三相異步電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)

徐雷

杭州余杭水務(wù)有限公司 311100

摘要：三相異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)及日常生活中得到廣泛應(yīng)用。其啟動(dòng)方式有直接啟動(dòng)與降壓啟動(dòng)兩種方式，直接啟動(dòng)電流大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊，直接影響電網(wǎng)中其它用電設(shè)備的正常工作，也會(huì)影響電動(dòng)機(jī)本身及其拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命；因此，如何控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)；軟啟動(dòng)器；降壓啟動(dòng)

一、引言

電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流近似的與定子的電壓成正比，因此要采用降低定子電壓的辦法來限制起動(dòng)電流，即為降壓起動(dòng)。對(duì)于因直接起動(dòng)沖擊電流過大而無法承受的場合，通常采用降壓起動(dòng)，此時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降，起動(dòng)電流也下降，所以只適合必須減小起動(dòng)電流，又對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的場合。文章主要探討了三相異步電動(dòng)機(jī)的幾種降壓啟動(dòng)方式。

二、三相異步電動(dòng)機(jī)的幾種降壓啟動(dòng)

一般容量在l0kw以下的小型電動(dòng)機(jī)可以直接啟動(dòng)，但10kw以上的電動(dòng)機(jī)則應(yīng)考慮采用降壓啟動(dòng)。有時(shí)為了限制和減少啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊作用，允許全壓啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)也多采用降壓啟動(dòng)方式。

三相異步電動(dòng)機(jī)降壓啟動(dòng)的方法有以下幾種：定子電路串電阻（或電抗）降壓啟動(dòng)、自耦變壓器降壓啟動(dòng)、Y-△降壓啟動(dòng)、軟啟動(dòng)器等。使用這些方法是為了限制啟動(dòng)電流（一般降低電壓后的啟動(dòng)電流為電動(dòng)機(jī)額定電流的2～3倍），減小供電干線的電壓降落，保障各種電氣設(shè)備正常運(yùn)行。

1、三相異步電動(dòng)機(jī)的串電阻（或電抗）降壓啟動(dòng)

電動(dòng)機(jī)串電阻（電抗）降壓起動(dòng)是指起動(dòng)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)定子繞組上串聯(lián)電阻（電抗），起動(dòng)電流在電阻上產(chǎn)生電壓降，使實(shí)際加到電動(dòng)機(jī)定子繞組中的電壓低于額定電壓，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定值后，再將串聯(lián)電阻（電抗）短接，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行。由于定子串電阻降壓啟動(dòng)的啟動(dòng)電流隨定子電壓成正比下降，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩則按電壓下降比例的平方倍下降。顯然，這種方法會(huì)消耗大量的電能且裝置成本較高，三相異步電動(dòng)機(jī)采用這種啟動(dòng)方法，適用于要求啟動(dòng)平穩(wěn)小的容量電動(dòng)機(jī)及啟動(dòng)不頻繁的場合。

圖1 定子串電阻降壓啟動(dòng)控制線路圖

2、三相異步電動(dòng)機(jī)的自耦變壓器降壓啟動(dòng)

對(duì)于容量較大且正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成星形的籠型異步電動(dòng)機(jī)，可采用自耦變壓器降壓起動(dòng)。它是指起動(dòng)時(shí)，將自耦變壓器接入電動(dòng)機(jī)的定子回路，待電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到一定值后，再切除自耦變壓器，使電動(dòng)機(jī)定子繞組獲正常工作電壓。這樣，起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)每相繞組電壓為正常工作電壓的1/K倍（K——自耦變壓器的匝數(shù)比。K= N1/N2），起動(dòng)電流也為全壓起動(dòng)電流的1/K2倍。

（1）電動(dòng)機(jī)自耦降壓啟動(dòng)（自動(dòng)控制接線圖）

圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)自耦降壓啟動(dòng)接線圖

圖2是交流電動(dòng)機(jī)自耦降壓啟動(dòng)自動(dòng)切換控制接線圖，自動(dòng)切換靠時(shí)間繼電器完成，用時(shí)間繼電器切換能可靠地完成由啟動(dòng)到運(yùn)行的轉(zhuǎn)換過程，不會(huì)造成啟動(dòng)時(shí)間的長短不一的情況，也不會(huì)因啟動(dòng)時(shí)間長造成燒毀自耦變壓器事故。

（2）電動(dòng)機(jī)自耦降壓啟動(dòng)（手動(dòng)控制接線）

圖3 三相異步電動(dòng)機(jī)自耦降壓啟動(dòng)接線圖

自耦變壓器降壓起動(dòng)手動(dòng)控制接線如圖3所示，圖中操作手柄有三個(gè)位置：“停止”、“起動(dòng)”和“運(yùn)行”。操作機(jī)構(gòu)中設(shè)有機(jī)械連鎖機(jī)構(gòu)，它使得操作手柄未經(jīng)“起動(dòng)”位置就不可能扳到“運(yùn)行”位置，保證了電動(dòng)機(jī)必須先經(jīng)過起動(dòng)階段以后才能投入運(yùn)行。

3、三相異步電動(dòng)機(jī)的Y-△降壓啟動(dòng)

三相異步電動(dòng)機(jī)的Y-△降壓啟動(dòng)是指，在啟動(dòng)時(shí)將異步電動(dòng)機(jī)三相定子繞組接成星形，等啟動(dòng)完成后，再接成三角形。這樣，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)每相繞組的工作電壓為正常時(shí)繞組電壓的1/，啟動(dòng)電流為三角形直接啟動(dòng)時(shí)的1/3。

圖4 三相異步電動(dòng)機(jī) Y—Δ 降壓啟動(dòng)控制線路圖

4、固態(tài)降壓啟動(dòng)器

固態(tài)降壓啟動(dòng)器由電動(dòng)機(jī)的起停裝置和軟啟動(dòng)控制器組成。固態(tài)降壓啟動(dòng)器的啟動(dòng)方法有兩種：（1）電流漸增啟動(dòng)方式，即在啟動(dòng)時(shí)，電流線性增加，直達(dá)全速為止。啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩是可調(diào)的，啟動(dòng)電流和電壓是按照用戶設(shè)定的頻率平滑連續(xù)無極增大。（2）是限流啟動(dòng)方式，即在啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)電流保持恒定，通?？稍陬~定電流的1.5～4.5倍之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的電壓按斜坡函數(shù)穩(wěn)定升高，直到設(shè)定的電流限值。啟動(dòng)電流大小能改變電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，這種啟動(dòng)方式適合于慣性大的場合。

圖5 軟啟動(dòng)器主電路原理圖

固態(tài)降壓器有良好的軟啟動(dòng)特性、可靠性高、壽命長、維護(hù)量小、電動(dòng)機(jī)保護(hù)良好以及參數(shù)設(shè)置簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是不能長時(shí)間用于啟動(dòng)扭矩要求很高的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置上。這種局限主要因?yàn)檐泦?dòng)器實(shí)際上是靠將自身電壓斜坡式抬升到最大值來完成工作，由于扭矩與電壓平方成正比，連接電動(dòng)機(jī)不能從一開始就達(dá)到最大扭矩，因此，這種啟動(dòng)器更適合水泵、傳送帶、電梯等輕型易啟動(dòng)的設(shè)備。

5、液態(tài)降壓啟動(dòng)器

水電阻降壓起動(dòng)可將啟動(dòng)電流控制在3倍額定電流以內(nèi)，對(duì)電網(wǎng)和拖動(dòng)動(dòng)設(shè)備沖擊小，能連續(xù)起動(dòng)，不會(huì)燒毀，維護(hù)簡單。

水電阻降壓啟動(dòng)原理圖

水電阻軟起動(dòng)裝置是依靠溶解在水中的電解質(zhì)離子導(dǎo)電的，電解質(zhì)充滿與兩個(gè)平面極板之間（即水電阻的兩個(gè)極），構(gòu)成一個(gè)電容狀的導(dǎo)電體，它能夠限制電流的流通，自身壓降小，屬于無感性元件，也就是說既能降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，又使電動(dòng)機(jī)獲得較大的端電壓，且提高了起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)，所以能使電動(dòng)機(jī)100%起動(dòng)成功。

水電阻軟起動(dòng)裝置還有一個(gè)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)。水電阻的阻值大小是依靠改變水電阻箱內(nèi)導(dǎo)電介質(zhì)的濃度和兩個(gè)極板間的距離來完成的，在現(xiàn)場可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際需要調(diào)配，起動(dòng)過程中，從初始電阻逐漸連續(xù)變化為零電阻，起動(dòng)平穩(wěn)，無二次沖擊電流。

5、軟啟動(dòng)

以上幾種降壓啟動(dòng)的方法是有級(jí)啟動(dòng)，啟動(dòng)的平滑性不高，應(yīng)用一些自動(dòng)控制線路組成的軟啟動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)鼠籠式異步電機(jī)的無級(jí)平滑運(yùn)動(dòng)，這種方法稱為軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)分為磁控式和電子式兩種。磁控式故障率高，已被電子式取代。

啟動(dòng)過程電機(jī)所加的電壓不是一個(gè)固定值，軟啟動(dòng)裝置輸出電壓按指定要求上升，被控電機(jī)電壓由零安指定斜率上升至全電壓，轉(zhuǎn)速相應(yīng)由零上升到規(guī)定轉(zhuǎn)速。軟啟動(dòng)能保證電機(jī)在不同負(fù)載下平滑啟動(dòng)，減少電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)沖擊，又降低對(duì)自身承受的較大結(jié)構(gòu)沖擊力。

軟啟動(dòng)可以設(shè)定起始電壓、上升方式、啟動(dòng)電流倍數(shù)等參數(shù)，以適用重載、輕載啟動(dòng)不同情況。

三、異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

1、三相異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生感生電動(dòng)勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換。與單相異步電動(dòng)機(jī)相比，三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動(dòng)機(jī)可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點(diǎn)是調(diào)速困難。繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設(shè)置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2、異步電動(dòng)機(jī)存在的缺點(diǎn)

2.1籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在下列三個(gè)主要缺點(diǎn)。

（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，難以滿足帶負(fù)載起動(dòng)的需要。當(dāng)前社會(huì)上解決該問題的多數(shù)辦法是提高電動(dòng)機(jī)的功率容量（即增容）來提高其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這就造成嚴(yán)重的“大馬拉小車”，既增加購買設(shè)備的投資，又在長期的應(yīng)用中因處于低負(fù)荷運(yùn)行而浪費(fèi)大量電量，很不經(jīng)濟(jì)。第二種辦法是增購液力偶合器，先讓電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，在由液力偶合器驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這種辦法同樣要增加添購設(shè)備的投資，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪費(fèi)3%的電能，因而整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的效率很低，同樣浪費(fèi)電量，更何況添加液力偶合器之后，機(jī)組的運(yùn)行可靠性大大下降，顯著增加維護(hù)困難，因此不是一個(gè)好辦法。

（2）大轉(zhuǎn)矩不大，用于驅(qū)動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)過負(fù)荷的負(fù)載，如礦山所用破碎機(jī)等時(shí)，往往停轉(zhuǎn)而燒壞電動(dòng)機(jī)。以致只能在輕載狀況下運(yùn)行，既降低了產(chǎn)量又浪費(fèi)電能。

（3）起動(dòng)電流很大，增加了所需供電變壓器的容量，從而增加大量投資。另一辦法是采用降壓起動(dòng)來降低起動(dòng)電流，同樣要增加添購降壓裝置的投資，并且使本來就不好的起動(dòng)特性進(jìn)一步惡化。

2.2繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

繞線性感應(yīng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相繞組通過集電環(huán)短路。起動(dòng)時(shí)，為減小起動(dòng)電流，轉(zhuǎn)子中可以串入起動(dòng)電阻，轉(zhuǎn)子串入適當(dāng)?shù)碾娮?，不僅可以減小起動(dòng)電流，而且由于轉(zhuǎn)子功率因數(shù)和轉(zhuǎn)子電流有功分量增大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也可增大。這種電動(dòng)機(jī)還可通過改變外串電阻調(diào)速。繞線型電動(dòng)機(jī)雖起動(dòng)特性和運(yùn)行特性兼優(yōu)，但仍存在下列缺點(diǎn)：

（1）由于轉(zhuǎn)子上有集電環(huán)和電刷，不僅增加制造成本，并且降低了起動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，集電環(huán)和電刷之間的滑動(dòng)接觸，是這種電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的主要原因。特別是集電環(huán)與電刷之間會(huì)產(chǎn)生火花，使傳統(tǒng)繞線型電動(dòng)機(jī)在礦山、井下、石油、華工等防爆要求的場所，對(duì)于灰土、粉塵濃度很高的地方，也不敢使用，這就限制了其應(yīng)用范圍。

（2）當(dāng)前的傳統(tǒng)繞線型電動(dòng)機(jī)為了提高可靠性，多數(shù)不提刷，因此運(yùn)行時(shí)存在下列電能浪費(fèi)：集電環(huán)和電刷間的摩擦損耗和接觸電阻上的電損耗，電刷至控制柜短路開關(guān)間三根電纜的電損耗，若電動(dòng)機(jī)與控制柜之間距離很長，則該損耗將非常嚴(yán)重。并且由于集電環(huán)與電刷產(chǎn)生碳粉、電火花和噪聲，長期污染周圍環(huán)境，損害管理人員和周圍居民健康。

（3）傳統(tǒng)繞線型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比籠型電動(dòng)機(jī)的有所提高，但仍往往不能滿足滿載起動(dòng)的需要，以至仍然需要增容而形成“大馬拉小車”。

上述傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在的嚴(yán)重缺點(diǎn)的根本原因在于“起動(dòng)”、“運(yùn)行”和“可靠性”三者之間存在難以調(diào)和的矛盾，因此勢必顧此失彼，不可兼優(yōu)。

四、結(jié)語

異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題是它在運(yùn)行中的一個(gè)特殊問題。常用的方法有自耦變壓器降壓起動(dòng)、Y-Δ起動(dòng)、軟起動(dòng)、定子串電阻降壓起動(dòng)等。

在電網(wǎng)和負(fù)載兩方面都允許全壓直接起動(dòng)的情況下，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)仍以直接起動(dòng)為宜，因?yàn)椴倏v控制方便，而且比較經(jīng)濟(jì)。自耦降壓起動(dòng)器是經(jīng)常被用來起動(dòng)較大容量鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)裝置。雖然自耦降壓起動(dòng)器是一種老式的起動(dòng)設(shè)備，但利用自耦變壓器的多觸頭降壓，既能適應(yīng)不同負(fù)載起動(dòng)的需要，又能得到更大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，加之還因裝設(shè)有熱繼電器和低電壓脫扣器而具有較完善的過載和失壓保護(hù)，所以，至今仍被廣泛應(yīng)用。

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是采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和互感效應(yīng)來進(jìn)行的，互感效應(yīng)必須要做到數(shù)據(jù)在采集和共享時(shí)必須要同步，哪一方面出現(xiàn)問題，智能化變電站都不能進(jìn)行正常的工作。所以要對(duì)數(shù)據(jù)的采集和共享時(shí)多加派工作人員，一點(diǎn)要保證數(shù)據(jù)的同步化。

四、結(jié)論

我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們的生活水平快速提高，對(duì)電力資源的需求也隨之增加，只有加快變電站的工作進(jìn)程，提高變電站的工程質(zhì)量，才能滿足人們的需求。因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)電力資源供求相等的目標(biāo)，出現(xiàn)了一種智能化的變電站，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和互感效應(yīng)達(dá)到了變電站工作的自動(dòng)化，但是由于智能化變電站的技術(shù)不夠完善，在實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題有待解決。通過分析和論證通過對(duì)高壓設(shè)備的智能化研究等改善方案，達(dá)到了加快工作進(jìn)程，改善工程質(zhì)量的預(yù)期目標(biāo)。

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