关于感应电动机启动方式探讨

姚智元

摘 要：文章针对感应式电动机在启动过程中会造成的危害及危害产生的原因进行了分析，阐述了常用的几种启动方式，并从各种启动方式的优缺点进行了客观的分析。

关键词：感应式电动机；启动方法；启动特性

中图分类号：TM346 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0054-03

Abstract： This paper analyzes the harm of induction motor in the process of starting and the reasons for harm， expounds several common starting methods， and analyzes objectively the advantages and disadvantages of each starting mode.

Keywords： induction motor； starting method； starting characteristic

1 概述

当感应电动机接电源后，电机从静止状态开始转动，然后升速至稳定运行的转速，这个过程叫做启动过程，简称启动。由于生产上的需要，在实际运行中，感应电动机需要经常地启动和停机。电动机启动过程非常短暂，一般约为几分之一秒至数秒，但由于电动机在启动时启动电流很大，而启动转矩较小。若启动方式不当，启动次数太频繁，往往会造成电机的损坏，并影响电网上其他电气设备的正常工作。因此，研究感应电动机启动问题，对于正确使用电动机具有实际意义。

2 电机启动特性

2.1 启动性能

感应电动机的启动性能主要包括下列几项：（1）启动电流倍数Ist/IN；（2）启动转矩倍数Tst/TN；（3）启动时间，希望启动时间较短，以提高劳动生产率；（4）启动过程中的能量消耗，对经常启动的电动机，能量损耗过大会使电机的温升增高，危害绕组的绝缘；（5）启动设备的简单性和可靠性，启动设备简单，可降低设备成本和便于维护。其中最重要的是启动电流和启动转矩的大小。

在为各种生产机械选配电动机时，既要求启动电流不要太大，以免损坏电机及影响同一电网上其他设备的正常工作；又希望电动机具备较大的启动转矩，使生产机械能够迅速地达到额定转速而正常工作。但是，这两个要求却又不能同时满足。

对于鼠笼式电动机，启动电流倍数和启动转矩国家都有规定的标准要求，一般Ist/IN=4～7（不允许超过此数值）；Tst/TN=1～2（不允许小于此数值）。

2.2 启动问题

感应电动机启动时，启动电流过大的原因可借由左图等值电路得出。由于励磁阻抗比定子、转子漏阻抗大得多，所以去掉励磁支路后对定子电流影响不大，则定子电流公式

正常运行时电动机的同步转速n1非常接近转子转速n2，此时的转差率S很小，一般SN=0.01～0.05，所以R2/S数值很大，从而限制了定子、转子的电流。但在启动时，因转子转速n2=0，由公式S=■可得S=1，R2/S=R2。此时转子的漏阻抗很小，所以启动电流很大，远远超过额定电流。

由公式2可得，当电机正常运行时，因转差率S=0.01～0.05，故转子边的功率因数角φ数值很小，使功率因数COSφ数值大，电磁转矩T也就很大。但在电机启动时转差率S=1，使得转子边的功率因数角φ数值很大，COSφ很小，虽然尽管I很大，单其有功分量Icosφ却不大。另外，由于启动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降很大，使感应电动势E1减小，主磁通φm也相应减小。这两个因数使得虽然启动电流很大，而启动转矩却不大。

3 鼠笼式转子电动机的启动方法

3.1 直接启动

直接启动，就是不需要专门的启动设备，直接通过刀闸、断路器等开关设备将电机接到电网上。

直接启动时，虽然启动电流较大，对于电动机本身可能会造成不利的影响。但是鼠笼式电动机启动时间短，一般不会因启动电流过大而烧毁。此时主要考虑的是Ist过大而产生的压降对同一电网的其他设备正常工作的影响。因此，直接启动的方式直接与供电变压器容量大小密切相关。若不经常启动的电动机，单机容量应小于变压器容量的30%；经常启动的电动机，单机容量应小于变压器容量的20%。

直接启动不需要专门的启动设备，启动时间短，操作简单，在变压器容量允许的情况下应优先采用。在发电厂中，由于供电变压器容量大，一般都采用直接启动。但为了保证电机的安全，在正常情况下，电机在冷状态下允许连续启动2～3次，在热状态下只允许启动1次。只有在处理事故时，以及启动时间不超过2～3秒的电机才可以多启动1次。

3.2 降压启动

对电动机容量较大而供电变压器容量又相对较小时，为降低启动电流，需降低电动机启动时定子绕组上所加的电压。常用的降压启动方式有下列几种。

（1）Y-△启动法

由上述分析可以得出：Y-△启动的优点是启动设备简单、操作简便并能较大地降低电源供给的启动电流，故国产Y系列异步电机4KW以上，均規定额定接线方式为△接法，以便采用Y-△启动。采用此法启动，要求电机需引出6个引出端，这对于高压电机是有困难的，且高压电机通常采用Y型接线，所以Y-△启动通常只适用于500V以下的低压电机；其缺点是较大地较低了转子的启动力矩。故这种启动方式只能用于空载或轻载的场合。

（2）定子边串接电抗器启动

这种启动方法是在电机开始启动时在定子边串接电抗器，该电抗器起到对电源电压分压的作用，降低定子绕组的端电压，故减小了启动电流IST。当电动机的转速接近额定转速时，即切除电抗器，电动机就在额定电压Un下正常运行。

假定在降低电压时电机的阻抗参数不变的情况下，在串入电抗器后，加在电机上的电压减小至1/KUN，由公式1可知，启动电流也减小为直接启动电流的1/K倍。同时因启动转矩与电压的平方成正比，此时的启动转矩也减少为直接启动转矩的1/K2倍。

因此，用电抗器启动的缺点同样是启动力矩太小，只适用于轻载启动或启动不频繁的场合。目前因为电机串接固定电抗器启动的方法适应性差，且电抗器被切除是还存在二次的电流冲击和转矩冲击的危险，目前已很少使用。

（3）用自耦变压器降压启动

自耦变压器（或称补偿器）的高压侧接到电网上，低压侧接到电动机上，其低压侧一般有三个抽头，分别为电网电压的40%，60%，80%或其他数值，以便根据启动力矩的要求，选择不同的启动电压。当启动完毕后，切除自耦变压器，电动机就在额定电压下正常运行。

忽略电动机在启动时的电抗变化，设自耦变压器原边电压与副边之比为k（k>1）。电动机在额定电压下直接启动的启动电流为IST。今由于加到电动机上的电压降低到全压启动电压的1/k倍，由公式1可得启动电流也降低为全压启动电流1/k倍，即自耦变压器副边电流I2ST=1/KIST。要注意到，此时I2ST是自耦变压器的二次电流，而电源供给的启动电流I1ST为一次电流。根据变压器的原理，自耦变压器高压侧电流是低压侧电流的1/k倍，因此，由电网供给电动机的启动电流I1ST=1/KI2ST=（1/K）2IST。

同样，由于启动转矩与电压平方成正比，当电动机上的电压降低到全压启动电压的1/k倍时，启动力矩也将降低到（1/K）2倍，与电流的降低倍数相等。

采用自耦变压器启动可以根据电动机容量的大小和负载的轻重而选择不同的抽头，且与串入电抗器降压启动比较，相同的转动力矩下，采用自耦变压器降压启动的启动电流更小。其缺点是启动设备要耗费大量硅钢片和铜材料，故设备贵重，同时设备容易损坏，检修麻烦，一次不宜频繁启动等。这种方法一般适用于Y-△启动不能满足要求的容量较大的大、中型电动机。

（4）延边三角形启动法

这种启动方法与Y-△降压启动原理非常相似，即启动时将电动机定了绕组的一部分接成星形（丫），另一部分接成三角形（△），从图形上看好像将一个三角形（△）的三条边延长，因此称为延边三角形，当电动机起动结束后再将定子绕组接成三角形进行正常运行。

因此Y-△星三角降压启动方法只是只是延边三角启动法的特殊情况，即启动时，电动机定子每相绕组所承受的电压，比接成全星形接法时大，所以启动转矩也较大。同时在电机制造时可以选取每相两段绕组不同的匝数比来得到不同的启动电流和启动转矩。

但是在实际应用中由于采用延边三角形启动的异步电动机三相定子绕组比一般的多了三个中间抽头，因此使绕组结构较为复杂，电动机必须专门生产，从而限制了本方法的实际应用范围。

（5）新型软启动

电压由零慢慢提升到额定电压，启动电流的亦可根据需要进行调节，电机的启动的全过程为平滑的启动运行，即为软启动。

软启动的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其控制电路，通过晶闸管触发脉冲的迟早来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变加到电动机三相绕组的电压大小。由于电动机转矩近似与定子电压的平方成正比，电流又和定子电压成正比。这样，电动机的启动转矩和启动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，电动机的启动转矩和启动电流的最大值可根据负载而设定，以满足不同的负载启动要求。电动机启动的过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑启动，并使电动机工作在额定电压下。

软启动的优点是可以从根本上解决启动电流大造成的不良影响；其缺点是晶闸管的故障率较高，成本投入较大，且对维护技术人员的要求也较高。

4 绕线式转子电动机的启动方法

绕线式异步电动机转子回路可以接入变阻器，以达到减小启动电流、提高启动转矩的目的。在启动过程中，随着电动机转速的上升，逐渐减小变阻器的阻值，待转速增加到接近额定转速时，将变阻器切除。

4.1 启动变阻器启动

这种启动方法是将可调节的三相变阻器接在转子回路中，从公式1可得，这样既可以减小电机启动电流，同时又提高了转子电路的cosφ，从而提高启动转矩，因此改善了绕线式异步电动机的启动性能。

转子串入的启动电阻是分级的，随启动过程的进行，转子逐步升高，逐级切除启动电阻。因是逐级切除启动电阻，切除每段电阻均会造成转矩突变，对电机有机械冲击，且切换设备多，控制较复杂，已逐渐被频敏电阻器取代。

4.2 频敏变阻器启动

频敏变阻器的结构相当于一个铁心损耗特别大的三相铁心电抗器。在电机启动过程中，转子电流频率（f2=f1S）是随转差率变化的，串接在转子电路中频敏电阻器的等值阻抗Zp，将随转子电流频率的变化而自动改变。启动时，转子电流频率f2最大，Zp也最大，电动机的启动电流将受到限制，并可获得较大的启动力矩。启动完毕后，随着转子电流频率f2的减小，Zp跟着自动减小。

因此采用频敏电阻器启动，启动电机不需要经过分级切除电阻，实现了电机的无级平滑启动，因此获得广泛应用。

5 结束语

对于鼠笼式感应电机直接启动启动快、方法简单，但是启动电流大，在電源容量允许的情况下首先考虑直接启动法。如果把可以采用直接启动的电机，采用了降压启动，无疑是一种浪费，且增加了故障的可能。降压启动仅使用在不允许直接启动的场合，但是此方法会使启动转矩显著降低，以此只适用于电动机空载或轻载下启动。

对于绕线式感应电动机，在转子回路串接频敏变阻器启动因其可以得到近似于恒启动转矩的平滑的机械特性，且结构简单、运行可靠、维护方便，故目前得到了广泛的引用。

参考文献：

[1]叶水音.电厂及变电站电气运行专业（第二版）[M].中国电力出版社.

[2]北京电力学校.电机学[M].电力工业出版社.