第章---三相异步电动机的运行与拖动.doc

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电机及拖动基础教学课件

5.1三相异步电动机的运行特性
5.1。1机械特性的物理表达式
5。1.2机械特性的参数表达式
5.1.3机械特性的实用表达式
5。1。4机械特性的固有特性和人为特性
5.1.5稳定运行问题
5.2 三相异步电动机的起动
5.2。1 三相异步电动机直接起动的问题
5。2。2 三相鼠笼式异步电动机的降压起动
5.2。3  三相绕线式异步电动机的起动
第5章   三相异步电动机的运行与拖动
摘要:本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式.固有机械特性和人为机械特性,阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用.
5.1三相异步电动机的运行特性(返回顶部)
三相异步电动机的运行特性就是三相异步电动机的运行工作时的机械特性.和直流电动机一样,三相异步电动机的机械特性也是指电磁转矩 与转子转速 之间的关系。由于转子转速 与同步转速 、转差率 存在下列关系，即
                                         （5。1）
则三相异步电动机的机械特性用曲线表示时，习惯上纵坐标同时表示转速 和转差率 ，横坐标表示电磁转矩 。
三相异步电动机的机械特性有三种表达式，现介绍如下：
5。1。1机械特性的物理表达式（返回顶部）
由上一章三相异步电动机的转矩关系知,三相异步电动机转矩的一般表达式为
                                  （5。2)
式中 为三相异步电动机的转矩系数,是一常数；
为三相异步电动机的气隙每极磁通量；
为转子电流的折算值；
为转子电路的功率因数；
式（5.2）表明了电磁转矩与磁通量和转子电流的有功分量的乘积成正比,它是电磁力定律在三相异步电动机的应用，它从物理特性上描述了三相异步电动机的运行特性,因此这一表达式又称为三相异步电动机的物理表达式。
仅从式(5.2）不能明显地看出电磁转矩 与转差率 之间的变化规律。要从分析气隙每极磁通量 ，转子相电流 ，以及为转子功率因数 与转差率 之间的关系，间接地找出其变化规律。现分析如表5。1所示。

根据表5.1中的分析，可作出曲线 、 和 分别如图5。2、5.3、5.4所示，据此可得出图5.1所示的机械特性曲线.曲线分为两段:当 较小时（ ）, 变化不大， ,电磁转矩 与转子相电流 成正比关系，表现为AB段近似为直线，称为直线部分；当 较大时 ( ），如 ， 减少近一半，         很小,尽管转子相电流 增大，有功电流 不大，使电磁转矩 反而减小了，此时表现为 段， 段为曲线段,称为曲线部分。由此分析知，三相异步电动机的机械特性在某转差率 下，产生最大转矩，即 点称为最大转矩点，相应的转矩为 称为最大转矩，对应的转差率 称为临界转差率。

5。1。2机械特性的参数表达式（返回顶部)
1。参数表达式的推导：
三相异步电动机的机械特性的参数表达式就是直接表示异步电动机的电磁转矩 与转差率 和电机的某些参数（ 及阻抗等）之间的关系的数学表达式.现推导如下:
已知，电磁转矩 与转子电流关系为
      （5。3)
根据三相异步电动机的等值电路中，由于励磁阻抗比定子、转子漏阻抗大很多，把 型等值电路中励磁阻抗这一段电路近似为开路，而计算 的误差很小，故
      （5。4）
式(5。4)代入（5.3），得
                                (5。5）
这就是机械特性的参数表达式。给定 及阻抗等参数, 画出曲线便是 曲线,其形状与图5.1一致.由参数表达式绘制的三相异步电动机的机械特性如图5.5所示，它具有以下特点:在 时,即 的范围内，特性在第一象限，电磁转矩 与转速 都为正，从规定正方向判断， 与 同方向， 与同步转速 同方向，电动机工作在电动运行状态；在 时，即 ，特性在第二象限，电磁转矩 为负值，表现为制动性转矩，电磁功率 也是负值，电动机工作在电动发电运行状态;在 时，即 ，特性在第四象限， ，电动机工作在制动运行状态。
2.机械特性曲线的分析：
下面分析图5.5机械特性中的几个特点：
（1）同步转速点 ：其特点是 。 点为理想空载运行点即在没有外界转矩的作用下，异步电动机本身不可能达到同步转速点。
（2）额定运行点 :其特点是电磁转矩和转速均为额定值，用 和 表示，相应的额定转差率用 表示。异步电动机可长期运行在额定状态。
(3）最大转矩点 ：其特点是对应的电磁转矩为最大值 ，称为最大转矩，对应的转差率用 ,称为临界转差率。把式（5。5）中的 对 求导，并令 ，即可得到最大转矩 和临界转差率 为
                                           （5。6）
                                 (5.7）
式中，“＋”号适用于电动机状态，“－”号适用于发电机状态。
通常情况下， 的绝对值大于 的数值，但是异步电动机的 型等值电路 不超过 的5%，则式（5.6）和(5。7）中可以忽略 的影响，则有
                                                 (5。8）
                                         （5。8）
也就是说，异步电动机的机械特性具有对称性，即异步电动机的发电机状态和异步电动机的电动机状态的最大电磁转矩绝对值及对应的临界转差率可认为近似相等。
通过式（5.8)，可得出下列结论：
1)最大电磁转矩 与电压 平方成正比，与漏电抗 成反比。这说明改变 和 ，可改变 的大小;
2)临界转差率 与电阻 成正比，与漏电抗 成反比，与 的大小无关.
最大电磁转矩 与额定电磁转矩 的比值称为最大电磁转矩倍数,又称为过载能力或过载倍数，用 表示，即

是三相异步电动机运行性能的一个重要参数.三相异步电动机运行时，绝不可能长期运行在最大转矩处.因为，此时电流过大，温升会超过允许值，有可能烧毁电机，同时在最大转矩处运行转速也不稳定。
一般情况下，三相异步电动机的 ＝1。6～2。2，起重、冶金、机械专用的三相异步电动机的 ＝2。2~2.8.
(4)起动点 ：其特点是对应的转速 ， ， 对应的转矩 称为起动转矩，又称为堵转转矩.它是异步电动机接通电源开始起动时的电磁转矩.若令式（5.5）中的 ，即有
                      (5。9）
通过式（5。9）可以得出下列结论： 与电压 平方成正比，与电阻 或漏电抗 成反比.这说明电阻或漏电抗越大,起动转矩越小；电源电压 过低,会引起起动转矩明显下降，甚至使 ,而造成电机不能起动.
起动转矩 与额定转矩 的比值称为转矩倍数，用 表示，即

是表征三相异步电动机起动性能的另一个重要参数。三相异步电动机起动时,必须保证有一定的过载倍数。只有 ＞1时，异步电动机才能在额定负载下起动.
一般情况下, 是针对鼠笼式电动机而言。因为绕线式电动机通过增加转子回路的电阻 ，可加大或改变起动转矩。这是绕线式电动机的优点之一。一般的鼠笼式电动机的 ＝1。0～2.0；起重、冶金、机械专用的鼠笼式电动机的 ＝2。8～4。0.
5.1。3机械特性的实用表达式（返回顶部)
1。 实用表达式的推导：
实际应用时，三相异步电动机的参数（ ， ， ， 等)在电机产品的目录中是查不到的，因此使用参数表达式和物理表达式一样也是不方便的.为了能利用三相异步电动机产品说明书中给出的数据，计算出异步电动机的机械特性，有必要导出实用的表达式。
用式（5。5)去除式（5。6）得
                              (5.10）
由式(5。5）得
                                 （5.11）
由式（5。11）代入式(5。10）得
                                    （5.12)
式中 。对于三相异步电动机，其 ＝0.1～0。2范围内。上式中显然对任何 值，都有
                                          （5。13）
而 ,可忽略。则式（5。13）可简化为
                                            (5.14）
这就是三相异步电动机机械特性的实用表达式。
2.实用表达式的使用
从实用表达式看出，只需求出最大转矩   和临界转差率 ,才能求出 .下面介绍   和 的求法.
已知三相异步电动机的铭牌数据中额定功率 （ ），额定转速 ( )和过载倍数 ，则额定输出转矩为

额定转差率为    
忽略空载转矩，近似认为 ，（当 时)，且 ，代入式（5.14)得

由上式可得

解之得             
因 , 故上式应取“＋”号，则
                                         （5。15）
算出 和 ，只需给出 值，就可算出相应的 值。
例 5。1 已知一台三相异步电动机，额定频率 ＝150 , 额定电压380 , 额定转速, ＝1460 ，过载倍数 ＝2。4。当转子回路不串入电阻时，
(1）求其转矩的实用表达式;
（2）问电动机能否带动额定负载起动。
解：（1）根据已知数据,电机的额定转矩为

最大转矩为

根据额定转速 ＝1460 ，可判断出同步转速 ＝150 ,则
额定转差率为

临界转差率为

转子不串电阻的实用表达式为

(2）电机开始起动时, ＝1， ＝ ,代入实用表达式得

因为 ＜  ， 故电动机不能拖动额定负载起动。
3.实用表达式的简化
在0＜ ＜ 的直线段，即三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（ ＝0.01～0。05），可认为

实用公式中忽略 / 也是可以的。则实用表达式（5。14)变成为
                                                     （5。16）
经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性关系，使用起来更方便，并称为机械特性的近似表达式。
在使用式(5。16）时 可按下式计算

上述三相异步电动机机械特性的三种表达式,虽然都能用来表征电动机的运行特性,但其应用的场合各有不同。一般来说,物理表达式适用于对电动机的运行作定性分析；参数表达式适用于分析电机各种参数变化对电动机运行特性的影响；实用表达式适用于电动机机械特性的工程计算。
5.1.4机械特性的固有特性和人为特性（返回顶部）
1.  固有机械特性
三相异步电动机的定子在额定频率的额定电压下，定子绕组按规定的接线方式联结,定子及转子回路不外接任何电器元件的条件下的机械特性称为固有机机械特性。其形状如图5。5所示。
三相异步电动机的固有机械特性可以利用实用表达式（5。14）计算得到。方法是先利用实用表达式计算出同步转速点 ，额定运行点 ，最大转矩点 和起动点 这几个特殊点,然后将这些点连接起来便得到固有特性曲线.当然，计算的点越多，做出的曲线就越精确。
例5。2  某三相异步电动机， ＝60 , ＝750 ， ＝50 , ＝2.5，试绘出电动机的固有机械特性。
解：（1）同步转速点 ：
＝0时, ＝750 ， ＝0
(2）额定运行点 ：

(3）最大转矩点 ：
（4）
 ＝ ＝
（4）起动点 ：
将 ＝1时代入公式得

根据上述求出的四个特殊点，绘出固有机械特性如图5。6所示。
2。 人为机械特性
人为地改变三相异步电动机的某些参数所得到的机械特性称为人为特性。关于人为特性的分析,主要是分析下列四个公式的特性。
同步转速公式          
临界转差率公式                    
最大转矩公式       
起动转矩公式                    
下面分析几种常见的人为机械特性.
（1）降低定子回路端电压的人为机械特性。
根据上述四个公式,降低定子回路端电压 ，则 不变， 不变, 和 与 成正比地降低。由于三相异步电动机的磁路在额定电压下已有饱和的趋势,故不宜再升高电压。
图5。7所示为 ＝0.8 ， ＝0.5 时的人为机械特性。定子回路端电压降低后的人为机械特性，其线性段的特性变软了.且 和 也显著地减小，电动机的过载能力也显著地下降。
（2）转子回路内串接对称电阻时的人为机械特性。
绕线式三相异步电动机的转子回路内可以串接电阻 (要求三相串接的电阻阻值相等).其电路图及人为机械特性如图5。8所示.
根据上述四个公式, 不变， 不变， 随 的增大而增大, 开始随 的增大而增大，当 增大到某一 时， ＝ 。如果 再继续增大，则 开始减小。

绕线式三相异步电动机的转子回路串接电阻后，电阻 越大,其线性段的特性越软。
(3）定子回路串接对称电抗 或电阻 时的人为机械特性。
三相异步电动机的定子回路串接对称电抗 的电路图和人为机械特性如图5.9所示。
根据上述四个公式, 不变， 、 和 随 的增大而减小，其线性段的特性变软了。
同理，可分析定子回路串接对称电阻 时的人为机械特性。

5.1。5稳定运行问题（返回顶部)
电力控制系统能否稳定运行，决定于电动机的机械特性 和负载转矩特性 的配合。其稳定运行的条件是在这两条特性曲线的交点应满足关系式
或
即电动机拖动继续负载稳定运行时,电磁转矩 和负载转矩 ，应该是大小相等方向相反。
根据电动机稳定运行的条件，图5。10（ ）中对于电动机机械特性的线性段 是能正常运行的.因为,由于某种原因(如突加负载）使负载转矩突然增大了,如从 增大到 ,异步电动机的转速 要降低，随着转速 的降低,异步电动机的电磁转矩反而增大了,为 ，可见电动机能稳定运行于 点，只是转速比先前降低了些，当负载转矩恢复正常时,电动机仍能工作在 点。对于图5.10（ )中的非线性段( 段），负载转矩突然增大,使异步电动机的转速降低，但电动机的电磁转矩反而减小，为 ，导致转速进一步下降，随着转速 的降低，电磁转矩越来越小，最后拖不动负载，只有停车，因此，这种情况下,电机不能正常运行。

图5.10  三相异步电动机的稳定运行问题
由图5.10（ )中画出的异步电动机的特性曲线及各种负载的负载转矩曲线,可判定:在机械特性的线性段（ 段），各种负载转矩特性的交点（ ， ， ）处均能满足稳定运行的条件。因此，工程上通常称机械特性的线性段为稳定运行区。在机械特性的线性段（ 段）,只有泵类负载与机械特性的交点 才能满足稳定运行的条件。但是,此时电机的转速低，转差率大，造成转子电流和定子电流均很大，故不能长期运行。因此，工程上通常称机械特性的非线性段（ 段）为不稳定运行区。
第5章   三相异步电动机的运行与拖动
摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。固有机械特性和人为机械特性,阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用。
5.2 三相异步电动机的起动（返回顶部）
5。2。1 三相异步电动机直接起动的问题(返回顶部）
三相异步电动机直接起动是指电动机直接加额定电压,定子回路不串任何电器元件时的起动。这时,三相异步电机的起动却不象直流电动机那样，其起动性能却存在着起动电流很大而起动转矩不大两方面的问题，这恰恰不能满足生产机械对异步电动机起动性能的要求起动转矩要大，以保证生产机械的正常起动。缩小起动时间；起动电流要小。以减小对电网的冲击。
由三相异步电动机机械特性的物理表达式中表5.1分析知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机.即转差率 ＝1,主磁通 ≈ ，功率因数cos 很小，造成了起动电流 相当大而起动转矩 并不大的结果。例如,对于普通鼠笼式异步电动机，起动电流 ＝ ＝（4~7） （ 为起动电流倍数)起动转矩 ＝（0。9～1。3) 对于绕线式三相异步电动机的起动转矩 ＜ 。
一般地，尽管三相异步电动机起动时存在短时间较大的电流，由于三相异步电动机不存在换向问题,而对于不频繁起动的异步电动机是可以承受的；对于频繁起动的异步电动机，只要限制每小时最高起动次数，也是可以承受的。但是,起动电流过大，对电网冲击大。使电网电压降低，对于异步电动机的前端供电变压器造成很大影响。使得变压器输入电压下降幅度很大，超过了额定值的允许偏差△ ＝±10%或更严重。这样，一方面反过来影响了异步电动机本身，由于起动转矩 与电压 的平方成正比，导致 下降更多，当负载较重时，异步电动机将不能起动;另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电动机可能停转等。因此，要求设计容量较大的供电变压器。
综上所述,三相异步电动机直接起动的情况只适应于供电变压器容量较大，电动机容量小于 的小容量鼠笼式异步电动机.对于大容量鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机可采用如下方法：（1）降低定子电压；（2)加大定子端电阻或电抗。对于绕线式异步电动机还可以采用加大转子端电阻或电抗的方法。对于鼠笼式异步电动机，可以结构上采取措施,如增大转子导条的电阻，改进转子槽形.
下面就三相异步电动机起动主要方法进行分析和计算。相应的起动设备参阅课程《工厂电器控制设备》及相关厂家的产品目录。为方便起见，列出起动电流 和起动转矩 的表达式为

式中由于 较大，忽略励群电流 的作用.
5.2.2 三相鼠笼式异步电动机的降压起动（返回顶部）
1。定子串接电抗器或电阻起动
（1）接线原理图
三相鼠笼式异步电动机在定子回路中串接电抗器(可改接电阻器，但能耗较大,适用于较小容量电机）降压起动的接线原理图如图5。11所示.三相异步电动机定子串电抗起动。即开关2K接到“起动”端，使起动时电抗器接入定子回路；起动后，切除电抗器，即开关2K接到“运行”端。

图5。11   鼠笼式异步电动机的串电抗器起动
（2)起动电流和起动转矩的分析与计算
三相异步电动机定子串电抗器X起动时的简化等值电路由如图5.12（a)的直接起动变为图5.12（b）。

图5。12（a）                                   图5.12（b）
                            （5.18)
式(5.17）和(5.18）中的短路阻抗 在电动机设计后，电抗器 ≈0.9 因此， ≈ 。且分析中，因误差不大，则不考虑阻抗角的作用.
由式（5。18）的起动电流 和(5。17）的 相除，且令 ＝1+ 则
＝ ＝
显然有      ＝ ＝
＝ ＝
可见，定子串电抗器起动，降低了起动电流,但也降低了起动电压，使的起动转矩降低得更多。因此,定子串电抗器降压起动只适用于电动机的轻载起动.
（3）电抗器X的计算
根据电动机的技术依据,已知额定电压 ，额定电流 和最大允许的起动电流 ,有
K ＝
则短路阻抗为 ＝ ＝ （定子为ㄚ接法）
         ＝ ＝ （定子为Δ接法)
式中 ， ， 均为线值。因为
＝ ＝ ＝
所以        X＝
上式为定子串电阻器的近似估算公式.例5。3一台鼠笼式三相异步电动机的有关数据为: ＝60 , ＝380 , ＝136 ， ＝6。5， ＝1.1,供电变压器限制该电动机最大启动电流为500 。
（1)若空载启动，定子串电抗器启动，求每相串入的电抗最少应是多大?
（2)若拖动 ＝0.3 恒转矩负载,可不可以采用定子串电抗器启动方法启动？若可以，计算每相串入的电抗值的范围是多少?
解:（1）空载启动每相串入电抗值计算
直接启动的启动电流为
  ＝ ＝6.5 136＝884
串电抗（最小值）时的起动电流与 的比值为
＝ ＝ ＝0.566
短路阻抗为   ＝ ＝ ＝0。248
每相串入电抗最小值计算为
＝ ＝ ＝0.190
（2)拖动 ＝0.3 恒转矩负载起动的计算
串电抗起动时最小起动转矩为
            ＝1。1 ＝1.1×0。3 ＝0.33
起动转矩与直接起动转矩之比值为
            ＝ ＝ ＝0。3＝
串电抗器起动电流与直接起动电流比值
           ＝ ＝ ＝0。548
起动电流为   ＝ ＝0。548×884＝484.4 ＜500 ,以串电抗起动。每相串入的电抗最大值为
＝ ＝ ＝0。205
每相串入的电抗最小值为 ＝0.190 时,起动转矩 ＝ ＝0.352 ＞ ，因此电抗值的范围即为0.190～0。205 .
2。 ㄚ－△降压起动
（1）接线原理图
对应运行时定子绕组接成△形的三相鼠笼式异步电动机，起动时接成ㄚ形（接线原理图如图5.13所示），则定子每相电压降为额定电压的 ，从而实现了降压起动。即起动时，开关2K合到下方,电动机定子绕组接成ㄚ形，电动机开始起动；当转速升到一定程度后,开关2K从下方断开合向上方。定子绕组接成△形，电动机进入正常运行。

图5.13   ㄚ－△起动接线图
（2）起动电流和起动转矩的分析和计算
 根据电动机定子绕组△形和ㄚ形接法的电流和电压如图5.14所示.

(a）直接起动                                 （b）ㄚ－△起动
 图5。14  ㄚ－△起动的电压和电流
对于图5.14（a)， ＝ ，每相起动电流为 ,则 ＝ ；对于图5.14（b)，
＝ ， ＝ ＝ ，则
＝ ＝ ＝
上式说明，ㄚ－△降压起动时的起动电流降低到直接起动的 。若直接起动的起动转矩为 ，ㄚ－△起动时起动转矩为 ，则
＝( ） ＝( ） ＝
显然，起动转矩也下降到直接起动的 .因此，ㄚ－△降压起动也是适用于电动机的轻载起动，而且限于正常运行为△接法的电动机。
3。自耦变压器降压起动
（1）接线原理图
三相鼠笼式异步电动机采用自耦变压器降压起动接线原理图如图5。15所示。起动时。开关向下一边，电动机的定子绕组通过三相自耦变压器T的中间抽头接到三相电源上，从而降压起动。当转速升高到稳定值后，开关K投向上边。即“运行”端，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机正常运行。

图 5.15   自耦变压器降压运动
（2）起动电流和起动转矩的分析和计算
根据自耦变压器降压起动的一相电路图如图5.16所示.
设原绕组匝数为 绕组匝数为 ，且 ＞ ，即电动机降压起动电流 与直接起动电流 的关系为 ＝ ＝ ＝ ＝
式中，令 ＝ 。
自耦变压器原4绕组的电流 与副绕组的电流 的关系为 ＝ ＝ ， 则
＝( ) ＝
自耦变压器降压起动时电动机的起动转矩为 与直接起动时起动转矩 的关系为 ＝（ ) ＝（ ） ＝
显然,采用自耦变压器降压起动时，与直接起动相比较，起动电压降低 倍，而起动电流的转矩降低到 倍。

图 5。16   自耦变压器降压运动的一相电路
（3)自耦变压器的设计和选择
实际应用的自耦变压器需要设计为多抽头式的，按一定比例设计。例如QJ2和QJ3系列自耦变压器都设计为三抽头。对于QJ2型，抽头的匝数比分别为55%、64%、73%（出厂时接到73％抽头上）；对于QJ3型，抽头得匝数比分别为41％、60%、80%（出厂时接在60%抽头上）。
由于抽头可供选择,自耦变压器降压起动在较大容量的鼠笼式异步电动机上广泛应用。
4。延边三角形降压起动
（1)接线原理图
延边三角形降压起动接线原理图如图5。17所示。电动机的定子绕组每相都有一个中间抽头，起动时,将每相定子绕组的尾端4、5、6分别与中间抽头8、9、7相联，首端1、2、3接相电源，这时定子绕组一部分接成△形，另一部分接成ㄚ形，合起来象一个三条边都延长了一段的△形，故称“延边三角形”起动。当转速升高到一定值后，三相绕组改成如图5。17（a)的接法，电动机正常运行.
（2）起动电流和起动转矩的分析和计算
延边三角形降压起动当中间抽头的位置等于尾端位置时，其起动方式等同于ㄚ－△降压起动。实际上，延边三角形起动是在ㄚ－△起动的基础上发展起来的。这里就延边三角形起动时的起动电流和起动转矩不作定量分析和计算，只定性分析结果如下：设计的延边三角形起动方式的电动机定子绕组的中间抽头越靠近尾端位置，起动电流和起动转矩降低得越多。
（3）延边三角形起动设备的设计和选择
采用延边三角形起动的电动机，其绕组接法必须专门设计,设计比较复杂，其定子绕组的抽头比分别为1：1， 2：1， 5:3等,可根据用户要求选用，但目前还没有统一的标准系列产品.因为，延边三角形起动的电动机制成后，抽头不能随意变动，从而限制了延边三角形起动方法的应用。

（a）直接起动                      （b）延边三角型起动
图5.17  延边三角型降压起动
5。四种降压起动方法的比例
上面介绍了三相鼠笼式异步电动机的四种降压起动方法，为了便于和直接起动方法进行比较，现将其主要性能指标列表5.2中。
表5.2    三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较
主要性能指标
起动方法
起动电压比值
起动电流比值
起动转矩比值
起动设备
应用场合
直接起动
1
1
1
最简单
电机容量小于7.5
定子串电抗起动

一般
任意容量，轻载起动
ㄚ－△起动

简单
正常运行为△形，电机可频繁起动
自耦变压器

较复杂
较大容量电机,较大负载不频繁起动
延边三角形起动
0.66
0。5
0。5
简单
专门设计的电机，较大负载可频繁起动
例5。4有一台鼠笼式三相异步电动机 ＝28 ， △接， ＝380 , ＝58 ,cos ＝0。88, ＝1455 ,起动电流倍数 ＝6，起动转矩倍数 ＝1.1，过载倍数 ＝2。3。供电变压器要求起动电流≤150 ，负载起动转矩为73。5 。请选择一个合适的降压起动方法，写出必要的计算数据。若采用自耦变压器降压起动,抽头有55%、64％、73％三种,需要算出用哪个抽头；若采用定子边串接电抗起动，需要算出电抗的具体数值;能用ㄚ－△起动方法时，不用其他方法。
解: 电动机额定转矩为
        ＝9550 ＝9550×   ＝183.78（ ）
正常起动要求起动转矩不小于 ，大小为
    ＝1.1 ＝1.1×73。5＝80。85 （ ）
首先，校核是否能采用ㄚ－△起动方法：ㄚ－△起动时的起动电流为
   ＝ ＝ ×6×58＝116( ）
   ＜ ＝150
ㄚ－△起动时的起动转矩为
   ＝ ＝ ×1.1×183。78＝67。39( )
＜ ,不能采用ㄚ－△起动。
其次，校核是否能采用串电抗起动方法：限定的最大起动电流 ＝150 ，则串电抗起动最大起动转矩为
＝ ＝ ×1.1×183.78＝37。4（ ）
＜ ，不能采用串电抗降压起动。
最后校核是否能采用自耦变压器起动:抽头为55％时，其起动电流与起动转矩为
＝0。55 ＝0.55 ×6×58＝105.27( )
＜
＝0。55 ＝0.55 ×1。1×183.78＝61.15（ )
因为 ＜ ,不能采用抽头为55％的自耦变压器。
抽头为64％时，其起动电流与起动转矩为
＝0。64 ＝0.64 ×6×58＝142.5
＜
＝0。64 ＝0.64 ×1.1×183.78＝82.80
＞
故能采用64%抽头的自耦变压器。
抽头为73%时，其起动电流为
    ＝0.73 ＝0.73 ×6×58＝185。45
因为 ＞ ,不能采用，起动转矩不必计算了。
5。2.3  三相绕线式异步电动机的起动(返回顶部）
根据前面所述三相异步电动机的人为机械特性,对于三相绕线式异步电动机起动时,转子回路串接适当的三相对称电阻，既能限制起动电流,又能增大起动转矩，且能使起动转矩 等于最大转矩 。起动结束后，可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。
对于重载和频繁起动的生产机械，三相鼠笼式异步电动机难以满足要求时,才选用三相绕线式异步电动机。因为，绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机相比较，结构较复杂，控制维护较困难,制造成本较高，价格较贵。
1.转子串电阻分级起动
(1）接线原理图

（a）接线原理图                         （b）机械特性
图5.18  绕线式异步电动机转子串电阻分极起动
绕线式三相异步电动机转子串电阻两极起动接线原理图及机械特性如图5。18(a）、（b）所示。图(a）中, 为转子串总电阻， 和 为分级起动电阻，1K、2K为开关.起动前，1K、2K断开，电机起动时接通三相电源，起动电阻 ＝ 全部接入转子回路。图（b）为对应的机械特性。图中 为起动转矩， 为切换转矩, 和 均大于 .
起动开始， ( ), ＝ ＞ ，则电动机由 点开始加速起动,转速由 点变化到B点即 → 。当 ＝ 时，起动设备使开关2K接通，转子回路串接的电阻由 变为 ，对应的机械特性 。切换瞬间，转速不能突变，由 点变到 点即 → .由于 ，则电机由 点加速到 点即 →   当 时，起动设备又使开关1K接通,转子回路串接的电阻值为0，对应的机械特性为 。切换瞬间，转速又不能突变，由 点变到 点。即 → 由于 ，则电机由 点加速到 点，即 → 由于起动设备不作任何切换。则电机转速一直上升到额定转速 ,系统开始稳定运行，起动结束。
（2)起动电阻的计算
起动电阻的计算有两种方法:作图法和解析法。下面仅对解析法进行分析。为简化计算，机械特性采用实用表达式简化后的近似表达式为
＝
根据转子回路串电阻后的机械特性和近似表达式，在线性段有下列两个结论：
1）在同一条机械特性上,若 和 为常数时，
∝
2)转子回路串电阻后，对不同电阻值的机械特性，若 为常数，当 ＝常数时，有
   ∝ ∝
下面推导起动级数为 级的起动电阻的计算公式，即转子回路串接的分级电阻为 , ,……， , ，r 。
根据结论2）有：
＝ ， ＝ ，……, ＝
令 ＝α，称为起动转矩比，则
＝ ＝……＝ ＝
起动时各级电阻为
1＝
2＝ ＝
＝ ＝
由图5.18（b）知,当 时，有
＝
根据结论1）有
＝
即 ＝
或 ＝
将式（5.21）与式（5。22）代入式(5.19）最后得
α’ ＝ ＝ ＝
α＝
或α＝
上两式为起动电阻的近似计算公式.由于公式推导的前提是机械特性线性化的，故计算时有一定误差。
起动电阻的计算步骤有两种情况：
（1）已知起动级数 时，计算步骤如下：
1)根据公式 ≤0。85 ,选取 ；
2)由式(5。23）计算α值;
3)校核 是否满足下式
＝ ≥（1。1～1.2）
若满足上式，则α值有效，继续以下步骤；若不满足,重新选取 值或增加起动级数m，重复步骤2）；
4）计算 （ ≈ );
5）按式（5。19)计算各级电阻。
（2）若起动级数 未知时，则按下列方法计算 值。
1）按要求或根据 ≤0。85 和 ≥（1。1～1.2） 选取 和   ；
2）计算α＝ ；
3)计算 ＝ ,并对 取相邻的最大整数；
4)根据 取值求α＝ 和 ＝ ；
5)计算 ；
6）按式（5.19）计算各级电阻
例 5.5 某生产机械用绕线式三相异步电动机拖动,其有关技术数据为: ＝40 ， ＝1460 , ＝420 , ＝61。5 ， λ＝2。6.起动时负载转矩 ＝0.75 ， 求转子串电阻三级起动之起动电阻。
解：额定转差率
   ＝ ＝ ＝0.027
转子每相电阻
   r ≈ ＝
最大起动转矩
   ≤0. 85
取     ＝2。21
起动转矩比

校核切换转矩

＞ 1。1 ，合适。
各级起动时转子回路总电阻

各级起动时外串起动电阻

2.转子串频敏变阻器起动。
（1）接线原理图
转子串频敏变阻器起动的三相饶线式异步电动机接线原理图如图5。19所示,起动开始，开关K断开，电动机转子串入频敏变阻器起动.电机转速达到稳定值后,开关K接通，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。
频敏变阻器是一个三相铁芯线圈，它的铁芯由实芯铁板或钢板叠成，板的厚度为30－50mm时，称为板式铁芯结构；它的铁芯由厚壁钢板制成的铁芯发和上下层厚钢板制成的铁轭组成时,称为发式铁芯结构。
频敏变阻器每一相的等值电路如图5.20所示。图中忽略了每相绕组的漏阻抗 , 为每相绕组的电阻， 为频敏变阻器的等值电抗， 为频敏变阻器的等值电阻。由于频敏变阻器的磁密取得较高，铁芯处于饱和状态，励磁电流较大，则 较小；而铁芯较厚, 滞涡流损耗较大，则 较大。

图5。19 绕线式三相异步电动机      图5。20  敏频变阻器的等值电路图
转子串敏频变阻的起动
(2）频敏变阻器的工作原理
转子回路串频敏变阻器起动过程是随着转子回路频率 的降低，频敏变阻器的阻抗 自动减小的过程,从而起动过程中，既限制了起动电流,又得到较大的起动转矩。其工作过程如下：
电机起动时， ，转子回路频率 大，由于频敏变阻器的铁损耗 与 的平方成正比，则铁损耗大，反映的 或 较大,使转子回路的电阻增大，从而起动电流减小，起动转矩增大.随着转速的上升，则s下降， 减小, 减小， 或 自动减小，使电动机平滑起动。起动结束后， 很小, 很小， 或 很小，近似认为 或 ，频敏变阻器自动不起作用。
转子串频敏变阻器的机械特性如图5。21所示，只要 设计合理,就可得到近似恒起动转矩的机械特性。
综上所述，绕线式异步电动机转子串电阻分级起动或转子串频敏变阻器适用于大、中容量电动机的从载起动.但转子串频敏变阻器起动具有结构简单,价格便宜，运动可靠，维护方便，能自动操作等优点，目                     
前已获广泛应用，而转子串分级变阻器起
动对于大容量电动机、要求级数较多，故设备       图5。21 转子串频敏变阻器的机械特性投资较大，维护不太方便。                 1 ── 固有特性  2 ── 人为特性

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