低压笼型三相异步电动机起动分析

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(德州恒力电机有限责任公司，山东德州 253005)

低压笼型三相异步电动机起动分析

张红枝，张雪雪，张志勇，王以孟，陈金刚

(德州恒力电机有限责任公司，山东德州 253005)

叙述笼型三相异步电动机的起动性能和起动方式，对电机直接起动需满足的条件进行了说明，并介绍了笼型三相异步电动机常用降压起动方式的优缺点，便于用户参考选用。

直接起动；降压起动；机械特性；电流特性；软启动

0 引言

低压笼型三相异步电动机具有体积小、效率高、噪声低、振动小、运行可靠、维护方便等优点，广泛应用于对转差率及其他性能无特殊要求的机械设备上，如水泵、鼓风机、运输机械、农业机械、矿山机械等。当电机容量较大时，在起动过程中会产生较大的电流，容易对电网和其它用电设备造成冲击，所以受电网容量限制和保护其它电器设备正常工作的需要，对直接起动会造成电网冲击较大的电机，在起动过程中采取必要的缓冲措施，以保证设备和电网正常运行。

电动机的起动是指电机从接通电源到达额定转速的全过程。低压笼型三相异步电动机起动，需要考虑的主要因素是最初起动转矩和起动电流，最初的起动转矩必须高于被拖动机械的转矩才能顺利起动。运行设备要求低压笼型三相异步电动机起动时能产生足够大的起动转矩，使电动机顺利转动起来，同时尽量减小起动冲击，保证设备平稳起动。供电场所要求低压笼型三相异步电动机起动时起动电流不要太大，避免电机起动时，电网上产生大的压降，影响电网上其它电气设备和电动机的正常运行。从起动的经济性考虑，起动设备应尽量简单和降低起动损耗。低压笼型三相异步电动机起动分为直接起动和降压起动两种方式。

1 低压笼型三相异步电动机起动转矩与起动电流概述

电动机靠电磁转矩T拖动机械负荷工作，其转矩公式为

(1)

式中，CT—电动机机械参数的综合系数，体现电动机转子的尺寸、气隙大小等对转矩的影响；R2、X20—电动机转子绕组的等效电阻和静止状态下的感抗；U1—三相电源的线电压；s—电动机的转差率。

电动机起动时，转速n=0，转差率s=1，转子的漏电抗X2达到最大值X20，而转子电阻R2通常很小，使X2≫R2，此时的起动转矩

(2)

附加电阻(1-s)R2/s=0，相当于转子电路短路，此时

(3)

由于定子、转子漏阻抗很小，所以起动电流Ist很大。一般情况下Ist=(5～7)IN，是额定电压下的堵转电流。由于转子回路中电抗X2≫R2，此时转子电流的有功分量不大，故异步电动机的起动转矩Tst不大。当Tst=(1.0～2.0)TN，起动转矩近似和转子绕组电阻成正比，加大转子绕组电阻可提高电动机的启动能力。电动机在额定转速下运行时，转速n接近同步转速n1，转差率s很小，大约为50%，转子电阻为(1-s)/(s×R2)，数值很大，从而限制了定转子电流数值，此时sX20≪R2，转子电路呈电阻性，转矩公式近似为

(4)

在转矩不变的情况下，加大转子绕组的电阻会同时加大电动机的转差率，降低电机转速。笼型三相异步电动机直接起动时的机械特性和电流特性见图1。

图1直接起动时的机械特性和电流特性

2 低压笼型三相异步电动机直接起动的条件

电动机直接起动时，因起动电流大，会对电网造成影响，如果电源容量足够大，而对电网造成的影响又不大，可以直接起动。在变压器容量较小，而电动机容量又相对较大时，电动机起动过程中的加速转距和冲击电流对工作机械、供电系统都会造成很大影响。为了减小电动机起动时对生产机械和供电系统的影响，要对电动机起动时的加速转距和冲击电流加以限制。根据电动机的起动转距与加在定子绕组端电压的平方成正比，而电动机的定子电流与定子绕组端电压近似成正比。可通过降低电动机起动时加在定子绕组的端电压，达到限制其起动电流和起动转距的目的。通常要求电机直接起动时，起动电流在电网中引起的电压降控制在电网额定电压的10%～15%以内，可直接起动。一般11kW以下容量电动机可以直接起动。如果变压器容量较大，直接起动的电动机容量可相应增大，一般按经验公式核定

(5)

式中，k1—起动电流倍数；I1st—电动机的起动电流；I1N—电动机的额定电流；SN—电源变压器总容量；PN—电动机的额定功率。

例：有一台需要经常起动的鼠笼式感应电动机，其PN=30kW,Ist/IN=6.5，如果供电变压器(电源)容量为750kVA，且有照明负载直接启动公式见式(6)。同样的Ist/IN比值，功率超过多少kW的电动机不允许直接启动见式(7)。

根据经验公式算出

(6)

满足上述关系，故允许直接启动。

根据式(6)求

(7)

可算出，额定功率超过32kW的电动机不允许直接起动。

综上所述，低压笼型三相异步电动机能否直接全压起动，需根据电网的容量、起动频次、线路允许干扰程度以及电机的安装型式决定。通常需考核以下三方面：(1)被拖动机械能否承受电机直接起动时的冲击转矩；(2)电机端子上的计算电压在电机频繁起动时不应低于额定电压的90%，不频繁起动时不应低于额定电压的85%；(3)电机起动时应不影响其他负荷的正常运行。如不能满足上述三方面中的任一要求时，需采用降压起动以保证电网和设备的安全。降压起动除了限制起动电流，有时也可用减小起动转矩的方法，以减轻对机械设备的冲击，保证平稳加速。

3 低压笼型三相异步电动机降压起动方法

低压笼型三相异步电动机常用的降压起动方法分为：星形-三角形起动、定子回路串电阻起动、自耦变压器降压起动、软启动器降压起动、变频器降压降频起动。

3.1 星-三角起动

对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机来说，如果在起动时将定子绕组接成星形，待起动完毕后再接成三角形，就可以降低起动电流，减轻它对电网的冲击。这样的起动方式称为星-三角降压起动，或简称为星-三角起动(Y-△ 起动)，起动接线图见图2。

图2 Y/△起动接线图

3.2 定子回路串电阻和自耦变压器降压起动

定子回路串电阻的降压起动方法能降低起动电流，但起动转矩显著减小，所以只适用于空载或轻载起动。如果负载较重时，可采用自耦变压器进行降压起动。自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩降低的比值相同，与定子串电阻的起动方式相比较，在获得同样起动转矩的条件下，这种方法的限流效果好。反之，若在相同的起动电流条件下，可获得比较大的起动转矩，故用自耦变压器降压起动的方法能带动不同的负载起动。

3.3 软启动器降压起动

软启动器启动是利用可控硅的移相调压原理来实现电动机的调压起动，根据电机的负载特性来调节起动过程参数，通过降压和限流的方法，使电机在整个起动过程中实现无冲击平滑起动，同时软启动器兼具有短路、缺相、过热、欠压等保护功能。其特点为起动平稳、对电网冲击少、装置功率适中、允许起动次数较高、比变频器造价低，在大型机组和重要场合应用较广。软启动器既能改变电动机的起动特性保护拖动系统，保证电动机可靠起动，又能降低起动冲击，且配有计算机通讯接口，可实现智能控制。

3.4 变频器的降压降频起动

变频器是利用电力半导体的通断作用将工频电源变换成另一频率电源的电机控制装置，是现代电机控制领域技术含量最高、控制功能最全、控制效果最好的电机控制装置，不但具有软起动功能，而且可以在电机运行中进行无级调速，实现变频节能。变频起动时，电动机可以在最大转矩下起动，且起动电流倍数要比直接起动时小很多，从而减少定子绕组端部的电磁应力，延长电机寿命。变频器系统控制是低压笼型三相异步电动机起动和变速控制及系统节能的发展趋势。

采用变频器控制的电机一般在低频起动，随着电源频率和电压的提高，电机逐渐加速，平滑起动(起动时间变长)。图3是通过变频器起动电机的起动，恒转矩和恒功率运行时的转矩-转速特性图。一般变频器起动电机时，起动电流为电机额定电流的1.2～1.5倍，起动转矩为额定转矩70%～120%，可满载起动。根据变频器类型不同，变频器起动电机的起动电流限制在额定电流的125%～200%以下。预置启动模式可以充分利用电机最大转矩，以满足启动转矩和加减速的要求。

图3变频起动电机转速-转矩特性图

4 结语

低压笼型三相异步电动机，在电网容量允许的情况下，优先选用直接起动方式。对于大容量的电动机来说，当提供电源的线路和变压器容量不能满足电动机直接起动的条件，或起动电流冲击电网和电动机，影响电动机或其它用电设备的使用，对电网稳定运行不利时，为使电机的启动电流控制在额定电流的3倍以内，要采用降压起动。由于软启动器和变频器起动电流最小，容易实现无级调速，起动和运行中节约电能，是目前提倡的起动方法，但其维护复杂，技术含量高，一次性投资大。其次轻载启动时可选用星-三角起动，起动电流中等，是以前和现在都是常用的方法。

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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

张红枝女1977年生；毕业于长春工业大学机械制造专业，现从事电机的制造、工艺及出厂检测与故障分析工作.

2017-02-13