论3kW及其以下异步电动机的起动性能

王灏　梁国斌 姚非

摘 要：对于小功率可直接启动的异步电动机来说，其启动性能对电网和负载都具有一定的危害性。针对3kW及其以下直接起动的小功率异步电动机，解析了电动机的起动机理，并对其起动性能的相关影响因素进行了提取和分析。

关键词：小功率；异步电动机；起动性能

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.05.090

1 引言

目前，我国3kW及其以下的小功率电机是允许直接起动，但是电机直接起动时会产生较大的起动电流，对电网与负载都有较大的影响，归结起来其危害性主要为以下几点：（1）电机起动大电流会引起电网电压的急剧下降，影响同电网其它设备的正常运行。（2）电机起动大电流会对电网带来冲击，引发功率振荡，使电网失去稳定。（3）由于起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路相关参数引发高频谐振，造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。（4）电机起动的大电流产生的焦耳热和机械力，不仅加速电机绝缘老化，而且使导线相互摩擦增大，降低了电机使用的寿命。（5）电机起动大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会造成线圈变形、夹紧松动等故障。（6）电机起动产生很大的起动转矩，会加速齿轮磨损、风叶疲劳等。

2 异步电动机的起动机理

异步电动机在起动过程中一般转速会比稳定时偏高，输入电流偏大，这由电机的起动特性决定的。

2.1 异步电动机的单相理论模型

依据折算前电机各物理量之间的关系可得到转子经频率、绕组折算后至定子侧的电机T型等效电路图如图1所示。

图1 电机等效电路图

图1中三相电机等效电路的基本方程为：

其中，R1是定子绕组电阻，X1是定子绕组漏抗，R2是折算到定子侧的转子电阻，X2是折算到定子侧的转子漏抗，Rm是铁耗等效电阻，Xm是励磁电抗，S是转差率。

2.2 异步电动机的起动描述

如图2所示，当合闸瞬间，转子因惯性还未能转起来时，旋转磁场以最大的切割速度（同步转速切割转子绕组）使转子绕组感应可能达到的最高的电势，因而，在转子导体中流过很大的电流，这个电流产生抵消定子磁场的磁能，而定子方面为了维护与该时电源电压相适应的原有磁通，遂自动继续增大电流。因为此时转子的电流很大，故定子电流也增得很大，甚至高达额定电流的4～8倍，这就是起动电流大的缘由。随着电动机转速增高，定子磁场切割转子导体的速度也减小，转子导体中感应的电势减小，转子导体中的电流也减小，于是定子电流中用來抵消转子电流所产生的磁通的影响的那部分电流也减小，所以定子电流就从大到小的变化，直到正常。当电机起动电流进入稳态后，瞬间对电机进行重新断电、通电试验，若起停间隔时间为mS（毫秒）级，可认为电机仍保持稳态电流值大小不变。

3 异步电动机起动性能的相关性分析

影响异步电动机起动性能的因素归结起来可分为三个要素，即起动电流大小、起动时间长短与起动转矩大小。下面从这三个方面分析起动电流影响参数。

3.1 起动电流分析

由上述公式（1）可得出含有转差率的定子侧输入电流公式为：

增大负载，相当于在负载端并联电阻，从而减小负载端总电阻。由公式（2）可知，当电机起动时，转速为0，转差率为1，则电机起动瞬间电流公式为：

由公式（2）、（5）可以看出，在同一电动机起动的瞬间，电动机定子侧电流为最大值。即在电动机输出转矩、输出功率有冗余的情况下，电机起动电流的相关参数分别为输入电压、定子侧阻抗和转子侧阻抗（包括负载阻抗）。

异步电动机的起动电流在经过起动瞬间电流峰值后电流呈现逐步下降趋势，直至电动机完全起动结束趋于短时平稳。也就是，随着电机带载运行至起动结束阶段，再从起动结束运行至热稳定阶段，在这两个阶段，电动机的输入电流均会有不同程度的下降，前者一般下降幅度较大，后者下降幅度较小。而起动电流的大小是导致电机发热故障的主要原因之一。

3.2 起动转矩分析

电机的电机电磁转矩公式为：

由公式（6）可知，电机的瞬态转矩与负载、转差率S相关，当电机起动时，转速为0，转差率为1，则电机起动瞬间转矩公式应为：

由公式（7）可以看出，电机的瞬间起动转矩的相关参数为电动机极对数、输入频率、输入电压、定子侧阻抗和转子侧阻抗。

电动机的起动转矩除了与电动机自身的因素有关，还与电机的负载大小、电源电压和频率息息相关。因此，它直接影响着电动机的带载能力。

3.3 起动时间分析

由图3可以看出，异步电动机起动过程中，起动电流瞬间达到峰值，然后随着起动时间的增加而明显下降至起动结束后达到短时稳定状态。在电机直接起动过程中，起动电流较大，一般能达到额定电流的4～8倍，因此，起动时间的长短，直接影响着电动机的电冲击和发热。若起动时间过短，则电动机的起动瞬间电冲击较大，影响电机绝缘性能；若起动时间过长，电动机会在较长时间内运行较大的电流，发热严重，绝缘性能也容易遭到破坏，而导致电机损坏。合理的设计电动机的起动时间，有利于提高电动机的使用寿命。

4 结语

通过对异步电动机起动电流、起动时间与起动转矩的深入分析，可以对异步电动机起动性能进行更加直观合理的理解，为下面几方面的工作带来了便利。

（1）提高了设计技术人员解决异步电动机起动问题的效率，对异步电动机的技术参数合理性和可用性都有一定的指导作用。

（2）提高了应用技术人员对异步电动机的检验能力和故障诊断能力，可以对异步电动机起动过程带来的危害性加以预防和降低。

（3）使不了解异步电动机起动的使用者，对异步电动机的起动性能有了初步的认识，减少由于使用不当造成电机的损坏概率。例如：频繁起动等。

参考文献

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