低壓籠型異步電動機(jī)起動性能改進(jìn)的幾種實(shí)用方法

伍玩秋 ， 林毅貞 ， 劉文彬

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東 陽江 529500）

與繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)相比，籠型異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、造價(jià)便宜、運(yùn)行可靠、安全性高等特點(diǎn)。與高壓籠型異步電動機(jī)相比，低壓籠型異步電動機(jī)的供電電源更容易獲取，因而廣泛應(yīng)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(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械等對起動性能和調(diào)整性能沒有特殊要求的機(jī)電裝備中。起動性能是衡量低壓籠型異步電動機(jī)質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，起動性能的好壞既影響電動機(jī)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(jī)起動性能的改進(jìn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 低壓籠型異步電動機(jī)傳統(tǒng)起動方式的不足

低壓籠型異步電動機(jī)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(jī)拖動系統(tǒng)本身造成負(fù)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(jī)起動過程的負(fù)面影響將十分明顯，大功率電動機(jī)尤其如此，因此，功率在75 kW以上的籠型異步電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速逐步提升，最后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。這些方式在限制起動電流、減小負(fù)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(jìn)一步改進(jìn)的空間。

2 改進(jìn)低壓籠型異步電動機(jī)起動性能的方法

所有的改進(jìn)方法必須滿足低壓籠型異步電動機(jī)最初的起動轉(zhuǎn)矩高于被拖動機(jī)械的轉(zhuǎn)矩，以確保順利起動；同時(shí)，盡量減小電動機(jī)起動過程對自身使用壽命的負(fù)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(jī)的改進(jìn)應(yīng)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(biāo)，而優(yōu)化電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)或采用晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

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(jī)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(jī)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(jī)的這個(gè)比值不超過5。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中流過電流時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)條看作是由若干沿槽高細(xì)分的小導(dǎo)體并聯(lián)構(gòu)成，那么靠近槽底的小導(dǎo)體將具有較大的漏電抗，而接近槽口部分的小導(dǎo)體的漏電抗則相對較小[1]。

圖1 深槽式轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)電流的擠流效應(yīng)

2.1.2 深槽式籠型異步電動機(jī)起動過程與工作原理

由于電動機(jī)剛起動時(shí)，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(dǎo)條的漏電抗值大于其電阻值，這時(shí)各小導(dǎo)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小；又由于受到由氣隙主磁通所感應(yīng)的同一個(gè)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(dǎo)條的電流密度將非常小，而靠近槽口的導(dǎo)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(yīng)（也叫擠流效應(yīng)）。趨膚效應(yīng)的效果相當(dāng)于減小了導(dǎo)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(dǎo)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(jī)的起動性能。

當(dāng)電動機(jī)起動完畢進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(shí)導(dǎo)條的漏電抗很小，比轉(zhuǎn)子的電阻小得多，因此各小導(dǎo)體中電流的分配將主要取決于電阻；又由于各小導(dǎo)體的電阻相等，電流在導(dǎo)條中將均勻分布，趨膚效應(yīng)幾乎消失，導(dǎo)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(jì)），相當(dāng)于正常運(yùn)行時(shí)電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dǎo)條和左右兩端豎直放置的兩個(gè)相同外端環(huán)組成，內(nèi)籠由若干條水平放置的內(nèi)籠導(dǎo)條和左右兩端豎直放置的兩個(gè)相同內(nèi)端環(huán)組成；內(nèi)籠和外籠既可以相互獨(dú)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)條及周圍漏磁通分布

2.2.2 低壓雙籠型異步電動機(jī)起動過程與工作原理

當(dāng)?shù)蛪弘p籠型異步電動機(jī)起動時(shí)，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(jī)起動時(shí)外籠起到了主要作用，故外籠也可以稱為起動籠。同時(shí)，對整個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)子的電流，從而使低壓雙籠型異步電動機(jī)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(dāng)電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電流頻率較低，轉(zhuǎn)子的漏電抗遠(yuǎn)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(shí)內(nèi)籠成為維持電動機(jī)正常運(yùn)行的動力主體，故內(nèi)籠又可稱為運(yùn)行籠。

雙籠型異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線可以認(rèn)為是外籠機(jī)械特性曲線和內(nèi)籠機(jī)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(jī)械特性曲線，以適應(yīng)不同負(fù)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(jī)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(shí)還是會出現(xiàn)沖擊電流，并且由于起動設(shè)備的觸點(diǎn)較多而導(dǎo)致故障率偏高，維護(hù)工作量偏大。為進(jìn)一步提高電動機(jī)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(jī)軟起動系統(tǒng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇[3]。

2.3.1 基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)正常運(yùn)行時(shí)電流經(jīng)過的路徑。電動機(jī)的負(fù)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(shí)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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速信號、電動機(jī)電流信號、晶閘管組溫度信號等，并進(jìn)行運(yùn)算和處理，得到主電路電壓、電動機(jī)轉(zhuǎn)速、電動機(jī)電流、晶閘管組溫度等數(shù)值，適時(shí)向各種功能模塊發(fā)出相應(yīng)的動作指令。還可以在設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下，通過報(bào)警模塊（圖中未畫出）進(jìn)行報(bào)警，利用通信模塊（圖中未畫出）實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速信號。

圖4 基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機(jī)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(jī)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(dǎo)通部分對應(yīng)的電角度）的變化，由于晶閘管的控制角與導(dǎo)通角（導(dǎo)通部分對應(yīng)的電角度）之和為180°（定值），因此，也將引起導(dǎo)通角的變化。而晶閘管的導(dǎo)通角度又直接決定輸出電壓的幅值，所以控制角越小，導(dǎo)通角就越大，輸出電壓也就越大。在電動機(jī)正常起動過程中，晶閘管組是三相交流電源與負(fù)載之間的橋梁，也是對輸入的三相交流電壓進(jìn)行調(diào)控的部件。通過控制晶閘管導(dǎo)通角的大小，可以改變晶閘管組的輸出電壓（即加在電動機(jī)定子繞組的電壓），使電動機(jī)的起動電流、起動時(shí)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(jī)起動過程的平滑性和對工作要求的適應(yīng)性。

當(dāng)電動機(jī)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(jī)，使電動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的額定運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)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(yùn)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(jī)全壓起動，以應(yīng)對不時(shí)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(jī)軟起動方式的優(yōu)點(diǎn)

基于晶閘管相位調(diào)壓技術(shù)的電動機(jī)軟起動的實(shí)質(zhì)是無級降壓起動，與傳統(tǒng)有級降壓起動相比優(yōu)點(diǎn)突出：無機(jī)械觸點(diǎn)，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(jī)拖動系統(tǒng)、電網(wǎng)及周圍用電負(fù)荷的負(fù)面沖擊[4]。值得一提的是，電動機(jī)軟起動系統(tǒng)的工作機(jī)理，同樣可以延伸至電動機(jī)的停機(jī)（剎車）過程的控制，實(shí)現(xiàn)軟停車功能，使停機(jī)過程平滑地減速，以克服電壓有級下降時(shí)通斷電瞬間沖擊電流產(chǎn)生的負(fù)面影響。

3 結(jié)語

采用深槽鐵芯的低壓籠型異步電動機(jī)和低壓雙籠型異步電動機(jī)，分別利用電動機(jī)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(shí)達(dá)到了增大起動轉(zhuǎn)矩、減小起動電流的目的，實(shí)現(xiàn)了起動性能的改進(jìn)。它們的轉(zhuǎn)子漏電抗比普通籠型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子漏電抗稍大，適合應(yīng)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(fù)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(jī)軟起動系統(tǒng)，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角的大小使其輸出電壓幅值逐漸上升，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)起動轉(zhuǎn)速的平滑上升，起動電流的負(fù)面沖擊更小，較好地滿足了負(fù)載運(yùn)行的需要，可廣泛應(yīng)用于對起動過程要求較高的各種場合[5]。