三相交流鼠笼式异步电动机常用起动方式分类与比较.docx

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三相交流鼠笼式异步电动机常用起动方式分类与比较【摘要】本文对三相交流异步电动机工作原理及机械特性进行阐述，详细介绍三相鼠笼式交流异步电动机几种常用起动方式。【关键词】三相异步电动机；星-三角起动；自耦降压起动；软起动器；变频器1.前言三相交流异步电动机是实现电能和机械能互相转换的旋转装置，一般有鼠笼式电动机和线绕式电动机两种，因为鼠笼式电动机具有价格低、结构简单、运行可靠、维修方便、效率高等优点，广泛应用工业、农业、民用设备中。本文主要讲述的是三相鼠笼式电动机，在额定电压下直接起动鼠笼式异步电机，起动电流非常大，引起电网电压下降，同时影响电网上其它用电设备的正常运行，对于电机本身来说，冲击电流造成局部温升过大，降低电机寿命，给机械系统带来强大的机械冲力，冲击电流会以电磁波的形式干扰电器仪表的正常运行。因此在电动机起动过程中，如何降低起动电流，增大起动转矩，为使电动机能够迅速达到额定转速正常工作，对设备不造成损坏，就要按照实际情况和自身条件来选择适当的起动方式。2.三相交流异步电动机工作原理三相异步电动机由定子和转子两个基本部分组成，定子由铁心，定子绕组和机座三个主要部分组成，其作用是产生旋转磁场，并从电网吸收电能，转子由转子铁心，转子绕组和转轴组成，其作用是产生电磁转矩，并输出机械能。定子三相绕组首、尾端均引至电动机接线板上，U1-U2、V1-V2、W1-W2为三相绕组，U1、V1、W1表示三相绕组首端，U2、V2、W2表示三相绕组尾端。将U2、V2、W2短接，绕组为星形联接；将U1和W2、V1和U2、W1和V2分别短接，绕组为三角形联接。图1所示定子绕组的星形连接和三角形联接。三相绕组中通入三相电流iU、iV、iW后，产生在空间旋转的合成磁场。磁场旋转方向与电流相序一致。静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。图2所示电动机旋转磁场形成图。三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：由上式可知，旋转磁场的转速n0决定于电源频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数，单位为r/min。电动机正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速no，因而称为异步电动机。异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：三相异步电动机转矩是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而产生的。因转子电路是电感性的，转子电流I2比转子电动势E2滞后φ2角。则电磁转矩T与磁通Φ及转子电流I2的关系为：式中kT、k是与电动机结构有关的常数，cosφ2是转子电路的功率因数，转矩T单位为N・m。可见，转矩T与定子绕组的每相电压U1的平方成正比，所以当电源电压变化时，电动机输出转矩也要改变。此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。一般中小型鼠笼式电机直接起动电流为额定电流的4～7倍；电动机起动转矩为额定转矩的（1～2.2）倍，起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大转子感应电动势上升转子电流上升定子电流上升。异步电动机额定转矩是指电动机在额定功率和额定转速下运行时的转矩TN：式中：PN为三相异步电动机额定功率，单位为W；nN为额定转速。机械特性是指三相异步电动机工作在额定电压和额定频率下，由电动机本身固有的参数所决定的转速n随电磁转矩T而变化的关系曲线，即n=f（T）曲线，如图3所示。从机械特性曲线上可以看出，曲线由HP和PA两部分组成。⑴HP部分在这一线段上，转矩从0～Tmax，转差率从0～sm，随着转矩T的增加，转速降低。此线段为稳定运行段。⑵PA部分在这一曲线段上，转矩从Tmax～Tst，转差率从sm～1，随着转矩T的减小，转速也减小，这部分为一曲线段，是电动机拖动通风机类负载时稳定运行的曲线段。理想空载点H：这时n=n1，s=0，电磁转矩T=0，转子电流I2及定子电流I1均为零。实际上电动机不可能在此点工作。最大转矩点P：这时电磁转矩达到最大值Tmax，对应的转差率为临界转差率sm，最大转矩较额定转矩越大，电动机过载能力越强。起动点A：这时转子转速n=0，转差率s=1，电磁转矩为起动转矩Tst，启动转矩较额定转矩越大，电动机的起动能力越强。3.三相交流异步电动机起动方式分类及工作原理三相异步电动机从接通电源，转子从静止状态转到稳定状态运转的过程，称为起动过程。电动机起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。鼠笼式异步电动机起动常用方法有直接起动、自耦减压起动、星-三角起动、软起动、变频起动等。3.1直接起动直接起动就是利用闸刀开关或交流接触器将电动机直接接入电网，使其在额定电压下起动，又叫全压起动。这种起动方法最简单，操作方便，起动时间短，但起动电流大，对电网造成冲击，引起电压波动，一般只适用于7.5KW以下的电动机起动，且是供电变压器容量的20%～30%。图4所示单向控制起动电路图。起动过程：合上主电路空气断路器QF，按下起动按钮SB2，接触器KM线圈通电，与SB2并联的KM辅助常开触点闭合，确保松开SB2后，KM线圈持续通电，也称自锁，KM主触点闭合，电动机M连续运转。停止过程：按下停止按钮SB1，KM线圈失电，同时KM辅助触点也断开，解除自锁，KM主触点断开，电动机停转。FR是过载保护热继电器，过载时，热继电器发热元件发热，其常闭触点断开，KM线圈失电，KM主触点断开，电动机停转。故障排除后，若要重新起动，需按FR复位按钮，使FR常闭触点闭合，再按下SB2即可。3.2降压起动降压起动目的是为了限制起动电流，减小电动机起动时对电网的影响，其方法是在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，待电动机转速接近稳定时，再把电压恢复到正常值。由于电动机的转矩与其电压平方成正比，所以降压起动时转矩亦会相应减小，常用降压起动具体方法有星-三角起动、自耦变压器起动两种：3.2.1星-三角起动星-三角控制是大容量三相交流异步电动机三角形连接方式常用降压起动控制方法，起动时，电机定子绕组是星形接法，每相绕组所受电压降低到运行电压的，起动电流为直接起动时的，起动转矩也同时减小到直接启动的，减少电机起动过程中承受的冲击，保护电动机和降低对电网电压的影响，等到转速接近额定值时，再使绕组恢复到三角形连接，使电动机正常运行，因此该起动方法只适用于空载或轻载起动。图5所示三相异步电动机星-三角减压起动电路图。起动过程：合主电路空气断路器QF，按下启动按钮SB2，电源A相保险FU2停止按钮SB1常闭触点启动按钮SB2常开触点KM3常闭触点分成两路：①时间继电器KT线圈FR常闭触点保险FU2电源C相。KT线圈通电，计时开始。②KT常闭触点KM2线圈FR常闭触点保险FU1电源C相。KM2线圈通电吸合，KM2主触点闭合，将电动机M三相绕组接成星形；KM2辅助常开触点闭合，KM1线圈得电，并接在SB2按钮两端的KM1常开触点闭合自保，主回路KM1主触点闭合，电动机M起动运转。待电动机M转速达到一定程度时，KT延时时间到，延时常闭触点断开，KM2线圈失电，主触点断开，电动机M绕组星点断开，电动机M处于惯性运转中，KM2辅助常闭触点闭台，KM3线圈得电吸合，主触点接通，将电动机M三相绕组接成三角形，电动机得到380Vac电压，起动运转，进入正常运行状态。停止过程：按SB1，或电动机M出现异常过电流使FR动作时，控制电路断电，KM1、KM3线圈失电释放，电动机M脱离电源，停止运转。3.2.2自耦降压起动电动机定子通过有级调整电压的自耦变压器接至电网的降压起动方式称为电动机自耦减压起动，自耦降压起动方式适用于容量较大而正常运行时星型联接的鼠笼型异步电动机，利用三相自耦变压器（40%、60%、80%等多种抽头）将电动机在起动过程中的端电压降低，减小起动电流和起动转矩，图6为自耦降压起动电路接线图。起动过程：合主电路空气断路器QF，按启动按钮SB2，KM1线圈通电吸合并自锁，KM1主触头闭合，将自耦变压器线圈TM接成星形。KM1辅助常开触点闭合的通路分成两路：①KM2线圈通电吸合，KM2主触点闭合，TM低压抽头将三相电压接入电动机。②时间继电器KT线圈通电计时。待电动机M转速达到一定程度时，KT延时时间到，KT延时常开触点闭合，中间继电器KA线圈通电吸合并自锁，KA常闭触点断开，KM1线圈失电，KM1常开触点全部释放，使TM封星端打开；同时KM2线圈失电，其主触点断开，切断TM电源。KA常开触点闭合，KM1常闭触点闭合，KM3线圈得电吸合，KM3主触点接通，电动机M在全压下运行。停止过程：按SB1，或电动机M出现异常过电流使热继电器FR动作时，控制电路断电，KA、KM3线圈失电释放，电动机M脱离电源，停止运转。3.3软起动器软起动器以电子和可控硅为基础，是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。软起动器有在线型和旁路型两种接线方式。在线型是指起动完毕，不需要交流接触器旁路，一直带电工作的方式，晶闸管长期在线运行功耗太大造成能源浪费、给电网带来高次谐波污染等。旁路型是为了延长使用寿命，使电网避免谐波污染，减少软起动器中的晶闸管发热损耗，在电动机达到满速运行时，用旁路交流接触器取代完成起动任务的软起动器。图7所示软起动基本接线图。使用软起动器起动电动机时，晶闸管输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压时的机械特性上。软起动器一般有斜坡升压软起动、斜坡恒流软起动、脉冲冲击起动等典型起动方式。斜坡升压软起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整增加晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。斜坡恒流软起动在电动机起动的初始阶段，起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率可根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。阶跃起动是开机以最短时间，使起动电流迅速达到设定值。通过调节起动电流设定值，可达到快速起动效果。脉冲冲击起动是在起动开始阶段，晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，进入恒流起动。根据不同负载选用不同的起动方式，具有无冲击电流，对电网影响小，可消除起动力矩的冲击。它还具有软停车功能，前面介绍起动方式的停止电机运转都是通过瞬间停电完成的，但有些应用场合，不允许电机瞬间关机，需要电机逐渐停止，即软停车，软起动器的软停车原理是。晶闸管得到停机指令后，从全导通逐渐地减小导通角，经过一定时间过渡到全关闭的过程，减少冲击力，延长设备寿命。软起动器还具有过载、缺相、相序、过压和欠压等保护功能。3.4变频器启动变频器是把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置。主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将频率f为50Hz的三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相交流电，供给三相电动机，使电动机达到无级调速，具有较好的机械特性。图8所示变频器基本结构图。变频调速控制方式经历了V/F控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者属于开环控制，后两者属于闭环控制。变频器具有软起动功能，变频功能，PID控制功能，节能，过载、缺相、相序、过压和欠压等保护功能，针对不同场合有不同的参数设定等等。减少设备和电动机的机械冲击，延长设备和电动机使用寿命。4.三相交流异步电动机常用起动方式比较前面分别介绍了三相异步电动机常用5种起动方式，直接起动和星-三角起动产生的电压和电流瞬变容易导致电气故障，影响同电网中的其它电气设备，自耦降压起动通过降低电动机起动电压来降低起动电流，起动过程中存在二次冲击电流和冲击转矩；软起动使电机输入电压及电流在设计额定范围内，降低和减小冲击电流，达到平滑软起动和软停止效果。变频器具有软起动功能，还有变频功能。表1所示三相异步电动机各种起动方式基本性能对比表。5.结术语随着科学技术的进步，三相异步电动机起动方式越来越多，通过对三相异步电动机起动方式的介绍和对比，用户可根据实际电网容量，以及自身经济情况，来选择适合自己最佳起动方式，达到节约维护和运行费用，提高设备运行寿命，希望本文能给同行带来一定的帮助。参考文献[l]吴浩烈.电机及电力拖动基础[M].重庆大学出版社，1996，4.[2]徐本钊.电动机及其控制电路[M].人民邮电出版社，1997，7.[3]黄立培，张学.变频器应用技术及电动机调速[M].人民邮电出版社，1998，7.[4]周希章，周全.电动机的起动、制动和调速[M].机械工业出版社，1999，12.