三相異步電動機的起動和制動方法

2011-06-02 01:33:52炎黃職業技術學院信息工程系雷時榮

電子世界 2011年15期

炎黃職業技術學院信息工程系雷時榮

引言

電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態加速到穩定運行狀態的過程。三相異步電動機除了運行于電動狀態外，還時常運行于制動狀態。

運行于電動狀態時，Tem與n方向相同，Tem是驅動轉矩，電動機從電網吸收電能并轉換成機械能從軸上輸出，其機械特性位于第一或第三象限。運行于制動狀態時，Tem與n方向相反，Tem是制動轉矩，電動機從軸上吸收機械能并轉換成電能，該電能或消耗在電機內部，或反饋回電網，其機械特性位于第二或第四象限。

本篇將分別介紹籠型異步電動機和繞線轉子異步電動機的起動方法，異步電動機的能耗制動、反接制動和回饋制動方法。

1.三相籠型異步電動機的起動

籠型異步電動機的起動方法有兩種：直接起動和降壓起動。下面分別進行介紹。

1.1 直接起動

直接起動也稱全壓起動。起動時，電動機定子繞組直接接入額定電壓的電網上。這是一種最簡單的起動方法，不需要復雜的起動設備，但是，它的起動性能恰好與所要求的相反。即：

1.1.1 起動電流Ist大

對于普通籠型異步電動機，起動電流倍數kI=Ist/IN=4～7。起動電流大的原因是：起動時，n=O，s=1，轉子電動勢很大，所以轉子電流很大，根據磁動勢平衡關系，定子電流也必然很大。

1.1.2 起動轉矩Tst不大

對于普通籠型異步電動機，起動轉矩倍數kst=Tst/TN=1～2。

起動時，起動電流大而起動轉矩不大，可以從機械特性物理表達式

Tem=CTΦOI2'cosφ2來說明：

首先，起動時的轉差率（s=1）遠大于正常運行時的轉差率（s=O.O1～O.O6）。

起動時轉子電路的功率因數角φ2=ar-ctan(sX2’)/(R2’)很大，轉子的功率因數cosφ2很低（一般只有O.3左右），因此，起動時雖然I2'大，但其有功分量I2'cosφ2并不大，所以起動轉矩不大。

其次，由于起動電流大，定子繞組漏抗壓降大，使定子繞組感應電動勢E1減小，導致對應的氣隙磁通量Φ減小（起動瞬間Φ約為額定值的一半），這是造成起動轉矩不大的另一個原因。

通過以上分析可見，籠型異步電動機直接起動時，起動電流大，而起動轉矩不大，這樣的起動性能是不理想的。過大的起動電流對電網電壓的波動及電動機本身均會帶來不利影響，因此，直接起動一般只在小容量電動機中使用，如7.5kW以下的電動機可采用直接起動。如果電網容量很大，就可允許容量較大的電動機直接起動。若電動機的起動電流倍數kI滿足于電動機容量與電網容量的下列經驗公式：

kI≤1/4[3+電網容量（kV?A）/電動機容量（kW)]

則電動機便可直接起動，否則應采用下面介紹的降壓起動方法。

1.2 降壓起動

降壓起動的目的是限制起動電流。起動時，通過起動設備使加到電動機上的電壓小于額定電壓，待電動機轉速上升到一定數值時，再使電動機承受額定電壓，保證電動機在額定電壓下穩定工作。下面介紹兩種常見的降壓起動方法。

（1）Y-△降壓起動

Y-△降壓起動，即星形——三角形降壓起動，只適用于正常運行時定子繞組為三角形聯結的電動機。起動接線原理圖如圖1所示。

起動時先將開關S2投向“起動”側，將定子繞組接成星形（Y聯結），然后合上開關S1進行起動。此時，定子每相繞組電壓為額定電壓的1/√3，從而實現了降壓起動。待轉速上升至一定數值時，將S2投向“運行”側，恢復定子繞組為三角形（△）聯結，使電動機在全壓下運行。

設電動機額定電壓為UN，短路阻抗為ZS，由簡化等效電路可得：

Y聯結時的起動電流為IstY=UN/√3ZS

△ 聯結時的起動電流（線電流），即直接起動電流為Ist△=√3UN/ZS

根據Tst∝U12，可得起動轉矩減小的倍數為：

可見，Y-△降壓起動操作方便，起動設備簡單，應用較為廣泛，但它僅適用于正常運行時定子繞組作三角形聯結的電動機，因此作一般用途的小型異步電動機，當容量大于4kW時，定子繞組都采用三角形聯結。由于起動轉矩為直接起動時的1/3，這種起動方法多用于空載或輕載起動。

（2）自耦變壓器降壓起動

這種起動方法是通過自耦變壓器把電壓降低后再加到電動機定子繞組上，以達到減小起動電流的目的。自耦變壓器一般有三個分接頭可供選用，其接線原理圖如圖2所示。

起動時，把開關S2投向“起動”側，并合上開關S1，這時自耦變壓器一次繞組加全電壓，而電動機定子電壓為自耦變壓器二次抽頭部分的電壓，電動機在低壓下起動。待轉速上升至一定數值時，再把開關S2切換到“運行”側，切除自耦變壓器，電動機在全壓下運行。

2.三相繞線型異步電動機的起動

三相籠型異步電動機直接起動時，起動電流大，起動轉矩不大；降壓起動時，雖然減小了起動電流，但起動轉矩也隨電壓的平方關系減小，因此籠型異步電動機只能用于空載或輕載起動。

繞線轉子異步電動機，若轉子回路串入適當的電阻，既能限制起動電流，又能增大起動轉矩，同時克服了籠型異步電動機起動電流大，起動轉矩不大的缺點，這種起動方法適用于大、中容量異步電動機重載起動。繞線轉子異步電動機的起動分為轉子串電阻和轉子串頻敏變阻器兩種起動方法。

圖1 異步電動機Y-△降壓起動原理接線圖

圖2 異步電動機的自耦變壓器降壓起動原理接線圖

圖3 三相繞線轉子異步電動機轉子串電阻接線圖

圖4 三相繞線轉子異步電動機轉子串電阻分級起動機械特性圖

圖5 三相繞線異步電動機轉子串頻敏變阻器起動原理接線圖

圖6 三相繞線異步電動機轉子串頻敏變阻器起動機械特性曲線

圖7 三相異步電動機的能耗制動原理接線圖

2.1 轉子串電阻起動

為了在整個起動過程中得到較大的加速轉矩，并使起動過程比較平滑，應在轉子回路中串入多級對稱電阻。起動時，隨著轉速的升高，逐段切除起動電阻，這與直流電動機電樞串電阻起動類似，稱為電阻分級起動。圖3為三相繞線轉子異步電動機轉子串接對稱電阻分級起動的接線圖，圖4為對應三級起動時的機械特性圖。

起動中，電動機由a點開始起動，經機械特性曲線的b→c→d→e→f→g→h，完成起動過程。

2.2 轉子串接頻敏變阻器起動

繞線轉子異步電動機采用轉子串接電阻起動時，若想在起動過程中保持有較大的起動轉矩且起動平穩，則必須采用較多的起動級數，這必然導致起動設備復雜化。為了克服這個問題，可以采用頻敏變阻器起動。頻敏變阻器是一鐵損很大的三相電抗器，從結構上看，它好像一個沒有二次繞組的三相心式變壓器，它的鐵心是用較厚的鋼板疊成。三個繞組分別繞在三個鐵心柱上并作星形聯結，然后接到轉子滑環上。三相繞線異步電動機轉子串頻敏變阻器起動電路原理圖如圖5所示。

起動時，S2斷開，轉子串入頻敏變阻器，S1閉合，電機通電開始起動。

在起動過程中，它自動、無級地減小電阻，如果參數選擇適當，可以在起動過程中保持轉矩近似不變，使起動過程平穩、快速。這時電動機的機械特性如圖6所示，圖中曲線1是電動機的固有機械特性。

頻敏變阻器的結構簡單，運行可靠，使用維護方便，因此使用廣泛。

3.三相異步電動機的制動

3.1 能耗制動

異步電動機的能耗制動接線圖如圖7所示。制動時，接觸器觸點S1斷開，電動機脫離電網，同時觸點S2閉合，在定子繞組中通入直流勵磁電流，于是定子繞組便產生一個恒定的磁場。轉子因慣性而繼續旋轉并切割該恒定磁場，轉子導體中便產生感應電動勢及感應電流。轉子感應電流與恒定磁場作用產生的電磁轉矩為制動轉矩，因此轉速迅速下降，當轉速下降為零時，轉子感應電動勢和感應電流均為零，制動過程結束。

制動期間，轉子的動能轉變為電能消耗在轉子回路電阻上，故稱為能耗制動。

能耗制動廣泛應用于要求平穩準確停車的場合，也可應用于起重機一類帶位能性負載的機械上，用來限制重物下降的速度，使重物保持勻速下降。

3.2 反接制動

當異步電動機轉子的旋轉方向與定子磁場的旋轉方向相反時，電動機便處于反接制動狀態。它有兩種情況，一是在電動狀態下突然將電源兩相反接，使定子旋轉磁場的方向由原來的順轉子轉向改為逆轉子轉向，這種情況下的制動稱為定子兩相反接的反接制動；二是保持定子磁場的轉向不變，而轉子在位能性負載作用下進入倒拉反轉，這種情況下的制動稱為倒拉反轉的反接制動。