3.3 三相異步電動機的起動、調速、電氣控制與運行

3.3.1 三相籠型及繞線轉子異步電動機的起動

1.起動過程及特點

（1）異步電動機的起動過程

當異步電動機接上三相對稱電源時，若電磁轉矩大于負載轉矩，電動機就開始轉動起來，并加速到某一轉速下穩定運行，異步電動機由靜止狀態到穩定運行狀態稱為異步電動機的起動過程。

在額定電壓下直接起動異步電動機，起動瞬間氣隙主磁通Φ₁減小到額定值的1/2，轉子功率因數cosφ₂很低，根據T=C_TjΦ₁I₂ cosφ₂ ，C_Tj稱為轉矩系數，堵轉電流I_s （也稱為起動電流）勢必增大，但T_s并不大，如圖3-12所示。如普通籠型三相異步電動機，I_s =（4～7）I_N，T_s =（0.9～2.2）T_N。

（2）起動電流I_s

對于普通籠型異步電動機，起動電流很大，即k_I =I_s/I_N ，k_I通常為額定電流的5～7倍，甚至達到8～12倍。一般來說，由于起動時間很短，對于短時間過大的電流，異步電動機本身是可以承受的，但會造成以下不良影響。

1）對電網產生沖擊，引起電網電壓降低。電動機容量越大，產生的影響越大。電網電壓的降低，可能達到15%以上，這不僅造成被起動的電動機本身的起動轉矩減小，甚至無法起動，而且影響到其他用電設備的正常運行，如電燈不亮、接觸器釋放、數控設備出現異常、帶重載運行的電動機停轉等，甚至變電所會因欠電壓保護動作造成停電事故等。

2）對于頻繁起動的電動機，會造成電動機過熱，影響其使用壽命。

3）起動瞬間負載沖擊，電動機繞組（特別是端部）受到較大的電動力作用發生變形。

因此，較大容量的異步電動機是不允許直接起動的。

（3）起動轉矩T_s

普通籠型異步電動機起動轉矩T_s的倍數定義為k_s =T_s/T_N。異步電動機起動時電磁轉矩計算公式T=C_TjΦ₁I₂ cosφ₂ ，可見：

1）起動時轉差率s=1，轉子功率因數角φ₂ =arctan最大，cosφ₂最低，為0.3左右，轉子電流有功分量I₂ cosφ₂不太大。

2）由于起動電流很大，定子繞組漏阻抗壓降增大，使定子電動勢減小，因此，主磁通Φ₁也減少，起動時的Φ₁值是額定運行時的一半。

可見，相對于直流電動機，異步電動機起動轉矩較小。實際應用中，通常需要采取一定的措施，如通過選擇起動方式來改善異步電動機的起動性能。

2.起動要求

起動轉矩、起動電流是衡量電動機起動性能的主要技術指標，生產機械對三相異步電動機起動性能的具體要求如下。

1）起動轉矩足夠大，通常滿足T_s =（1.4～2.2）T_N，T_s≥1.1T_L基本要求，以保證生產機械的正常起動。

2）起動電流盡可能小，通常滿足I_s =（5～7）I_N。

3）其他，如起動設備起動操作方便、簡單、經濟，起動過程消耗的能量小、功率損耗小。

3.起動方法

籠型三相異步電動機的起動方式分為傳統起動方法和軟起動方法，見表3-6。

（1）傳統起動方法

傳統起動方法包括星/三角形減壓起動（Y/△減壓起動）、自耦變壓器減壓起動、串聯電抗器減壓起動和延邊三角形減壓起動等，這些方法控制電路簡單，能夠減小起動電流。但是，起動轉矩也同時減小，且在切換瞬間產生二次沖擊電流，產生破壞性的動態轉矩，引起的機械振動對電動機轉子、軸連接器、中間齒輪動態轉矩以及負載等都是非常有害的。

1）直接起動。是否可以在額定電壓下起動，主要考慮以下因素，即電動機與變壓器的容量比、電動機與變壓器間的線路長度、其他負載對于電壓穩定性的要求、起動是否頻繁、拖動系統的轉動慣量大小等。

2）Y/△減壓起動。針對正常運行時定子繞組采用△聯結的三相籠型異步電動機，可以采用Y/△減壓起動方式，即起動時，定子繞組采用Y聯結，運行時再改接成△聯結。其特點為設備簡單、經濟，但電壓不能調節；僅僅適合運行時定子繞組為△聯結的異步電動機；起動轉矩小，適合空載或輕載起動。

3）自耦變壓器減壓起動。其特點為電動機定子電壓下降到直接起動的K_J倍；沖擊電流為直接起動的倍；起動轉矩為直接起動的倍；靈活，但價高、體積大，不適合頻繁起動。

4）定子回路串接電抗器減壓起動。其特點為降低起動電流，不消耗電能，起動轉矩下降很多，價高。

（2）軟起動方法

軟起動方法的研究起源于20世紀50年代，并于70年代末到80年代初投入市場應用。軟起動器的調壓裝置在規定起動時間內，自動地將起動電壓連續、平滑地上升，直到額定電壓。軟起動器的限流特性可以有效限制浪涌電流，避免不必要的沖擊轉矩以及對配電網絡的電流沖擊，有效地減少線路刀開關和接觸器的誤觸發動作；針對頻繁起停的電動機，可有效控制其溫升并延長使用壽命。

軟起動器主電路采用反并聯晶閘管模塊，通過控制導通角的大小，調節電動機起動電流變化，如大小、起動方式，減小起動功率損耗。軟起動器的功能還包括電動機軟停車、軟制動、過載和斷相保護，以及輕載節能運行；可設置軟起動方式，包括斜坡電壓軟起動、恒流軟起動、斜坡恒流軟起動（先斜坡增加，達到I_sm時保持恒定，適用于空載或輕載起動）、脈沖恒流軟起動（起動初始階段為一個較大的起動沖擊電流，產生起動沖擊轉矩克服靜摩擦阻轉矩）。不足之處是起動過程會產生諧波，影響電網電能質量。

4.高起動轉矩異步電動機

三相異步電動機減壓起動方式有助于降低起動電流，但同時也減小了起動轉矩，起動性能不理想。為了改善起動性能，可通過在電動機轉子繞組和轉子槽形結構上進行改進設計，來獲得高起動轉矩。

（1）高轉差率異步電動機

如圖3-13所示，高轉差率異步電動機、起重與冶金用異步電動機、力矩異步電動機都屬于這種類型。其中，高轉差率異步電動機適合拖動飛輪力矩較大和不均勻沖擊負載及反轉次數較多的機械設備，如錘擊機、剪切機、沖壓機以及小型運輸機械等；起重與冶金用三相異步電動機用于起重、冶金設備，常常處于頻繁起動和制動工作環境；力矩異步電動機的最大轉矩約在s=1處，能在堵轉到接近同步轉速范圍內穩定運行，轉速隨負載大小變化，適用于恒張力、恒線速傳動設備，如卷揚機。不足之處是電動機運行時的效率降低。

（2）深槽式籠型異步電動機

如圖3-14所示，其轉子槽形窄而深，當轉子導條中有電流流過時，槽中漏磁通分布如圖3-14 a所示，可見，槽底部分導體磁通比槽口部分導體磁通要多。

電動機開始起動時，s=1，轉子電流頻率f₂ =sf₁ =f₁ ，為電源頻率，轉子漏電抗比較大，漏磁通也按此頻率變化，此時槽底部分的漏電抗變大，槽口部分的漏電抗變小。起動時，轉子漏阻抗比轉子電阻大，在感應電動勢的作用下，轉子電流的大小取決于轉子漏電抗。由于槽底與槽口漏電抗相差甚遠，槽導體中電流分布極不均勻，電流集中在槽口部分，出現如圖3-14 b中曲線1所示的電流趨膚效應現象。

電動機正常運行時，s很小，轉子電流頻率f₂ =sf₁也很低，轉子漏電抗很小，在感應電動勢作用下，轉子電流的大小取決于轉子電阻，槽導體中電流分布均勻，趨膚效應不明顯，如圖3-14 b中曲線2所示。

圖3-15所示為深槽式籠型異步電動機的機械特性。電動機剛起動時，趨膚效應使導條內電流比較集中在槽口，相當于減少了導條的有效截面積，轉子電阻增大；隨著轉速n的升高，趨膚效應逐漸減弱，轉子電阻逐漸減小直到轉子電阻自動變回到正常運行值。可見，深槽式籠型異步電動機的特點為起動時轉子電阻加大、運行時恢復正常值，增加了電動機起動轉矩，正常運行時轉差率不大，電動機效率不降低；同時，其轉子槽漏抗較大。不足是降低了電動機的功率因數，減小了最大轉矩。

（3）雙籠型異步電動機

如圖3-16 a所示，雙籠型異步電動機的轉子上裝有兩套并聯的籠條。其中，外籠導條截面積小，采用電阻率較高的黃銅制成，電阻較大；內籠導條截面積大，采用電阻率較低的純銅制成，電阻較小。電動機運行時，導條內有交流電流通過，內籠漏磁鏈多、漏電抗較大；外籠漏磁鏈少、漏電抗較小。

電動機起動時，轉子電流頻率較高，電流的分配主要取決于電抗。內籠電抗大、電流小，外籠電抗小、電流大。因起動時外籠起主要作用，稱為起動籠，其機械特性如圖3-16 b中曲線1所示。正常運行時，轉子電流頻率很低，電流分配取決于電阻，因內籠電阻小、電流大，外籠電阻大、電流小，此時，內籠起主要作用，稱為運行籠，其機械特性如圖3-16 b中曲線2所示。圖3-16 b中曲線3所示為雙籠型異步電動機的機械特性，起動轉矩增大，但是，相比普通異步電動機轉子漏電抗大、功率因數稍低、效率幾乎一樣，適用于高轉速大容量電動機，如壓縮機、粉碎機、小型起重機、柱塞式水泵等。不足之處是電動機的功率因數降低了。

5.繞線轉子三相異步電動機的起動

繞線轉子三相異步電動機的轉子回路可以外串三相對稱電阻，以增大電動機的起動轉矩。選擇外串電阻r_s的大小，減小起動電流、增大起動轉矩。在起動結束后，再切除外串電阻，電動機的效率不受影響。因此，繞線轉子三相異步電動機可以應用于重載和頻繁起動的生產機械上。繞線轉子三相異步電動機主要有兩種外串電阻起動方法。

（1）轉子回路串電阻起動

分級起動并逐級切換電阻。圖3-17所示為繞線轉子三相異步電動機轉子串電阻分級起動接線圖與機械特性，起動過程分析如下。

1）起動：接觸器觸點KM₁、KM₂、KM₃斷開，電動機定子接額定電壓。轉子每相串接起動電阻（ r_s1 +r_s2 +r_s3 ），電動機開始起動，起動點為曲線3的a點，起動轉矩T₁ ＜T_m。

2）轉速上升到b點：T=T₂（T＞T_L），為了加快起動過程，接觸器觸點KM₃閉合，切除電阻r_s3 ，忽略電動機電磁慣性、考慮拖動系統機械慣性，則電動機運行點由b變到機械特性曲線2上的c點，此時，T=T₁。

3）轉速繼續上升到d點：T=T₂（T＞T_L），為了加快起動過程，接觸器觸點KM₂閉合，切除電阻r_s2 ，忽略電動機電磁慣性、考慮拖動系統機械慣性，則電動機運行點由d變到機械特性曲線2上的e點，此時，T=T₁。

4）轉速繼續上升到f點：T=T₂（T＞T_L），為了加快起動過程，接觸器觸點KM₁閉合，切除電阻r_s1 ，忽略電動機電磁慣性、考慮拖動系統機械慣性，則電動機運行點由f變到機械特性曲線2上的g點，此時，T=T₁。

5）轉速繼續上升，經過h點最后穩定運行在j點。

至此，轉子回路外串電阻分三級切除，稱為三級起動。其中，T₁為最大起動轉矩；T₂為最小起動轉矩或切換轉矩。

（2）轉子串接頻敏變阻器起動

頻敏變阻器的阻值隨轉子轉速升高自動減小（自動變阻），可以限制起動電流、增大起動轉矩，使起動平穩。

頻敏變阻器是一個三相鐵心線圈，其鐵心由實心鐵板或鋼板疊成，板的厚度為30～50mm，每一相的等效電路與變壓器空載運行時的等效電路一致。起動時，電動機轉子串接頻敏變阻器，起動結束后，再切除頻敏變阻器，電動機進入正常運行。

忽略繞組漏阻抗，頻敏變阻器的勵磁阻抗Z_P為勵磁電阻r_P與勵磁電抗x_P串聯組成，即Z_P =r_P +jx_P。頻敏變阻器與一般的勵磁變壓器不一樣，具有以下特點：在高頻時，如50Hz，勵磁電阻r_P比勵磁電抗x_P大（ r_P ＞x_P ），同時，頻敏變阻器的勵磁阻抗比普通變壓器的勵磁阻抗小得多，因此，串接在轉子回路，既限制了起動電流，又不至于使起動電流過小而減小起動轉矩。

1）繞線轉子三相異步電動機轉子串接頻敏變阻器起動時：s=1，轉子回路電流的頻率為f₁。因r_P ＞x_P ，表明轉子回路主要串接了電阻，且r_P ＞＞r₂ ，使得轉子回路功率因數大大提高，限制了起動電流、轉矩增大，但因存在x_P ，電動機最大轉矩稍有下降。

2）繞線轉子三相異步電動機轉子串接頻敏變阻器起動過程：轉速升高，轉子回路電流頻率sf₁逐漸減小，r_P、Z_P減小，電磁轉矩保持較大值。起動結束后，sf₂、Z_P很小，頻敏變阻器不起作用。

如圖3-18所示，根據頻敏變阻器在50 Hz時r_P較大、1～3Hz時Z_P≈0，有關參數隨頻率變化特點，可以獲得起動轉矩接近最大轉矩的人為機械特性。