三相绕线转子异步电动机起动

三相笼型异步电动机直接起动时，起动电流大，起动转矩不大；减压起动时，虽然减小了起动电流，但起动转矩也随电压的平方关系减小，因此笼型异步电动机只能用于空载或轻载起动。绕线转子异步电动机起动时，转子电路串入适当的电阻，既能限制起动电流，又能增大起动转矩，同时克服了笼型异步电动机起动电流大、起动转矩不大的缺点，非常适用于中大容量异步电动机重载起动。绕线转子异步电动机的起动可分为转子串对称电阻和转子串频敏变阻器两种起动方法。

1.转子串三相对称电阻分级起动

（1）起动过程

为了在整个起动过程中始终获得较大的加速转矩，并使起动过程比较平滑，应在转子回路串入多级对称电阻。起动时，随着转速的升高，逐段切除起动电阻，这与直流电动机电枢串电阻起动类似，称为电阻分级起动。图10.2.8为三相绕线转子异步电动机转子串接对称电阻分级起动的原理图和对应三级起动时的机械特性。

如图10.2.8（a）所示，起动开始时，开关Q闭合，开关Q1、Q2、Q3断开，定子绕组接三相电源，转子绕组串入全部起动电阻Rst1、Rst2、Rst3，转子回路总电阻为R1＝r2＋Rst1＋Rst2＋Rst3，对应的机械特性曲线如图10.2.8（b）中曲线1。起动瞬间，转速n＝0，电磁转矩T＝T1，T1为起动过程中的最大转矩，称为最大起动转矩。由于T1＞TL，电动机沿曲线1从a点开始加速，随着n上升，T逐渐减小，到达b点时，T减小到T2，这时Q1闭合，切除Rst1。切除电阻时的电磁转矩T2称为切换转矩。切除电阻Rst1后，转子回路总电阻变为R2＝r2＋Rst2＋Rst3，对应的机械特性曲线如图10.2.8（b）中曲线2。切换瞬间，由于n不能突变，电动机的运行点由b点跃变到c点，T由T2跃升为T1。此后，n、T从c点沿曲线2变化，到达d点时，T又由T1减小到T2，这时Q2闭合，切除Rst2，转子回路总电阻变为R3＝r2＋Rst3，对应的机械特性曲线如图10.2.8（b）中曲线3，电动机运行点由d点跃变到e点。n、T从e点沿曲线3变化，到达f点时，Q3闭合，切除Rst3，转子绕组直接短接，电动机运行点由f点跃变到g点后沿固有机械特性曲线4加速到负载点h稳定运行，起动过程结束。在起动过程中，一般取最大加速转矩T1＝0.8～0.9Tmax，切换转矩T2＝1.1～1.2TL。

图10.2.8　三相绕线转子异步电动机转子串电阻起动

（2）起动电阻的计算

计算起动电阻时，主要根据图10.2.8（b）和式（8－14）。

若已知机械特性的临界转差率sm和该机械特性上的某点的转矩T，则由式（8－14）机械特性的实用公式可解出与T相应的转差率s（s＜sm）为：

式中，，称为转矩函数。当电动机的过载倍数λm和额定转矩TN已知时，δ仅由T决定。与最大起动转矩T1和切换转矩T2相应的转矩函数分别为：

设图10.2.8（b）中机械特性曲线1的临界转差率sm1，根据式（8－24），a点的转差率sa＝sm1δ1＝1；b点的转差率sb＝sm1δ2，因此sb＝δ2／δ1。对机械特性曲线1和2，当T＝T1时，按比例推移规律可得sc＝R2sa／R1＝R2／R1，考虑到sb＝sc，可得：R1／R2＝δ1／δ2＝q，q为起动转矩函数比。按同样的方法可导出R1／R2＝R2／R3＝R3／r2＝q，可见，对图10.2.8（b）所示的分级起动机械特性，转子回路总电阻之间存在等比级数关系，公比为q。如果起动级数为m，则各起动级转子回路总电阻为：

在图10.2.8（b）中g点和a点，按比例推移关系可得：

在固有机械特性上sg和sN关系为：

式中，，是T＝TN时的转矩函数。

由式（10－27）和式（10－28）可得：

把式（10－29）代入式（10－26）中的最后一项，得到：

根据上述各式，分两种情况说明起动电阻的计算步骤。

（1）已知起动级数

①计算sN、δN和TN；

②根据式（10－25）确定δ1，通常取T1＝0.8～0.9Tmax；

③根据式（10－30）计算q；

④由q及δ1求得δ2＝δ1／q，再根据式（10－25）求出T2＝2λmδ2TN／（1＋δ22），校验T2，应使T2＝1.1～1.2TL。

⑤根据式（10－26），计算各级总电阻R1～Rm以及各段电阻Rst1～Rstm。

（2）未知起动级数

①确定T1、T2，并计算δ1、δ2和q；

②由式（10－30）计算m，即m＝lg（δN／δ1sN）／lgq，将求得m凑成相近的整数m′；

③根据m′由式（10－30）计算q，并校验T2；

④按校验通过的q计算各级起动电阻。

例10－7　一台三相绕线转子异步电动机的技术数据为：PN＝11kW，nN＝720r／min，E2N＝163V，I2N＝47.2A，λm＝1.8，TL＝0.7TN。求：转子串电阻三级起动时每级的起动电阻。

解：（1）计算sN、δN和TN

（2）确定δ1

取T1＝0.85Tmax＝0.85λmTN＝0.85×1.8×145.9＝223.3N·m

（3）计算q

（4）校验T2

T2／TL＝116.5／（0.7×145.9）＝1.14＞1.1，选择的T2满足要求。

（5）计算各级总电阻R1～R3以及各段电阻Rst1～Rst3

2.转子串接频敏变阻器起动

绕线转子异步电动机转子串电阻分级起动，虽然可以减小起动电流，增大起动转矩，但起动过程中需要逐级切除起动电阻。如果起动级数少，在切除起动电阻时会产生较大的电流和转矩冲击，使起动不平稳。增加起动级数可以减小电流和转矩冲击，但必然导致起动设备复杂化。如果串入转子回路中的起动电阻在电动机起动过程中能随转速的升高而自动平滑地减小，就可以不用逐级切除电阻而实现无级起动了。频敏变阻器就是具有这样特性的起动设备。

所谓频敏变阻器，实质上是一个铁损耗很大的三相电抗器，它的铁心由较厚的钢板叠成。三个绕组分别绕在三个铁心柱上并作星形联结，然后接到转子滑环上。如图10.2.9（a）所示。频敏变阻器的一相等效电路如图10.2.9（b）所示，图中r1为频敏变阻器绕组的电阻，Rm为反应频敏变阻器铁损耗的等效电阻，Xm为绕组的励磁电抗。

图10.2.9　三相绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器起动

用频敏变阻器起动的过程如下：起动时，开关Q2断开，转子串入频敏变阻器，当开关Q1闭合时，电动机接通电源开始起动。起动瞬间，n＝0、s＝1，转子电流频率f2＝sf1＝f1。绕组的励磁电抗xm正比于f2，但因磁路饱和，且绕组匝数少，故Rm≫xm。频敏变阻器的铁心中与频率平方成正比的涡流损耗最大，即铁损耗大，反映铁损耗大小的等效电阻Rm大，这相当于转子回路中串入一个较大的电阻，从而使起动电流减小，起动转矩增大。起动过程中，随着n上升，f2＝sf1逐渐减小，频敏变阻器的铁损耗逐渐减小，Rm也随之减小，这相当于在起动过程中逐渐减小转子回路中串入的电阻。起动结束后，Q2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。由于频敏变阻器的等效电阻Rm是随频率f2的变化而自动变化的，因此称为“频敏”变阻器，它相当于一种无触点的变阻器。在起动过程中，它能自动、无级地减小电阻，如果参数选择适当，可以在起动过程中保持转矩近似不变，使起动过程平稳、快速。这时电动机的机械特性如图10.2.10曲线2所示。曲线1是电动机的固有机械特性。

图10.2.10　三相绕线转子异步电动机转子串频敏变阻器起动机械特性

综上所述，三相绕线转子异步电动机转子串电阻分级起动和转子串频敏变阻器起动，适用于大、中容量电动机的重载起动。转子串频敏变阻器由于起动结构简单、价格便宜、运动可靠、维护方便、能自动操作等优点，目前已获得了广泛地应用；而转子串电阻分级起动，对于大容量电动机，要求级数较多，故设备投资较大，维护不太方便。