3.3 三相异步电动机的起动、调速、电气控制与运行

3.3.1 三相笼型及绕线转子异步电动机的起动

1.起动过程及特点

（1）异步电动机的起动过程

当异步电动机接上三相对称电源时，若电磁转矩大于负载转矩，电动机就开始转动起来，并加速到某一转速下稳定运行，异步电动机由静止状态到稳定运行状态称为异步电动机的起动过程。

在额定电压下直接起动异步电动机，起动瞬间气隙主磁通Φ₁减小到额定值的1/2，转子功率因数cosφ₂很低，根据T=C_TjΦ₁I₂ cosφ₂ ，C_Tj称为转矩系数，堵转电流I_s （也称为起动电流）势必增大，但T_s并不大，如图3-12所示。如普通笼型三相异步电动机，I_s =（4～7）I_N，T_s =（0.9～2.2）T_N。

（2）起动电流I_s

对于普通笼型异步电动机，起动电流很大，即k_I =I_s/I_N ，k_I通常为额定电流的5～7倍，甚至达到8～12倍。一般来说，由于起动时间很短，对于短时间过大的电流，异步电动机本身是可以承受的，但会造成以下不良影响。

1）对电网产生冲击，引起电网电压降低。电动机容量越大，产生的影响越大。电网电压的降低，可能达到15%以上，这不仅造成被起动的电动机本身的起动转矩减小，甚至无法起动，而且影响到其他用电设备的正常运行，如电灯不亮、接触器释放、数控设备出现异常、带重载运行的电动机停转等，甚至变电所会因欠电压保护动作造成停电事故等。

2）对于频繁起动的电动机，会造成电动机过热，影响其使用寿命。

3）起动瞬间负载冲击，电动机绕组（特别是端部）受到较大的电动力作用发生变形。

因此，较大容量的异步电动机是不允许直接起动的。

（3）起动转矩T_s

普通笼型异步电动机起动转矩T_s的倍数定义为k_s =T_s/T_N。异步电动机起动时电磁转矩计算公式T=C_TjΦ₁I₂ cosφ₂ ，可见：

1）起动时转差率s=1，转子功率因数角φ₂ =arctan最大，cosφ₂最低，为0.3左右，转子电流有功分量I₂ cosφ₂不太大。

2）由于起动电流很大，定子绕组漏阻抗压降增大，使定子电动势减小，因此，主磁通Φ₁也减少，起动时的Φ₁值是额定运行时的一半。

可见，相对于直流电动机，异步电动机起动转矩较小。实际应用中，通常需要采取一定的措施，如通过选择起动方式来改善异步电动机的起动性能。

2.起动要求

起动转矩、起动电流是衡量电动机起动性能的主要技术指标，生产机械对三相异步电动机起动性能的具体要求如下。

1）起动转矩足够大，通常满足T_s =（1.4～2.2）T_N，T_s≥1.1T_L基本要求，以保证生产机械的正常起动。

2）起动电流尽可能小，通常满足I_s =（5～7）I_N。

3）其他，如起动设备起动操作方便、简单、经济，起动过程消耗的能量小、功率损耗小。

3.起动方法

笼型三相异步电动机的起动方式分为传统起动方法和软起动方法，见表3-6。

（1）传统起动方法

传统起动方法包括星/三角形减压起动（Y/△减压起动）、自耦变压器减压起动、串联电抗器减压起动和延边三角形减压起动等，这些方法控制电路简单，能够减小起动电流。但是，起动转矩也同时减小，且在切换瞬间产生二次冲击电流，产生破坏性的动态转矩，引起的机械振动对电动机转子、轴连接器、中间齿轮动态转矩以及负载等都是非常有害的。

1）直接起动。是否可以在额定电压下起动，主要考虑以下因素，即电动机与变压器的容量比、电动机与变压器间的线路长度、其他负载对于电压稳定性的要求、起动是否频繁、拖动系统的转动惯量大小等。

2）Y/△减压起动。针对正常运行时定子绕组采用△联结的三相笼型异步电动机，可以采用Y/△减压起动方式，即起动时，定子绕组采用Y联结，运行时再改接成△联结。其特点为设备简单、经济，但电压不能调节；仅仅适合运行时定子绕组为△联结的异步电动机；起动转矩小，适合空载或轻载起动。

3）自耦变压器减压起动。其特点为电动机定子电压下降到直接起动的K_J倍；冲击电流为直接起动的倍；起动转矩为直接起动的倍；灵活，但价高、体积大，不适合频繁起动。

4）定子回路串接电抗器减压起动。其特点为降低起动电流，不消耗电能，起动转矩下降很多，价高。

（2）软起动方法

软起动方法的研究起源于20世纪50年代，并于70年代末到80年代初投入市场应用。软起动器的调压装置在规定起动时间内，自动地将起动电压连续、平滑地上升，直到额定电压。软起动器的限流特性可以有效限制浪涌电流，避免不必要的冲击转矩以及对配电网络的电流冲击，有效地减少线路刀开关和接触器的误触发动作；针对频繁起停的电动机，可有效控制其温升并延长使用寿命。

软起动器主电路采用反并联晶闸管模块，通过控制导通角的大小，调节电动机起动电流变化，如大小、起动方式，减小起动功率损耗。软起动器的功能还包括电动机软停车、软制动、过载和断相保护，以及轻载节能运行；可设置软起动方式，包括斜坡电压软起动、恒流软起动、斜坡恒流软起动（先斜坡增加，达到I_sm时保持恒定，适用于空载或轻载起动）、脉冲恒流软起动（起动初始阶段为一个较大的起动冲击电流，产生起动冲击转矩克服静摩擦阻转矩）。不足之处是起动过程会产生谐波，影响电网电能质量。

4.高起动转矩异步电动机

三相异步电动机减压起动方式有助于降低起动电流，但同时也减小了起动转矩，起动性能不理想。为了改善起动性能，可通过在电动机转子绕组和转子槽形结构上进行改进设计，来获得高起动转矩。

（1）高转差率异步电动机

如图3-13所示，高转差率异步电动机、起重与冶金用异步电动机、力矩异步电动机都属于这种类型。其中，高转差率异步电动机适合拖动飞轮力矩较大和不均匀冲击负载及反转次数较多的机械设备，如锤击机、剪切机、冲压机以及小型运输机械等；起重与冶金用三相异步电动机用于起重、冶金设备，常常处于频繁起动和制动工作环境；力矩异步电动机的最大转矩约在s=1处，能在堵转到接近同步转速范围内稳定运行，转速随负载大小变化，适用于恒张力、恒线速传动设备，如卷扬机。不足之处是电动机运行时的效率降低。

（2）深槽式笼型异步电动机

如图3-14所示，其转子槽形窄而深，当转子导条中有电流流过时，槽中漏磁通分布如图3-14 a所示，可见，槽底部分导体磁通比槽口部分导体磁通要多。

电动机开始起动时，s=1，转子电流频率f₂ =sf₁ =f₁ ，为电源频率，转子漏电抗比较大，漏磁通也按此频率变化，此时槽底部分的漏电抗变大，槽口部分的漏电抗变小。起动时，转子漏阻抗比转子电阻大，在感应电动势的作用下，转子电流的大小取决于转子漏电抗。由于槽底与槽口漏电抗相差甚远，槽导体中电流分布极不均匀，电流集中在槽口部分，出现如图3-14 b中曲线1所示的电流趋肤效应现象。

电动机正常运行时，s很小，转子电流频率f₂ =sf₁也很低，转子漏电抗很小，在感应电动势作用下，转子电流的大小取决于转子电阻，槽导体中电流分布均匀，趋肤效应不明显，如图3-14 b中曲线2所示。

图3-15所示为深槽式笼型异步电动机的机械特性。电动机刚起动时，趋肤效应使导条内电流比较集中在槽口，相当于减少了导条的有效截面积，转子电阻增大；随着转速n的升高，趋肤效应逐渐减弱，转子电阻逐渐减小直到转子电阻自动变回到正常运行值。可见，深槽式笼型异步电动机的特点为起动时转子电阻加大、运行时恢复正常值，增加了电动机起动转矩，正常运行时转差率不大，电动机效率不降低；同时，其转子槽漏抗较大。不足是降低了电动机的功率因数，减小了最大转矩。

（3）双笼型异步电动机

如图3-16 a所示，双笼型异步电动机的转子上装有两套并联的笼条。其中，外笼导条截面积小，采用电阻率较高的黄铜制成，电阻较大；内笼导条截面积大，采用电阻率较低的纯铜制成，电阻较小。电动机运行时，导条内有交流电流通过，内笼漏磁链多、漏电抗较大；外笼漏磁链少、漏电抗较小。

电动机起动时，转子电流频率较高，电流的分配主要取决于电抗。内笼电抗大、电流小，外笼电抗小、电流大。因起动时外笼起主要作用，称为起动笼，其机械特性如图3-16 b中曲线1所示。正常运行时，转子电流频率很低，电流分配取决于电阻，因内笼电阻小、电流大，外笼电阻大、电流小，此时，内笼起主要作用，称为运行笼，其机械特性如图3-16 b中曲线2所示。图3-16 b中曲线3所示为双笼型异步电动机的机械特性，起动转矩增大，但是，相比普通异步电动机转子漏电抗大、功率因数稍低、效率几乎一样，适用于高转速大容量电动机，如压缩机、粉碎机、小型起重机、柱塞式水泵等。不足之处是电动机的功率因数降低了。

5.绕线转子三相异步电动机的起动

绕线转子三相异步电动机的转子回路可以外串三相对称电阻，以增大电动机的起动转矩。选择外串电阻r_s的大小，减小起动电流、增大起动转矩。在起动结束后，再切除外串电阻，电动机的效率不受影响。因此，绕线转子三相异步电动机可以应用于重载和频繁起动的生产机械上。绕线转子三相异步电动机主要有两种外串电阻起动方法。

（1）转子回路串电阻起动

分级起动并逐级切换电阻。图3-17所示为绕线转子三相异步电动机转子串电阻分级起动接线图与机械特性，起动过程分析如下。

1）起动：接触器触点KM₁、KM₂、KM₃断开，电动机定子接额定电压。转子每相串接起动电阻（ r_s1 +r_s2 +r_s3 ），电动机开始起动，起动点为曲线3的a点，起动转矩T₁ ＜T_m。

2）转速上升到b点：T=T₂（T＞T_L），为了加快起动过程，接触器触点KM₃闭合，切除电阻r_s3 ，忽略电动机电磁惯性、考虑拖动系统机械惯性，则电动机运行点由b变到机械特性曲线2上的c点，此时，T=T₁。

3）转速继续上升到d点：T=T₂（T＞T_L），为了加快起动过程，接触器触点KM₂闭合，切除电阻r_s2 ，忽略电动机电磁惯性、考虑拖动系统机械惯性，则电动机运行点由d变到机械特性曲线2上的e点，此时，T=T₁。

4）转速继续上升到f点：T=T₂（T＞T_L），为了加快起动过程，接触器触点KM₁闭合，切除电阻r_s1 ，忽略电动机电磁惯性、考虑拖动系统机械惯性，则电动机运行点由f变到机械特性曲线2上的g点，此时，T=T₁。

5）转速继续上升，经过h点最后稳定运行在j点。

至此，转子回路外串电阻分三级切除，称为三级起动。其中，T₁为最大起动转矩；T₂为最小起动转矩或切换转矩。

（2）转子串接频敏变阻器起动

频敏变阻器的阻值随转子转速升高自动减小（自动变阻），可以限制起动电流、增大起动转矩，使起动平稳。

频敏变阻器是一个三相铁心线圈，其铁心由实心铁板或钢板叠成，板的厚度为30～50mm，每一相的等效电路与变压器空载运行时的等效电路一致。起动时，电动机转子串接频敏变阻器，起动结束后，再切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。

忽略绕组漏阻抗，频敏变阻器的励磁阻抗Z_P为励磁电阻r_P与励磁电抗x_P串联组成，即Z_P =r_P +jx_P。频敏变阻器与一般的励磁变压器不一样，具有以下特点：在高频时，如50Hz，励磁电阻r_P比励磁电抗x_P大（ r_P ＞x_P ），同时，频敏变阻器的励磁阻抗比普通变压器的励磁阻抗小得多，因此，串接在转子回路，既限制了起动电流，又不至于使起动电流过小而减小起动转矩。

1）绕线转子三相异步电动机转子串接频敏变阻器起动时：s=1，转子回路电流的频率为f₁。因r_P ＞x_P ，表明转子回路主要串接了电阻，且r_P ＞＞r₂ ，使得转子回路功率因数大大提高，限制了起动电流、转矩增大，但因存在x_P ，电动机最大转矩稍有下降。

2）绕线转子三相异步电动机转子串接频敏变阻器起动过程：转速升高，转子回路电流频率sf₁逐渐减小，r_P、Z_P减小，电磁转矩保持较大值。起动结束后，sf₂、Z_P很小，频敏变阻器不起作用。

如图3-18所示，根据频敏变阻器在50 Hz时r_P较大、1～3Hz时Z_P≈0，有关参数随频率变化特点，可以获得起动转矩接近最大转矩的人为机械特性。