三相异步电机的启动及软启动

三相异步电机的软启动
08机械（0816401057）章志鹏
苏州大学应用技术学院
摘要
三相异步电机因具有结构简单，知道方便，运行可靠，价格低廉等优点，而广泛应用在工业，农业，交通运输业，国防工业及其他各行业中。

但是它也有明显的缺点，那就是起动转矩小，起动电流过大。

这种情况对电机本身及周围电网都有非常不利的影响。

为了减小异步电机启动过程对电网的冲击，改善异步电机的起动特性，本文对三相异步电机的软启动进行讨论。

本文首先阐述三相异步电机的各种起动方式及其主电路和控制电路图，并对其分析。

得出各自优缺点。

找出能在满足电动机起动转矩要求及降低电流的前提下是电机能够平稳可靠启动。

关键词：异步电动机；软启动
Abstract
Three-phase asynchronous motor because of its simple structure, know convenient, reliable operation, price is low wait for an advantage, is widely used in industry, agriculture, transportation, national defense industry and other industries. But it also has the obvious shortcomings, that is starting torque small, starting current is too big. This kind of situation of motor itself around and have a power grid unfavorable influences. In order to reduce asynchronous motor for the impact of the power grid startup process, improve the asynchronous motor start characteristics, this paper the three-phase asynchronous motor soft start are discussed.
This paper expounds the three-phase asynchronous motor start-up mode and its various main circuit and control circuit, and its analysis. Draw their respective advantages and disadvantages. Find out in motor can meet the requirements starting torque and reduce the current is the premise of motor can smooth and reliable start.
Keywords: asynchronous motor; Soft start
第一章绪论
第1.1节研究背景与现状
三相异步电机发展至今得到了广泛的应用，其性能和功率也不断的提高，电压也从低压发展到高压。

随着三相异步电机功率的提升，其启动过程也出现诸多弊端。

传统的启动方式如直接启动存在较多有点，如启动时间短，响应速度快，技术简单，成本较低等等。

但是当电机功率较大时，其启动冲击电流较大，启动冲击转矩较大而且会使电网电压骤低，影响其同电网的其他设备的正常工作。

软启动方式是近几年发展起来的将电力电子技术，微处理技术和自动控制技术有机结合的一种新技术，与传统的电磁式，自藕式以及星/三角转换等降压启动控制技术相比有很多优点。

第1.2节研究的内容和特色
三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源(相根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。

其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

2．按结构及工作原理分类
根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。

感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。

交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。

有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。

电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

3．按起动与运行方式分类
根据电动机按起动与运行方式不同，可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4．按用途分类
可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。

5．按转子的结构分类
根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6．按运转速度分类
根据电动机按运转速度不同，可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。

调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。

异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。

同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。

基本工作过程：
(1)当三相异步电机接入三相交流电源(各相差120度电角度)时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。

(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体(转子绕组是闭合通路)产生感应电动势并产生感应电流（感应电动势的方向用右手定则判定）。

(3)根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。

载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用(力的方向用左手定则判定)，电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。

由于没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先，电机转动方向与旋转磁场方向相同。

为什么是异步电机
因为三相异步电机转子线圈中的感应电流是由于转子导体与磁场有相对运动而产生的。

三相异步电机的转子转速不会与旋转磁场同步，更不会超过旋转磁场的速度。

如果三相异步电机转子的转速与旋转磁场的转速成大小相等，那么，磁场与转子之间就没有相对运动，导体不能切割磁力线，因之转子线圈中也就不会产生感应电势和电流，三相异步电机转子导体在磁场中也就不会受到电磁力的作用而使转子转动。

因而三相异步电机的转子旋转速度不可能与旋转磁场相同，总是小于旋转磁场的同步转速。

但在特殊运行方式下（如发电制动），三相异步电机转子转速可以大于同步转速。

三相异步电机转矩
对称3相绕组通入对称3相电流，产生旋转磁场，磁场线切割转子绕组，根据电磁感应原理，转子绕组中产生e和i，转子绕组在磁场中受到电磁力的作用，即产生电磁转矩，使转子旋转起来，转子输出机械能量，带动机械负载旋转起来。

在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。

所以三相交流绕组通入三相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正传和反转磁场和。

这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流。

该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。

正向电磁转矩企图使转子正转；反向电磁转矩企图使转子反转。

这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。

三相异步电机转速
在电机定子中通入3相交流电，使其产生旋转磁场，转速为n0。

不同的磁极对数p，在相同频率f=50Hz的交流电作用下，会产生不同的同步转速n0，n0=60f/p。

电机转子的转速小于旋转磁场的转速，它和感应电机基本上是相同的。

s=(ns-n)/ns。

s为转差率，
ns为磁场转速，n为转子转速。

三相异步电机种类
按转子结构的不同，三相异步电机可分为笼式和绕线式两种。

笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，
其主要缺点是调速困难。

绕线式三相异步电机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。

调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

三相异步电机特点:
优点：与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。

缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。

三相异步电机的使用
三相异步电机功率大，主要制成大型电机。

它一般用于有三相电源(Triple-phase power)的大型工业设备中。

首先说明一点的是，三相异步电机只用于电动机，极少用作发电机，都是同步电机用来发电。

对于1kW以下的小功率三相异步电机，不仅可以作三相运行，而且也可以作单相运行1三相异步电机的启动原理
异步电动机转子导体上的电流时感应产生的，所以异步电动机也可称之为感应电动机。

电动机定子中的三相绕组是固定的，但它接通三相交流电后。

会在定子与转子的气隙中产生旋转磁场的产生式三相交流异步电动机旋转的基础。

所谓的三相异步电动机的启动过程是指三相异步电动机从接入电网开始转动时起。

到达额定转速为止这一段过程。

2三相异步电动机的传统启动技术
2.1直接启动
三相异步电动机的直接启动的启动电流可达额定电流的4~7倍，而启动转矩只有额定转矩的1至2倍。

虽然启动电流很大，但气动转矩并不大，因此，直接启动方法只使用于小电容电机的启动。

2.1.1 一些控制要求不高的简单机械，如小型台钻，砂轮机，冷却泵等常采用开关直接控制的电动机的启动与停止如图2,1,1a所示。

图中熔断器FU用作电路的短路保护，开关Q可选刀开关。

铁壳开关等。

他使用于不频繁启动的小电容电动机，不能用于远距离控制和自动控制。

如Q选为具有电动机保护用断路器可实现电动机的过载保护并可不用熔断器FU。

图2.1.1b是采用接触器的电动机直接启动，停止的控制电路。

其中Q仅做分断电源用，电动机的启停由接触器KM控制。

电路的工作原理是：合开关Q,按下启动按钮SB2，接触器KM的线圈的得电，其主触点闭合使电动机通电起动;与此同时并联在SB2两端的自锁触电KM也闭合给自身的线圈送电，使得即使松开SB2后接触器KM的线圈仍能继续得电以保护电动机的工作。

要使电动机停止，按下停止按钮SB1，接触器KM线圈断电，其主触点断开使电动机停止工作，辅助触电断开接触自锁。

控制电路中的热继电器FR实现电动机的过载保护。

熔断器FU1，FU2分别实现主电路与控制电路的短路保护。

如果电动机容量小，可以省去FU2。

自锁电路在发生失电压或欠压时起保护作用，即当意外断电或电源点压跌落太大时接触器释放，因自锁解除，当电源电压恢复正常后电动机不会自动投入工作，防止意外事故发生。

2,2降压启动
降压启动方式是指启动过程中降低其定子绕组端的外施电压，启动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。

这种方法虽然能达到降压启动的电流的目的，但起动转矩也减少很多，故此法一般只适用于电动机的空载或轻启动。

较大容量的笼型异步电动机一般都采用减压启动的的方式启动，具体实现的方式有：定子串电阻或电抗器减压启动。

星-三角变换减压起动，自藕变压器减压启动，延边三角减压启动等。

2.2.1定子绕组或电抗器降压启动
三相异步电动机启动时，在电动机定子电路串入电阻或电抗器，使加到电动机定子绕组端电压降低，减少d电动机上的启动电流。

图2.2.1a定子串电阻减压启动控制电路。

电动机启动时在三相定子电路中串接电阻可降低绕组电压，以限制启动电流；起动后再将电阻短路，电动机即可在全压下运行。

这种方式由于不受电动机接线方式的限制，设备简单，因而得到广泛的应用。

在机械设备做电动调整时也常采用这种限流方法以减轻对电网的冲击。

在图2.2.1b的控制电路的工作过程中，只要KM2得电就能使电动机正常运行。

图2.2.1b 中的KM1与KT在电动机起动后一直的点动作，这虽然不妨碍电路工作蛋白浪费电能。

图2.2.1c解决了这个问题：KM2得电后其动断触电使KM1和KT失电，KM2的辅助触电形成自锁，达到既节能又实现控制要求的目的。

2.2.2星-三角降压启
对于正常运行为三角揭发的三相异步电动机，若在启动时将其定子绕组接为星行，则启动时其定子绕组上所加的电压仅为正常运行的，降低了启动电压。

目前生产的星系列功率在4KV以上的中小型三相异步电动机，在定子绕组的规定接法一般为三角形接法，所以在启动时，可以对其采用星-三角降压启动方法，即在电动机启动过程中，将定子绕组接
成星行接法，在启动过程结束后，再结成三角形接法。

如图2.2.2a是星-三角变换减压启动电气控制电路的主电路，其思路是：让全压工作是为三角形联接的电动机在起动时将其定子绕组接成星形以降压电动机的绕组相电压，进而限制启动电流，当反映起动过程结束的定时器发出指令时再将电动机的定子绕组改接成三角形联接实现全压工作。

图 2.2.2b 是一种控制电路，其控制的工作流程图如图 2.2.2e所示主电路中存在隐患：如KM2与KM3的主触点同时闭合。

则会造成电源短路，控制电路必须避免这种情况的发生。

图2.2.2.b的控制电路似乎已经做到这点(时间继电器KT的延时动断点和延时动和触电不会是KM3和KM2的线圈同时得电)，其实不然，由于接触器的吸和时间和释放时间的离散型使得电路的工作状态存在不确定性。

通常在分析电气控制电路的工作原理时，一般不用考虑原件的动作时间，认为只要一有输入型号其触电既可完成动作（除时间继电器外）。

这在绝大多数情况下是允许的，不影响分析的结果。

但实际上，由于电磁时间常数和机械时间常数的存在，任何继电器和接触器从线圈得电或失电到期触点完成动作都需要一定的时间，既吸和时间和释放时间。

所谓吸和时间是指从线圈接受电信号到衔铁及触电（动和触电）完全吸和是所需要的时间：释放时间是指从线圈失电到衔铁及触电完全释放所需的时间，它们的数量级对于继电器来说一般为十几道几十毫秒，对于接触器来说则喂几十到数百毫秒，要随电气元件的型号和机械结构的磨损程度来定。

假设KM2的吸和时间为15ms，KM3的释放时间是25ms，时间继电器KT的延时动断触点和延时动和触电同时工作（忽略其时间差），那么在进行星-三角变换时主电路中的KM3和KM2的主触点就将有约10ms的时间是同时接通的，这是绝对不可允许的。

若将KM3的动断辅助触电串联在KM2的线圈的控制电路中，则只有当KM3的衔铁及触电释放完毕（动断辅助触电接通）后才允许KM2得电，上述问题就可得到解决。

对KM3的线圈采用类似的方法，保证电路工作的可靠，另外，在起动完成后时间继电器KT已无得电的必要，但图2.2.2.b中KT在工作工作期间一直得电，浪费电能。

改进后的电路的工作流程图2.2.2.f所示么，与其相对应的实用控制电路如图2.2.2.c所示
图 2.2.2.g是用于两个接触器和一个时间继电器进行星-三角变换的减压启动控制电路。

电动机连成星行或三角形都是由接触器KM2完成的：KM2断电时电动机绕组由KM2的动断辅助触点连接成星行进行起动，KM2通电后电动机绕组由KM2动和主触点连接成三角形正常运行。

因辅助触点容量较小，4~13kw的电动机可采用该控制电路，电动机容量大是应采用三个接触器的控制电路。

如果完全依靠KM2进行星行-三角形变换，其辅助动断触电在断开时就要承担分断负载电流的任务，于是电弧的烧灼将会缩短辅助触点的寿命。

如让KM1的主触电承担分断时的大电流，KM2的辅助动断带你只在空载或小电流的情况下断开，就无忧虑了。

从系统工作的主要环节看，首先经过星行启动，星-三角变换（KM2得电）然后电动机就正常工作了但要详细弄清该电路的工作原理，还要考虑电路的暂态过程。

因此，将电路的工作流程图的第二步分成4个阶段，如图2.2.2h所示，按下按钮SB2后电动机先进行星行起动。

起动完成时，时间继电器动作，进入第二工步。

在第二工步的第一阶段，时间继电器KT的延时动断触点首先使K么线圈失电（时间继电器KT的延时动和触点在KM1的自锁触点断开前已闭合实现KT的自锁），KM1的主触点断开，开始分断电动机的定子电流，电弧在KM1的主触点间熄灭，而此时KM2的动断辅助触点仍在接通，于是该触点间无电弧产生。

当KM1的主触点完全断开时，其辅助动断触点KM1才接通，进入第二阶段。

在第二阶段，KM2的线圈得电衔铁开始吸和，主电路中进行星-三角变换，当KM2两个动断辅助触电断开,主触点及辅助动和触电吸和（既变换完成），进入第三阶段。

在第三阶段，KM2闭合使 KM1
线圈再次得电，同时KM2用另一个动和辅助触点实现自锁。

当KM1的主触点再次接通三相电源时，电动机就在三角形联结下全压运行了，此时为第四阶段。