3 工程设计应用举例及分析

某闸门启闭机启闭速度设计为0.9m/s，启动时间要求不超过5 s，经分析选用电机型号YZR250M1-8，电机参数查阅《钢铁电力企业设计手册》在工作制为S3负载率为40%的基准下为：PN=30kW，r1=0.15Ω，x1=0.24Ω，r′2=0.13Ω，，n1=750r/min，nN=720r/min，IN= 67.4 A，TN=398N·m，λM=2.6，=1.79，折算到电动机转子上的负载转矩TL=415N·m，系统总的飞轮矩为GD2=989N·m2，设计并校验该电动机串电阻启动。

按前面介绍的设计思路，利用式（3）～式（4）可求得sb=sc=0.26，sd=0.04。依据式（5）可求得，所串电阻折算值0.5Ω。

定子相电压U1=220 V，依据所求得的切换点的转差率及电阻值可求得两段平均电流分别为

依据式（7）可推导出从a点到b点，及从c点到e点的启动时间分别为

为便于分析，掌握启动平均电流及启动时间的变化规律，在切换负载线1.2TL及飞轮矩GD2不变的情况下，通过改变串电阻的阻值来改变sm的值，从而改变电动机的启动机械特性曲线，分析计算数据见表1，可以得出以下结论。

1）一级串电阻启动情况下，sm=1所串电阻的阻值使得2个启动平均电流较为接近，启动时间也较为理想。当电阻偏小时会增加，启动时间减少不明显；当电阻偏大时，会增加，启动时间增加。

3）转子电阻的阻值折算到定子侧的阻值变化0.13Ω左右，启动电流平均值就呈现了较大的变化，转子实际阻值还要除以1.79（变比的平方ke2）。所以，转子串电阻启动设计要求转子电阻阻值计算准确性高、转子电阻材料热稳定性好，启动电阻器自身成本也较高。

表1 调整串电阻的阻值启动平均电流及启动时间分析表Tab.1 Adjustment series resistance change on the average starting current and starting time analysis table

4 结论

本设计总结如下。

1）注意应用场合，闸门启闭机为电动机不频繁启动的重载启动应用场合，如果是频繁启动的应用场合建议参阅相关的设计手册。本论文的设计案例如果参考《钢铁企业电力设计手册》至少需采用两级串电阻启动［6］，而本设计一级串电阻启动设计就可符合要求，且设计更加紧凑、合理，运行更加可靠。

2）注意电动机的选型，本设计采用的是冶金起重特种电机，过载及绕组绝缘耐热能力强，和普通绕线异步电动机性能参数不同。

3）本设计是在假设电动机启动电压不变的情况下分析验算的，实际电压会有波动，要注意电动机供配电源及设备的选型使启动电压波动控制在工程允许的范围内。

电动机的启动问题是个复杂的问题，涉及到配电网、电机选型、启动装置、设计要求及应用场合多方面问题的交叉融合。通过本论文的研究可以发现，国家标准《通用用电设备配电设计规范 GB 50055—2011》提出了绕线转子电动机启动平均电流限制的串电阻启动的设计要求，但在电机试验的国家标准里还没有电机能承受多大启动平均电流的试验［7］，这在一定程度上会给电机选型及启动设计造成困难。由于技术在不断的进步，具体问题需具体分析，设计经验及相关结论仅供同行参考。

［1］天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册［M］.第3版.北京：机械工业出版社，2011.

［2］GB 50055—2011.通用用电设备配电设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2002.

［3］林瑞光.电机与拖动基础［M］.第3版.杭州：浙江大学出版社，2002.

［4］冯卫兵.数学实验［M］.西安：西北工业大学出版社，2010.

［5］GB/T 21975—2008.起重及冶金用三相异步电动机可靠性试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2009.

［6］钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册［M］.北京：冶金工业出版社，1996.

［7］GB/T 1032—2012.三相异步电动机试验方法［S］.北京：中国标准出版社，2012.

Gate Hoist Series Resistance Starting of Average Current Check and Discussion

ZHONG Guo-liang1，ZHAN Hua2，DAI Rui1，FANG Guo-can3，LU Fan-xing1，LI Ming-hui1
（1.Applied Science Institute，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China；2.Shangrao Sinoma Machinery Co.，Ltd.，Shangrao 334000，Jiangxi，China；3.Shangyou County Town of Steep Water Shangyoujiang Hydropower Plant，Shangyou 341212，Jiangxi，China）

Motor starting design problems due to the wide range，strong professional often become electrical professionals research topic.Combining with specific engineering practice，referencing to national standards and related design manual，using scientific computing software，a gate hoist starting design analysis was offered，focus lies in the motor starting average current calculation and motor selection.discussed the wound rotor asynchronous motor starting average current engineering calculation method，analysed the starting average current and starting time series with rotor resistance，the conclusion is consistent with the actual operation data.Because technology continues to progress，and the specific problems need concrete analysis，the design experience and related conclusion is only for the colleague reference.

gate hoist；series resistance starting；starting average current；start time；metallurgy lifting motor

TM11

A

2013-11-20

修改稿日期：2014-11-05

江西理工大学质量工程核心课程“电机与拖动基础”项目（XZG-11-03-50）；江西理工大学应用科学学院科研基金项目（YKL-14-03-3）

钟国梁（1976-），男，硕士研究生，讲师，Email：zhongguoliang@sohu.com