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(德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司，山東德州 253005)

低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析

張紅枝，張雪雪，張志勇，王以孟，陳金剛

(德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司，山東德州 253005)

敘述籠型三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和起動(dòng)方式，對(duì)電機(jī)直接起動(dòng)需滿足的條件進(jìn)行了說(shuō)明，并介紹了籠型三相異步電動(dòng)機(jī)常用降壓起動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，便于用戶參考選用。

直接起動(dòng)；降壓起動(dòng)；機(jī)械特性；電流特性；軟啟動(dòng)

0 引言

低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)具有體積小、效率高、噪聲低、振動(dòng)小、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)差率及其他性能無(wú)特殊要求的機(jī)械設(shè)備上，如水泵、鼓風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械等。當(dāng)電機(jī)容量較大時(shí)，在起動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的電流，容易對(duì)電網(wǎng)和其它用電設(shè)備造成沖擊，所以受電網(wǎng)容量限制和保護(hù)其它電器設(shè)備正常工作的需要，對(duì)直接起動(dòng)會(huì)造成電網(wǎng)沖擊較大的電機(jī)，在起動(dòng)過(guò)程中采取必要的緩沖措施，以保證設(shè)備和電網(wǎng)正常運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是指電機(jī)從接通電源到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的全過(guò)程。低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，需要考慮的主要因素是最初起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流，最初的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須高于被拖動(dòng)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩才能順利起動(dòng)。運(yùn)行設(shè)備要求低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)順利轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，同時(shí)盡量減小起動(dòng)沖擊，保證設(shè)備平穩(wěn)起動(dòng)。供電場(chǎng)所要求低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流不要太大，避免電機(jī)起動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)上產(chǎn)生大的壓降，影響電網(wǎng)上其它電氣設(shè)備和電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。從起動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性考慮，起動(dòng)設(shè)備應(yīng)盡量簡(jiǎn)單和降低起動(dòng)損耗。低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分為直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)兩種方式。

1 低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流概述

電動(dòng)機(jī)靠電磁轉(zhuǎn)矩T拖動(dòng)機(jī)械負(fù)荷工作，其轉(zhuǎn)矩公式為

(1)

式中，CT—電動(dòng)機(jī)機(jī)械參數(shù)的綜合系數(shù)，體現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的尺寸、氣隙大小等對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響；R2、X20—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻和靜止?fàn)顟B(tài)下的感抗；U1—三相電源的線電壓；s—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，轉(zhuǎn)子的漏電抗X2達(dá)到最大值X20，而轉(zhuǎn)子電阻R2通常很小，使X2?R2，此時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

(2)

附加電阻(1-s)R2/s=0，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子電路短路，此時(shí)

(3)

由于定子、轉(zhuǎn)子漏阻抗很小，所以起動(dòng)電流Ist很大。一般情況下Ist=(5～7)IN，是額定電壓下的堵轉(zhuǎn)電流。由于轉(zhuǎn)子回路中電抗X2?R2，此時(shí)轉(zhuǎn)子電流的有功分量不大，故異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst不大。當(dāng)Tst=(1.0～2.0)TN，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩近似和轉(zhuǎn)子繞組電阻成正比，加大轉(zhuǎn)子繞組電阻可提高電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力。電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速n接近同步轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)差率s很小，大約為50%，轉(zhuǎn)子電阻為(1-s)/(s×R2)，數(shù)值很大，從而限制了定轉(zhuǎn)子電流數(shù)值，此時(shí)sX20?R2，轉(zhuǎn)子電路呈電阻性，轉(zhuǎn)矩公式近似為

(4)

在轉(zhuǎn)矩不變的情況下，加大轉(zhuǎn)子繞組的電阻會(huì)同時(shí)加大電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速?；\型三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性和電流特性見圖1。

圖1直接起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性和電流特性

2 低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的條件

電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，因起動(dòng)電流大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成影響，如果電源容量足夠大，而對(duì)電網(wǎng)造成的影響又不大，可以直接起動(dòng)。在變壓器容量較小，而電動(dòng)機(jī)容量又相對(duì)較大時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的加速轉(zhuǎn)距和沖擊電流對(duì)工作機(jī)械、供電系統(tǒng)都會(huì)造成很大影響。為了減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械和供電系統(tǒng)的影響，要對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的加速轉(zhuǎn)距和沖擊電流加以限制。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)距與加在定子繞組端電壓的平方成正比，而電動(dòng)機(jī)的定子電流與定子繞組端電壓近似成正比?？赏ㄟ^(guò)降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)加在定子繞組的端電壓，達(dá)到限制其起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)距的目的。通常要求電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流在電網(wǎng)中引起的電壓降控制在電網(wǎng)額定電壓的10%～15%以內(nèi)，可直接起動(dòng)。一般11kW以下容量電動(dòng)機(jī)可以直接起動(dòng)。如果變壓器容量較大，直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量可相應(yīng)增大，一般按經(jīng)驗(yàn)公式核定

(5)

式中，k1—起動(dòng)電流倍數(shù)；I1st—電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流；I1N—電動(dòng)機(jī)的額定電流；SN—電源變壓器總?cè)萘?；PN—電動(dòng)機(jī)的額定功率。

例：有一臺(tái)需要經(jīng)常起動(dòng)的鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，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(fù)載直接啟動(dòng)公式見式(6)。同樣的Ist/IN比值，功率超過(guò)多少kW的電動(dòng)機(jī)不允許直接啟動(dòng)見式(7)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式算出

(6)

滿足上述關(guān)系，故允許直接啟動(dòng)。

根據(jù)式(6)求

(7)

可算出，額定功率超過(guò)32kW的電動(dòng)機(jī)不允許直接起動(dòng)。

綜上所述，低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)能否直接全壓起動(dòng)，需根據(jù)電網(wǎng)的容量、起動(dòng)頻次、線路允許干擾程度以及電機(jī)的安裝型式?jīng)Q定。通常需考核以下三方面：(1)被拖動(dòng)機(jī)械能否承受電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的沖擊轉(zhuǎn)矩；(2)電機(jī)端子上的計(jì)算電壓在電機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)不應(yīng)低于額定電壓的90%，不頻繁起動(dòng)時(shí)不應(yīng)低于額定電壓的85%；(3)電機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)不影響其他負(fù)荷的正常運(yùn)行。如不能滿足上述三方面中的任一要求時(shí)，需采用降壓起動(dòng)以保證電網(wǎng)和設(shè)備的安全。降壓起動(dòng)除了限制起動(dòng)電流，有時(shí)也可用減小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法，以減輕對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊，保證平穩(wěn)加速。

3 低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法

低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)常用的降壓起動(dòng)方法分為：星形-三角形起動(dòng)、定子回路串電阻起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)、軟啟動(dòng)器降壓起動(dòng)、變頻器降壓降頻起動(dòng)。

3.1 星-三角起動(dòng)

對(duì)于正常運(yùn)行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，如果在起動(dòng)時(shí)將定子繞組接成星形，待起動(dòng)完畢后再接成三角形，就可以降低起動(dòng)電流，減輕它對(duì)電網(wǎng)的沖擊。這樣的起動(dòng)方式稱為星-三角降壓起動(dòng)，或簡(jiǎn)稱為星-三角起動(dòng)(Y-△ 起動(dòng))，起動(dòng)接線圖見圖2。

圖2 Y/△起動(dòng)接線圖

3.2 定子回路串電阻和自耦變壓器降壓起動(dòng)

定子回路串電阻的降壓起動(dòng)方法能降低起動(dòng)電流，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩顯著減小，所以只適用于空載或輕載起動(dòng)。如果負(fù)載較重時(shí)，可采用自耦變壓器進(jìn)行降壓起動(dòng)。自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低的比值相同，與定子串電阻的起動(dòng)方式相比較，在獲得同樣起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的條件下，這種方法的限流效果好。反之，若在相同的起動(dòng)電流條件下，可獲得比較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故用自耦變壓器降壓起動(dòng)的方法能帶動(dòng)不同的負(fù)載起動(dòng)。

3.3 軟啟動(dòng)器降壓起動(dòng)

軟啟動(dòng)器啟動(dòng)是利用可控硅的移相調(diào)壓原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓起動(dòng)，根據(jù)電機(jī)的負(fù)載特性來(lái)調(diào)節(jié)起動(dòng)過(guò)程參數(shù)，通過(guò)降壓和限流的方法，使電機(jī)在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊平滑起動(dòng)，同時(shí)軟啟動(dòng)器兼具有短路、缺相、過(guò)熱、欠壓等保護(hù)功能。其特點(diǎn)為起動(dòng)平穩(wěn)、對(duì)電網(wǎng)沖擊少、裝置功率適中、允許起動(dòng)次數(shù)較高、比變頻器造價(jià)低，在大型機(jī)組和重要場(chǎng)合應(yīng)用較廣。軟啟動(dòng)器既能改變電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性保護(hù)拖動(dòng)系統(tǒng)，保證電動(dòng)機(jī)可靠起動(dòng)，又能降低起動(dòng)沖擊，且配有計(jì)算機(jī)通訊接口，可實(shí)現(xiàn)智能控制。

3.4 變頻器的降壓降頻起動(dòng)

變頻器是利用電力半導(dǎo)體的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率電源的電機(jī)控制裝置，是現(xiàn)代電機(jī)控制領(lǐng)域技術(shù)含量最高、控制功能最全、控制效果最好的電機(jī)控制裝置，不但具有軟起動(dòng)功能，而且可以在電機(jī)運(yùn)行中進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能。變頻起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)可以在最大轉(zhuǎn)矩下起動(dòng)，且起動(dòng)電流倍數(shù)要比直接起動(dòng)時(shí)小很多，從而減少定子繞組端部的電磁應(yīng)力，延長(zhǎng)電機(jī)壽命。變頻器系統(tǒng)控制是低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和變速控制及系統(tǒng)節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。

采用變頻器控制的電機(jī)一般在低頻起動(dòng)，隨著電源頻率和電壓的提高，電機(jī)逐漸加速，平滑起動(dòng)(起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng))。圖3是通過(guò)變頻器起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)，恒轉(zhuǎn)矩和恒功率運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性圖。一般變頻器起動(dòng)電機(jī)時(shí)，起動(dòng)電流為電機(jī)額定電流的1.2～1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩70%～120%，可滿載起動(dòng)。根據(jù)變頻器類型不同，變頻器起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)電流限制在額定電流的125%～200%以下。預(yù)置啟動(dòng)模式可以充分利用電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，以滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加減速的要求。

圖3變頻起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性圖

4 結(jié)語(yǔ)

低壓籠型三相異步電動(dòng)機(jī)，在電網(wǎng)容量允許的情況下，優(yōu)先選用直接起動(dòng)方式。對(duì)于大容量的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)提供電源的線路和變壓器容量不能滿足電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的條件，或起動(dòng)電流沖擊電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)，影響電動(dòng)機(jī)或其它用電設(shè)備的使用，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行不利時(shí)，為使電機(jī)的啟動(dòng)電流控制在額定電流的3倍以內(nèi)，要采用降壓起動(dòng)。由于軟啟動(dòng)器和變頻器起動(dòng)電流最小，容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，起動(dòng)和運(yùn)行中節(jié)約電能，是目前提倡的起動(dòng)方法，但其維護(hù)復(fù)雜，技術(shù)含量高，一次性投資大。其次輕載啟動(dòng)時(shí)可選用星-三角起動(dòng)，起動(dòng)電流中等，是以前和現(xiàn)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(yè)于長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)的制造、工藝及出廠檢測(cè)與故障分析工作.

2017-02-13