第三章 第二、三节 三相异步电动机的起动

Ul
I l
Ul
I lY
正常运行
起动
设：电机每相阻抗为
Ul I l 3 Z Ul I lY 3 Z
z
I lY 1 I l 3
Y－ 起动应注意的问题：
（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。
（2） Y－ 起动
I st 时, Tst 也 (TST U )。
2
所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合
它的起动性能是靠降低了一
些工作性能而得到改善的。
曲线1为普通鼠笼式 曲线2为深槽式鼠笼异步电机
2.双鼠笼式异步电动机
结构特点：电动机转子上有两套鼠笼。
下笼：导体截面大，用电阻系数较小的紫铜
制成，电阻较小。
上笼：导体截面小，
用电阻系数较大的 黄铜制成，电阻较 大。
上笼
n n1
2下笼
下笼
1上笼
3合成
三相异步电动机直接起动在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。
第①种情况下需要减小起动电流，第②种情况下需要加大起动转矩。 而由前面的分析可知：
I1s I '2 s
U1
2 2 (r r ) ( ) 1 2 1 2
KM3 KM2 KM1
M 3~
KM1 KM KM2 Rst3 Rst2 FR Rst1 KM KT1 KM1 KT2 KM2 KT3 KM3 KM3 KM3 KT1 KM1 KT2 KM2 KT3 KM3
I H F D B
G E
r2' r2+Rst3=R1
C r2+Rst2+Rst3=R2 A
0 (a)接线图
TL Tst2
b)起动特性
Tst1
T r2+Rst1+Rst2+Rst=R3
时间继电器控制绕线式异步电动机起动接线图和起动特性
L1 QS 1FU KM FR
L2 L3
~
2FU SB1 SB2 KM
延边三角形起动
2 2 U 2 Ux U 11 2U xU11 cos120 2 2 Ux U 11 U xU 11
U x U 11 U 12
I11 U 11 z12 3
U 11 U11 z12 3 z11 z11 z12 U X 0.71 U
2. 转子串频敏电阻起动
3.3.1 绕线式电机转子串三相对称电阻起动
起动时，要限制起动电流Ist，同时希望有较大 的起动转矩Tst。现以三级起动为例，即 m=3。 1. 分级起动过程 起动前，KM1、KM2、KM3 加速接触器常开 接点均打开，现使线路接触器KM线圈导电，其常 开接点闭合，电动机在串入全部电阻R3下起动，然
(a)漏磁通分布 (b)机械特性 双笼异步电动机
0
T
说明
原理：交流电流的趋表效应由左图可见。上 笼链的漏磁通少，所以电抗小，而下笼的漏
磁通多，故漏电抗大。上下笼电抗及电阻关
系是：
x 2上 x 2下 ； r2上 r2下
分析 1.起动时： n=0，s=1，f2=sf1=f1， f2较高，则 sx2 较大， sx2>>r2，槽内电流的分布主要取 决于漏抗的大小。因x2σ∝f2， x2σ >>r2， x2σ外< x2σ内，即电流主要通过上笼，故又称 上笼为起动笼。由于上笼本身电阻大，起动 时，电流减小，转矩增大，其机械特性如图 曲线1所示。
2 3 pU1 r2 Ts ) 2 ( 1 2 ) 2 ] 2f1 [(r1 r2
所以，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。 总之，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。
笼型异步电动机定子串接电 抗器或电阻的降压起动原理图
定子回路串接电抗器降压起动
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。 三相异步电动机直接起动时
I st U1
2 rk2 xk
可以理解为降低 定子电压
z k rk j k
定子边串入电抗X起动时
U1 I '1s ( zk jX ) U '1 I '1s zk
定子回路串接电抗器降压起动
三相异步电动机直接起动时转子功率因数很低，
zk rk jxk xk zk ( xk 0.9zk )
串电抗起动时，可以近似把zk看成是电抗性质。
分析
(a) 起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1， f2较高，则sx2 较
大，sx2>>r2，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大
小。槽顶部漏抗sx2小，则电流密度大，槽底部漏抗
sx2大，则电流密度小。这种把导体中的电流排挤到
槽顶部的作用称趋表效应(集肤效应，挤流效应)。
分析
图(b)中电流密度分布，它是自下而上逐渐增 大，槽底部分导体在流通电流时所起作用很小，就
三相异步电动机的起动 生产机械对异步电机起动性能的要求？ 三相异步电机直接加额定电压起动时的 起动性能（固有起动性能）？ 如何改善异步电动机的起动性能？
三相异步电动机的起动
起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运 行状态的过程.
起动性能包括： • 起动电流倍数Ist/IN;（起动电流要小）
• 起动转矩倍数Tst/TN;（起动转矩要大）
• 起动时间 • 起动时消耗的能量 • 起动设备的简单和可靠； • 起动的过渡时间
直接起动
异步电动机直接起动时的问题：电流大但转矩并不大。
cos 2 T CT 1 I 2 I1 U1 2 R2 )2 ( R1 ) ( X1 X 2 S
• 起动时， S＝1， 等效阻抗小， 起动电流大；
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
说明
由于气隙和槽导体(非铁磁材料)的磁阻大而转 子铁芯磁阻小，故漏磁通基本上只穿过一次槽导
体。然后经槽底部铁芯形成闭合回路。
若假想沿槽高把转子导体分成若干并联小导 条，它们两端为端环短接，其电压相等，则各小导 条中的电流将按其阻抗的反比例来分配。由上图(a) 可见槽底部导条链的漏磁通多，则底部漏抗大，槽 顶部导条链的漏磁通少，则顶部漏抗小。由于槽很 深，则槽底与槽顶漏抗相差甚远，且x2σ ∝f2。
UN 直接起动时的起动电流： I st ZS U1 U N I1st 降压后二次侧起动电流： Z S kZ s
I1st 变压器一次侧电流： I st 1 k 1 UN k 2 Zs
I st 1 电网提供的起动电流减小倍数： 2 I st k Tst 1 起动转矩减小的倍数： Tst k 2
自耦变压器一般有三个分接头可供选用。
Y/△ 降压起动
3.Y/△ 降压起动 适用于正常运行时定子绕组为三角形接线 的电动机。起动时 Y接；运行时△接。
起动电流关系: 起动转矩关系:
I stY 1 I st 3
TstY 1 Tst 3
Y- △ 降压起动多用于空载或轻载起动
Y－ 起动：
s U1 I1 zk k I1s U1 zk X
2 Ts U1 zk 2 2 ( ) k ( ) Ts U1 zk X
定子回路串接电抗器降压起动
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， 再计算电抗X的大小。计算公式推导如下：
三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较
主要性能指标 起动方法 起动电压 比值 起动电流比 值 起动转矩 比值 起动设备 应用场合 电机容量小于 7.5 任意容量，轻 载起动 正常运行为△ 形，电机可频 繁起动
直接起动
1
1
1
最简单
定子串电抗起动
1/K
1/K
1/K2
一般
ㄚ－△起动
1 3
1/K
简单 1/3 1/3
后逐级短接起动电阻，一直加速到稳定运行点I点
为止，起动过程结束。起动的快速性和平稳性与起
动级数m、转矩Tst1及Tst2有关。
原理图（以三级起动为例）
L1 L2 L 3
~
QS 1FU KM FR 2FU SB1 SB2 KM
n n1 nN
KM3 KM2 KM1
M 3~
KM1 KM KM2 Rst3 Rst2 FR Rst1 KM KT1 KM1 KT2 KM2 KT3 KM3 KM3 KM3 KT1 KM1 KT2 KM2 KT3 KM3
二、减压起动
• 定子串电阻或电抗降压起动；
• 用自耦变压器降压起动；
• Y－起动
1、定子串电阻或电抗降压起动
方法：起动时，电抗器或电阻接入定子电路； 起动后，切除电抗器或电阻，进入正常运行，如 右图所示。
三相异步电动机定子边串入电抗器或电阻器起 动时定子绕组实际所加电压降低，从而减小起动电 流。但定子绕组串电阻起动时，能耗较大，实际应 用不多。
分析 2.正常运行时：s很小， f2 很小，电流分配主 要取决于转子电阻r2 ， r2 >> sx2，即下笼电 流大，上笼电流小，下笼起主要作用。故又
称下笼为运行笼，其机械特性如图曲线2所
示。
特性
曲线3为曲线1和2的合成曲线，即为双鼠笼异步电 机的机械特性。可见双笼型异步电动机起动转矩较大
具有较好的起动性能。
缺点：转子漏抗较大，功率
因数稍低，过载能力比普通 型异步机低，而且用铜量较 多，制造工艺复杂。价格较 高。一般用于起动转矩要求 较高的生产机械上。
n n1
2 3 1
0
T
双鼠笼型异步电动机的机械特性
第三节三相绕线转子异步电动机 的起动
绕线式异步机起动 方法：
1. 转子串三相对称电阻起动，电阻分级切除
Is zk k Is zk X
1 k X zk k
U U N N 其中短路阻抗为 zk 3I s 3K1 I N
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。
2.自耦变压器降压起动
自耦变压器
1/K2
1/K2
较复杂
较大容量电机， 较大负载不频 繁起动
专门设计的电 机，较大负载 可频繁起动
延边三角形起动
0.66
0.5
0.5
简单
具有高起动转矩的鼠笼电动机 1.槽深式
特点：槽深h，槽宽b，h>>b，即h =(10~12)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。
优缺点
优点：起动时转子电阻加大，改善了起动性能，而
运行时为正常值，转子电阻仍然较小，不致影响电
动机的运行效率。
缺点：转子槽漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩
倍数稍小，即m稍小。
特性曲线
深槽式异步电机的机械
n 1普通型 2深槽型 0 机械特性 T
特性从图中可见深槽式过载
能力比普通鼠笼异步电机低。 n1
• f2＝f1 ， 2接近900， cos 2很小， 转子电流有功分量小。
第二节三相笼型异步电动机的起动
一、全压起动
可以直接起动的条件：起动电流倍数
I st 1 电源容量（ kVA) 3 I N 4 电动机容量 (kW )
缺点：起动电流大，起动转矩并不大； 优点：起动方法最简单，操作很方便。
相当于导体有效高度及截面积缩小，导体电阻变
大，从而减小了起动电流，增大了起动转矩。见图 (c)所示，导体有效截面缩小，故起动时，转子有效 电阻增加，起动性能得改善。
分析
（b）正常运行时，s很小， f2=sf1 很 小，x2s=sx2 很小，这时转子电流的大小主要 由电阻决定。 r2 >> sx2，因各处电阻相等， 则电流的分布是均匀的，导体截面积全部得 以利用，而使转子电阻自动减小到较低的正 常数值Biblioteka Baidu(集肤效应不明显)
正常 运行
UP
UP'
起 动
1 UP UP 3
TstY
1 TSt 3
延边三角形起动
延边三角(△)形起动法是星--三角起动法的一种发展，利用这 种起动法的电动机的定子绕组，每相均有一中间抽头，起动时 一半绕组接成三角形，另一半则接成星形，可以降低相电压和 起动电流；运转正常后，则改接成三角形，可正常工作。这种 起动方法既降低了起动电流，又不致使起动转矩过小，是带负 载起动电动机的较好起动方法。