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(德州恒力電機有限責(zé)任公司，山東德州 253005)

低壓籠型三相異步電動機起動分析

張紅枝，張雪雪，張志勇，王以孟，陳金剛

(德州恒力電機有限責(zé)任公司，山東德州 253005)

敘述籠型三相異步電動機的起動性能和起動方式，對電機直接起動需滿足的條件進(jìn)行了說明，并介紹了籠型三相異步電動機常用降壓起動方式的優(yōu)缺點，便于用戶參考選用。

直接起動；降壓起動；機械特性；電流特性；軟啟動

0 引言

低壓籠型三相異步電動機具有體積小、效率高、噪聲低、振動小、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于對轉(zhuǎn)差率及其他性能無特殊要求的機械設(shè)備上，如水泵、鼓風(fēng)機、運輸機械、農(nóng)業(yè)機械、礦山機械等。當(dāng)電機容量較大時，在起動過程中會產(chǎn)生較大的電流，容易對電網(wǎng)和其它用電設(shè)備造成沖擊，所以受電網(wǎng)容量限制和保護(hù)其它電器設(shè)備正常工作的需要，對直接起動會造成電網(wǎng)沖擊較大的電機，在起動過程中采取必要的緩沖措施，以保證設(shè)備和電網(wǎng)正常運行。

電動機的起動是指電機從接通電源到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的全過程。低壓籠型三相異步電動機起動，需要考慮的主要因素是最初起動轉(zhuǎn)矩和起動電流，最初的起動轉(zhuǎn)矩必須高于被拖動機械的轉(zhuǎn)矩才能順利起動。運行設(shè)備要求低壓籠型三相異步電動機起動時能產(chǎn)生足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，使電動機順利轉(zhuǎn)動起來，同時盡量減小起動沖擊，保證設(shè)備平穩(wěn)起動。供電場所要求低壓籠型三相異步電動機起動時起動電流不要太大，避免電機起動時，電網(wǎng)上產(chǎn)生大的壓降，影響電網(wǎng)上其它電氣設(shè)備和電動機的正常運行。從起動的經(jīng)濟性考慮，起動設(shè)備應(yīng)盡量簡單和降低起動損耗。低壓籠型三相異步電動機起動分為直接起動和降壓起動兩種方式。

1 低壓籠型三相異步電動機起動轉(zhuǎn)矩與起動電流概述

電動機靠電磁轉(zhuǎn)矩T拖動機械負(fù)荷工作，其轉(zhuǎn)矩公式為

(1)

式中，CT—電動機機械參數(shù)的綜合系數(shù)，體現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)子的尺寸、氣隙大小等對轉(zhuǎn)矩的影響；R2、X20—電動機轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻和靜止?fàn)顟B(tài)下的感抗；U1—三相電源的線電壓；s—電動機的轉(zhuǎn)差率。

電動機起動時，轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子的漏電抗X2達(dá)到最大值X20，而轉(zhuǎn)子電阻R2通常很小，使X2?R2，此時的起動轉(zhuǎn)矩

(2)

附加電阻(1-s)R2/s=0，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子電路短路，此時

(3)

由于定子、轉(zhuǎn)子漏阻抗很小，所以起動電流Ist很大。一般情況下Ist=(5～7)IN，是額定電壓下的堵轉(zhuǎn)電流。由于轉(zhuǎn)子回路中電抗X2?R2，此時轉(zhuǎn)子電流的有功分量不大，故異步電動機的起動轉(zhuǎn)矩Tst不大。當(dāng)Tst=(1.0～2.0)TN，起動轉(zhuǎn)矩近似和轉(zhuǎn)子繞組電阻成正比，加大轉(zhuǎn)子繞組電阻可提高電動機的啟動能力。電動機在額定轉(zhuǎn)速下運行時，轉(zhuǎn)速n接近同步轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)差率s很小，大約為50%，轉(zhuǎn)子電阻為(1-s)/(s×R2)，數(shù)值很大，從而限制了定轉(zhuǎn)子電流數(shù)值，此時sX20?R2，轉(zhuǎn)子電路呈電阻性，轉(zhuǎn)矩公式近似為

(4)

在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，加大轉(zhuǎn)子繞組的電阻會同時加大電動機的轉(zhuǎn)差率，降低電機轉(zhuǎn)速?；\型三相異步電動機直接起動時的機械特性和電流特性見圖1。

圖1直接起動時的機械特性和電流特性

2 低壓籠型三相異步電動機直接起動的條件

電動機直接起動時，因起動電流大，會對電網(wǎng)造成影響，如果電源容量足夠大，而對電網(wǎng)造成的影響又不大，可以直接起動。在變壓器容量較小，而電動機容量又相對較大時，電動機起動過程中的加速轉(zhuǎn)距和沖擊電流對工作機械、供電系統(tǒng)都會造成很大影響。為了減小電動機起動時對生產(chǎn)機械和供電系統(tǒng)的影響，要對電動機起動時的加速轉(zhuǎn)距和沖擊電流加以限制。根據(jù)電動機的起動轉(zhuǎn)距與加在定子繞組端電壓的平方成正比，而電動機的定子電流與定子繞組端電壓近似成正比?？赏ㄟ^降低電動機起動時加在定子繞組的端電壓，達(dá)到限制其起動電流和起動轉(zhuǎn)距的目的。通常要求電機直接起動時，起動電流在電網(wǎng)中引起的電壓降控制在電網(wǎng)額定電壓的10%～15%以內(nèi)，可直接起動。一般11kW以下容量電動機可以直接起動。如果變壓器容量較大，直接起動的電動機容量可相應(yīng)增大，一般按經(jīng)驗公式核定

(5)

式中，k1—起動電流倍數(shù)；I1st—電動機的起動電流；I1N—電動機的額定電流；SN—電源變壓器總?cè)萘?；PN—電動機的額定功率。

例：有一臺需要經(jīng)常起動的鼠籠式感應(yīng)電動機，其PN=30kW,Ist/IN=6.5，如果供電變壓器(電源)容量為750kVA，且有照明負(fù)載直接啟動公式見式(6)。同樣的Ist/IN比值，功率超過多少kW的電動機不允許直接啟動見式(7)。

根據(jù)經(jīng)驗公式算出

(6)

滿足上述關(guān)系，故允許直接啟動。

根據(jù)式(6)求

(7)

可算出，額定功率超過32kW的電動機不允許直接起動。

綜上所述，低壓籠型三相異步電動機能否直接全壓起動，需根據(jù)電網(wǎng)的容量、起動頻次、線路允許干擾程度以及電機的安裝型式?jīng)Q定。通常需考核以下三方面：(1)被拖動機械能否承受電機直接起動時的沖擊轉(zhuǎn)矩；(2)電機端子上的計算電壓在電機頻繁起動時不應(yīng)低于額定電壓的90%，不頻繁起動時不應(yīng)低于額定電壓的85%；(3)電機起動時應(yīng)不影響其他負(fù)荷的正常運行。如不能滿足上述三方面中的任一要求時，需采用降壓起動以保證電網(wǎng)和設(shè)備的安全。降壓起動除了限制起動電流，有時也可用減小起動轉(zhuǎn)矩的方法，以減輕對機械設(shè)備的沖擊，保證平穩(wěn)加速。

3 低壓籠型三相異步電動機降壓起動方法

低壓籠型三相異步電動機常用的降壓起動方法分為：星形-三角形起動、定子回路串電阻起動、自耦變壓器降壓起動、軟啟動器降壓起動、變頻器降壓降頻起動。

3.1 星-三角起動

對于正常運行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動機來說，如果在起動時將定子繞組接成星形，待起動完畢后再接成三角形，就可以降低起動電流，減輕它對電網(wǎng)的沖擊。這樣的起動方式稱為星-三角降壓起動，或簡稱為星-三角起動(Y-△ 起動)，起動接線圖見圖2。

圖2 Y/△起動接線圖

3.2 定子回路串電阻和自耦變壓器降壓起動

定子回路串電阻的降壓起動方法能降低起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩顯著減小，所以只適用于空載或輕載起動。如果負(fù)載較重時，可采用自耦變壓器進(jìn)行降壓起動。自耦變壓器降壓起動時，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩降低的比值相同，與定子串電阻的起動方式相比較，在獲得同樣起動轉(zhuǎn)矩的條件下，這種方法的限流效果好。反之，若在相同的起動電流條件下，可獲得比較大的起動轉(zhuǎn)矩，故用自耦變壓器降壓起動的方法能帶動不同的負(fù)載起動。

3.3 軟啟動器降壓起動

軟啟動器啟動是利用可控硅的移相調(diào)壓原理來實現(xiàn)電動機的調(diào)壓起動，根據(jù)電機的負(fù)載特性來調(diào)節(jié)起動過程參數(shù)，通過降壓和限流的方法，使電機在整個起動過程中實現(xiàn)無沖擊平滑起動，同時軟啟動器兼具有短路、缺相、過熱、欠壓等保護(hù)功能。其特點為起動平穩(wěn)、對電網(wǎng)沖擊少、裝置功率適中、允許起動次數(shù)較高、比變頻器造價低，在大型機組和重要場合應(yīng)用較廣。軟啟動器既能改變電動機的起動特性保護(hù)拖動系統(tǒng)，保證電動機可靠起動，又能降低起動沖擊，且配有計算機通訊接口，可實現(xiàn)智能控制。

3.4 變頻器的降壓降頻起動

變頻器是利用電力半導(dǎo)體的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率電源的電機控制裝置，是現(xiàn)代電機控制領(lǐng)域技術(shù)含量最高、控制功能最全、控制效果最好的電機控制裝置，不但具有軟起動功能，而且可以在電機運行中進(jìn)行無級調(diào)速，實現(xiàn)變頻節(jié)能。變頻起動時，電動機可以在最大轉(zhuǎn)矩下起動，且起動電流倍數(shù)要比直接起動時小很多，從而減少定子繞組端部的電磁應(yīng)力，延長電機壽命。變頻器系統(tǒng)控制是低壓籠型三相異步電動機起動和變速控制及系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢。

采用變頻器控制的電機一般在低頻起動，隨著電源頻率和電壓的提高，電機逐漸加速，平滑起動(起動時間變長)。圖3是通過變頻器起動電機的起動，恒轉(zhuǎn)矩和恒功率運行時的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性圖。一般變頻器起動電機時，起動電流為電機額定電流的1.2～1.5倍，起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩70%～120%，可滿載起動。根據(jù)變頻器類型不同，變頻器起動電機的起動電流限制在額定電流的125%～200%以下。預(yù)置啟動模式可以充分利用電機最大轉(zhuǎn)矩，以滿足啟動轉(zhuǎn)矩和加減速的要求。

圖3變頻起動電機轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性圖

4 結(jié)語

低壓籠型三相異步電動機，在電網(wǎng)容量允許的情況下，優(yōu)先選用直接起動方式。對于大容量的電動機來說，當(dāng)提供電源的線路和變壓器容量不能滿足電動機直接起動的條件，或起動電流沖擊電網(wǎng)和電動機，影響電動機或其它用電設(shè)備的使用，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行不利時，為使電機的啟動電流控制在額定電流的3倍以內(nèi)，要采用降壓起動。由于軟啟動器和變頻器起動電流最小，容易實現(xiàn)無級調(diào)速，起動和運行中節(jié)約電能，是目前提倡的起動方法，但其維護(hù)復(fù)雜，技術(shù)含量高，一次性投資大。其次輕載啟動時可選用星-三角起動，起動電流中等，是以前和現(xiàn)在都是常用的方法。

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StartingAnalysisonLow-VoltageSquirrel-CageThree-PhaseAsynchronousMotor

ZhangHongzhi,ZhangXuexue,ZhangZhiyong,WangYimengandChenJingang

(Dezhou Hengli Electrical Machinery Co.,Ltd.,Dezhou 253005，China)

This paper mainly describes the starting performance and method of squirrel-cage three-phase asynchronous motor, illustrates the requirements that should be met in direct starting of motor, and introduces advantages and disadvantages of squirrel-cage three-phase asynchronous motor in common reduced voltage starting. It is benefit for users to refer and choose.

Direct starting；reduced voltage starting；mechanical characteristics；current feature；soft start

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.07

TM343+.2

B

1008-7281(2017)05-0023-004

張紅枝女1977年生；畢業(yè)于長春工業(yè)大學(xué)機械制造專業(yè)，現(xiàn)從事電機的制造、工藝及出廠檢測與故障分析工作.

2017-02-13