三相笼型异步电动机的起动

1.直接起动

利用刀开关或接触器将电动机直接接到具有额定电压电网上的起动方法称为直接起动或全压起动，此时电动机的起动特性即为固有起动特性。笼型异步电动机直接起动的优点是起动设备和操作最为简单。缺点是起动电流大，因此只允许在额定功率PN≤7.5kW的小容量电动机中使用。为了利用直接起动的优点，当今设计的笼型异步电动机都按直接起动时的电磁力和发热来考虑电动机的机械强度和热稳定性，因此就电动机本身来说，笼型异步电动机都允许直接起动方法起动。而最终能否采用直接起动，主要取决于电网供电变压器的容量。只要起动电流对电网造成的电压降不超过允许值，就应优先考虑采用直接起动方法起动。工程上，若电动机的起动电流满足式（10－19）所示的经验公式，就可以考虑采用直接起动，当然还要校验电动机的其他指标，如起动转矩等。

式中，k1为笼型异步电动机的起动电流倍数，其值可根据电动机的型号和规格从电动机的产品说明书中查得。

例10－3　某三相笼型异步电动机，PN＝40kW，UN＝380V，IN＝70A，nN＝960r／min，λm＝2.5，k1＝6.5，供电电源容量SN＝1000V·A。试问该电动机能否带动额定负载直接起动？

解 由式（10－20）得

所以，就起动电流而言，供电电网允许电动机直接起动，但是能否带动负载起动还需校验电动机的起动转矩。额定转差率为

在固有特性实用表达式中令s＝1可得直接起动转矩故该电动机不能带动额定负载直接起动。

2.减压起动

当直接起动不能满足电网电压降的要求时，应采用降低定子电压u1的起动方法以限制起动电流。但由于电磁转矩T和U21成正比，因此减压起动只适用于空载或轻载起动的负载。减压起动时，可以采用传统的减压起动方法，也可以采用近几年逐渐得到广泛应用的电动机软起动器。

（1）定子电路串电阻或电抗器减压起动

①起动过程

图10.2.1　三相笼型异步电动机串电阻减压起动原理图

电动机起动过程中，在定子电路串联电阻或电抗器，起动电流在电阻或电抗器上将产生压降，降低了电动机定子绕组上的电压，起动电流从而得到减小。图10.2.1为定子电路串电阻减压起动的原理图。图中Q1是主开关，起隔离电源的作用。起动时把换接开关Q2投向“起动”的位置，此时起动电阻Rst接入定子电路，然后闭合主开关Q1，电动机开始旋转，待转速接近稳定转速，把开关Q2换接到“运行”位置，电源电压直接加到定子绕组上，电动机起动结束。定子电路串电抗器减压起动，只需将图10.2.1中的起动电阻换为电抗器，工作过程和串电阻减压起动一样。

定子电路串电阻或电抗器减压起动具有起动平稳、运行可靠、构造简单等优点。如用串电阻减压起动，起动阶段功率因数较高。但串电阻减压起动能耗较大，所以只能在电动机的容量较小时使用。容量较大的笼式异步电动机多采用串电抗器减压起动。同时，定子电路串电阻或电抗器减压起动有手动及自动等多种控制线路。

②起动电流和起动转矩

设定子电路串电阻或电抗器减压起动时，加在定子绕组上的电压为U1，令α＝U1／UN，称为减压系数。并令式（10－18）中的，则有：

额定电压下直接起动时，起动电流Ist＝IkN＝UN／Zk，起动转矩Tst＝Tk；

减压起动时，起动电流I′st＝U1／Zk＝αUN／Zk＝αIkN，起动转矩T′st＝α2 Tk。

可见，降压后，起动电流降低到全压时的α倍，起动转矩降低到全压时的α2倍。

（2）自耦变压器减压起动

①起动过程

电动机起动过程中，利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流。其原理图如图10.2.2（a）所示。起动时把换接开关Q投向“起动”的位置，自耦变压器TA一次绕组加全电压，而电动机定子电压仅为自耦变压器抽头部分电压值，电动机减压起动。待转速接近稳定值时，把换接开关换接到“运行”位置，切除自耦变压器，电动机全压运行，起动结束。

图10.2.2　三相笼型异步电动机自耦变压器减压起动原理图

②起动电流和起动转矩

自耦变压器减压起动时，自耦变压器的一相电路如图10.2.2（b）所示。设自耦变压器的电压比为kA＝N1／N2，电动机的减压系数α＝U1／UN＝1／kA。额定直接起动电动机的起动相电流，有变压器起动，变压器二次侧电流，即电动机起动相电流。起动时电动机的起动电流I为自耦变压器的二次电流，即Istst＝αIkN＝IkN／kA。忽略自耦变压器的空载电流，电网供给的起动电流，即自耦变压器的一次电流I′st为：

可见，自耦变压器减压起动时电动机起动电流为直接起动时的堵转电流的1／kA。而电网供给的起动电流为堵转电流的1／k2A。

自耦变压器减压起动时，起动转矩与加在定子绕组上的电压平方成正比，即

式（10－20）和式（10－21）表明：采用自耦变压器减压起动与直接起动比较，起动电流和起动转矩都降低到全压时的。而与定子电路串电阻或电抗器减压起动相比较，在电动机起动转矩相同时，自耦变压器减压起动所需电网电流较小，或者说当电网提供的起动电流相同时，自耦变压减压起动可以获得较大的起动转矩。所以，起动电流较小，起动转矩较大是自耦变压器减压起动的优点。其缺点是起动设备体积大、笨重、价格贵、维修不方便。

为了便于调节起动电流和起动转矩，起动用自耦变压器常备有三个抽头，抽头电压比即减压系数α＝U1／UN＝1／kA。常用的起动用自耦变压器有QJ1和QJ2两种系列。QJ1型的三个抽头分别为电源电压的55%、64%和73%；QJ2型的三个抽头分别为电源电压的40%、60%和80%。此外，自耦变压器容量的选择与电动机的容量、起动时间和连续起动次数有关。

例10－4　有一三相笼型异步电动机，其额定功率PN＝65kW，额定电压UN＝380V，定子星形连接，额定电流IN＝140A，起动电流与额定电流之比k1＝6.6，起动转矩与额定转矩之比TS／TN＝1.11，但因供电变压器的限制，允许该电动机的最大起动电流490A。若拖动负载转矩TL＝0.35TN，用串有抽头73%、64%、55%的自耦变压器起动，问用那种抽头才能满足起动要求？

解 自耦变压器的变比为抽头比的倒数。

1）抽头为73%时，供电变压器流过的起动电流为

电流不满足要求，不能采用。

2）抽头为64%时，则

满足要求，可以正常起动。

3）抽头为55%时，则

起动电流满足要求，但起动转矩不满足要求，故不能正常起动。

（3）星形－三角形（Y－△）起动

①起动过程

图10.2.3　三相笼型异步电动机星－三角减压起动原理图

对于正常运行时定子绕组为三角形联结，并有六个出线端子的笼型异步电动机，为了减小起动电流，起动时定子绕组星形联结，降低定子电压，起动后在联结成三角形，这种起动方法称为Y－△起动。其原理图如图10.2.3所示。起动时，将换接开关QY闭合，Q△断开，定子绕组联结成星形，每相电压为，实现减压起动；待转速接近稳定值时，将换接开关QY断开，换接开关Q△闭合，使定子绕组联结成三角形全压运行，起动过程结束。

②起动电流和起动转矩

图10.2.4示出Y－△起动时的起动电流及起动电压。

Y－△起动时，减压系数。由于电磁转矩T∝α2，因此Y－△起动时，起动转矩为：

式（10－22）和式（10－23）表明：Y－△起动时，起动电流和起动转矩都降为直接起动时的1／3。Y－△起动的优点是起动电流小、起动设备简单、价格便宜、操作方便。缺点是起动转矩小。它仅适合于30kW以下的中小功率电动机空载或轻载起动。

图10.2.4　星－三角起动时的电压和电流

例10－5　数据同例10－4中的电动机，问能否采用星形－三角形起动法来起动？

解 星形－三角形起动电流为

此时的起动转矩

故能采用星形－三角形起动。

（4）笼型异步电动机起动方法比较

表10.2.1列出了笼型异步电动机几种常用起动方法的有关数据。

表10.2.1　笼型异步电动机几种常用起动方法的比较

例10－6　一台三相笼型异步电动机，PN＝75kW，nN＝1470r／min，UN＝380V，定子三角形联结，IN＝137.5A，ηN＝92%，cosφ2＝0.9，起动电流倍数k1＝6.5，起动转矩倍数λst＝1，拟带半载起动，电源容量为1000kVA，选择适当的起动方法。

解：（1）直接起动

供电电网允许电动机直接起动的条件是：

因为k1＝6.5＞k′1＝4，故该电动机不能采用直接起动方法。

（2）拟半载起动，即Tst＝0.5TN，尚属轻载，故考虑减压起动

①定子串电抗器（电阻）起动

由（1）可知，电网允许该电动机的起动电流倍数k′1＝I′st／IN＝4，而电动机直接起动的电流倍数k′1＝I′st／IN＝6.5，定子串电抗器（电阻）满足起动电流时，

对应的减压系数为：

对应的起动转矩为：

可见，取α＝0.615时，满足电网对起动电流的要求，但因T′st＝0.378TN＜Tst＝0.5TN，起动转矩不能满足要求，故不能采用定子串电抗器（电阻）起动方法。

②Y－△起动

对应的起动电流为：

对应的起动转矩为：

同样，起动电流可以满足要求，而起动转矩不满足要求，故不能采用Y－△起动方法。

③自耦变压器起动

选用QJ2系列自耦变压器，其电压抽头为55%、64%和73%。

如选用64%挡的抽头时，减压系数α＝1／kA＝0.64

对应的起动电流为：

对应的起动转矩为：

起动转矩也不满足要求。

如选用73%挡的抽头时，减压系数α＝1／kA＝0.73

对应的起动电流为：

对应的起动转矩为：

起动电流和起动转矩均满足要求。

根据计算结果，该三相笼型异步电动机应采用电压抽头为73%的自耦变压器起动。

3.软起动

前面介绍的几种减压起动方法都属于有级起动，起动的平滑性不高。目前，应用电动机软起动器可以实现笼型异步电动机的无级平滑起动，这种起动方法称为软起动。软起动器是一种电子调压装置，其主回路采用晶闸管交流调压电路。使用时，将其串接于供电电网和电动机之间，通过控制晶闸管的导通角，按预先设定的模式调节输出电压，实现控制电动机的起动过程。当起动结束后，软起动器内部的旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行。目前软起动一般有以下几种起动方式。

（1）限流软起动

在电动机起动过程中限制起动电流不超过某一设定值，主要用于轻载起动。其输出电压从零开始迅速增加，直到输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后在保持输出电流I＜Im的条件下，逐渐升高电压，直到额定电压，使电动机转速逐渐升高到额定转速。这种起动方式的优点是起动电流小，可按需要调整，对电网电压影响小。

（2）电压斜坡起动

输出电压按预先设定的斜坡线性上升，主要用于重载起动。其缺点是起动转矩小，转矩特性呈抛物线形上升，起动时间长，改进方法可采用双斜坡起动。双斜坡起动时，先使输出电压按较大斜率的设定斜坡迅速上升至电动机起动所需最小转矩对应的电压值，然后按较小斜率的设定斜坡逐渐升压，直至达到额定电压。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短。

（3）转矩控制起动

按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压，主要用于重载起动。它的优点是起动平滑、柔性好，同时减少对电网的冲击，但起动时间较长。

（4）加突跳转矩控制起动

与转矩控制起动一样也用于重载起动的场合。所不同的是在起动瞬间加突跳转矩，用以克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升。这种起动可以缩短起动时间，但加突跳转矩会给电网带来冲力，干扰其他负载。

（5）电压控制起动

用软起动器控制电压以保证电动机起动时产生较大的起动转矩，尽可能缩短起动时间，是较好的轻载软起动方法。

目前，一些生产厂家，如AB公司、西门子公司等已经生产出各种类型的软起动器，可供不同类型的用户选用。具体使用可查阅相关产品手册。

综上所述，笼型异步电动机的减压起动方法历经了传统的Y－△起动和自耦变压器起动，发展到目前先进的软起动。实际应用中，当笼型异步电动机不能用直接起动时，应该首先考虑选用软起动。软起动也为进一步的异步电动机智能控制打下良好的基础。