三相异步电动机起动的毕业论文

1、【摘 要】随着异步电动机作为重要的动力设备在社会各行各业的广泛应用，研究三相鼠笼式异步电动机在各种起动方式下的起动性能就显得尤为重要。为获得较好的起动效果，在对笼型异步电机进行深入分析的基础上，利用Matlab中的Simulink仿真工具对异步电动机的直接起动、定子串电抗降压起动、自耦变压器降压起动和变频起动等起动方式进行动态仿真。通过对起动过程中电机的定子电流、起动转矩和转子转速进行检测，得出各种起动方式下电流时间、转矩时间和转速时间的特性曲线，从而比较不同起动方式的起动性能优劣。异步电动机变频起动后，使起动电流大大减小，起动时对电网的冲击效应较小，并且使异步电动机起动转矩尽可能大，缩短了起

2、动时间，从而克服了传统起动的弊端。关键词：笼形异步电动机；起动方式；定子电流；起动转矩；变频起动【Abstract】With asynchronous motor as an important power equipment widely used in various sectors in society, study asynchronous motors starting capability in various starting methods is particularly important. In order to obtain better results of start

3、ing, through Matlab programming, we simulate the direct starting method, series reactance of stator starting method, transformer starting method and frequency conversion starting method. We detecting the stator current, starting torquen and the rotor speed., then we draw the current-time, torque-tim

4、e and speed-time map of characteristics under different circumstances. The asynchronous motor starter with frequency conversion greatly reduces the starting current and the impact on the power system .What is more , it make the starting torque of the asynchronous motor as big as possible, shortening

5、 the start-up time , overcoming the drawbacks of conventional startup, and saving energy.Key Words: asynchronous motor；various starting methods；stator current；starting torque；frequency start目录1引言11.1三相异步电动机起动研究的意义11.2三相异步电动机的起动分类及其发展方向11.3变频起动的发展22Matlab/Simulink仿真工具32.1MATLAB语言32.2SIMULINK仿真工具32.3算

6、法选择43鼠笼式异步电动机的物理结构63.1笼型异步电动机基本结构63.2笼型异步电动机主要形式94异步电动机起动原理分析104.1起动理论分析104.1.1起动的基本要求104.1.2起动电流过大的危害114.2转矩特性和电磁关系分析114.2.1转矩平衡方程式114.2.2电磁转矩表达式124.2.3起动转矩124.2.4机械特性125笼型异步电动机的起动方式145.1传统起动技术145.1.1直接起动145.1.2降压起动155.1.2.1定子绕组串电阻或串电抗降压起动155.1.2.2自耦变压器降压起动185.1.2.3星形-三角形（-）降压起动205.1.2.4延边三角形降压起动22

7、5.2软起动技术235.2.1软起动技术概述235.2.2传统起动方式与软起动比较255.2.3软起动分类255.2.4软起动器常用的起动方式265.3变频起动275.3.1变频起动的背景275.3.2变频起动的原理275.3.3变频起动的优点296变频起动编程的数学建模317利用Matlab对变频起动进行编程327.1编程思路327.2Matlab主程序327.3Matlab子程序337.4程序调试348笼型异步电动机的Matlab仿真358.1各种起动方式下的MATLAB仿真分析358.1.1异步电动机直接起动仿真358.1.2异步电动机定子串电抗起动仿真378.1.3异步电动机自耦变压器

8、降压起动仿真418.1.4异步电动机变频起动仿真438.2各种起动方式性能比较459工作总结46致谢47参考文献48 1引言1.1三相异步电动机起动研究的意义电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。与电机配套的控制设备的性能已经成为用户关注的焦点。电机的控制包括电机的起动、调速和制动。异步电动机由于具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等优点，因而在电力拖动平台上得到了广泛应用。据统计，其耗电量约占全国发电量的40%左右。当电机并入电网时，电机转速从静止加速到额定转速的过程称为电机的起动过程。异步电动机的起

9、动性能最重要的是起动电流和起动转矩。因此在电机的起动过程中，如何降低起动电流，增大起动转矩，一直是机电行业的专家们探讨的重要课题。三相异步电机是一种反电势负载，即以反电势来平衡外加电压。电机在起动开始时反电势为零，冲击电流很大。当电机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰，严重时甚至危害电网的安全运行; 起动电流过大时将使电机本身受到过大电磁力的冲击，频繁起动，绕组会发热。同时，由于起动应力较大，使得负载使用寿命降低。特别是对经常需要起动的电动机影响较大。因此，研究异步电动机起动过程中，如何力求在较小的起动电流下得到足够大的起动转矩，并且选择合适的起动方法是相当重要的。1.2三相异步电动

10、机的起动分类及其发展方向目前，最常见的是直接起动方式，这是一种最简单的起动方法。就是用闸刀开关或者接触器把电机的定子绕组直接接到电网上。这种方式的优点是操作和起动设备简单，缺点是起动电流很大。一般鼠笼式异步电机直接起动的电流是额定电流的47倍，某些国产电机甚至可达812倍，起动转矩是额定转矩的12倍。虽然,起动电流很大,但起动转矩并不大。因此,直接起动方法只适用于小容量电机起动。为了解决直接起动带来的一系列问题，人们采用了各种降压起动技术，目前应用较为普遍的有自耦变压器起动、串电阻或串电抗起动、Y-启动和延边三角形起动等方法。这些传统降压起动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上

11、起动时的矛盾，但它们只是缩短了大电流冲击的时间，并没有从本质上解决问题。而且这些起动设备还存在一些固有的缺点:如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维修工作量大以及浪费能源等问题。随着自动化、机械化要求日益提高，这些矛盾变得更加突出。为了使电机能够迅速达到额定转速正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩且起动电流不能太大。因此，总是希望在起动电流较小的情况下，能获得较大的起动转矩。近三十年来，随着电力电子技术的发展和现代控制理论与电力电子技术的紧密结合，为电机的起动节能提供了全新的思路从而出现了电机软起动技术。软起动技术具有传统起动方法无法比拟的优势。近年来，国内外都十分重视三相

12、异步电动机软起动控制系统的研究和开发。软起动控制旨在降压以限制电机起动电流,减小起动电流对电网的冲击,也达到了节能的目的。目前软起动方式很多,如液阻软起动、磁控软起动、晶闸管软起动等,从起动时间、控制方式的节能效果等多方面综合比较,以晶闸管软起动方式最优,代表着软起动的发展方向。晶闸管软起动相对于传统的起动方式,其突出的优点体现在:(1)电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节,所以电子软起动器是无级调节的,能够连续稳定调节电机的起动,而传统起动的调节是分档的,即属于有级调节范围。(2)冲击转矩和冲击电流小。软起动器在起动电机时,是通过逐渐增大晶闸管的导通角,使电机起动电流限制在设定值以内,

13、因而冲击电流小,也可控制转矩平滑上升,保护传动机械、设备和人员。(3)软起动器可以引入电流闭环控制,使电机在起动过程中保持恒流,确保电机平稳启动。1.3变频起动的发展虽然软起动仍然以各种形式的降压(限流)软起动为主要形式，但是随着变频器价格的逐渐下降及可靠性的进一步提高，变频软起动将成为软起动的主流。变频器具有所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵的多，结构也负责的多。由于其价格太高，人们购置变频器一般都是着眼于调速，因此常常不把他归类于软启动装置。但对于需要重载或者满载起动的设备，最好采用变频软启动。因为软起动器调压不调频，转差率始终存在，难免过大的起动电流，而变频器采用调频调压方式，可实

14、现无过流软启动，且可提供1.22倍的起动转矩，特别适合于重负载起动的设备。相信随着电力电子技术的不断发展，变频器的价格会进一步降低，变频器作为一种软启动方式会得到更为广泛的应用。各种形式的降压起动动将与星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。未来成为主流产品的软起动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器。2Matlab/Simulink仿真工具2.1MATLAB语言Matlab是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。这使它成为国际控制领域应用最广的首选软件工具。现在Matlab软件不但广泛应用于控制领域，也应用

15、于其它的工程和非工程领域。在控制界，很多著名专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱，而其中很多工具箱己经成为该领域的标准。Matlab语言有以下特点：(1)起点高：每个变量代表一个矩阵，它可以有个元素，每个元素都看作是复数，各种运算对矩阵和复数都有效。(2)人机界面适合科技人员：Matlab的程序与科技人员的书写习惯相近，因此，它易读易写，易于科技人员交流。Matlab是以解释方式工作的，若有错误立即做出反应，便于编程者立即改正。这些都减轻了编程和调试的工作量。(3)强大而简易的作图功能：能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐标系的图形。能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命

16、令即可绘出图形。(4)智能化度高：绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动选择算法;数值积分时自动按精度选择步长，自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。(5)功能丰富，可扩展性强：Matlab软件包括基本部分和专业部分。基本部分包括:矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。各领域的科技人员在此基础上，根据本专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。这些工具箱就是专业部分。现在它们己有控制系统、信号处理、图象处理、系统辩识、模糊控制、神经元网络、小波分析等20多个工具箱，并且还在继续扩展。Matlab语言集计算、数据可视和程序设计于一体，并能用人们熟悉的符号表示出

17、来，在工程计算方面具有不可比拟的优越性；它还为图形处理提供了丰富的函数。数学函数库中包括了大量的数学函数。因此，Matlab已成为世界上应用最广泛的工程计算应用软件之一。2.2SIMULINK仿真工具Simulink是一种用来实现计算机仿真的软件工具，它是Matlab的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。它是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确的创建动态系统的计算机模型的，特别是对于复杂的非线性系统，它的效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。另外，它还提供一套图形动画的处

18、理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。Simulink没有单独的语言，但他它提供了S函数规则。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力。一个典型的Simulink模型包括如下三种类型的元素：(1)信号源模块(2)被模拟的系统模块(3)输出显示模块如图2-1所示说明了这三种元素之间的典型关系。系统模块作为中心模块是Simulink仿真建模所要解决的主要部分：信号源为系统的输入，它包括常数信号源、函数信号发生器（如信号波和阶跃函数波等）和用户自己在Matlab中创建的自定义信号。系统的输出由显示模块接收。输出显示形式包括图形显示、示波器显示和输出到文件或MATLAB工作空

19、间三种。输出模块主要在Sinks库中。图2-1Simulink模型元素关联图Simulink模型并不一定要包含全部的三种元素，在实际应用中通常可以缺少其中的一个或两个。例如，若要模拟一个系统偏离平衡位置后的自恢复行为，就可以建立一个没有输入而只有系统模块加一个显示模块的模型。在某种情况下，也可以建立一个只有源模块和显示模块的系统。若需要一个由几个函数复合的特殊信号，则可以使用源模块生成信号并将其送入Matlab工作空间或文件中。2.3算法选择Simulink提供了许多微分方程的解法。绝大多数解法是数值积分研究中的最新成果，在其中可以找到目前为止最快速且精确最高的解法。一般来说，使用变步长的自适

20、应解法是较好的选择。这类算法会依照给定的精确度在各积分段内自适应地寻找各自的最大步长进行积分，从而是得效率最高。各种解法及其说明见表2-1：表2-1Simulink数值解法表Simulink解法解法说明ODE45通常情况下是最好的单步解法。此解法基于Dormand-Prince 4-5阶的Runge-Kutta公式。是默认解法，通常也是第一选择。ODE23该解法是基于Bogacki-Shampine 2-3阶Runge-Kutta公式。有时对轻度的刚性方程，它可以比ODE45更有效。对相同的精度，它需要比ODE45更小的步长。ODE113变阶次的Adams-Bashforth-Moulton解

21、法。此解法使用前几次节上的值来计算当前节点处的解，因此在相同的精度下，它可能比ODE45或ODE23更快一些。但此解法不适合用于不连续的系统。ODE15S刚性系统的变阶次多步解法。此解法是基于最新的数值差分公式，如果仿真使用ODE45时运行很慢，可以试一试此解法。ODE23S刚性方程固定阶次的单步解法。由于ODE23S是单步方法，因此，有时它要比ODE15S快一些。如果系统是刚性系统，可以同时尝试两种方法以确定哪一个更快。Discrete针对无连续状态系统的特殊解法。ODE5ODE45的确定步长的函数解法ODE4使用固定步长的经典4阶Runge-Kutta公式的函数解法。ODE3ODE23的确

22、定步长的函数解法ODE2使用固定步长的经典2阶Runge-Kutta公式的方法，也称为Heun方法ODE1固定步长的Euler方法3鼠笼式异步电动机的物理结构3.1笼型异步电动机基本结构交流旋转电机可分成同步电机和异步电机两大类，如果电机转子的转速与定子旋转磁场的转速相等，转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转，这种电机就称为同步电机。如果电机转子的转速不等于定子旋转磁场的转速，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，这种电机就称为异步电机。异步电机主要作为电动机运行，常称为异步电动机。三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转

23、子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图3-1所示。图3-1三相笼型异步电动机结构图1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇定子部分：定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。（1）外壳：三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片

24、。端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。 轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。 （2）定子铁心： 定子铁心的作用是作为电机磁路中的一部分和放置定子绕组。为了减少旋转磁场在铁心中引起的损耗，铁心一般采用导磁性良好和比损耗小的0.5毫米厚的电工硅钢片迭成，如图3-2所示。为了嵌放定子绕组，在定子铁心内圆冲击出许多形状相同的槽。通用的槽形有三种：

25、（1）半闭口槽；（2）半开口槽；（3）开口槽。对于容量在100千瓦以下的中小型异步电动机，通常采用半闭口槽。这时定子绕组由高强度漆包圆铜线（或铝线）绕成，经过槽口分散嵌入槽内；起优点是槽口较小，可以减小气隙磁阻，使产生一定数量的旋转磁场所需的激磁电流减小，从而提高电动机的功率因数。此外，槽口较小还可减小气隙磁场的脉振，从而减小电动机中的附加损耗。从这些观点来看，半闭口槽是较好的。半闭口槽的缺点是嵌线不方便，高压线圈绝缘比较困难，因此一般只用于低压中小型异步电动机。图3-2定子铁心及冲片示意图（左）定子铁心 （右）定子冲片（3）定子绕组：定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入

26、三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1, V1, W1 ，末端分别标为U2, V2, W2 。定子绕组在槽内部分与铁心之间必须可靠绝缘，这部分绝缘称为槽绝缘（又称对地绝缘）。槽绝缘的材料和厚度有电机的耐热等级和工作电压来定，如E级绝缘的电机一般采用附有聚脂薄膜的青壳

27、纸作为槽绝缘。转子部分：（1）转子铁心：转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。（2）转子绕组异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。 绕线形绕组，与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能，见图3-3。图3-3 绕线形转子与外加变阻器的连接1 集电环；2电刷；3变阻器 笼形绕组：在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条

28、两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如上图所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如下图所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。图3-4 笼形转子绕组（a） 铜排转子 （b）铸铝转子转子绕组的作用是感应电势、流过电流和产生电磁转矩。鼠笼式转子绕组不必由外界电源供电，因此可以自行闭合而构成短路绕组。这时工艺上最简单的转子绕组结构是：每个转子槽中插入一根导条，在伸出铁心两端的槽口处，用两个端环分别把所有导条的两端都连接起来。如果去掉铁心，整个绕组的外型就像一个“鼠笼”。鼠笼式转子的导条与端环的材料可以用铜或铝。当用铜时，铜导

29、条与端环之间须用铜焊或银焊的方法把他们焊接起来。对于中、小型异步电机，一般采用铸铝转子，把导条、端环上的风叶一起铸出。其他部分：端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2mm1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。3.2笼型异步电动机主要形式鼠笼式异步电动机有三种主要形式，即(1)正常结构的单鼠笼电动机；（2）深槽电动机；（3）双鼠笼电动机。第一种形式的转子大多数采用梨形半闭口槽。这时，

30、为了改善电动机的起动性能，通常把转子槽扭斜一个定子齿距。4异步电动机起动原理分析4.1起动理论分析异步电动机的起动性能和直流电动机一样，包括以下几项：起动电流倍数、起动转矩倍数、起动时间、起动时绕组中消耗的能量和绕组发热、起动设备的简单性和可靠性、起动时的过渡过程。其中最重要的是起动电流和起动转矩大小。为使电机能够转动起来，并很快达到额定转速而正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩；但又希望起动电流不要太大，以免电网产生过大的电压降落而影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。此外，起动电流过大时，将使电机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常起动，还有使绕组过热的危险。因此，我们总是希望在起

31、动电流比较小的情况下，能获得较大的起动转矩。普通结构的鼠笼式异步电动机不采取任何措施而直接接入电网起动时，往往不能满足上述要求。因为它的起动电流很大而起动转矩并不大。起动电流很大的原因，从物理现象看，起动时，旋转磁场以同步转切割转子，在短路的转子绕组中感应很大的电势和电流，引起与它平衡的定子电流的负载分量也跟着急剧增加，以致定子电流很大。而起动转矩不大是由于起动时转子漏抗远大于转子电阻使转子功率因数接近90度，所以尽管电流很大但其有功分量却不大。其次，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使感应电势减小，磁通也将成比例减小。在选择异步电动机的起动方法时，必须根据电网容量和机械负载对起动转

32、矩的要求等具体情况进行具体分析。如果电网容量很大，电动机的起动电流不会引起显著的电压降落，则起动电流大小不是主要问题。如果机械负载要求的起动转矩不大，而电网容量相对于电动机来说又不很大，则主要考虑如何减小起动电流。至于即要求起动转矩大，又希望限制起动电流的场合，则需要采取措施来改进起动性能。4.1.1起动的基本要求拖动生产机械的异步电动机在起动过程中，要求起动转矩大于负载转矩并且起动转矩越大越好，保证起动过程很快结束，使生产机械能够较快的达到正常运行。同时，在满足起动转矩要求的前提下，希望起动电流越小越好。不同负载和不同供电容量电网，对电动机起动性能的要求是不一样的。而异步电动机的起动性能的基

33、本要求是相同的，这些基本要求有：（1）足够大的起动转矩倍数； （2）尽可能小的起动电流倍数； （3）起动时间短，能够符合生产技术的要求；（4）起动平滑，即要求时加速平滑，以减小对生产机械的冲击；（5）起动设备简单，经济，操作方便等。4.1.2起动电流过大的危害起动电流过大会造成如下影响：(1) 大的起动电流会在线路和电机内部产生损耗，而引起电动机绕组过热。虽然这是短暂的，但对于需要频繁启动的电动机(如卷扬机等)，由于热量的积累，易造成电机绕组过热。(2) 在输电线上造成很大的电压损失，使电网负载端的电压降低。虽然电压降低是短时的， 但它既影响电动机本身的启动转矩(启动转矩和电源电压的平方成正比

34、)，而且也影响到同一线路上的其他负载正常工作(如：电灯的闪烁，电动机转速瞬间降低，甚至造成停机)。4.2转矩特性和电磁关系分析4.2.1转矩平衡方程式 异步电动机转轴上各种机械功率除以转子机械角速度就得到相应的转矩。是借助于气隙旋转磁场由定子传递到转子上的总机械功率，与之相对应的总机械转矩称之为电磁转矩，即： (4-1)输出转矩： (4-2)空载转矩： (4-3)于是，转矩平衡方程式为： (4-4) 4.2.2电磁转矩表达式电磁转矩的表达式有3种：物理表达式为 (4-5)用于分析电动机的各种运行状态下的物理过程。参数表达式为 (4-6)用于分析各个参数对于电动机性能的影响。实用表达式为 (4-

35、7)式中，单位为。根据产品目录，做出其机械特性，工程上用于电动机选型。4.2.3起动转矩在参数表达式的基础上，令s=1得： (4-8)通常用起动转矩倍数来描述起动性能，即： (4-9)4.2.4机械特性机械特性曲线由电磁转矩参数表达式 (4-10)可得如图所示的异步电动机的机械特性曲线。图4-1 异步电动机的机械特性曲线异步电动机几个特殊点：(1)理想空载运行点：s=0, ,T=0,(实际运行时间）。(2)额定运行点：(3)最大转矩点：(4)启动点：5笼型异步电动机的起动方式5.1传统起动技术电机的起动：当电流通入定子绕组的瞬时，在定子铁心将产生磁场，转子绕组在这个磁场中将感应产生电流，而这个

36、电流在磁场中又将受到力的作用，从而使电机转动起来。5.1.1直接起动直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点也是显而易见的。在这种起动方式下，起动电流约为标称电流的4-7倍;起动转矩约为标称转矩的倍。其特点是:电机端子少(一般为三端子电机)，可带载起动、高电流峰值和大压降起动，设备简易。直接起动是最简单的起动方式，起动时通过空开或接触器将电机直接接到电网上。具有起动设备简单，起动速度快的优点, 而且起动转矩比采用降压起动时大。在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，

37、鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜因为操纵控制方便，而且比较经济。其危害很大电网冲击大。过大的起动电流，会造成电网压降，影响其他用电设备的正常进行。还可能使欠压保护动作，造成用电设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命；机械冲击严重，过大的冲击力矩容量造成电机转子笼条、端环断裂和定于端部绕组绝缘磨损，导致绝缘击穿烧毁电机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。因此尽管直接起动方法简单起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。图5-

38、1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。三相交流电源经由组合开关，熔断器，,，交流接触器KM的主触点到电动机定子绕组，构成了主电路。图5-1三相交流异步电动机直接起动的电路图5.1.2降压起动 降压起动通过降低起动时加在定子绕组上的电压来减小起动电流，起动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。降压起动虽然能减小起动电流，但是起动转矩也大大减小了，所以降压起动一般适用于中、大容量的异步电动机轻载货空载起动。降压起动适用于容量大于或等于并带轻载的工况。由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低起动电流。在研究起动时，可以

39、用短路阻抗来等效异步电动机。电机的起动电流（即流过上的电流）与端电压成正比，而起动转矩与电机端电压的平方成正比，这就是说起动转矩比起动电流降得更快。降压之后在起动电流满足要求的情况下，还要校核起动转矩是否满足要求。常用的降压起动方法有三种：定子串电抗（或电阻）降压起动；Y-启动器起动；自耦变压器起动。5.1.2.1定子绕组串电阻或串电抗降压起动从减小起动电流和改善电网电压品质的角度来看，定子回路串电阻和定子回路串电抗都能减小起动电流，使得电网承受的冲击电流减少，对改善电网的稳定性是有利的，即定子回路串电阻或串电抗的效果是一样的。这两种起动方法都具有起动平稳，运行可靠，构造简单等优点。但是，定子

40、回路串电阻将增加起动损耗，浪费电能，只有在电动机的容量较小时才允许使用，大中型电机则采用串电抗起动。图5-2异步电动机起动时的等值电路图5-2是异步电动机起动时的等值电路，由于起动电流较大，所以略去形等值电路中的激磁电流分量。起动时，故起动时异步机可以用短路阻抗代替。图3-4中代表串入定子回路的起动电阻或者起动电抗。令代表直接起动时的起动电流，则： (5-1)如果采用串电阻起动，起动电阻为Rq，则串电阻后的起动电流为： (5-2)如果采用串电抗起动，起动电抗为Xq，则串电抗后的起动电流为： (5-3)如果令： (5-4)亦即通过定子回路串电阻或者电抗使起动电流从下降为或者，从而满足电网稳定要求

41、的数值。这里、和是给定的电机参数，是电网稳定规定的数值，都是已知量，故利用上面的式子可以求出需要串入的起动电阻或起动电抗为： 、 (5-5) 起动运行图5-3（a）鼠笼型异步电动机定子回路串电阻起动原理图 起动运行图5-3（b）鼠笼型异步电动机定子回路串电抗起动原理图图5-3（a）（b）所示分别为鼠笼型异步电动机串电阻及串电抗减压起动时的原理图。图中是主开关，起到隔离电源的作用。起动时，把换接开关投向“起动”的位置，此时，起动电阻或起动电抗接入定子回路；然后，闭合主开关，电动机开始旋转，待转速接近稳定转速时，把开关换接到“运行”的位置，电源电压直接加到定子绕组上，电动机起动结束。鼠笼型异步电动

42、机定子回路串电阻或串电抗起动，由于起动时定子绕组串入的电阻或电抗器起到了分压作用，使加在电机上的端电压降低，因此减小了起动电流。由于起动电流正比于定子端电压，而起动转矩正比于定子端电压的平方。如果起动时电机端电压降低到额定电压的倍，则起动电流降低到额定电压时起动电流的，而起动转矩则降到原来的，因此该起动方式只能用于空载或轻载的情况。5.1.2.2自耦变压器降压起动在定子回路中串阻抗虽然能够满足电网减小起动电流的要求，但往往因为起动转矩过小而满足不了生产工艺的要求，为了解决这个矛盾人们采用自耦变压器降压起动。 自耦变压器降压起动是利用一台自耦变压器（又称为起动补偿器）降低加到电动机定子绕组的电压

43、以起动电动机，待电动机起动完成后，再把电动机直接接到电源上去。 图5-4为三相异步电动机自耦变压器起动的原理线路图。起动时，把开关投向起动边，即端，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，这时自耦变压器一次绕组加全压，而电动机定子电压仅为抽头部分的电压值，电动机减压起动；当转速上升到稳定值后，开关投向运行边，即端，这样自耦变压器被短接，电动机的定子绕组被接上全压，进入正常运行。图5-4三相异步电动机自耦变压器起动的原理线路图图5-5 自耦变压器降压原理图图5-5为自耦变压器降压原理图。图中只绘出单相， 和分别表示自耦变压器一次电压和一次电流，亦即电网电压和电流；和分别表示变压器的二次电压

44、和二次电流，亦即电动机定子的电压和电流，和分别表示变压器的一次绕组及二次绕组匝数（即抽头部分的匝数）。略去自耦变压器的微小空载电流，并取其变比为，则： (5-6)略去自耦变压器的内阻抗，认为起动时的端电压为，故电动机的定子绕组的起动电流为： (5-7) 其中代表电动机端电压为时的直接起动电流。降压起动时电网供给自耦变压器的原级起动电流为 (5-8)所以，当采用自耦变压器进行降压起动时，如果自耦变压器的变比为，则电网提供的起动电流等于电动机的起动电流的，而和电动机投入电网电压时的直接起动电流相比，只相当于的。降压起动，电动机的起动转矩和电压的平方成正比，故采用变比为的变压器进行降压起动时，降压起

45、动转矩也等于直接起动转矩的。换句话说：如果采用自耦变压器降压起动，则起动电流变化的比值和转矩变化的比值是相等的，都是直接起动时的。自耦变压器降压起动具有较大的起动能力和承受机械负载波动的能力，且自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头可供不同负载起动时选择，应用很广泛，适用于容量较大的低压电动机。它的缺点是体积大，质量大，价格高，起动线路较复杂，滑块触点氧化，需维护检修。5.1.2.3星形-三角形（-）降压起动星形-三角形降压起动是通过改变电动机的绕组接法去完成降压起动过程，属于电机绕组设计上的问题，只能用于正常运转时定子绕组连接成三角形的电动机。起动时，将异步电动机三相定子绕组接成星形，等起动完成

46、后，再接成三角形，从而异步电动机需要六个出线端。图5-6为星形-三角形（-）降压起动原理线路图。起动时，先接通电源开关，将开关投向“Y”位置，定子绕组连接成星形，电动机减压起动；当电动机转速接近稳定值时，可将开关迅速投向侧，使定子绕组连接成三角形运行，起动过程结束。图5-6星形-三角形（-）降压起动原理线路图 WUWVVUZZZ图5-7定子绕组作三角形联结和星形联结的原理图现在来比较电动机作三角形联结和星形联结直接起动时线路电流和的大小。这两种联结方式的原理图如图5-9所示。星形联结时加在每相绕组上的电压为： (5-9) 线电流为： (5-10)式中为电源电压=电动机起动后，再改接到三角形联结

47、，此时电动机端电压为额定值。电网中的起动电流（定子绕组线电流）应为定子每相绕组中的起动电流的倍。即: (5-11) 比较以上两式得： (5-12) 所以: (5-13)上述结果表示，电动机起动时接成星形，起动电流只有三角形联结的，但是，起动转矩也相应降低，因为电动机的转矩与所加的电压的平方成正比，所以这两种情况下的起动转矩之比为: (5-14) 这就是说，起动时接成星形，起动转矩也只有原来三角形联结的。星形-三角形降压起动的优点是体积小，重量轻，对使用者来说，减少了设备投资，节约铜与硅钢片，物美价廉，运行可靠，检修方便。此外，起动电流只有全压起动的，对供电网络的影响很小。但它的缺点就是起动电压

48、只能降到，不能象自耦补偿起动那样，可以按不同的负载选择不同的起动电压。5.1.2.4延边三角形降压起动延边三角形降压起动是在星形-三角形减压起动方法基础上加以改进的一种起动方法，也是通过改变电动机的绕组接法去完成降压起动的过程，属于电机绕组设计上的问题。延边三角形降压起动是利用电动机引出九个出线端（即每相定子绕组多引出一个出线端）来达到减压起动的目的的一种联结法。电动机起动时，定子绕组的一部分接成三角形，从图形上看，就是一个三角形的三条边延长，因此称为延边三角形。当起动结束后，把绕组改接成三角形，电动机就进入正常运转状态。V499887766554332211UUVWW (a) (b)图5-8

49、（a）（b）延边三角形起动原理图采用延边三角形起动的电动机每相绕组有三个出线端，如图5-8（a）所示，其中端子1、2、3为首端，端子4、5、6为尾端，端子7、8、9为中间抽头。起动时，电源电压为额定值，三相绕组的1-7、2-8、3-9部分为星形联结，7-4、8-5、9-6为三角形联结，如图5-8（b）所示。当转速上升到一定值后，三相绕组又接成如图5-8（b）的三角形联结。延边三角形联结与三角形联结相比较，它们的电阻和感抗的比值并没有改变，因此起动时定子功率因数不变。而起动转矩与起动电流和功率因数的乘积成正比，功率因数不变，故认为起动转矩与起动电流成正比。所以延边三角形联结时的起动转矩与三角形联

50、结时的起动转矩之比和它们的起动电流之比，可以认为是相同的，取决于中间抽头的位置。采用不同的抽头比例，可以改变延边三角形接法的相电压。其值比星形-三角形起动时的星形接法高，因此起动转矩较星形-三角形起动时大，能用于重载起动。延边三角形起动的优点是只要调节定子绕组的抽头变比，就可以得到不同数值的起动电流和起动转矩，可以适应不同的使用要求。延边三角形降压起动还具有体积小，质量轻，允许经常起动，节省有色金属与黑色金属等优点。其缺点就是采用延边三角形起动的电动机需要有九个出线头，电动机的内部接线较为复杂。5.2软起动技术5.2.1软起动技术概述以上介绍的四种降压起动方式是传统的起动方法，这些起动方法使得

51、异步电动机起动过程中的起动电流过高的问题得到了改善。但是，从20世纪70年代开始推广利用晶闸管交流调压技术制作的软起动器，以及采用微控制器代替模拟控制电路，发展成为现代的电子软起动器。软起动器是一种用于控制鼠笼型异步电动机的新设备，集电机软起动、软停车、轻载节能且多种保护功能于一体的新型电机控制装置。电动机软起动器一般以大功率双向晶闸管构成三相交流调压电路。以微处理器及信号采集、保护环节构成控制器，通过控制晶闸管的触发角，调节晶闸管调压电路的输出电压，实现电动机的无触点降压软起动、软停车和空载、轻载的节能及保护功能。其特点是电动机转矩近似与定子电压的平方成正比。用软起动器起动电机时，晶闸管的输

52、出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上。 0.50.250.50.8图5-9异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性可用来表示，其特性曲线如图5-9所示。图中表示电动机转速；表示电动机空载转速；表示电动机转矩；表示电动机额定电压；表示电动机最大转矩；表示电动机在最大转矩时的转差率。从图5-9可以看出采用一般降压起动时，假若起动电压，电动机起动时的转矩为，即起动时的转矩只有电动机最大转矩的，如果在此时将电压U加大到电动机额定电压，则电动机的转矩一下子就从跳到，这样的起动过程是跳跃的、不平滑的，所以又叫作硬起动，对生产工艺要求稳定起动的场合就不宜采用。而

53、软起动的电压从初始电压开始连续平稳的增大，从图中的的那根曲线连续平滑的不断向右平行移动，一直平移到与额定电压那根曲线重合时为止，那么电动机的转矩就会平滑地增大，一直到转矩为最大值时为止，起动过程也就结束，这样在起动过程中电动机的转矩是平滑的而不是跳跃的，起动过程是平稳的，所以被称为软起动。5.2.2传统起动方式与软起动比较传统的起动方法属于有级减压起动，存在明显的缺点，即起动过程中出现二次冲击电流，而软起动与传统减压起动的不同之处是：（1）无冲击电流，软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管的导通角，使电动机起动电流从零线性上升到设定值，对电网无冲击。 （2）恒流起动，软起动器可以引入电流闭环

54、控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由的无级调整至最佳的起动电流。（4）不受电网电压波动的影响。由于软起动以电流为设定值，电网电压上下波动时，通过增减晶闸管的导通角，调节电机的端电压，仍可维持起动电流恒值，保证电机正常起动。（5）可实现软停车。电机停机时，传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的。而软起动器中的软停车功能是在晶闸管得到停机指令后，从全导通逐渐的减小导通角，经过一段时间过渡到全关闭的过程（停车时间根据实际需要可在0120s调整）。5.2.3软起动分类软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件