低压笼型异步电动机起动性能改进的几种实用方法

伍玩秋 ， 林毅贞 ， 刘文彬

（阳江职业技术学院机电系，广东 阳江 529500）

与绕线转子异步电动机相比，笼型异步电动机具有结构简单、维修方便、造价便宜、运行可靠、安全性高等特点。与高压笼型异步电动机相比，低压笼型异步电动机的供电电源更容易获取，因而广泛应用于家用电器、医疗器械、电动工具、轻工设备以及给排水设备、鼓风机、运输机械、矿山机械等对起动性能和调整性能没有特殊要求的机电装备中。起动性能是衡量低压笼型异步电动机质量的一个重要指标，起动性能的好坏既影响电动机拖动系统的使用寿命，也事关电网及周围用电设备的安全。因此，研究低压笼型异步电动机起动性能的改进具有重要的现实意义。

1 低压笼型异步电动机传统起动方式的不足

低压笼型异步电动机传统起动方式存在起动电流偏大、起动转矩偏小、起动过程不够平滑等不足之处，既对电动机拖动系统本身造成负面影响，也对电网及周围用电设备造成冲击。如果采用直接起动（全压起动）方式，笼型异步电动机起动过程的负面影响将十分明显，大功率电动机尤其如此，因此，功率在75 kW以上的笼型异步电动机一般不宜采用直接起动方式。定子绕组串接电阻减压起动、自耦变压器减压起动、Y-△减压起动等起动方式都是通过先降低起动电压，再分次提升电压至额定电压，使电动机转速逐步提升，最后达到额定转速。这些方式在限制起动电流、减小负面冲击、增加起动平滑性方面有一定成效，但总体效果欠佳，还有进一步改进的空间。

2 改进低压笼型异步电动机起动性能的方法

所有的改进方法必须满足低压笼型异步电动机最初的起动转矩高于被拖动机械的转矩，以确保顺利起动；同时，尽量减小电动机起动过程对自身使用寿命的负面影响和对电网及周围用电设备的冲击。因此，低压笼型异步电动机的改进应该以减小起动电流、增大起动转矩、增加起动过程的平滑性为目标，而优化电动机转子结构或采用晶闸管相位调压技术可以实现这一目标。

2.1 变转子铁芯的普通槽为高深宽比的深槽

2.1.1 深槽式笼型异步电动机转子的结构与电磁特征

低压深槽式笼型异步电动机的转子槽形既深又窄，深与宽之比一般不小于10，而普通笼型异步电动机的这个比值不超过5。当转子导条中流过电流时，转子槽的槽形及漏磁通分布如图1（a）所示。从图中可看出，与导条底部相交链的漏磁通明显多于槽口部分相交链的漏磁通，如果将导条看作是由若干沿槽高细分的小导体并联构成，那么靠近槽底的小导体将具有较大的漏电抗，而接近槽口部分的小导体的漏电抗则相对较小[1]。

图1 深槽式转子导条内电流的挤流效应

2.1.2 深槽式笼型异步电动机起动过程与工作原理

由于电动机刚起动时，转差率s=1，转子电流的频率较高（等于定子电流的频率50 Hz），导条的漏电抗值大于其电阻值，这时各小导体中的电流分配将主要取决于漏电抗，即漏电抗越大则电流越小；又由于受到由气隙主磁通所感应的同一个电动势的作用，沿槽高的电流密度将呈现如图1（b）所示的分布状，即靠近底部的转子导条的电流密度将非常小，而靠近槽口的导条的电流密度将较大，即电流主要集中在槽口部分，这种现象被称为趋肤效应（也叫挤流效应）。趋肤效应的效果相当于减小了导条的高度和截面，增大了转子电阻，减小了起动电流；而槽口附近的导条的转动半径较大，大部分电流又集中在槽口附近，这样转子便能产生较大的起动转矩，从而优化了电动机的起动性能。

当电动机起动完毕进入正常运行状态时，转差率s很小，转子电流频率很低（一般只有1 Hz~3 Hz），这时导条的漏电抗很小，比转子的电阻小得多，因此各小导体中电流的分配将主要取决于电阻；又由于各小导体的电阻相等，电流在导条中将均匀分布，趋肤效应几乎消失，导条对电流的阻碍作用只表现为电阻（其漏电抗可以忽略不计），相当于正常运行时电动机转子的电阻自动变小，从而减少转子的铜损耗，提高了电动机的工作效率。

2.2 变单笼转子为双笼转子

2.2.1 低压双笼型异步电动机转子的结构与电磁特征

如图2所示，低压双笼型异步电动机的转子上有两套同轴的笼子，即外笼和内笼。其中，外笼由若干条水平放置的外笼导条和左右两端竖直放置的两个相同外端环组成，内笼由若干条水平放置的内笼导条和左右两端竖直放置的两个相同内端环组成；内笼和外笼既可以相互独立，也可以有公共端环。对于焊接铜转子，其槽形如图3所示。外笼导条截面积较小，用黄铜或者铝青铜等电阻率较大的材料制成，电阻较大；内笼导条截面积较大，并用电阻率较小的紫铜制成，电阻相对较小。从图3可看出，内笼交链的漏磁通明显比外笼多，因此，内笼的漏电抗也比外笼的漏电抗大得多[2]。

图2 双笼转子三维结构图

图3 转子外笼和内笼的导条及周围漏磁通分布

2.2.2 低压双笼型异步电动机起动过程与工作原理

当低压双笼型异步电动机起动时，转子电流频率较高，转子的漏电抗大于电阻，上笼转子和下笼转子电流的分布主要取决于漏电抗。由于内笼的漏电抗比外笼的漏电抗大得多，因此电流主要集中于外笼；又由于外笼的半径和电阻均较大，能产生较大的起动转矩，因此电动机起动时外笼起到了主要作用，故外笼也可以称为起动笼。同时，对整个转子而言，集中绝大部分电流的外笼，其具有的较大电阻，又有效地抑制了整个转子的电流，从而使低压双笼型异步电动机在起动过程中也呈现出起动转矩增大、起动电流减小的优良起动性能。

当电动机正常运行时，转子电流频率较低，转子的漏电抗远小于电阻，因此，转子中电流的分布主要取决于电阻。由于内笼的电阻小，外笼的电阻大，所以电流主要集中在内笼，这时内笼成为维持电动机正常运行的动力主体，故内笼又可称为运行笼。

双笼型异步电动机的机械特性曲线可以认为是外笼机械特性曲线和内笼机械特性曲线的合成。通过改变外笼和内笼的参数，可以得到一系列不同的机械特性曲线，以适应不同负载的工作要求。

2.3 采用基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动系统

各种减压起动方式及前述的两种基于转子结构优化的起动方式本质上都属于有级起动方式，起动过程不够平滑，在电压切换时还是会出现冲击电流，并且由于起动设备的触点较多而导致故障率偏高，维护工作量偏大。为进一步提高电动机起动过程的平滑性，采用基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动系统是一个不错的选择[3]。

2.3.1 基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动系统的结构及其部件功能

如图4所示，基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动系统由主电路和采集与控制单元组成。其中，主电路由交流电源、晶闸管组、旁路交流接触器、电动机及切换模块、驱动模块、阻容吸收模块等组成；采集与控制系统由控制器、电压采集模块、转速采集模块、电流采集模块（图中未画出）、温度采集模块（图中未画出）等组成。以三相低压笼型异步电动机为例，交流电源一般为380 V或660 V的三相正弦交流电源。晶闸管组由三对反并联晶闸管组成，是相位调压电路的核心元件，也是电动机起动过程中电流经过的路径。旁路交流接触器与晶闸管组并联，是电动机正常运行时电流经过的路径。电动机的负载可以采用星形或三角形连接方式。切换模块接受来自控制器发出的指令，实现电流在晶闸管组所在支路和旁路交流接触器所在支路之间的切换。驱动模块起到信号放大和隔离作用，接收控制器发出的动作信号并进行转换，为晶闸管组的通断状态提供动作信号。阻容吸收模块用于滤除电网电流中的杂质成分。控制器主要接收主电路电压信号、电动机转速信号、电动机电流信号、晶闸管组温度信号等，并进行运算和处理，得到主电路电压、电动机转速、电动机电流、晶闸管组温度等数值，适时向各种功能模块发出相应的动作指令。还可以在设备出现故障的情况下，通过报警模块（图中未画出）进行报警，利用通信模块（图中未画出）实现与上位机之间的数据、动作指令的通讯。电压采集模块采集来自晶闸管组前端的主电路电压信号，转速采集模块采集电动机转速信号。

图4 基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动系统原理图

2.3.2 基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动系统的工作原理与过程

门极脉冲信号的相位变化将引起晶闸管控制角（交流电正弦波形中不导通部分对应的电角度）的变化，由于晶闸管的控制角与导通角（导通部分对应的电角度）之和为180°（定值），因此，也将引起导通角的变化。而晶闸管的导通角度又直接决定输出电压的幅值，所以控制角越小，导通角就越大，输出电压也就越大。在电动机正常起动过程中，晶闸管组是三相交流电源与负载之间的桥梁，也是对输入的三相交流电压进行调控的部件。通过控制晶闸管导通角的大小，可以改变晶闸管组的输出电压（即加在电动机定子绕组的电压），使电动机的起动电流、起动时间、起动转矩等按照工作要求所设定的 规律变化，从而确保电动机起动过程的平滑性和对工作要求的适应性。

当电动机起动过程完成后，旁路交流接触器闭合，直接输送出额定电压至电动机，使电动机进入稳定的额定运行状态；同时短路掉所有的晶闸管，使晶闸管组停止工作，以避免其长期运行发热，影响使用寿命，也避免了谐波干扰和不必要的电能损耗。此外，在软起动系统发生故障情况下，闭合旁路交流接触器使电动机全压起动，以应对不时之需，提高了起动电路的可靠性。

2.3.3 基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动方式的优点

基于晶闸管相位调压技术的电动机软起动的实质是无级降压起动，与传统有级降压起动相比优点突出：无机械触点，起动电压随意可调，平滑性好，大大减小了起动电流对电动机拖动系统、电网及周围用电负荷的负面冲击[4]。值得一提的是，电动机软起动系统的工作机理，同样可以延伸至电动机的停机（刹车）过程的控制，实现软停车功能，使停机过程平滑地减速，以克服电压有级下降时通断电瞬间冲击电流产生的负面影响。

3 结语

采用深槽铁芯的低压笼型异步电动机和低压双笼型异步电动机，分别利用电动机起动过程中转子电流频率先高后低的特征，以及转子铁芯槽口与槽底或外笼与内笼的漏电抗与电阻大小的易位关系，同时达到了增大起动转矩、减小起动电流的目的，实现了起动性能的改进。它们的转子漏电抗比普通笼型异步电动机的转子漏电抗稍大，适合应用于对功率因数和过载能力要求不高的电力拖动系统。相比较而言，后者的起动性能比前者好，但前者结构相对复杂，制造成本相对较高。采用基于晶闸管相位调压技术的低压笼型异步电动机软起动系统，通过逐渐增大晶闸管导通角的大小使其输出电压幅值逐渐上升，实现了电动机起动转速的平滑上升，起动电流的负面冲击更小，较好地满足了负载运行的需要，可广泛应用于对起动过程要求较高的各种场合[5]。