氧化锌压敏电阻应用

氧化锌压敏电阻用于同步电动机的起动

李自淳 夏维珞 符仲恩 彭辉

（中科院等离子体物理所科聚公司 安徽 合肥 230031）

[摘 要] 本文提出了传统同步电动机用机械开关加线性电阻起动故障率高的问题，介绍了同步电动机用氧化锌压敏电阻起动的原始方案及试验，分析了压敏电阻用于起动的优缺点，推荐一种压敏电阻和线性电阻组合使用的无触点起动新方案，两者优势互补，珠联璧合，达到完美效果。

[关键词] 压敏电阻；同步电动机；起动

1 问题的提出

6/10kV 的高压同步电动机在冶金、矿山、电站、化工等工矿企业中得到广泛使用。其起动一般均采用“异步法”，即开机时转子先不给励磁，定子直接（或通过电抗器降压）并入电网。由于在转子上装有短路的“阻尼绕组”，类似异步电机的“鼠笼”，定子电流产生的旋转磁场会在其中产生强烈的涡流，从而产生起动转矩，其起动过程类似异步电动机。到起动升速到达亚同步转速时，再投入励磁，这时同步转矩起作用把转子拉入同步。在整个异步起动过程中，转子与定子电流产生的旋转磁场不同步，嵌放在转子槽内的励磁绕组切割磁力线，会在其中产生感应电势。由于励磁绕组串联匝数较多，总电势会很高（滑差过电压），如不采取措施，势必会击穿转子绝缘和电路元件。过去常用的办法是在起动时接入一个线性电阻R fd （见图1），用一个带常闭、常开联动触头的机械开

关（有称“M 开关”）切换[1]。起动时先不合M

开关，其常开触头开断把励磁电源U 断开，常

闭触头闭合把起动电阻R fd 并接于励磁绕组L

的两端。只要R fd 的阻值足够小，就能把起动

时的滑差过电压限制在安全允许的范围内。到

电动机升速到达亚同步转速时，控制电路操作

M 开关合闸，其常闭触头开断切除R fd ，同时常

开触头闭合投入励磁电源，电动机随即被拉入

同步运转。

此起动方式原理上没问题，但实际运行中M 开关频繁动作使触头烧损，机械结构复杂维护麻烦，故障率高影响安全生产运行。为此用户强烈要求取消M 开关，改用无触点方案解决同步电动机起动的问题。

2 早期无触点方案——压敏电阻起动

如用氧化锌压敏电阻（ZnO ）RV 代替线性电阻，

则可以取消M 开关（见图2），实现无触点起动的

方案。

ZnO 的伏安特性见图3。其两端电压在压敏电

压U 10mA 以下时呈截止态，阻值为M Ω级；电压高于U 10mA ，立即转入导通态，电阻值转为Ω级。正常运

行时，工作电压峰值U g ＜0.6U 10mA ，此时的漏电流

I g 仅为微安级，所以RV 可直接跨接于励磁绕组两

端而不需要M 开关的常闭触头。起动时RV 迅速导

通，把滑差过电压限制在残压U c （对应于起动电流

I c ）以下，一般U c ≈3U g 。正确选择RV 的参数可确

保转子绝缘和励磁回路元件的安全。 3 压敏电阻起动的工业试验

为了验证以上方案的实用效果，我们曾在安徽淮南化肥厂2#冰机的拖动电机——上海电机厂生产的TDK 215/24—20型630kW/6kV 同步电动机上做了工业试验[2]。试验电路同图1和图2。接入分压器测U f ，分流器测I f ，U f 和I f

分别接到

光线示波器上录波。

试验共做三次，第一次用图1方案线性电阻起动，录波图见图4；第二次用图2方案，压敏电阻起动不投励，录波图见图5；第三次同第二次，但起动最后加投励，录波图见图6。该三张录波图均是人工描绘，因原感光纸很长又不清楚，不好制版刊登，描绘能反映原图的基本面貌。

4 工业试验结果分析

4.1 起动过程的转子电流I f

从图4、图5、图6三张录波图上看出，除了起动的

最后阶段外，整个起动过程中转子电流I f基本为正弦波，

且幅值基本保持不变，其原理分析如下：

起动过程中转子回路等值电路如图7所示，虚线框

内为转子等值电路。

图中：E f—转子励磁绕组感应电势（滑差电势）；

x

σf

—励磁绕组漏电抗；

r

f

—励磁绕组电阻；

R

fd

—起动用线性电阻；

RV—起动用压敏电阻。

根据有关资料[3]介绍，上海电机厂生产的TDK—1800/48TH型1800kW同步电动机的x of=0.1406，r f=0.001686（均为标幺值），两者比值

x

of

/r f=0.1406/0.001686=83.4，可见x of r f。这个关系对一般同步电机都成立。

由电机学理论[1]：E f=4.44f2wΦk w，x of=2πf2L of。

式中：f2—转子感应电势的频率，随着转速升高而减小，从50Hz减至零；

w—励磁绕组串联总匝数，为定值；

φ—合成旋转磁场主磁通，因定子电压不变，故φ也基本不变；

k

w

—励磁绕组的绕组系数，为定值；

L σf —励磁绕组的漏电感，为定值。

设R fd 的阻值或RV 的等效静态电阻值为R （一般均为Ω量级），则转子电流

I f =E f /22)(R r x f f ++σ。当f 2＞5时，x 2

σf >>（r f +R ）2,故可忽略较小的电阻,简化

为I f =E f / x σf =4.44f 2w φk w /2πf 2L σf =2.22w φk w /πL σf 。由于消去了f 2,忽略了电阻，所以起动中I f 基本与转子频率（或转速）及起动电阻的阻值无关，直至升速到最后阶段，f 2＜5后，由于频率很低，E f 及x σf 都大大减小，电阻的作用突出起来，不可忽略，I f 才逐渐减小。

4.2 起动过程中压敏电阻RV 吸收的能量W RV

dt i u W f T f RV ⋅⋅=⎰0

式中：T —起动时间；

f u

—起动时RV 两端电压（即转子电压，瞬时值）； f i —起动时RV 的电流（即转子电流，瞬时值）；

由于RV 的伏安特性在导通区平坦，

f u 近似为恒值f U ,即RV 的平均残压。可把f u ≈f U 当作常数提到积分外面，

T I U T dt i T U dt i U W f f T f f T f f RV ⋅⋅=⋅=⋅=⎰⎰

)1(00 式中： dt i T I T

f f ⋅=⎰01

为转子电流平均值。

从4.1节分析可知起动中I f 基本为恒值，与RV 的阻值参数和转速无关。由此可见，RV W ∝f U ∙

T 。即起动过程中压敏电阻吸收的能量与其平均残压f U 及起动时间T 成正比。起动时间决定于电机大小及拖动工作机械的特性，而f U 可由设计者选定。

为减小RV 的能容量及保护转子回路的绝缘，似乎RV 的残压选得越低越好。但是这里还必须考虑三点：

a ）RV 自身的安全，即必须保证其荷电率S ＜0.6。荷电率的定义是在额定工况下,RV 承受的工作电压峰值U g 与其压敏电压U 10mA 之比，即S =U g /U 10mA 。如S ＞0.6，则RV 容易早期老化，寿命缩短。

b) 残压过低则同步电机异步运行时RV 容易导通吸能，如长时间吸能会引起RV 过热烧毁。

c) 残压过低的RV 难以制造和组合。

4.3起动时间

从电机学[1]知，同步电动机起动过程中励磁绕组内的感生电流I f 产生的脉