3.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、電氣控制與運(yùn)行

3.3.1 三相籠型及繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

1.起動(dòng)過(guò)程及特點(diǎn)

（1）異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)接上三相對(duì)稱電源時(shí)，若電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，并加速到某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，異步電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)稱為異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。

在額定電壓下直接起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)瞬間氣隙主磁通Φ₁減小到額定值的1/2，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)cosφ₂很低，根據(jù)T=C_TjΦ₁I₂ cosφ₂ ，C_Tj稱為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，堵轉(zhuǎn)電流I_s （也稱為起動(dòng)電流）勢(shì)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(dòng)機(jī)，I_s =（4～7）I_N，T_s =（0.9～2.2）T_N。

（2）起動(dòng)電流I_s

對(duì)于普通籠型異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)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(dá)到8～12倍。一般來(lái)說(shuō)，由于起動(dòng)時(shí)間很短，對(duì)于短時(shí)間過(guò)大的電流，異步電動(dòng)機(jī)本身是可以承受的，但會(huì)造成以下不良影響。

1）對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，引起電網(wǎng)電壓降低。電動(dòng)機(jī)容量越大，產(chǎn)生的影響越大。電網(wǎng)電壓的降低，可能達(dá)到15%以上，這不僅造成被起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)本身的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，甚至無(wú)法起動(dòng)，而且影響到其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，如電燈不亮、接觸器釋放、數(shù)控設(shè)備出現(xiàn)異常、帶重載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)等，甚至變電所會(huì)因欠電壓保護(hù)動(dòng)作造成停電事故等。

2）對(duì)于頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，影響其使用壽命。

3）起動(dòng)瞬間負(fù)載沖擊，電動(dòng)機(jī)繞組（特別是端部）受到較大的電動(dòng)力作用發(fā)生變形。

因此，較大容量的異步電動(dòng)機(jī)是不允許直接起動(dòng)的。

（3）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_s

普通籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T_s的倍數(shù)定義為k_s =T_s/T_N。異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式T=C_TjΦ₁I₂ cosφ₂ ，可見(jiàn)：

1）起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角φ₂ =arctan最大，cosφ₂最低，為0.3左右，轉(zhuǎn)子電流有功分量I₂ cosφ₂不太大。

2）由于起動(dòng)電流很大，定子繞組漏阻抗壓降增大，使定子電動(dòng)勢(shì)減小，因此，主磁通Φ₁也減少，起動(dòng)時(shí)的Φ₁值是額定運(yùn)行時(shí)的一半。

可見(jiàn)，相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。實(shí)際應(yīng)用中，通常需要采取一定的措施，如通過(guò)選擇起動(dòng)方式來(lái)改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能。

2.起動(dòng)要求

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流是衡量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的主要技術(shù)指標(biāo)，生產(chǎn)機(jī)械對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的具體要求如下。

1）起動(dòng)轉(zhuǎn)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(chǎn)機(jī)械的正常起動(dòng)。

2）起動(dòng)電流盡可能小，通常滿足I_s =（5～7）I_N。

3）其他，如起動(dòng)設(shè)備起動(dòng)操作方便、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，起動(dòng)過(guò)程消耗的能量小、功率損耗小。

3.起動(dòng)方法

籠型三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式分為傳統(tǒng)起動(dòng)方法和軟起動(dòng)方法，見(jiàn)表3-6。

（1）傳統(tǒng)起動(dòng)方法

傳統(tǒng)起動(dòng)方法包括星/三角形減壓起動(dòng)（Y/△減壓起動(dòng)）、自耦變壓器減壓起動(dòng)、串聯(lián)電抗器減壓起動(dòng)和延邊三角形減壓起動(dòng)等，這些方法控制電路簡(jiǎn)單，能夠減小起動(dòng)電流。但是，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也同時(shí)減小，且在切換瞬間產(chǎn)生二次沖擊電流，產(chǎn)生破壞性的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，引起的機(jī)械振動(dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、軸連接器、中間齒輪動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載等都是非常有害的。

1）直接起動(dòng)。是否可以在額定電壓下起動(dòng)，主要考慮以下因素，即電動(dòng)機(jī)與變壓器的容量比、電動(dòng)機(jī)與變壓器間的線路長(zhǎng)度、其他負(fù)載對(duì)于電壓穩(wěn)定性的要求、起動(dòng)是否頻繁、拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小等。

2）Y/△減壓起動(dòng)。針對(duì)正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用△聯(lián)結(jié)的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，可以采用Y/△減壓起動(dòng)方式，即起動(dòng)時(shí)，定子繞組采用Y聯(lián)結(jié)，運(yùn)行時(shí)再改接成△聯(lián)結(jié)。其特點(diǎn)為設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但電壓不能調(diào)節(jié)；僅僅適合運(yùn)行時(shí)定子繞組為△聯(lián)結(jié)的異步電動(dòng)機(jī)；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，適合空載或輕載起動(dòng)。

3）自耦變壓器減壓起動(dòng)。其特點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)定子電壓下降到直接起動(dòng)的K_J倍；沖擊電流為直接起動(dòng)的倍；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為直接起動(dòng)的倍；靈活，但價(jià)高、體積大，不適合頻繁起動(dòng)。

4）定子回路串接電抗器減壓起動(dòng)。其特點(diǎn)為降低起動(dòng)電流，不消耗電能，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很多，價(jià)高。

（2）軟起動(dòng)方法

軟起動(dòng)方法的研究起源于20世紀(jì)50年代，并于70年代末到80年代初投入市場(chǎng)應(yīng)用。軟起動(dòng)器的調(diào)壓裝置在規(guī)定起動(dòng)時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)地將起動(dòng)電壓連續(xù)、平滑地上升，直到額定電壓。軟起動(dòng)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(zhuǎn)矩以及對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的電流沖擊，有效地減少線路刀開(kāi)關(guān)和接觸器的誤觸發(fā)動(dòng)作；針對(duì)頻繁起停的電動(dòng)機(jī)，可有效控制其溫升并延長(zhǎng)使用壽命。

軟起動(dòng)器主電路采用反并聯(lián)晶閘管模塊，通過(guò)控制導(dǎo)通角的大小，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流變化，如大小、起動(dòng)方式，減小起動(dòng)功率損耗。軟起動(dòng)器的功能還包括電動(dòng)機(jī)軟停車、軟制動(dòng)、過(guò)載和斷相保護(hù)，以及輕載節(jié)能運(yùn)行；可設(shè)置軟起動(dòng)方式，包括斜坡電壓軟起動(dòng)、恒流軟起動(dòng)、斜坡恒流軟起動(dòng)（先斜坡增加，達(dá)到I_sm時(shí)保持恒定，適用于空載或輕載起動(dòng)）、脈沖恒流軟起動(dòng)（起動(dòng)初始階段為一個(gè)較大的起動(dòng)沖擊電流，產(chǎn)生起動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩克服靜摩擦阻轉(zhuǎn)矩）。不足之處是起動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生諧波，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。

4.高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩異步電動(dòng)機(jī)

三相異步電動(dòng)機(jī)減壓起動(dòng)方式有助于降低起動(dòng)電流，但同時(shí)也減小了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)性能不理想。為了改善起動(dòng)性能，可通過(guò)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)子槽形結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，來(lái)獲得高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

（1）高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)

如圖3-13所示，高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)、起重與冶金用異步電動(dòng)機(jī)、力矩異步電動(dòng)機(jī)都屬于這種類型。其中，高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)適合拖動(dòng)飛輪力矩較大和不均勻沖擊負(fù)載及反轉(zhuǎn)次數(shù)較多的機(jī)械設(shè)備，如錘擊機(jī)、剪切機(jī)、沖壓機(jī)以及小型運(yùn)輸機(jī)械等；起重與冶金用三相異步電動(dòng)機(jī)用于起重、冶金設(shè)備，常常處于頻繁起動(dòng)和制動(dòng)工作環(huán)境；力矩異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩約在s=1處，能在堵轉(zhuǎn)到接近同步轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載大小變化，適用于恒張力、恒線速傳動(dòng)設(shè)備，如卷?yè)P(yáng)機(jī)。不足之處是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率降低。

（2）深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)

如圖3-14所示，其轉(zhuǎn)子槽形窄而深，當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中有電流流過(guò)時(shí)，槽中漏磁通分布如圖3-14 a所示，可見(jiàn)，槽底部分導(dǎo)體磁通比槽口部分導(dǎo)體磁通要多。

電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)時(shí)，s=1，轉(zhuǎn)子電流頻率f₂ =sf₁ =f₁ ，為電源頻率，轉(zhuǎn)子漏電抗比較大，漏磁通也按此頻率變化，此時(shí)槽底部分的漏電抗變大，槽口部分的漏電抗變小。起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子漏阻抗比轉(zhuǎn)子電阻大，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子電流的大小取決于轉(zhuǎn)子漏電抗。由于槽底與槽口漏電抗相差甚遠(yuǎn)，槽導(dǎo)體中電流分布極不均勻，電流集中在槽口部分，出現(xiàn)如圖3-14 b中曲線1所示的電流趨膚效應(yīng)現(xiàn)象。

電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，s很小，轉(zhuǎn)子電流頻率f₂ =sf₁也很低，轉(zhuǎn)子漏電抗很小，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，轉(zhuǎn)子電流的大小取決于轉(zhuǎn)子電阻，槽導(dǎo)體中電流分布均勻，趨膚效應(yīng)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，趨膚效應(yīng)使導(dǎo)條內(nèi)電流比較集中在槽口，相當(dāng)于減少了導(dǎo)條的有效截面積，轉(zhuǎn)子電阻增大；隨著轉(zhuǎn)速n的升高，趨膚效應(yīng)逐漸減弱，轉(zhuǎn)子電阻逐漸減小直到轉(zhuǎn)子電阻自動(dòng)變回到正常運(yùn)行值。可見(jiàn)，深槽式籠型異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)為起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻加大、運(yùn)行時(shí)恢復(fù)正常值，增加了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率不大，電動(dòng)機(jī)效率不降低；同時(shí)，其轉(zhuǎn)子槽漏抗較大。不足是降低了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，減小了最大轉(zhuǎn)矩。

（3）雙籠型異步電動(dòng)機(jī)

如圖3-16 a所示，雙籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝有兩套并聯(lián)的籠條。其中，外籠導(dǎo)條截面積小，采用電阻率較高的黃銅制成，電阻較大；內(nèi)籠導(dǎo)條截面積大，采用電阻率較低的純銅制成，電阻較小。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)條內(nèi)有交流電流通過(guò)，內(nèi)籠漏磁鏈多、漏電抗較大；外籠漏磁鏈少、漏電抗較小。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流頻率較高，電流的分配主要取決于電抗。內(nèi)籠電抗大、電流小，外籠電抗小、電流大。因起動(dòng)時(shí)外籠起主要作用，稱為起動(dòng)籠，其機(jī)械特性如圖3-16 b中曲線1所示。正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電流頻率很低，電流分配取決于電阻，因內(nèi)籠電阻小、電流大，外籠電阻大、電流小，此時(shí)，內(nèi)籠起主要作用，稱為運(yùn)行籠，其機(jī)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大，但是，相比普通異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子漏電抗大、功率因數(shù)稍低、效率幾乎一樣，適用于高轉(zhuǎn)速大容量電動(dòng)機(jī)，如壓縮機(jī)、粉碎機(jī)、小型起重機(jī)、柱塞式水泵等。不足之處是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)降低了。

5.繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路可以外串三相對(duì)稱電阻，以增大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。選擇外串電阻r_s的大小，減小起動(dòng)電流、增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在起動(dòng)結(jié)束后，再切除外串電阻，電動(dòng)機(jī)的效率不受影響。因此，繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)可以應(yīng)用于重載和頻繁起動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械上。繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)主要有兩種外串電阻起動(dòng)方法。

（1）轉(zhuǎn)子回路串電阻起動(dòng)

分級(jí)起動(dòng)并逐級(jí)切換電阻。圖3-17所示為繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)起動(dòng)接線圖與機(jī)械特性，起動(dòng)過(guò)程分析如下。

1）起動(dòng)：接觸器觸點(diǎn)KM₁、KM₂、KM₃斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)定子接額定電壓。轉(zhuǎn)子每相串接起動(dòng)電阻（ r_s1 +r_s2 +r_s3 ），電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，起動(dòng)點(diǎn)為曲線3的a點(diǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T₁ ＜T_m。

2）轉(zhuǎn)速上升到b點(diǎn)：T=T₂（T＞T_L），為了加快起動(dòng)過(guò)程，接觸器觸點(diǎn)KM₃閉合，切除電阻r_s3 ，忽略電動(dòng)機(jī)電磁慣性、考慮拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械慣性，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由b變到機(jī)械特性曲線2上的c點(diǎn)，此時(shí)，T=T₁。

3）轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到d點(diǎn)：T=T₂（T＞T_L），為了加快起動(dòng)過(guò)程，接觸器觸點(diǎn)KM₂閉合，切除電阻r_s2 ，忽略電動(dòng)機(jī)電磁慣性、考慮拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械慣性，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由d變到機(jī)械特性曲線2上的e點(diǎn)，此時(shí)，T=T₁。

4）轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到f點(diǎn)：T=T₂（T＞T_L），為了加快起動(dòng)過(guò)程，接觸器觸點(diǎn)KM₁閉合，切除電阻r_s1 ，忽略電動(dòng)機(jī)電磁慣性、考慮拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械慣性，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由f變到機(jī)械特性曲線2上的g點(diǎn)，此時(shí)，T=T₁。

5）轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，經(jīng)過(guò)h點(diǎn)最后穩(wěn)定運(yùn)行在j點(diǎn)。

至此，轉(zhuǎn)子回路外串電阻分三級(jí)切除，稱為三級(jí)起動(dòng)。其中，T₁為最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T₂為最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩或切換轉(zhuǎn)矩。

（2）轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器起動(dòng)

頻敏變阻器的阻值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高自動(dòng)減小（自動(dòng)變阻），可以限制起動(dòng)電流、增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使起動(dòng)平穩(wěn)。

頻敏變阻器是一個(gè)三相鐵心線圈，其鐵心由實(shí)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(yùn)行時(shí)的等效電路一致。起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器，起動(dòng)結(jié)束后，再切除頻敏變阻器，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行。

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

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

2）繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器起動(dòng)過(guò)程：轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子回路電流頻率sf₁逐漸減小，r_P、Z_P減小，電磁轉(zhuǎn)矩保持較大值。起動(dòng)結(jié)束后，sf₂、Z_P很小，頻敏變阻器不起作用。

如圖3-18所示，根據(jù)頻敏變阻器在50 Hz時(shí)r_P較大、1～3Hz時(shí)Z_P≈0，有關(guān)參數(shù)隨頻率變化特點(diǎn)，可以獲得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩接近最大轉(zhuǎn)矩的人為機(jī)械特性。