低壓籠型三相異步電動機起動分析

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(德州恒力電機有限責任公司，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、維護方便等優點，廣泛應用于對轉差率及其他性能無特殊要求的機械設備上，如水泵、鼓風機、運輸機械、農業機械、礦山機械等。當電機容量較大時，在起動過程中會產生較大的電流，容易對電網和其它用電設備造成沖擊，所以受電網容量限制和保護其它電器設備正常工作的需要，對直接起動會造成電網沖擊較大的電機，在起動過程中采取必要的緩沖措施，以保證設備和電網正常運行。

電動機的起動是指電機從接通電源到達額定轉速的全過程。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矩和起動電流，最初的起動轉矩必須高于被拖動機械的轉矩才能順利起動。運行設備要求低壓籠型三相異步電動機起動時能產生足夠大的起動轉矩，使電動機順利轉動起來，同時盡量減小起動沖擊，保證設備平穩起動。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，電網上產生大的壓降，影響電網上其它電氣設備和電動機的正常運行。從起動的經濟性考慮，起動設備應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矩與起動電流概述

電動機靠電磁轉矩T拖動機械負荷工作，其轉矩公式為

(1)

式中，CT—電動機機械參數的綜合系數，體現電動機轉子的尺寸、氣隙大小等對轉矩的影響；R2、X20—電動機轉子繞組的等效電阻和靜止狀態下的感抗；U1—三相電源的線電壓；s—電動機的轉差率。

電動機起動時，轉速n=0，轉差率s=1，轉子的漏電抗X2達到最大值X20，而轉子電阻R2通常很小，使X2?R2，此時的起動轉矩

(2)

附加電阻(1-s)R2/s=0，相當于轉子電路短路，此時

(3)

由于定子、轉子漏阻抗很小，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電流。由于轉子回路中電抗X2?R2，此時轉子電流的有功分量不大，故異步電動機的起動轉矩Tst不大。當Tst=(1.0～2.0)TN，起動轉矩近似和轉子繞組電阻成正比，加大轉子繞組電阻可提高電動機的啟動能力。電動機在額定轉速下運行時，轉速n接近同步轉速n1，轉差率s很小，大約為50%，轉子電阻為(1-s)/(s×R2)，數值很大，從而限制了定轉子電流數值，此時sX20?R2，轉子電路呈電阻性，轉矩公式近似為

(4)

在轉矩不變的情況下，加大轉子繞組的電阻會同時加大電動機的轉差率，降低電機轉速?；\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，會對電網造成影響，如果電源容量足夠大，而對電網造成的影響又不大，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距和沖擊電流對工作機械、供電系統都會造成很大影響。為了減小電動機起動時對生產機械和供電系統的影響，要對電動機起動時的加速轉距和沖擊電流加以限制。根據電動機的起動轉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，達到限制其起動電流和起動轉距的目的。通常要求電機直接起動時，起動電流在電網中引起的電壓降控制在電網額定電壓的10%～15%以內，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增大，一般按經驗公式核定

(5)

式中，k1—起動電流倍數；I1st—電動機的起動電流；I1N—電動機的額定電流；SN—電源變壓器總容量；PN—電動機的額定功率。

例：有一臺需要經常起動的鼠籠式感應電動機，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)。

根據經驗公式算出

(6)

滿足上述關系，故允許直接啟動。

根據式(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，需根據電網的容量、起動頻次、線路允許干擾程度以及電機的安裝型式決定。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矩；(2)電機端子上的計算電壓在電機頻繁起動時不應低于額定電壓的90%，不頻繁起動時不應低于額定電壓的85%；(3)電機起動時應不影響其他負荷的正常運行。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和設備的安全。降壓起動除了限制起動電流，有時也可用減小起動轉矩的方法，以減輕對機械設備的沖擊，保證平穩加速。

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，但起動轉矩顯著減小，所以只適用于空載或輕載起動。如果負載較重時，可采用自耦變壓器進行降壓起動。自耦變壓器降壓起動時，起動電流和起動轉矩降低的比值相同，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矩，故用自耦變壓器降壓起動的方法能帶動不同的負載起動。

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壓原理來實現電動機的調壓起動，根據電機的負載特性來調節起動過程參數，通過降壓和限流的方法，使電機在整個起動過程中實現無沖擊平滑起動，同時軟啟動器兼具有短路、缺相、過熱、欠壓等保護功能。其特點為起動平穩、對電網沖擊少、裝置功率適中、允許起動次數較高、比變頻器造價低，在大型機組和重要場合應用較廣。軟啟動器既能改變電動機的起動特性保護拖動系統，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，是現代電機控制領域技術含量最高、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行無級調速，實現變頻節能。變頻起動時，電動機可以在最大轉矩下起動，且起動電流倍數要比直接起動時小很多，從而減少定子繞組端部的電磁應力，延長電機壽命。變頻器系統控制是低壓籠型三相異步電動機起動和變速控制及系統節能的發展趨勢。

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，恒轉矩和恒功率運行時的轉矩-轉速特性圖。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，起動轉矩為額定轉矩70%～120%，可滿載起動。根據變頻器類型不同，變頻器起動電機的起動電流限制在額定電流的125%～200%以下。預置啟動模式可以充分利用電機最大轉矩，以滿足啟動轉矩和加減速的要求。

圖3變頻起動電機轉速-轉矩特性圖

4 結語

低壓籠型三相異步電動機，在電網容量允許的情況下，優先選用直接起動方式。對于大容量的電動機來說，當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和電動機，影響電動機或其它用電設備的使用，對電網穩定運行不利時，為使電機的啟動電流控制在額定電流的3倍以內，要采用降壓起動。由于軟啟動器和變頻器起動電流最小，容易實現無級調速，起動和運行中節約電能，是目前提倡的起動方法，但其維護復雜，技術含量高，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；畢業于長春工業大學機械制造專業，現從事電機的制造、工藝及出廠檢測與故障分析工作.

2017-02-13