第24講 三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

第六節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性第24講三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一、三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)概述電動(dòng)機(jī)啟動(dòng):電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要求:（1）能產(chǎn)生足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts，使電動(dòng)機(jī)很快地轉(zhuǎn)動(dòng)起來。（2）啟動(dòng)電流Is不要太大，避免啟動(dòng)時(shí)大電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生較大的壓降而影響接在電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備和電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。一、三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)1、直接啟動(dòng)：額定電壓直接接到籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，所以也稱為全壓?jiǎn)?dòng)。啟動(dòng)時(shí)：?jiǎn)?dòng)電流倍數(shù)：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：（1）啟動(dòng)電流大的原因

啟動(dòng)時(shí),,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大,使轉(zhuǎn)子電流大,根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系,定子電流必然增大。一、三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)（2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大的原因電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式：?jiǎn)?dòng)時(shí),n=0,s=1。即轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電參量頻率最大，故：

另外，由于啟動(dòng)電流大,定子漏阻抗壓降大,使定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1減小,對(duì)應(yīng)的氣隙磁通減小。以上兩個(gè)原因，使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。一、三相異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)

2、啟動(dòng)電流大的影響：（1）對(duì)頻繁啟動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)，頻繁出現(xiàn)短時(shí)大電流會(huì)使電機(jī)內(nèi)部過熱.（2）對(duì)變壓器：若電動(dòng)機(jī)和變壓器的額定容量相比，相差不大，則會(huì)使變壓器輸出電壓短時(shí)下降很大，超過正常值，會(huì)造成以下結(jié)果：1）由于電壓太低，電機(jī)可能無法啟動(dòng)；2）影響同一臺(tái)變壓器的其他負(fù)載，如照明變暗，數(shù)控設(shè)備失常等。一、三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)所以，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來說，直接啟動(dòng)時(shí)可行的。但如果存在下面兩種情況，電機(jī)不能直接啟動(dòng)：（1）變壓器與電動(dòng)機(jī)容量之比不足夠大；（2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩太小。由電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流可知：

常用降低電流的啟動(dòng)方法：（1）定子或轉(zhuǎn)子串電阻或串電抗啟動(dòng)；（2）星-三角啟動(dòng)；（3）自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)；二、三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)（1）定子串電阻或串電抗啟動(dòng)

異步電動(dòng)機(jī)電機(jī)串電阻啟動(dòng)能耗較大，一般串電抗啟動(dòng)。三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)和定子串電抗器啟動(dòng)的等效電路如圖：由等效電路可得：在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下Xk>0.9Zk，即Xk≈Zk，所以有：（a）直接啟動(dòng)（b）定子串電抗啟動(dòng)（1）定子串電阻或串電抗啟動(dòng):異步電動(dòng)機(jī)電機(jī)串電阻啟動(dòng)能耗較大，一般串電抗啟動(dòng)。定子串電抗啟動(dòng)時(shí):二、三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng)（a）直接啟動(dòng)（b）定子串電抗啟動(dòng)在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下Xk>0.9Zk，即Xk≈Zk，即可以將Zk近似看成純電抗。（a）直接啟動(dòng)（b）定子串電抗啟動(dòng)（1）定子串電阻或串電抗啟動(dòng):工程實(shí)際中，根據(jù)給定線路允許電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的大小來計(jì)算串接電抗X，計(jì)算公式如下：（1）定子串電阻或串電抗啟動(dòng):正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為Δ接法的三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，可以采用Y—Δ啟動(dòng)。K2K1DY運(yùn)行啟動(dòng)ABC~123456Y-Δ啟動(dòng)接線圖（a）直接啟動(dòng)（b）Y-Δ啟動(dòng)（2）星—三角（Y—Δ）啟動(dòng)

電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，定子繞組Δ形接法，每一相啟動(dòng)電壓U1=UN，每相啟動(dòng)電流，線啟動(dòng)電流為，采用Y-Δ

接法減壓?jiǎn)?dòng)，定子繞組Y接，每相啟動(dòng)電壓為：每相啟動(dòng)電流為，則：線啟動(dòng)電流為：于是可得：（a）直接啟動(dòng)（b）Y-Δ啟動(dòng)（2）星—三角（Y—Δ）啟動(dòng)由此可見，采用Y-Δ

啟動(dòng)時(shí)相電壓和電流降低，但對(duì)變壓器來說電流降為原來的1/3。若直接啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為Ts，Y-Δ

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為，則：（a）直接啟動(dòng)（b）Y-Δ啟動(dòng)（2）星—三角（Y—Δ）啟動(dòng)（a）自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)（b）一相電路（3）自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)KM3~T0ABC~熔斷器啟動(dòng)運(yùn)行

設(shè)自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)電壓為與直接啟動(dòng)UN的關(guān)系為：自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)電流與直接啟動(dòng)電流Is的關(guān)系為：自耦變壓器一次的啟動(dòng)電流與的關(guān)系為：（3）自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)因此，降壓?jiǎn)?dòng)與直接啟動(dòng)相比，供電變壓器提供的電流之比為：自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與直接啟動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts之比為：因此，采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)與直接啟動(dòng)相比，電壓降低到原來的，啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩降低到原來的。（3）自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)鼠籠式異步電機(jī)啟動(dòng)方法總結(jié)二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)1、轉(zhuǎn)子電阻值較大的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)一般澆注式的鼠籠都采用鋁，而有些電動(dòng)機(jī)鼠籠采用合金鋁或者同時(shí)采用轉(zhuǎn)子小槽，這樣轉(zhuǎn)子電阻R2比一般鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻大。一般焊接式的鼠籠采用紫銅，而有些電機(jī)采用黃銅，黃銅的電阻率比紫銅的大，因此轉(zhuǎn)子電阻R2也大。轉(zhuǎn)子電阻大，直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩也大，額定轉(zhuǎn)差率大，但特性較軟。高轉(zhuǎn)差率異步電機(jī)適用于要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大或帶沖擊性負(fù)載的機(jī)械，如剪床、沖床以及鍛壓機(jī)。

二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻較大時(shí)的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性1—普通鼠籠；2—高轉(zhuǎn)差率；3—起重冶金；4—力矩式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻大，正常運(yùn)行時(shí)的效率低，而且電動(dòng)機(jī)價(jià)格高，機(jī)械特性如圖。2、深槽式鼠籠異步電動(dòng)機(jī)（a）槽漏磁通分布（b）電流密度特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子的槽窄而深，當(dāng)轉(zhuǎn)子有電流時(shí)，槽漏磁通分布規(guī)律為槽底漏磁通多，槽口漏磁通少，從而導(dǎo)致槽底電抗較大，槽口電抗較小，兩者相差較大。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)s=1，轉(zhuǎn)子頻率最高f2=sf1=f1，漏電抗X2較大，使，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2的作用下，轉(zhuǎn)子電流的大小主要取決于X2。二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)2、深槽式鼠籠異步電動(dòng)機(jī)

由于槽口和槽底漏電抗相差很大導(dǎo)致，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流密度分布不均勻，槽口大槽底小，如圖（b）所示。這種當(dāng)頻率較高時(shí)，交流電流集中在導(dǎo)條槽口的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)或趨表效應(yīng)。（a）槽漏磁通分布（b）電流密度正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，轉(zhuǎn)子電流頻率很低，轉(zhuǎn)子漏電抗也很小，轉(zhuǎn)子電流主要有轉(zhuǎn)子電阻決定。因此，集膚效應(yīng)很小。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，集膚效應(yīng)使導(dǎo)體內(nèi)電流主要集中在槽口，相當(dāng)于減少了導(dǎo)體的有效面積，使轉(zhuǎn)子電阻增大。隨著轉(zhuǎn)速升高，肌膚效應(yīng)減弱，轉(zhuǎn)子電阻減小，直到正常運(yùn)行。啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻加大，運(yùn)行時(shí)為正常值，既增加了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小了啟動(dòng)電流，而正常時(shí)轉(zhuǎn)差率不大，效率也不降低。深槽式異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖。曲線1為普通鼠籠式，曲線2為深槽式。

二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)3、雙籠型異步電動(dòng)機(jī)

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)子有兩套并聯(lián)鼠籠，外籠和內(nèi)籠。外籠導(dǎo)條：用電阻系數(shù)大的黃銅或青銅做成，導(dǎo)條截面小，電阻較大。內(nèi)籠導(dǎo)條：用電阻系數(shù)較小的紫銅制做，且導(dǎo)條截面較大，故電阻較小。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)籠漏磁通多，漏電抗較大，外籠漏磁通小，電抗較小。

工作原理：?jiǎn)?dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)差率較大，轉(zhuǎn)子電路頻率較高根據(jù)集膚效應(yīng)原理，內(nèi)籠漏電抗大電流小，大部分電流從外籠流過，由于外籠電阻大，使電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)結(jié)束，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電路頻率很小，漏電抗較小，電流的分配由電阻決定，電流大部分流過電阻較小的內(nèi)籠。因此，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，外籠起主要作用，稱為外籠啟動(dòng)；正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)籠起主要作用，稱為內(nèi)籠運(yùn)行。電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖所示。1為啟動(dòng)籠的機(jī)械特性，2為運(yùn)行籠的機(jī)械特性，兩條曲線疊加，就得到雙籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線3。由圖可知，電機(jī)具有較好的啟動(dòng)性能。二、高啟動(dòng)性能的三相籠型異步電動(dòng)機(jī)

繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱電阻，以增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如果外串電阻Rs合適，使Ts=Tm，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大到最大值。

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)1、轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動(dòng)

頻敏變阻器實(shí)質(zhì)上式一個(gè)鐵心損耗很大的沒有二次繞組的三相心式變壓器，鐵心由比普通變壓器硅鋼片厚約100倍的鋼板或鐵板疊成，當(dāng)線圈中電流頻繁變化時(shí)，渦流損耗將隨之急劇增大。1、轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動(dòng)其等效電路和變壓器空載時(shí)的等效電路相同，由一個(gè)電阻和電抗器串聯(lián)，即，但與一般變壓器勵(lì)磁阻抗不完全相同。主要表現(xiàn)在：（1）當(dāng)頻率為50Hz的電流通過時(shí)，勵(lì)磁阻抗Zp比一般變壓器小得多。這樣串在轉(zhuǎn)子回路中，既限制了啟動(dòng)電流，而又不使啟動(dòng)電流過小而減小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（2）當(dāng)頻率為50Hz的電流通過時(shí)，Rp>Xp，因?yàn)轭l敏變阻器中磁密較高，鐵心處于飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流較大，勵(lì)磁電抗較小；而鐵心是由厚鐵板或厚鋼板的，磁滯渦流損耗大，因此Rp較大。

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)繞線式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，S=1，轉(zhuǎn)子回路中電流頻率為50Hz，因此在轉(zhuǎn)子回路中相當(dāng)于串入了一個(gè)大電阻Rp，這樣轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)大大提高了，即限制了啟動(dòng)電流，又提高了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)過程中，隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子回路頻率sf1逐漸降低，與頻率成平方關(guān)系的鐵損耗減小，電阻Rp減小，同時(shí)與頻率有關(guān)系的電抗Xp=ωLp也減小，極端情況小，頻敏變阻器的勵(lì)磁阻抗等于零。隨著轉(zhuǎn)子電流的頻率的降低，Zp也逐漸減小，啟動(dòng)結(jié)束后，sf1很小，近似認(rèn)為Zp=0。利用頻敏變阻器的勵(lì)磁阻抗與頻率的關(guān)系，在電機(jī)啟動(dòng)過程中，自動(dòng)改變串入轉(zhuǎn)子回路的阻抗，從而改變啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)過程的機(jī)械特性如圖。

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)1、固有機(jī)械特性；2-人為機(jī)械特性

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)2、轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)啟動(dòng)為了使電機(jī)在整個(gè)啟動(dòng)過程中盡量保持較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以采用逐級(jí)切除轉(zhuǎn)子啟動(dòng)電阻的分級(jí)啟動(dòng)。

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)如圖為轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)啟動(dòng)及機(jī)械特性，啟動(dòng)過程如下：（1）接觸器K1、K2、K3斷開，電動(dòng)機(jī)定子接額定電壓，轉(zhuǎn)子每相接入電阻（Rs1+Rs2+Rs3），電機(jī)開始啟動(dòng)，啟動(dòng)點(diǎn)為機(jī)械特性上的a點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩T1<Tm；

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)如圖為轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)啟動(dòng)及機(jī)械特性，啟動(dòng)過程如下：（2）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高到b點(diǎn)時(shí)，T=T2>TL，為了加大電磁轉(zhuǎn)矩加速啟動(dòng)過程，K3閉合，切除Rs3，則電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)從b變到機(jī)械特性2上的c點(diǎn)，該點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)矩T=T1；

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)如圖為轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)啟動(dòng)及機(jī)械特性，啟動(dòng)過程如下：（3）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到d點(diǎn)，T=T2，開關(guān)K2閉合，切除電阻Rs2。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)從d點(diǎn)變到機(jī)械特性1上的e點(diǎn)，該點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)矩T=T1。

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)如圖為轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)啟動(dòng)及機(jī)械特性，啟動(dòng)過程如下：（4）轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，到f點(diǎn)，T=T2，接觸器K1閉合，切除電阻Rs1，運(yùn)行點(diǎn)從f變?yōu)楣逃袡C(jī)械特性上的g點(diǎn)，該點(diǎn)電磁轉(zhuǎn)矩T=T1。（5）轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，經(jīng)h點(diǎn)最后穩(wěn)定運(yùn)行在j點(diǎn)。

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)上述啟動(dòng)過程，轉(zhuǎn)子回路外串電阻分三級(jí)切除，故稱為三級(jí)啟動(dòng)。T1稱為最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，T2為最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩或切換轉(zhuǎn)矩。2）作圖法計(jì)算啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為了計(jì)算分級(jí)電阻，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性不是直線，因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在0<s<sm范圍內(nèi)，把機(jī)械特性看做直線，假設(shè)啟動(dòng)級(jí)數(shù)m=3，用作圖法求分機(jī)電組的步驟如下：（1）先畫固有機(jī)械特性。由理想空載點(diǎn)T=0，n=n1和額定工作點(diǎn)nN確定。（2）確定最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和切換轉(zhuǎn)矩。（3）作第一級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性曲線。根據(jù)T1確定啟動(dòng)點(diǎn)a(sa=1,Ta=T1)，過a點(diǎn)與理想空載點(diǎn)畫直線。

三、三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)（4）作第二級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性曲線。根據(jù)T2確定第一級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性上的切換點(diǎn)b，從b點(diǎn)平行右移找出第二級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性上的c點(diǎn)(sc=1,Tc=T1)，過c點(diǎn)與理想空載點(diǎn)畫直線。（5）作第三級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性曲線。第二級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性上T=T2的點(diǎn)為切換點(diǎn)d，從d點(diǎn)平行右移找出第三級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性上的e點(diǎn)(se=1,Te=T1)，過e點(diǎn)與理想空載點(diǎn)畫直線。（6）完成作圖。第三級(jí)啟動(dòng)機(jī)械特性上的T=T2點(diǎn)為切換點(diǎn)d，從d平行右移找出g點(diǎn)(ng=n0,Tg=T1)。若g點(diǎn)也為固有