水阻柜启动原理图及水阻柜的变频器改造

一、水阻柜启动原理

水阻柜是近年来运用比较广泛的电机起动设备。水阻柜即水电阻，也就是液体电阻（在水中添加电解粉构成水电阻），顾名思义就是在电机定子回路（鼠笼型电机）或转子回路（绕线式电机）中串入液态电阻，电机在起动过程中液态电阻阻值在预定的时间内自动无级减小，直至阻值接近为零，将液阻自动切除，电机投入正常运行，每小时最多可以启动2-3次。

二、水阻柜运行过程

水阻柜运行过程：高压开关柜合闸的同时，水阻柜接收到高压开关柜的合闸信号，水阻柜动极板自上而下开始运行，在设定的时间内动极板运动过程中电阻值逐渐下降，当电阻接近于零时，通过一个限位开关，使水阻柜内的真空接触器吸合，将水电阻短接掉，电机启动完成，经过延时几秒后，动极板自动复位至原始状态，等待一下次启动。如水阻柜在预定的时间内起动没有完成就会发出一个故障报警信号，自动切断开关柜，确保电机不开路。

三、水阻柜调速缺点

水阻的效率低，只能做软启动。如果作为调速，必须将水阻柜箱体（液体电阻部分）长期带电，一旦出现箱体漏液或者液体电阻减少或者干枯，必出现生产事故或者安全事故。并且由于箱体液体电阻长期带电，发热严重，要有外围散热设备才能维持运行。所以相对人力维护成本也会增加。

四、水阻柜的改造方式

在现场的实际改造中：虽然水阻柜存在以上缺点，但是客户在水阻柜改造变频时还是会保留工频水阻启动的模式。

（一）一般水阻柜有两种改造方式，按照电机的不同，分为两种水阻串接方式

1、转子串水阻

即电机属于绕线式电机，即转子回路未短接。此时通过改变起动过程中转子回路的电阻值来逐步实现软起动。

2、定子串水阻

即电机属于鼠笼型电机，即转子回路在电机内部已短接。此时通过改变起动过程中定子回路的电阻值来逐步实现软启动。

（二）按照实现方式的不同，分为两种水阻

1、温度改变阻值大小

即在启动过程中，由于液体内部的电解液随着液体温度的升高，电解液分子活动加剧，使电阻值逐步减小，逐步改变机端电压，使之达到软起动的目的。

2、柜内增加极板升降电机

通过柜内增加极板升降电机，匀速的改变输入输出极板之间的距离，改变电阻值的大小，逐步改变机端电压，使之达到软起动的目的。

注：其中若是温度改变阻值大小，主要属于定子串水阻系列（即鼠笼式电机）。

若通过极板升降电机改变阻值大小，则定子和转子串水阻都可。目前常用的方式还是通过极板升降的方式，方便控制启动过程。

五、水阻的内部结构

（一）若以温度改变阻值

其柜内部主要包括：

1、旁路柜

主要是起动完毕后，将水阻柜短接。

按一次原理的不同，和短接接触器的数量，有的在短接后将水阻完全拖开的，有的在短接后，水阻仍然带电。

根据客户需要，选择真空断路器或者真空接触器。真空断路器需要分、合闸操作，而真空接触器又分为电保持和机械保持式，电保持不需另增加分闸操作，掉电即分闸，而机械保持式需要分闸操作。

2、水阻柜主体

主要包括3个独立的水箱，每个水箱底部有一固定的铜极板，水箱上部有一固定的铜极板，分别引出进出一次线。（针对鼠笼式电机讲的：定子串水阻）

主要根据电机大小，计算需要的散热液体体积，则柜体体积有大有小。例如电机在10MW，则水阻柜主体可能达到10m*2m*4m。

（二）极板升降改变阻值

其柜内部主要包括：水箱（三相分开）、一套极板、极板升降电机和相应的轴承，及短接接触器（短接的接触器也应客户需要）、PLC等。

六、运行方式（现场实际操作的依据数据和实现方法）

（一）温度改变阻值

1、工频模式下

待厂家调试完后，每个极板都浸泡在水中，水中加入了根据计算的电解粉。起动时，通电后，则水阻内，温度逐渐升高，电解液分子活动加剧，极板之间的电阻值逐步减小，电机端的电压逐步由低到高，根据调整的时间，起动完毕后，短接真空接触器（温度改变阻值这种主要用于鼠笼式电机），起动完成，水阻被甩开。此种原理的水阻，电机进行连续重启时，由于每次重启时，由于水温不一致，因此其启动特性会有差异。在启动时间间隔较长的情况下，其启动特性基本可保持一致。

2、变频模式下

上高压后，直接短接接触器（短接接触器动作信号取自高压开关QF0的常开点）。

（二）极板升降改变阻值（重点介绍）

1、运动过程

待厂家调试完后，每个极板都浸泡在水中，水中加入了根据计算的电解粉。起动前，上极板在最上面，起动时，上极板在升降电机的带动下，逐步下移，（有的设置是下移几秒，停几秒，继续下移，重复）则两极板之间的距离减小，相应的两极板之间的电阻值减小，则电机端的电压逐步由低到高，当上极板移动到最下限位时，短接真空接触器。与此同时，上极板开始往上回升，升到最上限位时，起动完成。此种方式的水阻，电机连续启动时，启动特性差别不会很大，但是伺服电机等部件造成水阻柜的维护工作增加。（适用于鼠笼式及绕线式电机）。

2、现场参照的实际数据及控制逻辑

（1）一般水阻启动时，起动电流倍数在2~3.5倍之间，网侧压降都能满足上一级变压器的容量要求；

（2）根据电机大小，起动时间一般设置为20~40秒，时间一般都可调，一般超过40秒，则开关柜会有反时限保护；

（3）“水阻起动信号”。现在一般的水阻柜，都是采用PLC控制，其中，水阻柜起动信号，取的是对应的开关起动柜的“断路器合闸状态”，也就是说，当客户的开关柜的断路器合闸以后， 水阻柜的PLC接收到信号后，就开始起动，如极板开始下移；

（4）当开关柜的断路器分闸以后，水阻柜的PLC接收到信号后，就将短接接触器分断；

（5）即：水阻柜接触器动作的条件是高压断路器QF0合闸（取自QF0常开点）。

3、水阻柜改造变频器后现场需要做的改动

(1)转子串水阻（对应绕线式电机，手动旁路）

①一次回路的改造，与普通的变频改造一样；

②二次回路的改造，需从水阻柜的短接接触器引出一对“短接接触器常闭点”，接入变频器的“急停”回路，可理解为：若水阻柜的短接接触器不短接，则变频器无法起动。要注意的是接入“急停”回路时，要绕过“远程/就地”转换开关。 即等绕线式电机转子短接后，作为鼠笼式电机起动；

③水阻柜启动条件串入工频状态。

④现场应用案例介绍。安徽怀宁上峰水泥采用了“转子串水阻”模式的变频改造，现场电机参数如下表所示：

现场要求水阻柜改造变频，且工频运行模式下保留水阻柜的软起功能，电机为三相异步绕线式电动机，水阻柜类型有柜内增加极板升降电机（即极板升降改变阻值）。变频器为一托一手动旁路柜，变频器旁路柜一次接线和标配接线方式一样的，如图1所示，从客户母线过来的10KV线是不经过水阻柜的（仅仅客户的AC380V控制电到水阻柜）。

图2转子串水阻一次接线图原理图（绕线式水阻柜启动原理图）

此时，变频器模式下，水阻柜的旁路柜内的短接接触器在这里就相当于短接转子，使绕线式电机变为鼠笼式电机供变频器使用。工频模式下，为电机软起，软起成功后，水阻柜的旁路柜内的短接断路器在这里就相当于短接转子，使绕线式电机变为鼠笼式电机供工频使用。

采用工频模式运行时，首先合闸QS3，DCS远程合闸QF断路器，水阻柜接收到QF合闸信号及工频状态后，水阻柜运行，此时水阻柜极板自上而下运行，通过水阻柜实现软起，当极板运行至底部的时候，有个限位开关，通过连锁，给水阻柜接触器KM一个信号，使水阻柜内的真空接触器KM吸合，将水电阻短接掉并保持，绕线式变成鼠笼式电机启动完成，经过延时几秒后，动极板自动复位至原始状态，等待一下次启动。

采用变频模式运行时，首先QS1、QS2隔离开关合闸，DCS启动QF合闸，高压电进入变频器,（水阻柜启动信号串入工频状态，此时启动不了，），同时KM水阻柜接触器接收到QF合闸信号后， KM直接短接，绕线式变为鼠笼式电机，变频器接收到KM短接信号后，通过DSC远程启动/停止/调节变频输出。

另外，我也见过另类的转子串水阻变频改造，用户直接将电机的转子连接处打开，将转子上直接短接上铜排，则成为了鼠笼式电机。此时，已完全甩开了水阻。但万一变频器发生故障，变频转为工频时，则需要将转子上的铜排拆下（不拆下实现不了软起，相当于鼠笼式电机直接工频启动，导致客户的变压器容量受不了），比较麻烦。但选择权在于用户，用户认为自己的转子经常会发生放炮现象，所以短接后比较合适。

(2)定子串水阻（对应鼠笼式电机，手动旁路）

这种改造相对复杂，需要确定的内容主要如下：

①短接断路器。短接接触器最少是一个，有时也有两个，也可能是三个，如其中要询问清楚各接触器的合、分闸顺序，这个在自动旁路柜中一定要弄清楚，因为在自动变/工频转换过程中，可能会造成严重后果。要询问清楚各接触器的自锁方式，是电保持，还是机械式保持。如是电保持，合分闸共用一个信号即可，如是机械式保持，则合、分闸要分开设计。

②水阻柜启动信号。变频改造前，水阻柜起动信号接收的是“断路器常开点信号”（为母线高压开关柜QF0的常开信号，即当QF0合闸后，常开变成常闭，水阻柜启动，工频实现软起），若变频改造后，则一般需要在此起动水阻柜启动信号的回路里增加变频器“工频状态”信号。即工频时，水阻仍正常起动，若变频时，则水阻柜不动作。

③水阻柜短接信号。变频改造前，水阻柜短接信号接收的是“极板下限位行程开关信号”。变频改造后，则根据要求灵活改变，需在短接接触器的合、分闸回路增加控分闸回路增加控制信号。控制方式根据客户要求及系统安全性确定。

④现场应用案例介绍。枣庄泉头水泥厂采用了“定子串水阻”模式的变频改造，现场电机参数如下表所示：

一次接线图原理如图2所示，水阻柜内短接接触器为KM，高压经过水阻柜。

图2定子串水阻一次接线图原理图（鼠笼式水阻柜启动原理图）

此系统为定子串水阻，水阻柜只有一个接触器KM，接触器为机械保持式，系统的二次原理更改有以下几部分。

第一部分是PLC程序更改了逻辑，并引出线接到KM的分、合闸线圈。水阻柜接触器KM控制方案如下：

在工频模式下，KM仍由水阻柜本身的逻辑来控制实现软起。

在变频模式下，当高压启动柜断路器QF合闸时，KM就会合闸；当高压启动柜断路器QF分闸时，KM就会分闸。

第二部分是水阻柜起动信号。增加变频器“工频信号”串入起动回路。

第三部分是开关柜允许合闸信号。将变频器“高压合闸允许K6”串入高压开关柜QF允许合闸回路，其中从控制器发出的“高压合闸允许K6”串入了“变频状态”信号。

采用工频模式运行时，首先QS43/QS44隔离开关合闸，DCS启动QF合闸，水阻柜接收到QF合闸信号及工频状态信号后，水阻柜运行，此时水阻柜极板自上而下运行，通过水阻柜实现软起，当极板运行至底部的时候，有个限位开关，通过连锁，给水阻柜接触器KM一个信号， 使水阻柜内的真空接触器KM吸合，将水电阻短接掉并保持，电机启动完成，经过延时几秒后，动极板自动复位至原始状态，等待一下次启动。

采用变频模式运行时，首先QS41/QS42隔离开关合闸，DCS启动QF合闸，（水阻柜启动信号串入工频状态，此时启动不了，也无高压输入QS43断开的），高压电进入变频器，通过DSC远程启动/停止/调节变频输出。

目前，对于绕线式电机，水阻柜主体柜和水阻柜旁路柜是分开独立的，且高压不经过水阻柜，也就是说只有控制电缆进入水阻柜，从水阻柜出线控制电缆到电机转子上。对于鼠笼式电机，水阻柜主体柜和旁路柜是集成的，有高压电缆通过水阻柜再连接到电机定子上。