伍玩秋 ， 林毅貞 ， 劉文彬

（陽江職業(yè)技術(shù)學院機電系，廣東 陽江 529500）

與繞線轉(zhuǎn)子異步電動機相比，籠型異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、造價便宜、運行可靠、安全性高等特點。與高壓籠型異步電動機相比，低壓籠型異步電動機的供電電源更容易獲取，因而廣泛應用于家用電器、醫(yī)療器械、電動工具、輕工設(shè)備以及給排水設(shè)備、鼓風機、運輸機械、礦山機械等對起動性能和調(diào)整性能沒有特殊要求的機電裝備中。起動性能是衡量低壓籠型異步電動機質(zhì)量的一個重要指標，起動性能的好壞既影響電動機拖動系統(tǒng)的使用壽命，也事關(guān)電網(wǎng)及周圍用電設(shè)備的安全。因此，研究低壓籠型異步電動機起動性能的改進具有重要的現(xiàn)實意義。

1 低壓籠型異步電動機傳統(tǒng)起動方式的不足

低壓籠型異步電動機傳統(tǒng)起動方式存在起動電流偏大、起動轉(zhuǎn)矩偏小、起動過程不夠平滑等不足之處，既對電動機拖動系統(tǒng)本身造成負面影響，也對電網(wǎng)及周圍用電設(shè)備造成沖擊。如果采用直接起動（全壓起動）方式，籠型異步電動機起動過程的負面影響將十分明顯，大功率電動機尤其如此，因此，功率在75 kW以上的籠型異步電動機一般不宜采用直接起動方式。定子繞組串接電阻減壓起動、自耦變壓器減壓起動、Y-△減壓起動等起動方式都是通過先降低起動電壓，再分次提升電壓至額定電壓，使電動機轉(zhuǎn)速逐步提升，最后達到額定轉(zhuǎn)速。這些方式在限制起動電流、減小負面沖擊、增加起動平滑性方面有一定成效，但總體效果欠佳，還有進一步改進的空間。

2 改進低壓籠型異步電動機起動性能的方法

所有的改進方法必須滿足低壓籠型異步電動機最初的起動轉(zhuǎn)矩高于被拖動機械的轉(zhuǎn)矩，以確保順利起動；同時，盡量減小電動機起動過程對自身使用壽命的負面影響和對電網(wǎng)及周圍用電設(shè)備的沖擊。因此，低壓籠型異步電動機的改進應該以減小起動電流、增大起動轉(zhuǎn)矩、增加起動過程的平滑性為目標，而優(yōu)化電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或采用晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)可以實現(xiàn)這一目標。

2.1 變轉(zhuǎn)子鐵芯的普通槽為高深寬比的深槽

2.1.1 深槽式籠型異步電動機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與電磁特征

低壓深槽式籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子槽形既深又窄，深與寬之比一般不小于10，而普通籠型異步電動機的這個比值不超過5。當轉(zhuǎn)子導條中流過電流時，轉(zhuǎn)子槽的槽形及漏磁通分布如圖1（a）所示。從圖中可看出，與導條底部相交鏈的漏磁通明顯多于槽口部分相交鏈的漏磁通，如果將導條看作是由若干沿槽高細分的小導體并聯(lián)構(gòu)成，那么靠近槽底的小導體將具有較大的漏電抗，而接近槽口部分的小導體的漏電抗則相對較小[1]。

圖1 深槽式轉(zhuǎn)子導條內(nèi)電流的擠流效應

2.1.2 深槽式籠型異步電動機起動過程與工作原理

由于電動機剛起動時，轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子電流的頻率較高（等于定子電流的頻率50 Hz），導條的漏電抗值大于其電阻值，這時各小導體中的電流分配將主要取決于漏電抗，即漏電抗越大則電流越??；又由于受到由氣隙主磁通所感應的同一個電動勢的作用，沿槽高的電流密度將呈現(xiàn)如圖1（b）所示的分布狀，即靠近底部的轉(zhuǎn)子導條的電流密度將非常小，而靠近槽口的導條的電流密度將較大，即電流主要集中在槽口部分，這種現(xiàn)象被稱為趨膚效應（也叫擠流效應）。趨膚效應的效果相當于減小了導條的高度和截面，增大了轉(zhuǎn)子電阻，減小了起動電流；而槽口附近的導條的轉(zhuǎn)動半徑較大，大部分電流又集中在槽口附近，這樣轉(zhuǎn)子便能產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，從而優(yōu)化了電動機的起動性能。

當電動機起動完畢進入正常運行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率s很小，轉(zhuǎn)子電流頻率很低（一般只有1 Hz~3 Hz），這時導條的漏電抗很小，比轉(zhuǎn)子的電阻小得多，因此各小導體中電流的分配將主要取決于電阻；又由于各小導體的電阻相等，電流在導條中將均勻分布，趨膚效應幾乎消失，導條對電流的阻礙作用只表現(xiàn)為電阻（其漏電抗可以忽略不計），相當于正常運行時電動機轉(zhuǎn)子的電阻自動變小，從而減少轉(zhuǎn)子的銅損耗，提高了電動機的工作效率。

2.2 變單籠轉(zhuǎn)子為雙籠轉(zhuǎn)子

2.2.1 低壓雙籠型異步電動機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與電磁特征

如圖2所示，低壓雙籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子上有兩套同軸的籠子，即外籠和內(nèi)籠。其中，外籠由若干條水平放置的外籠導條和左右兩端豎直放置的兩個相同外端環(huán)組成，內(nèi)籠由若干條水平放置的內(nèi)籠導條和左右兩端豎直放置的兩個相同內(nèi)端環(huán)組成；內(nèi)籠和外籠既可以相互獨立，也可以有公共端環(huán)。對于焊接銅轉(zhuǎn)子，其槽形如圖3所示。外籠導條截面積較小，用黃銅或者鋁青銅等電阻率較大的材料制成，電阻較大；內(nèi)籠導條截面積較大，并用電阻率較小的紫銅制成，電阻相對較小。從圖3可看出，內(nèi)籠交鏈的漏磁通明顯比外籠多，因此，內(nèi)籠的漏電抗也比外籠的漏電抗大得多[2]。

圖2 雙籠轉(zhuǎn)子三維結(jié)構(gòu)圖

圖3 轉(zhuǎn)子外籠和內(nèi)籠的導條及周圍漏磁通分布

2.2.2 低壓雙籠型異步電動機起動過程與工作原理

當?shù)蛪弘p籠型異步電動機起動時，轉(zhuǎn)子電流頻率較高，轉(zhuǎn)子的漏電抗大于電阻，上籠轉(zhuǎn)子和下籠轉(zhuǎn)子電流的分布主要取決于漏電抗。由于內(nèi)籠的漏電抗比外籠的漏電抗大得多，因此電流主要集中于外籠；又由于外籠的半徑和電阻均較大，能產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩，因此電動機起動時外籠起到了主要作用，故外籠也可以稱為起動籠。同時，對整個轉(zhuǎn)子而言，集中絕大部分電流的外籠，其具有的較大電阻，又有效地抑制了整個轉(zhuǎn)子的電流，從而使低壓雙籠型異步電動機在起動過程中也呈現(xiàn)出起動轉(zhuǎn)矩增大、起動電流減小的優(yōu)良起動性能。

當電動機正常運行時，轉(zhuǎn)子電流頻率較低，轉(zhuǎn)子的漏電抗遠小于電阻，因此，轉(zhuǎn)子中電流的分布主要取決于電阻。由于內(nèi)籠的電阻小，外籠的電阻大，所以電流主要集中在內(nèi)籠，這時內(nèi)籠成為維持電動機正常運行的動力主體，故內(nèi)籠又可稱為運行籠。

雙籠型異步電動機的機械特性曲線可以認為是外籠機械特性曲線和內(nèi)籠機械特性曲線的合成。通過改變外籠和內(nèi)籠的參數(shù)，可以得到一系列不同的機械特性曲線，以適應不同負載的工作要求。

2.3 采用基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動系統(tǒng)

各種減壓起動方式及前述的兩種基于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的起動方式本質(zhì)上都屬于有級起動方式，起動過程不夠平滑，在電壓切換時還是會出現(xiàn)沖擊電流，并且由于起動設(shè)備的觸點較多而導致故障率偏高，維護工作量偏大。為進一步提高電動機起動過程的平滑性，采用基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動系統(tǒng)是一個不錯的選擇[3]。

2.3.1 基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其部件功能

如圖4所示，基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動系統(tǒng)由主電路和采集與控制單元組成。其中，主電路由交流電源、晶閘管組、旁路交流接觸器、電動機及切換模塊、驅(qū)動模塊、阻容吸收模塊等組成；采集與控制系統(tǒng)由控制器、電壓采集模塊、轉(zhuǎn)速采集模塊、電流采集模塊（圖中未畫出）、溫度采集模塊（圖中未畫出）等組成。以三相低壓籠型異步電動機為例，交流電源一般為380 V或660 V的三相正弦交流電源。晶閘管組由三對反并聯(lián)晶閘管組成，是相位調(diào)壓電路的核心元件，也是電動機起動過程中電流經(jīng)過的路徑。旁路交流接觸器與晶閘管組并聯(lián)，是電動機正常運行時電流經(jīng)過的路徑。電動機的負載可以采用星形或三角形連接方式。切換模塊接受來自控制器發(fā)出的指令，實現(xiàn)電流在晶閘管組所在支路和旁路交流接觸器所在支路之間的切換。驅(qū)動模塊起到信號放大和隔離作用，接收控制器發(fā)出的動作信號并進行轉(zhuǎn)換，為晶閘管組的通斷狀態(tài)提供動作信號。阻容吸收模塊用于濾除電網(wǎng)電流中的雜質(zhì)成分。控制器主要接收主電路電壓信號、電動機轉(zhuǎn)速信號、電動機電流信號、晶閘管組溫度信號等，并進行運算和處理，得到主電路電壓、電動機轉(zhuǎn)速、電動機電流、晶閘管組溫度等數(shù)值，適時向各種功能模塊發(fā)出相應的動作指令。還可以在設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，通過報警模塊（圖中未畫出）進行報警，利用通信模塊（圖中未畫出）實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)、動作指令的通訊。電壓采集模塊采集來自晶閘管組前端的主電路電壓信號，轉(zhuǎn)速采集模塊采集電動機轉(zhuǎn)速信號。

圖4 基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動系統(tǒng)原理圖

2.3.2 基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動系統(tǒng)的工作原理與過程

門極脈沖信號的相位變化將引起晶閘管控制角（交流電正弦波形中不導通部分對應的電角度）的變化，由于晶閘管的控制角與導通角（導通部分對應的電角度）之和為180°（定值），因此，也將引起導通角的變化。而晶閘管的導通角度又直接決定輸出電壓的幅值，所以控制角越小，導通角就越大，輸出電壓也就越大。在電動機正常起動過程中，晶閘管組是三相交流電源與負載之間的橋梁，也是對輸入的三相交流電壓進行調(diào)控的部件。通過控制晶閘管導通角的大小，可以改變晶閘管組的輸出電壓（即加在電動機定子繞組的電壓），使電動機的起動電流、起動時間、起動轉(zhuǎn)矩等按照工作要求所設(shè)定的 規(guī)律變化，從而確保電動機起動過程的平滑性和對工作要求的適應性。

當電動機起動過程完成后，旁路交流接觸器閉合，直接輸送出額定電壓至電動機，使電動機進入穩(wěn)定的額定運行狀態(tài)；同時短路掉所有的晶閘管，使晶閘管組停止工作，以避免其長期運行發(fā)熱，影響使用壽命，也避免了諧波干擾和不必要的電能損耗。此外，在軟起動系統(tǒng)發(fā)生故障情況下，閉合旁路交流接觸器使電動機全壓起動，以應對不時之需，提高了起動電路的可靠性。

2.3.3 基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動方式的優(yōu)點

基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機軟起動的實質(zhì)是無級降壓起動，與傳統(tǒng)有級降壓起動相比優(yōu)點突出：無機械觸點，起動電壓隨意可調(diào)，平滑性好，大大減小了起動電流對電動機拖動系統(tǒng)、電網(wǎng)及周圍用電負荷的負面沖擊[4]。值得一提的是，電動機軟起動系統(tǒng)的工作機理，同樣可以延伸至電動機的停機（剎車）過程的控制，實現(xiàn)軟停車功能，使停機過程平滑地減速，以克服電壓有級下降時通斷電瞬間沖擊電流產(chǎn)生的負面影響。

3 結(jié)語

采用深槽鐵芯的低壓籠型異步電動機和低壓雙籠型異步電動機，分別利用電動機起動過程中轉(zhuǎn)子電流頻率先高后低的特征，以及轉(zhuǎn)子鐵芯槽口與槽底或外籠與內(nèi)籠的漏電抗與電阻大小的易位關(guān)系，同時達到了增大起動轉(zhuǎn)矩、減小起動電流的目的，實現(xiàn)了起動性能的改進。它們的轉(zhuǎn)子漏電抗比普通籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子漏電抗稍大，適合應用于對功率因數(shù)和過載能力要求不高的電力拖動系統(tǒng)。相比較而言，后者的起動性能比前者好，但前者結(jié)構(gòu)相對復雜，制造成本相對較高。采用基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的低壓籠型異步電動機軟起動系統(tǒng)，通過逐漸增大晶閘管導通角的大小使其輸出電壓幅值逐漸上升，實現(xiàn)了電動機起動轉(zhuǎn)速的平滑上升，起動電流的負面沖擊更小，較好地滿足了負載運行的需要，可廣泛應用于對起動過程要求較高的各種場合[5]。