低壓繞線型電動機頻敏變阻器起動方式的探討

張寶喜

（天津渤化工程有限公司，天津300193）

1 前言

感應電機也稱異步電機，它依靠定子轉子間的電磁感應，在轉子繞組內(nèi)感應電動勢以實現(xiàn)機電能量的轉換。感應電動機是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛的電機，它運行效率高、能夠可靠地運行，并且設備結構簡單，所以制造十分簡單、便宜，而且設備壽命長，應用場所比較廣泛[1]。

感應電動機也有缺點，例如起動電流較大、難以經(jīng)濟地實現(xiàn)大范圍的平滑調(diào)速、需從電網(wǎng)吸收滯后的無功電流建立磁場從而降低電網(wǎng)的功率因數(shù)等。盡管如此，很多場合對調(diào)速要求并不高（如風機、水泵等），而且起動特性還可以通過其他措施改善，故感應電動機仍得到了廣泛應用[2]。

2 低壓繞線型電動機起動方式的選擇

2.1 感應電動機的分類

按轉子結構的不同，感應電動機分為鼠籠式和繞線式兩大類[3]。

籠型轉子繞組的結構如果去掉鐵芯，整個轉子繞組的外形如鼠籠，每個轉子槽內(nèi)都有一根銅質(zhì)或鋁質(zhì)的導條，所以稱為鼠籠式?；\型感應電動機結構簡單、制造方便，是一種經(jīng)濟耐用的電機，應用極為廣泛。

繞線式轉子的繞組結構和定子繞組相似，是用絕緣導線嵌放于轉子鐵芯槽內(nèi)，按星形接法連接成三相對稱繞組，三相出線端分別接于安裝在轉子軸上的三個滑環(huán)，通過電刷可以引出電流。繞線式轉子的特點是可以接入附加電阻在轉子繞組回路內(nèi)（通過電刷和滑環(huán)），進而使電動機的起動特性提高，或調(diào)節(jié)電動機的轉速[4]。

2.2 低壓繞線型電動機起動方式的選擇要求

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，起動時應滿足下述規(guī)定：

1）對于400V系統(tǒng)，起動時，對電網(wǎng)造成的電壓降不超過規(guī)定的數(shù)值，一般要求經(jīng)常起動的電動機，小于或者等于40V；偶爾起動時，小于或者等于60V。在保證生產(chǎn)機械所要求的起動轉矩而又不影響其他用電設備的正常工作時，其電壓降可允許為小于或者等于80V。由單獨設置的變壓器專供電的電動機，傳動機械要求的起動轉矩決定其電壓降允許值。

2）當變壓器的負載率小于90%時，變壓器的起動容量如以每12h起動3次，每次起動時間為15s，則最大起動電流可為變壓器額定電流的4倍?？傊?，供電設備和電網(wǎng)的過載能力不低于起動功率。

3）電動機的起動轉矩標幺值應不小于傳動機械的靜阻轉矩標幺值。

式中：電動機靜阻轉矩M×j，電動機全電壓起動時的轉矩M×q，起動時母線上的電壓U×m。

4）起動時，需確保起動裝置和低壓繞線式電動機的熱穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度[5]。

2.3 低壓繞線型電動機起動方式的比較

電動機的起動方式，常用的是直接起動、變頻起動和減壓起動。

變頻起動具有高效率、高性能的特點，伴隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，變頻起動得到了廣泛的應用，但是其系統(tǒng)復雜，造價較高，轉速變化率小，對項目的初始投資造成了一定的困難。

繞線型轉子異步電動機一般采用電阻分級起動或頻敏變阻器起動兩種方式。兩者各有優(yōu)缺點，前者起動轉矩大但控制較復雜，且起動電阻體積大、維修麻煩；而后者具有恒轉矩的起制動特性，能夠平滑、無級、自動地起制動各種功率的交流繞線型電動機，頻敏變阻器又是靜止元件，很少需要維修。因此，繞線型轉子異步電動機多采用頻敏變阻器起動[6]。

2.4 頻敏變阻器起動原理

頻敏變阻器本質(zhì)上是一個鐵芯損耗非常大的三相電抗器設備。它具有鐵芯以及線圈兩個部分，由數(shù)片E形硅鋼片疊成，采用星形連接，并制成開啟式。將其串接在繞線型轉子異步電動機轉子回路中，相當于使其轉子繞組接入一個鐵損較大的電抗器。頻敏變阻器的阻抗能夠隨著轉子電流頻率的下降自動減小，所以它是繞線型轉子異步電動機較為理想的一種起動設備，常用于較大容量的繞線式電動機的起動控制。

當電動機反接時，頻敏變阻器的等效變阻器阻抗最大，從反接制動到反向起動過程中，其等效阻抗始終隨轉子電流頻率的減小而減小，使電動機在反接過程中轉矩亦接近于恒定。因此頻敏變阻器尤為適用于反接制動和需要頻繁正反轉工作的機械。

低壓繞線型異步電動機的起動和制動工作制分為：偶爾起制動工作制和斷續(xù)周期工作制的起制動。此兩種工作制的原理相同，但是選取過程有一些區(qū)別，斷續(xù)周期工作制的起制動比偶爾起制動更加復雜些。本文僅對偶爾起制動這種工作制進行討論，所述的頻敏變阻器為小型片式三相結構[7]。

2.5 項目實用舉例

某項目空壓機傳動電動機的型號及技術數(shù)據(jù)：JR-127-8，Pe=130kW，Uze=285V，Ize=270A，屬于輕載起動。

根據(jù)現(xiàn)有條件，計算起動頻敏變阻器的參數(shù)：

1）確定鐵芯規(guī)格：用于偶爾起動的頻敏變阻器鐵芯號為2號、3號、7號。輕載、重載偶爾起動，功率因數(shù)不宜過高，可選用疊片式結構，即2號鐵芯或3號鐵芯；重輕載偶爾起動，對功率因數(shù)有一定要求，宜選用方柱式結構，即7號鐵芯。小功率電動機選用2號鐵芯，當鐵芯片數(shù)超過12片后，選用3號鐵芯。如果3號鐵芯超過16片，則采用兩臺或數(shù)臺，并且確定并聯(lián)數(shù)b和串聯(lián)數(shù)c。

選用2號鐵芯。

2）計算鐵芯片數(shù)ΣN=KN×Pe=0.0897×130=11.66片，進整取12片。

3）計算繞組匝數(shù)W=KW×Pe/（C×N×Ize）=868.8×130/（1×12×270）=34.8匝，進整32匝。

4）計算導線截面S：S=Ize/（b×je）=270/（1×20）=13.5mm2，進整為16mm2。

相關系數(shù)值運用及變阻器參數(shù)見表1~3。

表1 某廠家不同鐵芯系數(shù)KN值選用表

表2 某廠家不同鐵芯系數(shù)KW值選用表

表3 某廠家不同鐵芯偶爾起制動用頻敏變阻器N、W、S參數(shù)分檔表

3 結束語

1）對于繞線式電動機采用頻敏變阻器這種起動方式，可以省去龐大的起動電阻，而且線路簡潔，維護容易，這些都是可見的優(yōu)點。缺點是功率因數(shù)低（一般為0.5~0.75），不宜用在低轉速下運轉和起動轉矩大的場合，起動轉矩小。

2）對于斷續(xù)周期工作制所用的頻敏變阻器的選擇，由于電動機常處于起動制動狀態(tài)，有需要反接的情形，操作頻繁，頻敏變阻器常接于轉子電路中，需要按照電動機的操作頻繁程度分類選配頻敏變阻器，并不適用于本文討論的方法。

3）筆者總結歸納一些設計實例與計算方法，還請廣大讀者給出批評和指正。