高志明①② GAO Zhi-ming；王炳龙①② WANG Bing-long；高圣溥③ GAO Sheng-pu
（①洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，洛阳 471039；
②矿山重型装备国家重点试验室（中信重工机械股份有限公司），洛阳 471039；
③合肥工业大学信息工程系，宣城 242000）
摘要： 介绍了球磨机的基本运行工况，分析了绕线式异步电机的机械特性，通过发挥电液变阻器的功能，改善电动机大电流启动对设备造成的冲击，并利用变阻器阻值的稳定变化特性，提高电动机的转矩性能，满足球磨机启动的平滑稳定。
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关键词 ： 绕线式异步电动机；球磨机；电液变阻器；启动转矩
中图分类号：U264.1+3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0109-03
作者简介：高志明（1976-），男，河南洛阳人，硕士，工程师，研究方向为机械自动化及矿用球磨机研发设计。
0 引言
球磨机在使用过程中经常会遇到带负荷启动困难的情况，并因此增加电机的容量，相应地增加了供电系统的负荷容量。通常绕线式异步电动机在起动时遇到带负荷启动困难的情况都会在转子回路中串联电阻或频敏变阻器，但如此一来导致很多弊端的出现，比如随着电阻或频敏变阻器的增多，占用的建筑面积会越来越多。此时若采用在转子回路中串液态电阻软起动的方法，上述弊端就可以迎刃而解了，不仅可以确保设备的正常运行，还能够最大程度保护电网，同时由于使用电液变阻器不会影响电机的功率，所以采用电液变阻器具有很好的节能效果，且启动性能良好。
1 系统工作原理
1.1 负载的基本状况
球磨机的功率主要消耗于回转筒体内研磨体和物料的运动。在研究磨机的启动、运转情况时，要分析筒体内物料的运动规律。
通过图1可以观察到研磨体和物料贴附筒壁上升至一定高度，然后又抛落下来，上升的路线和下降的路线连起来就形成了一个封闭的曲线运动轨迹。
决定磨机的启动过程所需力矩的因素主要有两方面：一是磨机传动系统的摩擦力矩（机械损耗）；二是研磨体和物料总重心的偏移对轴所产生的有效力矩。其力矩的基本方程式是：
（1）
其中：M电机表示电机的输出力矩；M摩擦表示传动系统的摩擦力矩；M重力表示筒体内载荷产生重力力矩；J表示惯性力矩；
表示角速度。
在实际运行中，由于磨机的启动过程是非稳定运转过程，因此它的启动过程会出现一定的变化。根据中信重工球磨机现场运行数据的相关计算，得到磨机启动过程中转矩与转速的特性曲线，如图2所示。
通过图2这个曲线，可以看出以下几个重要的特点：
①磨机启动初瞬的力矩全部取决于传动系统的摩擦力矩，其值均在额定力矩之下。
②磨机由静止加速到大约25%额定转速时，要经历一个最小力矩。
③最大力矩产生在大约37%额定转速的时候。
磨机力矩随转速变化剧烈具有一定的冲击性质。
1.2 异步电动机的工作原理
绕线型三相异步电动机转子回路串入电阻，从图3等效电路中可看到。
转子回路串入附加电阻，会导致启动转矩增大，此时适当控制电阻值的下降率，可以实现在起动的全过程中保持恒定的大起动转矩。启动过程中转矩的变化情况见图4。
由图4可见，随着转子回路串入电阻数量的改变，电机的转差率及机械特性也会随之改变，具体的改变是电阻和启动力矩成正比，而机械特性随着电阻的由大到小变化越来越硬。增大转子电阻可使临界转差率增大，而最大转矩几乎不变。参考电机学发现，要想得到不同的临界转差率，通过改变串接电阻接可以实现，所以只要变化外加电阻，就可以得到自己想要的电流或者力矩，实现提高启动转矩的目的。但是需要注意的是如果电阻太大，也无法达到提高启动转矩的目的，必须保证电阻数量适中。必要时可以限制转子电流，转子功率因数也得到改善，转差率及临界转差率的变化影响启动转矩，因此在启动转矩时应充分考虑电动机拖动的设备负荷大小，依照相关规范标准选择科学合理的转矩。
部分电机安装了电刷提起装置，如此可有效减少绕线型三相异步电动机运行时电刷与集电环间的摩擦损耗。
1.3 电液变阻器的基本原理和计算方法
电液变阻器的三相电阻由相互绝缘的3个绝缘箱体构成，每个箱体内部分别盛有电阻液以及一组相对立的导电极板，一动一定。图5中M1为被控电机，M2为控制电机，R为电液变阻器。使用时将电液变阻器串接于被控电机的转子回路中，动、定极板的间距由控制电机M2来控制。起动开始时，动定极板距离最大，液阻值也最大，随着电机转速的均匀上升，动定极板距离逐渐接近，相应地液阻值也变小，整个起动过程在较小起动电流下均匀升速，无级切除，实现软起动，并能获得较大的起动转矩。当电机达到额定转速时，动定极板的电阻接近为零，实际上一般厂家都要求动定极板间距离保持2～4mm，避免两个极板相互碰撞损坏传动机构，此时起动过程完成，液阻回路被短接，被控电机进入运行状态。由于起动完成切除外接电阻时无冲击，故避免了对电网和设备的冲击。
一般来说启动阻值的范围在0.6～1.5Ω内，启动电流控制在电动机额定电流的70%～120%内，起动液阻的配制可按公式（2）进行估算[2]：
液体电阻最大值
电解液配置通常采用碳酸钠水溶液，先将碳酸钠粉溶解到85℃左右的热水中，配置成浓溶液，再根据电机负荷大小和各种电机参数的差异，将浓溶液倒入清水中配置成浓度为0.7%～1.2%范围内的碳酸钠水溶液。将该溶液均匀的注入到三箱槽内，用极板上下运动，使溶液混合均匀。
1.4 技术特点
①电液变阻器的电阻值可塑性好，通过改变水中导电解质的浓度就可以改变它的电导率；
②在整个起动过程中，因电阻器为纯阻性，因此，无谐波污染电网；
③装置日常维护工作量少，操作简单，安全可靠，使用寿命长；
④电液变阻均匀，起动电流平稳且较小，降低了起动对电机的冲击，电机温升显著降低；
⑤投入成本低。
2 现场运用的基本情况
液态变阻器运用重要的是电极间距及行程时间的确定，这个距离决定了电机启动是否能稳定平滑、无冲击电流、满足电机的启动转矩及机械特性的要求，而行程时间太短容易出现过流、速断等问题，时间太长则会导致液体发热沸腾。
中信重工AngloAmerican项目球磨机的起动采用了电液变阻起动装置，启动的整个分析过程如图6所示。该球磨机的主电动机型号为：YRKK1800—8，P。=1800kW，U。=4kV，I。=306.9A，N。=895r/m，k=M。/M。=2.5。
对其应用的电阻值在不同的启动时间条件下进行了计算，充分考虑负载的状况和电机的特性，以及液态变阻器的特点，设定启动时间为40s，从而保证了球磨机的顺利启动运行[3]。
3 结语
在球磨机上使用液体变阻软起动装置，可在现场随时调整启动阻值，能够达到调节电机端电压及母线电压的目的[4]。同时能够充分利用绕线式异步电机的特性，做到起动电流小、起动转矩大，减少了转矩脉动，起动平稳，对电网的冲击小，减小了对电动机及其所带设备的电气和机械冲击，改善了电动机从起动到运行过程的功率因数，有明显的节电效果。该装置简单可靠、自动化程度高，可广泛应用于各类工矿企业中。
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参考文献：
[1]李发海，朱东起.电机学[M].北京：科学出版社，2001：379-380.
[2]卢长旗，张玉贞，刘奋.绕线式异步电动机液体电阻起动器的使用经验[J].水泥，2000（6）：26-29.
[3]ELETELE Installation Operation and Maintenance Manual[Z].2010.
[4]邵少奇.高压电机启动方式的特性比较和分析[J].深冷技术，2008（S1）：42-46.