第八章 异步电动机的运行

U N2 UN N1

电动机降压起动电流为 I s，与直接起动的 起动电流 I s 之间关系是： I s U N2 Is UN N1
自耦变压器原边的起动电流为 I s，与 I s之间 关系为： I s N2
I s N1

因此降压起动与直接起动相比， 供电变压器的起动电流的关系为：
Z k ）上，而 Z k上的电压是 U 1 。
U 1 I1s ( Z k jX ) U '1 I '1s Z k

我们知道，三相异步电动机直接起动时转子功率 因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗
Z k Rk jX k中X k Z k
X k 0.9Z k
Z 因此，串电抗起动时， k 可以近似看成是电抗性质。

降压起动的分析
电网I1
降压 起动 设备
起动I ' st
电网U1N
起动U电流为I st 1N 起动转矩Tst，均设为相参数
8.2.1 定子串接电抗器起动：
三相异步电动机定子串电抗 器起动，起动时电抗器接入定子 电路；起动后，切除电抗器，进 入正常运行。显然此时的电抗器 起到了分压的作用。

8.3.2 深槽式鼠笼异步电动机
1.槽深式
特点：槽深h，槽宽b，h>>b，即h =(10~20)b
与普通笼型异步电动机相比，这种电机的主要
结构特点是转子槽形窄而深，转子导体或是整
根的铜条，或是铝熔液浇铸而成。
R2 jX2
示意图
h 槽 高 (a)漏磁通分布(b)导体内电流密度分布 (c)导体的有效截面 深槽式鼠笼异步电动机

8.3 高起动转矩的三相鼠笼式异步电机
8.3.1转子电阻值较大的鼠笼式异步电动机 一般浇注式的鼠笼都采用铝，有些电动机鼠 笼由合金铝浇注而成，或者还采用转子小 槽，减小导条截面积，这样使转子电阻增 大； 一般焊接式的鼠笼都采用紫铜，有些电动机 鼠笼材料用黄铜，黄铜的电阻率比紫铜高， 所以转子电阻较大。
8.2 三相鼠笼异步电动机的降压起动
当电网容量不够大而不能采用直接起动时，根 据起动电流与端电压成正比的关系，可以采用 降低电压的办法来减小起动电流，简称降压起 动。 1.定子串电阻或电抗——分压起到降压作用 2.自耦变压器降压起动 3.星形-三角形起动 降压起动只适用于对起动转矩要求不高的场合。 对不同的起动要求，需专门设计电机。
每相起动电流 I Y ，则
IY U1 U N / 3 1 I U1 UN 3
I s IY

1 3
I
线起动电流为 :
1 Is Is
1 3 3 3I
I
I s 3I
I s IY
Is 1 Is 3
1 3
I
起动时，尽管相 电压和相电流与直接起动时相比降低到原 来的 1 / 3 ，但是对供电变压器造成冲击 的起动电流则降低到直接起动时的1／3。 直接起动时起动转矩为 Ts ， 起动 时起动转矩为 Ts ，则： Ts U1 2 1 ( ) Ts U1 3 Ts Ts 起动可以用于拖动 TL 1.1 1.1 3 0.3Ts 的轻负载。在轻载起动条件下，应该优
国产自耦变压器为满足不同的负载要求，其副 边一般有三个抽头，可根据允许的起动电流和所需
的起动转矩任意选择。这种起动方法的缺点：起动
设备体积较大，价格高。
自耦变压器降压
降压
起动
设备
M
三相鼠笼式异步电动机启动方法比较
自耦变压器降压起动与定子串电抗起动相比，当 限定的起动电流相同时，起动转矩损失的较少；与 Y-Δ起动相比，有几种抽头供选用，比较灵活，并 且N2/N1较大时，可以拖动较大的负载起动。 但是自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负 载起动。自耦变压器降压起动在较大容量鼠笼异步 电动机上被广泛应用。

Is N2 2 ( ) Is N1

自耦变压器起动时记起动转矩为Ts，与直接 起动时起动转矩 T s 之间的关系为：
T 's Ts

U 2 N2 2 ( ) ( ) UN N1
采用自耦变压器降压起动时，与直接起动 相比较， N2 电压降低到原来的 N1 ， N2 2 ( ) 起动电流与起动转矩降低到原来的 N 。 1
定值的一半，功率因数 cos2 又很低，造 成了起动电流相当大而起动转矩并不大的 结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例， 起动电流
I s K I I N 4 ~ 7I N
起动转矩 Ts K T TN (0.9 ~ 1.3)TN 如图所示为三相异步电动机直接起动时的固有机械 特性与电流特性，其中 I 1 为定子每相电流，而

实际上起动用的自耦变压器，备有几个抽 头供选用。例如QJ 2型有三种抽头，分别 为55%（即=55%）、64%、73%（出厂时 接在73%抽头上）；QJ 3型也有三种抽头， 分别为40％、 60%、80%（出厂时接在 60 ％抽头上）等。
说明
自耦变压器降压启动起动电流和起动转矩降低 的比值相同，与定子串电阻或电抗的起动方式相 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，可获得比较大起动转矩故用自耦变压器降压 起动的方法能带动较大的负载起动。
8.2.2

起动
主要是利用了星—三角电压之间 3 的关系。 对于运行时定子绕组接成Δ形的三相笼型异步 电动机，为了减小起动电流，可以采用Y-Δ降 压起动方法。
如果起动的时候是三角形联接，这样，相电压 等于线电压 U 1 U N 每相起动电流为 I ， 线上的起动电流为 I s 3I 。 而如果起动时定子绕组Y接，如图（b）所示， 每相起动电压为 UN U1 U1 3 3

从上面分析看出，三相异步电动机直接起动有 些情况下是可行的，而下面两种情况下是不 可行的：①变压器与电动机容量之比不足够 大；②起动转矩不能满足要求。 不能直接起动的第①种情况:需要减小起动电 流，第②种情况下需要加大起动转矩。 即起动必须满足的条件是：
起动电流要足够小；起动转矩要足够大。 起动电流：
显然，定子串电抗器起动，降低了起动电 流，但起动转矩降低得更多。因此，定子 串电抗器起动，只能用于空载和轻载。 工程实际中，往往先给定线路允许电动机 起动电流的大小 I s ，再计算电抗X的大小。 计算公式推导如下：

Is Zk u Is Zk X

1 u X Zk u
其中短路阻抗为
若变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大 的起动电流，会使变压器输出电压短时下降幅度 较大，超过了正常规定值，例如 U＞ 10％或更 严重。这样一来，影响了几个方面： （1）起动电动机本身，由于电压太低起动转矩下 降很多（Ts U12 ），当负载较重时，可能起动不 了。 （2）影响由同一台配电变压器供电的其他负载， 比如说电灯会变暗，数控设备可能失常，重载的 异步电动机可能停转等。

I1 I ' 2 I 0
一般地说，容 量在7.5kw以 下的小容量鼠 笼式异步电动 机都可直接起 动。
起动电流较大有什么影响呢？
1、首先对于绕组来说是非常不利的， 如果电机是属于频繁起动的，频繁出现短 时大电流会使电动机内部发热较多而过热。 2 、 对于变压器而言，整个交流电网的 容量相对于单个的三相异步电动机来讲是 非常大的。但是具体到直接供电的变压器 来讲，容量却是有限的。
UN UN Zk 3I s 3K I I N
串电抗或电阻
降压 起动 设备
可等效为 1阻抗
M
接法不变，所以:
电网线电流变化的倍数=相电流变化倍数

若定子回路串电阻起动，也属于降压起动，也 可以降低起动电流。但由于外串的电阻上有较 大的有功功率损耗，特别对中型、大型异步电 动机更不经济，因此这里不予介绍。
I1s I ' 2 s
U1 ( R1 R2 ) ( X 1 X 2 )
2 2
3 pU1 R2 Ts 2 2 2f1[( R1 R2 ) ( X 1 X 2 ) ]
2
从上面两个表达式我们可以看出，降低起 动电流的方法有：①降低电源电压；②加 大定子边电抗或电阻；③加大转子边电阻 或电抗。 加大起动转矩的方法只有适当加大转子电阻， 但不能过份，否则起动转矩反而可能减小。 而直接起动的最大优点就是不需要专门的 起动设备。
采用。缺点是应用时要受一定条件的限制。
（三）自耦变压器降压起动
如图所示： 启动时，开关K投向启动一边，电动机的定子绕 组通过自耦变压器接到三相电源上，属降压启动。 当转速升到一定程度后，开关K投向运行边，自 耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上， 电动机进入正常运行状态。 自耦变压器降压启动时电动机一相的启动电压降为U
上式说明，

先采用。
Y-Δ起动
降压
起动
设备
M
起动电流及起动转矩降低同样的倍数， 即都为直接起动时的三分之一
星—三角起动适用条件
条件： 1.只适用于空载或轻载起动。
2.只限于正常运行时定子绕组为三角形接线的电机。
3.限于在500V以下的低压电机(因高压电机定子出6 个端头有困难)。 星—三角起动的优点： 设备简单，价格便宜，故在轻载起动时应优先
三相鼠笼式异步电动机启动方法比较
到目前为止，前面所介绍的几种鼠笼式异步 电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动 电流，但同时又都程度不同地降低了起动转矩， 因此只适合空载或轻载起动。对于重载起动， 尤其要求起动过程很快的情况下，则需要起动 转矩较大的异步电动机。 加大起动转矩的方法是增大转子电阻。对于绕 线式异步电动机，则可在转子回路内串电阻。 对于鼠笼式异步电动机，只有设法加大鼠笼本 身的电阻值，这类电动机有高转差率鼠笼式异 步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式鼠笼 异步电动机。