电机拖动课程设计——三相异步电动机启动系统设计

1. 绪论

目前，工业中原动力主要由电动机提供，电动机可分为直流和交流电机。由于直流电机和交流电机的特点又决定了机械设备的动力大多由交流异步电机提供，尤其以鼠笼式电机居多。根据统计，在电网的总负载中，动力负载约占59%，而异步电机则占总动力负载中的85%，由此可见异步电动机在工农业中的重要性，异步电机的应用范围是非常广的，容量从几十瓦一直到几千瓦，应用在各种行业，例如，在工业方面，中小型的轧钢设备都采用异步电机，它也被广泛地用在各种机床上和在各种轻工业中作为一般的动力装备。在矿山上，它常用来拖动卷扬机和鼓风机等。在农业方面，它被用来拖动水泵和其它副产品加工机械。此外，它在人民日常生活中也越来越占重要地位，例如电扇，冷冻机，和各种医疗机械钟也都采用异步电机。总之，异步电动机应用范围广，需要量大，而且随着电气化自动化的发展，它在工农业生产和人民生活中的重要性也将逐步增大。与直流电机相比，交流电机有结构简单、成本低、可靠性高等一系列优点，但是相对欠缺的是其启动性能和调速性能。作为调速性能，随着变频技术的发展，已经得到了很好的解决，所以一直处于弱势的是其启动性能。因为在该阶段，由于启动过程中措施不到位导致电流过大有可能会出现烧毁电机和引发电网故障的现象，所以在工程界比较重视电机的启动问题。

随着我国现代化工业进程不断加快，能源消耗越来越大，能源紧张问题日益突出，作为能源消耗大户之一的电机在节能方面大有潜力可挖。对于带周期性负载和长期轻载运行的电机，在不采取节能措施情况下用电效率低，功率因数低。通过对电动机进行节能控制，可明显提高用电效率和提高功率因数，达到节能降耗的目的。因此，电动机经济运行的理论研究和节能技术研究近年来备受关注。

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。例如，在工业应用中，它可以拖动风机，泵，压缩机，中小型轧钢设备，各种金属切削机床，轻工机械，矿山机械等。在农业中，可以拖动水泵，脱粒机，粉碎机以及其他农副产品的加工机械等。在民用电器中，电扇，洗衣机，电冰箱，空调机等都有单相异步电动机拖动。总之，异步电动机应用范围广，需要量大，是实现电气化不可缺少的动力设备。

异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势，电流，从而产生电磁转矩。

2. 三相异步电动机的启动方案

2.1 三相异步电动机的直接启动

三相异步电动机直接启动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的启动。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。三相异步电动机的启动要满足生产机械对异步电动机启动性能的要求启动转矩要大，以保证生产机械的正常启动。缩短启动时间；启动电流要小。以减小对电网的冲击。

由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机。即转差率 S＝1，主磁通≈额定磁通的1/2，功率因数cos 很小，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。例如，对于普通鼠笼式异步电动机，起动电流＝（4～7）IN （为起动电流倍数）起动转矩＝TN（0.9～1.3）对于绕线式三相异步电动机的起动转矩T S＜TN 。

起动电流过大，对电网冲击大。使电网电压降低，对电机前端供电变压器影响大。使得变压器输入电压幅度下降，超过了额定值的允许偏差△＝±10%或更严重。这样，一方面影响了异步电机本身，由于Tst与电压 U的平方成正比，导致Tst下降更多，当重载时电机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电机可能停转等。

下面两种情况不能直接启动。变压器与电机容量之比不足够大。启动转矩不能满足要求。

综上所述，三相异步电机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电动机容量小于 7.5kw的小容量鼠笼式异步电机。对于大容量鼠笼式异步电机和绕线式异步电动机可采用如下方法：

（1）降低定子电压；（2）加大定子端电阻或电抗；（3）对于绕线式异步电机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法。对于鼠笼式异步电机，可以结构上采取措施，如增大转子导条的电阻，改进转子槽形。

总结：直接起动即全压起动。直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率

与供电变压器的容量之比值。 一般在有独立变压器

供电（即变压器供动力用电）的情况下：

1：若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直接启动；

2：若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也允许直接启动。如果

没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经

验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。

全压起动条件：

（1）异步电动机功率低于7.5KW

（2）： k f 小于或等于1/4乘以3加电源总容量/启动电动机容量

直接起动时的影响：

（1）起动电流较大，可达额定电流的4～7 倍，甚至达到8～12倍。

（2）过大的起动电流造成电机过热，影响电动机的寿命。

（3）过大的起动电流使电动机受到电动力的冲击，绕组变形可能造成短路而烧毁电

动机。

（4）过大的起动电流会使电网线路电压降增大，对同一线路中的其他电器设备造成

影响。

2.2 笼型异步电动机的启动

2.2.1 定子串电抗器启动

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。

三相异步电动机直接起动时，每相等效电路如图1——1所示。电源额定电压n U .

直接

加在短路阻抗k k k jX R Z +=上，定子侧串入电抗X 起动时，每相等效电路如图1——2所

示，Un 加在（jX+k Z ）上，而k Z 上的电压是U /。定子侧串电抗起动可以理解为增大定子侧

电抗值，也可以理解为降低定子侧实际所加电压，其目的是减小起动电流。在定子侧串入

电抗后，其堵转电流为I /s