三相异步电动机的起动课程实践

1、物理与电气工程学院课程实践报告三相异步电动机的起动三相异步电动机的结构与工作原理1三相异步电动机的构造三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。图 5-1 三相电动机的结构示意图鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.21.0mm之间。2三相异步电动机的转动原理1）基本原理为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。图 5-2 三相异步电动机工作原理(

2、1)演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。(2)现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。(3)结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2）旋转磁场（1）产生图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相

3、电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。 图 5-3 三相异步电动机定子接线当wt=00时，AX绕组中无电流；为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。当wt=1200时，BY绕组中无电流；为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。当wt=2400时，CZ绕组中无电流；为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，BY绕组中的电流从B流

4、入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。 （2）旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。3）三相异步电动机的极数与转速（1）极数（磁极对数p）三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差12

5、00空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角q的关系为：（2）转速n三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是： （5-1）由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。在我国，工频f1=50Hz，因此对应

6、于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表表5-1p123456n0300015001000750600500（3）转差率s电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即： (5-2转差率是异步电动机的一个重要

7、的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S<1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.0150.06之间。根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式 (5-3)三相异步电动机的起动一、对异步电动机起动性能的要求对异步电动机起动性能有如下要求:（1）具有足够大的

8、起动转矩，以保证生产机械能够正常地起动；（2）在保证一定大小的起动转矩的前提下，电动机的起动电流越小越好；（3）起动设备力求结构简单，运行可靠，操作方便；（4）起动过程的能量损耗越小越好，起动时间越短越好。以上起动性能中最主要的是要求在起动电流比较小的情况下得到较大的起动转矩。这是因为过大的起动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。对电网而言，它可能引起电网电压的大幅度下降。因为电动机的起动电流流过具有一定内阻抗的发电机、变压器和供电线路会造成电压降落，特别是对于那些小容量的电网更为显著。电网电压的降低会影响接在同一电网上其他负载（主要是其他异步电动机）的正常运行。对电动机本身来说，当工

9、作在频繁起动的情况下，过大的起动电流将会造成电动机严重发热，以致加速绝缘老化，大大缩短电动机的使用寿命；同时在大电流的冲击下，电动机绕组（尤其是端部）受电动力作用易发生位移和变形，甚至烧毁，另一方面，起动转矩小会拖长起动时间。二、异步电动机的固有起动特性不论是鼠笼电机还是绕线式电机，如果不采取措施直接接入电源起动，这样的起动特性称为固有起动特性，主要指起动电流和起动转矩。起动电流I1st可根据图3-1计算。略去激磁电流，令S=1得 （3-22）由于额定运行时SN=0.02-0.05,而起动时S=1，所以在额定电压下起动时，起动电流约为额定电流的5-7倍。这是由于起动时气隙旋转磁场以同步速切割转

10、子，在转子上感应有较大的电势，产生较大的转子电流，从而定子绕组也有较大的电流。起动转矩如式（3-17）所示。起动转矩倍数为什么异步电动机的起动电流很大，而起动转矩却不大呢？这是由于起动时，由式（3-4）可见 ，起动时功率因数很低，大约在0.2左右；另一方面大，所以定子漏阻抗压降大，电势减小，主磁通要相应减小。综上所述，异步电动机的固有起动特性并不理想。从式（3-17）可见，如适当增加转子电阻，可以改善起动特性。在绕线电机的转子回路中能够通过集电环接入附加电阻。因此，在既要求限制起动电流又要求有较大起动转矩的场合，通常采用绕线转子异步电动机。鼠笼式异步电动机转子回路无法外接附加电阻，考虑到运行效

11、率，也不易设计成有较大的转子电阻，为了改善起动性能又保留鼠笼式电动机的结构优点，可以采用特殊结构形式的转子。电机界进行了大量研究工作，其中，以深槽式电动机和双鼠笼式电动机效果较好，其工作原理留待后文叙述.三、鼠笼式异步电动机的起动鼠笼式电动机有直接起动和降压起动两种方法。（一）直接起动小容量电动机起动方法直接起动也称为全压起动。这种起动方法最简便，不需要复杂的起动设备，但因起动电流较大，只允许在小容量电动机中使用。在一般电网容量下，7.5KW的电动机就认为是小容量，所以 的异步电动机可以直接起动。但是所谓小容量也是相对的，如果电网容量大就可以允许容量较大的电动机直接起动。因此，对容量较大的电动

12、机，若能满足下列要求，也可允许直接起动。式中，为笼型异步电动机的起动电流倍数，其值可根据电动机的型号和规格从有关手册中查得。（二）降压起动大中容量电动机轻载起动方法对于不允许直接起动的笼型异步电动机，为限制起动电流，只有降低加在绕组上的电压。图3-8 笼型异步电动机 电阻减压起动原理图但是由于和成正比，因此，这种方法只适用于空载或轻载起动的负载。降压起动时，可以采用近几年得到应用的电机软起动器，也可以采用传统的降压起动方法，前者在本书第二篇再作介绍，以下介绍三种传统的降压起动方法。1定子电路串电阻器或电抗器降压起动（1）起动线路定子串联电阻起动的原理线路图如图3-8所示。起动时，先将转换开关Q

13、C投向“起动”侧，然后合上主开关Q，电机开始起动。此时起动电阻串入定子电路中，较大的起动电流在上产生了较大的电压降，从而降低了加到定子上的电压，限制了起动电流。当转速升高到一定数值时，把QC转换到“运行”侧，切除起动电阻，电动机全压起动，起动结束后将运行于某一稳定转速。在定子电路中串接电抗起动，效果相同，都能起到减小起动电流的目的。接线原理图同图3-8，只要将取代即可。定子串电阻起动能耗较大，所以只在电动机容量较小时使用。容量较大的异步电动机多用串电抗起动。（2）起动电流和起动转矩设加在定子绕组上的电压为U1，并令在式（3-22）中令直接起动时， 降压起动时，由式（3-17）: 式中，分别为每

14、相的短路电阻和电抗。由上可知，降压后，起动电流降低到全压时的1/，起动转矩将会降到全压时的（3）起动电阻或电抗的计算设起动时，定子绕组串入的电阻为则: 将代入上式化简后可得：如定子串电抗起动，则Xst的计算公式为最后还应校核起动转矩，应使之满足以下关系式中，为起动时的负载转矩，如不满足，则应考虑选用其他起动方法。（4）和的估算从上可知，要计算或，应预先知道电动机的短路参数和。和可根据电动机的铭牌值上给定的额定线电压和线电流估算。当定子Y接时当定子D（三角形）按时设电动机直接起动时的功率因数为，则 按一般电动机的平均数值，可认为2自耦变压器降压起动（1）起动线路这种起动方法是利用自耦变压器降低加

15、到电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流。图3-9a为其接线图。起动时，把开关QC投向“起动”位置，这时自耦变压器一次绕组加全电压，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。待转速接近稳定时,再把开关转换到“运行”位置，这样就把自耦变压器切除,电动机全电压运行，起动结束。（2）起动电流和起动转矩自耦变压器降压起动时，其一相电路如图（3-9b）所示，设自耦变压器的变比为Ka由电机学可知 （3-23）由图3-9b可见: （3-24） 为由电网供给的起动电流 （3-25）为额定电压下直接起动时的起动电流。起动转矩与加在电子绕组上的电压平方成正比，因此 （3-26）a）接线图 b）自耦变压

16、器一相电路图3-9 异步电动机自耦变压器减压起动原理线路图式（3-25）和式（3-26）表明，采用自耦变压器减压起动与直接起动相比较，电压降低到1Ka,起动电流和起动转矩都降低到全压起动时的1。与定子串电抗（或电阻）的起动方法比较，在同样的起动电流下，采用自耦变压器减压起动时，电动机可产生较大的起动转矩。故这种减压起动可带较大的负载。自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用。由于这种方法可获得较大的起动转矩，加上自耦变压器副边一般有三个抽头，可以根据允许的起动电流和所需的起动转矩选用，故这种起动方法在10kW以上的三相笼型异步电动机得到广泛应用。其缺点是起动设备体积较大，初投资大，

17、需维护检修。常用的起动用自耦变压器有和两种系列。 型的三个抽头分别为电源电压的55、64和73；型的40、60和80。自耦变压器容量的选择与电动机的容量、起动时间和连续起动次数有关。3Y起动 图3-10 异步电动机Y-起动原理线路图用这种方法起动的异步电动机，运行时定子绕组必须是接法,起动时改接成Y。（1）起动线路图3-10为Y起动时的原理线路图。起动时，将QC投向起动侧，再将Q合上，定子绕组结成Y，每相的电压为，实现降压起动，待转速接近额定值时，将QC投向运行侧，使定子绕阻接成全压运行。起动结束。（2）起动电流和起动转矩如图3-11设接法时电网供给的起动电流为 （3-27） Y接法时电网供给

18、的起动电流为 （3-28） （3-29）则式（3-29）表明，用Y减压起动时，起动电流和起动转矩都降为直接起动时的1/3。Y起动操作方便，起动设备简单，应用较为广泛。但由于以下几点使它的应用有一定的限制：只适用于正常运行为联结电动机，为便于推广Y起动方法，Y系列中，容量为4KW以上的电动机，绕组都是联结，额定电压为380V。由于起动转矩减小到直接起动时的1/3，故只适用于空载或轻载起动。这种起动方法的电动机定子绕组必须引出六图3-11 Y形和形接法时的电压和电流个出线端，这对于高电压电动机有一定的困难，所以Y起动只限于500V以下的低压电动机上。4减压起动方法的比较表3-1列出了上述三种减压起

19、动方法的主要数据，为便于说明问题，现将直接起动也列于表内。表3-1 减压起动方法比较起动方法U1/UNI1n/I1nTn/Tn优缺点直接起动111起动最简单，但起动电流大，起动转矩小，只适用于小容量轻载起动串电阻或电抗起动起动设备较简单，起动转矩较小，适用于轻载起动自耦变压器起动起动转矩较大，有三种抽头可选，起动设备较复杂，可带较大负载起动Y-起动起动设备简单，起动转矩较小，适用于轻载起动；只用于联结电机表中、和分别为起动电压、起动电流和起动转矩的相对值。表示减压起动加于定子一相绕组上的电压与直接起动时加于定子的额定相电压之比；表示减压起动时电网向电动机提供的线电流与直接起动时的线电流之比；

20、为减压起动时电动机产生的起动转矩与直接起动时起动转矩之比。例3-2，一台三相笼型异步电动机，PN75kW，nN=1470r/min，U1N=380V，定子接，I1N=137.5A，N=2%,cos1N=0.90,起动电流倍数KI=6.5，起动转矩倍数KT=1.0, 拟带半载起动，电源容量为1000KV·，选择适当的起动方法。解：1）直接起动。电源允许电动机直接起动的条件是 因KI6.5>4，故该电动机不能采用直接起动法起动。2）半载指50额定负载转矩，尚属轻载，拟用减压起动：定子串电抗（电阻）起动从上面可知，电源允许该电动机的起动电流倍数KI=I1st/I1N=4，而电动机直接

21、起动的电流倍数 KI=I1st/I1N=6.5。定子串电抗（电阻）减压满足起动电流条件时，对应的a为对应的起动转矩为取a =1.625，虽满足了电源对起动电流的要求，但因Tst=0.38TN <TLst=0.5TN，起动转矩不能满足要求，故不能用定子串电抗（或电阻）的起动方法。Y-起动同样，起动电流可满足起动要求，而起动转矩不满足，故不能用Y起动法。自耦变压器起动设选用QJ2系列，其电压抽头为55、64、73。如选用64一档抽头时，变比K10.64=1.56起动转矩不能满足要求。如选用73一档时，变比根据计算结果，可以选用电压抽头为73的自耦变压器减压起动。五、三相绕线转子异步电动机的起

22、动这种电动机的起动方法，适用于大中容量异步电动机重载起动。这是因为，当绕线转子异步电动机转子串入适当电阻起动时，既可增大起动转矩，又可限制起动电流，可以同时解决笼型异步电动机起动时存在的两个问题。绕线转子异步电动机起动有转子串接频敏变阻器和转子串接电阻两种起动方法。（一）转子串接频敏变阻器起动所谓频敏变阻器，实质上就是一个铁耗很大的三相电抗器。从结构上看，它好象是一个没有二次绕组的三相芯式变压器，只是它的铁心不是硅钢片而是用厚度为的钢板叠成，以增大铁耗。三个绕组分别绕在三个铁心柱上，并接成星形，然后接到转子滑环上。如图3-15a所示。图b为频敏变阻器每一相的等值电路，其中为频敏变阻器绕组的电阻

23、，为带铁心绕组的电抗，为反映铁耗的等值电阻，因其铁片厚，铁耗大，故值较一般电抗器大。图3-14a工作原理如下：电动机起动时，触头2Q断开，转子串人频敏变阻器，然后触头1Q闭合，接通电源，电动机起动。当电动机起动时，转子电流频率，频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大，即铁耗大，对应的大，使转子电路电阻增大，从而使起动电流减小，起动转矩增大。起动过程中，随转速上升，逐渐降低，频敏变阻器的铁耗及其相对应的等值电阻rmm也就随之减小这就相当于在起动过程中逐步切除转子电路串人的电阻。起动结束后，转子电路直接短路。图3-15 三相绕线转子异步电动机转子串电阻分级起动a）接线图 b）机械特性因为频敏

24、变阻器的等值电阻是随频率的变化而自动变化的，因此称为“频敏变阻器”，它相当于一种无触点的变阻器。在起动过程中，它能自动、无级地减小电阻，如果它的参数选择适当，可以在起动过程中保持起动转矩近似不变，使起动过程加快。这时电动机的机械特性如图3-14c曲线2所示。曲线1为电动机的固有机械特性。频敏变阻器结构简单，运行可靠，使用维护方便，因此使用广泛。（二）转子串接电阻起动为加快起动过程，使整个起动过程中尽量保持较大的加速转矩，和直流电动机一样，绕线式异步电动机也采用逐段切除起动电阻的转子串电阻分级起动。它有转子串接对称电阻和不对称电阻两种情况，前者必须同时切换三相电阻，以保持起动过程中三相始终是对称的；而后者每相