随着水泥生产设备的大型化，拖动球磨机、风机等大型水泥生产设备的电动机的功率也越来越大。交流电动机以其结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜、转子惯量小等特点，得到了广泛的应用。但其起动电流高达电动机额定电流的5～10倍，对电动机及所拖动的设备造成电气和机械损伤，而且引起电网电压下降。传统的鼠笼型电动机降压起动，属有级起动，起动特性不理想，切除时造成的二次冲击电流无法解决，不能实现频繁起动。在绕线式电动机转子回路串电阻的起动方法，其最大缺点是分级切换，阻值呈跳跃性变化，起动不平稳，起动效果不理想。采用频敏变阻器作起动设备时，其起动电流仍较大(为3～4倍电动机额定电流)，电压稍低即难起动，同时频敏变阻器发热严重，易被烧毁，不能连续起动。起动电流不平滑，对电动机有一定冲击作用。   
　　

采用高压变频器起动高压电动机虽具有良好的静、动态起动性能，起动电流可限制在1.5倍电动机额定电流以下，起动转矩可达电动机额定转矩的1.5倍，并且在此范围内可随意调节，实现恒转矩起动，但价格昂贵。高压固态软起动器的每一相导电支路均由多个晶闸管(SCR)串联而成，每只晶闸管的失效均会威胁整个装置的正常运行。且设备的安装环境、操作维护要求都较高。虽可实现恒电流起动、线性电压斜坡起动等性能，但价格仍然较贵(为高—低—高方案的高压变频器的60%左右)。高压变频器与高压固态软起动器技术均较为复杂，维护难度大。  
　　

高压鼠笼型交流电动机液体电阻软起动装置价格约为高压固态软起动装置的1/6～1/8。但该装置由于是串联在电动机的定子绕组上，要承受高电压，高电压增加了电液箱内液面、温度等参数测量和显示的难度。同时，它还要求液体电阻有较高的阻值，而过分稀释电解液会导致电阻率温度稳定性的下降，只能通过加长导电通道路径，减小导电截面积的方法来实现高阻值，这使得软起动装置的体积增大。在起动过程中，当大电流通过电阻液时，会使电阻液温度上升，起动时能量消耗大。由于高压鼠笼型交流电动机液体电阻软起动装置与高压固态软起动器降压不降频，而转矩与电压的平方成正比，因此这两种起动器的起动转矩较小。尽管鼠笼式电动机比绕线式电动机结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，但以上问题的存在，大大限制了高压鼠笼式电动机的应用。  
　　

近年来，水泥厂球磨机、风机等大型水泥生产设备的电动机多采用绕线式电动机+液体变阻器+无功就地补偿(电容器或静止进相机)的起动方案，虽实现了无级起动，且起动电流小，起动转矩大，但仍不尽如人意。一是起动时虽比高压鼠笼型交流电动机液体电阻软起动装置能量消耗有所减少，但仍较大，浪费能源，需要经常测电阻和加水；二是由于存在可移动部件等传动机构，不仅体积较大，而且需要定期检修；三是受环境温度影响较大，起动电流控制不准确。随着技术的进步，在电力拖动领域涌现出3种高压大功率电动机的软起动新技术:高压热变电阻软起动装置、开关变压器式高压电动机软起动装置和高压磁控软起动装置，可望解决鼠笼式电动机难起动问题。   


2　高压热变电阻软起动装置  

　　  
2.1　工作原理  
　　

它是针对大中型高压鼠笼交流异步电动机或异步起动的高压同步电动机而研制的软起动装置。热变电阻实质上是一种特殊的液体材料、一种特殊的电解质的水溶液。它随着电阻体温度的逐步升高，电阻值逐步降低，呈现出明显的负温度电阻系数特性。  
　　

高压热变电阻器是由三相平衡的具有负温度特性的电阻组成。在高压大中型电动机的起动时，将该电阻器串入电动机的三相定子回路中，电动机定子电流流过热变电阻器致使电阻体发热，温度逐步升高，电阻逐步降低，电动机端电压逐步升高，起动转矩逐步增加，从而实现电动机在较小的起动电流下平稳平滑起动。电动机在起动过程中，其等效电抗值X是不变的，而电动机等效电阻r2′/s是随着转差率s的减少而增大。在电动机起动瞬间，s=1，而X和r2′都非常小，因此直接起动时电流很大(5～7倍电动机额定电流)。如图1所示，当在电动机定子回路串一热变电阻RQ时，电动机等效电阻r2′/s是随着转差率s的减少而增大，而热变电阻RQ则随着通电发热阻值逐步降低，回路总电阻在区间0.1<s≤1近似不变，从而有效地保证电动机的恒电流起动。起动电流小，为电动机额定电流的2.5～3.5倍，对电网影响很小，起动时电网压降在10%以内，起动平稳，对机械设备无冲击，相对地延长机械设备的使用寿命。电动机机械特性见图2。  


　　  
　1.电动机自然特性；2.串热变电阻后特性；3.离心风机水泵类负载转矩；4.阴影区为加速转矩  

　　

高压热变电阻软起动有以下特点:  
　　

1)恒加速度，起动平滑平稳。热变电阻具有较大的热容性特性，且加速转矩接近不变，从而使电动机起动过程无机械冲击且为近似恒加速起动。在电动机起动瞬间，因有较大的热变电阻的存在而使电动机起动转矩比“自然特性”时的转矩小，因此它只适用于水泥厂大型风机、空压机、水泵等静态阻力比较小的机械负载。  
　　

2)结构简单，维护方便，造价低廉。与液体变阻器相比，结构较为简单，没有传动机构，提高了可靠性，维护方便。与高压变频器、高压固态软起动器相比，价格低廉，只有同性能进口设备的1/8～1/10。  
　　

3)对电网和负载适应性好，不受电网电压波动和负载变动的影响。当因电网电压低和负载较重等原因造成电动机输出力矩相对不足时，电阻会进一步降低，从而逐步提高电动机端电压，使电动机出力增加，确保一次起动成功。  
　　

4)与电抗器、自耦变压器等降压起动方式相比，起动时的功率因数高。  
　　

5)与高压变频器、高压固态软起动器相比，无电磁污染。  


2.2　系统控制方案  
　　

针对所控制电动机的不同，热变阻起动器有4种控制方案(见图3)。其中，方案A和方案B较为复杂，高压热变电阻通过高压开关柜(起动控制柜)接入电动机起动回路。方案A的高压电携带点少、安全；保护方式可采用纵差，适用于2000kW以上，且中性点可打开的电动机。方案B复杂，且高压电携带点多；但电动机保护最方便，起动与运行可以分开考虑。方案C简单、投资少，适用于2000kW以下的电动机。但热变电阻长期带电，应考虑加强防护。方案D适用于“一拖多”方案。  


2.3　使用与维护  


2.3.1　使用  
　　

1)热变电阻器适用于不频繁起动场所，使用完毕后应完全从电力线路中脱开，防止长期带电。  
　　

2)环境温度:上限40℃(24h平均气温不超过35℃)，下限0℃；相对湿度不超过90%。  
　　

3)海拔高度不超过1000m。  
　　

4)安装地点应无剧烈振动及冲击、无导电尘埃及腐蚀性气体、没有火灾及爆炸危险的场所。  
　　

5)安装完后应作绝缘电阻检测和耐压试验。  
　　

6)电动机起动过程中的保护整定应能覆盖起动时间，推荐采用定时限过流保护。  
　　

7)热变电阻体顶部进出线端以高压电缆与外部联接。  


2.3.2　维护  
　　

1)每次起动之前应检查电阻器有无异常现象，如渗漏等等；  
　　

2)每次起动之前应检查绝缘子是否清洁，有无裂纹及爬电痕迹或其它异常情况；  
　　

3)定期检查对地绝缘电阻和对地耐压。  


2.4　应用实例  
　　

山西海鑫国际钢铁公司炼铁二厂1080m3高炉鼓风机，所配T13500-4同步电动机，额定功率为13500kW，额定电压为10kV，额定电流为888A，额定转速为1500r/min，堵转电流倍数为5.96，起动转矩倍数为2.35，折合到电动机转子轴机组转动惯量GD2为23100kg·m2，静阻力矩为2500N·m，空载力矩为22000N·m，10kV母线最小短路容量为240MVA。2002年5月23日，采用HTR3-15000型高压热变电阻起动器一次试机获得成功。起动电流为2206A，不到电动机额定电流的2.5倍，电动机起动时间为23.12s，引起10kV母线压降小于8%，电阻温升10℃。起动平稳，无冲击、无啸叫声。2000年3月5日，辽宁本溪北龙炼铁公司在Y900