三相异步电动机启动技巧与注意事项

【学习任务】（1）正确理解三相异步电动机的启动要求。

（2）正确说出三相异步电动机的启动方法。

（3）正确说出三相异步电动机不同启动方法的适用范围。

微课7.2：三相异步电动机的启动

1.三相异步电动机的启动要求

电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，称为启动过程。电动机带动生产机械的启动过程中，不同的生产机械有不同的启动情况。有些生产机械在启动时负载转矩很小，但负载转矩随着转速增加近似地与转速平方成正比地增加，例如鼓风机负载；有些生产机械在启动时的负载转矩与正常运行时的一样大，例如电梯、起重机和皮带运输机等；有些生产机械在启动过程中接近空载，待转速上升至接近稳定转速时才加负载，例如机床、破碎机等；此外，还有频繁启动的机械设备等。以上这些因素都将对电动机的启动性能提出不同的要求，故总体来说，对三相异步电动机启动的要求如下：

（1）启动转矩要大，以便加快启动过程，保证其能在一定负载下启动；

（2）启动电流要小，以避免启动电流在电网上引起较大的电压降落，影响到接在同一电网上其他电器设备的正常工作；

（3）启动时所需的控制设备应尽量简单，力求操作和维护方便；

（4）启动过程中的能量损耗尽量小。

2.三相异步电动机的直接启动

直接启动是指在额定电压下，将电动机三相定子绕组直接接到额定电压的电网上来启动电动机，因此又称全压启动。这是一种最简单的启动方式。这种方式的优点是简单易行，缺点是启动电流很大，启动转矩Tst不大。一般笼型异步电动机的直接启动电流为（4～7）IN，直接启动转矩为（1.5～2）TN。

1）启动电流

电动机启动瞬间的电流叫启动电流。刚启动时，n＝0，s＝0，气隙旋转磁场与转子相对速度最大，因此，转子绕组中的感应电动势也最大，由转子电流公式可知，启动时s＝1，异步电动机转子电流达到最大值，一般转子启动电流Ist2是额定电流I2N的4～7倍。根据磁动势平衡关系，定子电流随转子电流而相应变化，故启动时定子电流Ist1也很大，可达到额定电流的4～7倍。这么大的启动电流将带来以下不良后果：

（1）使线路产生很大电压降，导致电网电压波动，从而影响到接在电网上其他用电设备正常工作，特别是容量较大的电动机启动时，此问题更加突出。

（2）电压降低，电动机转速下降，严重时使电动机停转，甚至可能烧坏电动机。另一方面，电动机绕组电流增加、铜耗过大，使电动机发热、绝缘老化，特别是对需要频繁启动的电动机影响较大。

（3）电动机绕组端部受电磁力冲击，甚至会发生形变。

2）启动转矩

通过以上分析可知，异步电动机启动的主要问题是启动电流大，而启动转矩却不大。为了限制启动电流，并得到适当的启动转矩，根据电网的容量、负载的性质、电动机启动的频繁程度，对不同容量、不同类型的电动机应采用不同的启动方法。异步电动机的启动电流为

由式（7－17）可知，减小启动电流有以下两种方法：

（1）降低异步电动机电源电压U1。

（2）增加异步电动机定、转子阻抗。对鼠笼型和绕线型异步电动机，可采用不同的方法来改善启动性能。

直接启动时的启动性能是不理想的。过大的启动电流对电网电压的波动及电动机本身均会带来不利的影响，因此，直接启动一般只在小容量电动机中使用。一般容量在7.5 kW以下或用户由专用变压器供电时，或电动机的容量小于变压器容量的20%的电动机可采用直接启动。若电动机的启动电流倍数Ki、容量与电网容量满足下列经验公式，则

才可以直接启动。如果不能满足式（7－18）的要求，则必须采用降压启动方法，通过降压把启动电流限制到允许的范围内。

3.笼型异步电动机的启动

由于笼型异步电动机转子绕组不能串电阻，故只能采用降压启动。降压启动是通过降低直接加在电动机定子绕组的端电压来减小启动电流的。由于启动转矩Tst与定子端电压U1的平方成正比，因此降压启动时，启动转矩将大大减小。所以降压启动只适用于对启动转矩要求不高的设备，如离心泵、通风机械等。笼型异步电动机常用的降压启动方法有以下几种。

1）定子三相电路串电阻或电抗器降压启动

定子电路串电阻或电抗器降压启动是利用电阻或电抗器的分压作用降低加到电动机定子绕组的实际电压，其原理接线如图7－13所示。

在图7－13中，X为电抗器。启动时，首先合上开关S1，然后把转换开关S2合在启动位置，此时启动电抗器便接入定子回路中，电动机开始启动。待电动机接近额定转速时，再迅速地把转换开关S2转换到运行位置，此时电网电压全部施加于定子绕组上，启动过程完毕。有时为了减小能量损耗，电抗器也可以用电阻器代替。

图7－13　用电抗器降压启动原理接线图

采用定子串电抗器降压启动时，虽然降低了启动电流，但也使启动转矩大大减小。当电动机的启动电压减小到1/k时，由电网所供给的启动电流也减少到1/k。由于启动转矩正比于电压平方，故启动转矩也减少到1/k2，此法通常用于高压电动机。

定子串电阻或电抗器降压启动的优点是：启动较平稳，运行可靠，设备简单。缺点是：定子串电阻启动时电能损耗较大；启动转矩随电压成平方降低，只适合轻载或空载启动。

2）星—三角（Y—△）转换降压启动

星—三角转换降压启动只适用于定子绕组在正常工作时是三角形连接的电动机，其启动接线原理如图7－14所示。

图7－14　星—三角换接降压启动

（a）原理接线图；（b）星形启动；（c）三角形启动

启动时，首先合上开关S1，然后将开关S2合在启动位置，此时定子绕组接成星形，定子每相的电压为，其中U1为电网的额定线电压。待电动机接近额定转速时，再迅速地把转换开关S2换接到运行位置，这时定子绕组改接成三角形，定子每相承受的电压便为U1，于是启动过程结束。另外，也可利用接触器、时间继电器等电器元件组成自动控制系统，实现自动控制电动机的星—三角转换降压启动过程。

设电动机额定电压为UN，每相漏阻抗为Z，由图7－14（b）所示可得星形连接时的启动电流为

三角形连接时的启动电流为于是得到星—三角转换降压启动时启动电流减小的倍数为

根据，可得启动转矩的倍数为

可见，星—三角降压启动时，启动电流和启动转矩都降为直接启动时的1/3倍。

星—三角降压启动的优点是：设备简单，成本低，运行可靠，体积小，重量轻，且检修方便，可谓物美价廉，所以Y系列容量等级在4 kW以上的小型三相笼型异步电动机都设计成三角形连接，以便采用星—三角降压启动。其缺点是：只适用于正常运行时定子绕组为三角形连接的电动机，并且只有一种固定的降压比；启动转矩随电压的平方降低，只适合轻载或空载启动。

3）自耦变压器降压启动

这种启动方法是利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压以减小启动电流，图7－15所示为自耦变压器降压启动的原理接线图。

图7－15　自耦变压器降压启动的原理接线图

启动时开关投向启动位置，这时自耦变压器的一次绕组加全电压，降压后的二次电压加在定子绕组上，电动机降压启动。当电动机转速接近额定值时，把开关迅速投向运行位置，自耦变压器被切除，电动机全压运行，启动过程结束。

设自耦变压器的变比为k，经过自耦变压器降压后，加在电动机定子绕组上的电压便为。此时电动机的最初启动电流便与电压成比例地减小，为额定电压下直接启动时电流Ist的，即。

由于电动机接在自耦变压器的低压侧，自耦变压器的高压侧接在电网，故电网所供给的直接启动电流为

直接启动转矩Tst与自耦变压器降压后的启动转矩的关系为

由式（7－21）和式（7－22）可知，电网提供的启动电流减小倍数和启动转矩减小倍数均为。

自耦变压器降压启动的优点是：在限制启动电流同时，用自耦变压器降压启动将比用其他降压启动方法获得的降压比更多，可以更灵活地选择合适的降压比；启动用自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头（二次侧电压分别为80%，60%，40%的电源电压），用户可根据电网允许的启动电流和机械负载所需要的启动转矩进行合理选配。其缺点是：自耦变压器体积和重量大、价格高、维护检修不方便；启动转矩随电压成平方降低，只适合轻载或空载启动。

自耦变压器降压启动适用于容量较大的低压电动机做降压启动时使用，可以手动，也可以自动控制，应用很广泛。

【例题7－2】有一台三相笼型异步电动机，其额定数据为：PN＝10 kW，三角形连接，UN＝380 V，nN＝1 460 r/min，ηN＝0.868，cosφN＝0.88，Tst/TN＝1.5，Ist/IN＝6.5，求：

（1）额定输入功率P1N；

（2）额定转差率sN；

（3）额定电流IN；

（4）输出的额定转矩TN；

（5）采用星—三角换接启动时的启动电流和启动转矩。

【例题7－3】有一台鼠笼式异步电动机，额定功率PN＝28 kW，三角形连接，额定电压UN＝380 V，cosφN＝0.88，η＝0.83，nN＝1 455 r/min，Tst/TN＝1.1，Ist/IN＝6，λm＝2.3。要求启动电流Ist1小于150 A，负载转矩为TL＝73.5 N·m，试求：

（1）额定电流IN及额定转矩TN；

（2）能否采用星—三角换接降压启动？

解（1）电动机额定电流：

电动机额定转矩

（2）用星—三角换接降压启动。

启动电流：

启动转矩：

正常启动通常要求启动转矩应不小于负载转矩的1.1倍。由上面计算可知启动电流满足要求，但启动转矩小于负载转矩，故不能采用星—三角换接降压启动。

4.绕线型异步电动机的启动

1）转子回路串入三相对称电阻启动

三相笼型异步电动机直接启动时，启动电流大，启动转矩不大。降压启动时，虽然减小了启动电流，但启动转矩也随之成平方减小，因此笼型异步电动机只能用于空载或轻载启动。

而绕线型异步电动机在转子回路串入适当的电阻，则既能限制启动电流，又能增大启动转矩，还可以提高功率因数，克服了笼型异步电动机启动电流大、启动转矩不大的缺点，适用于大、中容量异步电动机重载启动。

为了在整个启动过程中得到较大的加速转矩，并使启动过程比较平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻。启动时，随着转速的升高逐段切除启动电阻，这与直流电动机电枢串电阻启动类似，称为电阻分级启动。图7－16所示为三相绕线型异步电动机转子串接对称电阻分级启动的接线原理图和对应三级启动时的机械特性。

图7－16　转子回路串入三相对称电阻启动

（a）接线原理图；（b）机械特性曲线图

启动时，三个接触器触头K1、K2、K3都断开，电动机转子电路总电阻为

与此相对应，电动机转速处于人为机械特性曲线0a的a点，如图7－16（b）所示在启动瞬间，转速n＝0，于是电动机从a点沿曲线3开始加速。随着n的上升，电磁力矩逐渐减小，当减小到T2时（对应于b点），触点K3闭合，切除R‴，切换电阻时的转矩值T2称为切换转矩。切除后，转子每相电阻变为R3＝r2＋R′＋R″，对应的机械特性变为曲线2。

切换瞬间，转速n不突变，电动机的运行点由b点跃变到c点，电磁力矩由T2跃升为T1。此后，工作点c（n，T）沿曲线2变化，待电磁力矩又减小到T2时（对应d点），触点K2闭合，切除R″。此后转子每相电阻变为R3＝r2＋R′，电动机运行点由d点跃变到e点，工作点e（n，T）沿曲线1变化，最后在f点触点K1闭合，切除R′，转子绕组直接短路。电动机运行点由f点变到g点后，沿固有特性加速到负载点h，此时电磁力矩与负载力矩平衡而稳定运行，启动结束。启动过程中一般取最大加速转矩T1＝（0.6～0.85）Tmax，而最小切换转矩为T2＝（1.1～1.2）TN。

2）转子串频敏变阻器启动

绕线型异步电动机采用转子串接电阻启动时，若想在启动过程中保持有较大的启动转矩且启动平稳，则必须采用较多的启动级数，这必然导致启动设备复杂化，而且在每切除一段电阻的瞬间，启动电流和启动转矩会突然增大，造成电气和机械冲击。为了克服这个缺点，可采用转子电路串频敏变阻器启动。(www.xing528.com)

频敏变阻器是一个铁耗很大的三相电抗器，从结构上看，相当于一个没有二次绕组的三相心式变压器，铁芯由较厚的钢板叠成，其等效电阻为代表铁芯损耗的rm，随着通过其中的电流频率fm的变化而自动变化，因此称为频敏变阻器，它相当于一种无触点的变阻器，如图7－17所示。

图7－17　绕线式异步电动机转子串频敏变阻器的启动

（a）接线图；（b）等效电路；（c）机械特性曲线

在启动过程中，频敏变阻器能自动、无级而平滑地减小电阻。如果参数选择适当，则可以在启动过程中保持转矩近似不变，使启动过程平稳、快速。转子串接频敏变阻器启动时，电动机的机械特性如图7－17（c）中的曲线2所示，曲线1是电动机的固有机械特性。

转子串频敏变阻器启动的优点：不但具有减小启动电流、增大启动转矩的优点，而且具有等效启动电阻随转速升高而自动连续减小的优点。所以其启动的平滑性优于转子串电阻启动。此外，频敏变阻器还具有结构简单、价格便宜、运行可靠和维护方便等优点。目前转子串频敏变阻器启动已被大量地推广与应用。

5.深槽型和双笼型异步电动机的启动

深槽型和双笼型异步电动机具有启动过程自动改变转子电阻的性能，它们兼有笼型电动机直接启动和绕线型电动机转子串入电阻启动的一些优点，在需要较大启动转矩的大容量电动机中得到了广泛使用。

图7－18　深槽型异步电动机转子结构

1）深槽型异步电动机

深槽型异步电动机与普通笼型电动机的主要区别在于转子导条的截面形状，图7－18所示为深槽型异步电动机的转子结构。

转子导条的截面窄而深（一般槽深与槽宽之比为10～12，如果在导条中流过电流，深槽型电动机转子槽漏磁通分布如图7－19（a）所示。图7－19中表明，如果把整个转子导条看作由上、下部的若干导体并联而成，导条下部导体所交链的漏磁通远比上部导体的要多，则下部导体漏抗大、上部导体漏抗小。启动时，由于转子电流频率高（f2＝f1），转子导条的漏抗比电阻大得多，这时转子导条中电流的分配主要决定于漏抗。因此，导条的下部漏抗大、电流小，上部导体漏抗小、电流大，这样在相同的电动势作用下，转子导条中电流密度的分布如图7－19（b）所示，这种现象称为集肤效应，其效果相当于减小了导条的高度和截面，使r2增大，增大了启动转矩，进而改善了启动性能。

图7－19　深槽型转子导条中漏磁通及电流分布

（a）漏磁通的分布；（b）电流密度分布；（c）导条的有效截面

与普通笼型异步电动机相比，深槽型电动机具有较大的启动转矩和较小的启动电流。

2）双笼型异步电动机

双笼型异步电动机与深槽型异步电动机的差别在于把转子矩形导条分成了上、下两部分，图7－20所示为双笼型异步电动机的转子结构。转子导条的上部称为上笼，下部称为下笼，上、下笼的导条都由端环短接构成双笼绕组。双笼型异步电动机的上笼用电阻系数较大的黄铜或青铜材料制成，且截面积较小；下笼用电阻系数较小的紫铜材料制成，且截面积较大。转子导条截面及槽形如图7－21所示。从图7－21中可见，上、下鼠笼导条之间有一窄缝，其作用是使主磁通与下笼磁通相互交链以及改变槽漏磁通分布，使下笼漏抗较大、上笼漏抗较小。

图7－20　双笼型异步电动机转子结构

1—上笼；2—下笼

图7－21　双笼转子导条截面及槽型

1—上笼；2—下笼

双笼型与深槽型电动机启动原理相似，启动时，由于集肤效应，转子电流的分配主要决定于导条的漏抗，此时转子电流流过电阻系数较大、截面较小的上鼠笼，使导条的电阻增大，从而增大启动转矩、减小启动电流，改善了启动性能。正常运行时，转子电流的分配主要决定于导条的电阻，此时转子电流流过电阻系数较小、截面较大的下笼，使导条的电阻减小，电动机仍具有良好的运行性能。

启动时上笼起主要作用，又称为启动笼；正常运行时下笼起主要作用，又称为运行笼。实际上，上、下笼都同时流过电流，电磁转矩由两者共同产生。

深槽型和双笼型异步电动机也有一些缺点。由于导条截面的改变，使它们的槽漏磁通增多，转子漏抗比普通笼型电动机增大，这将使电动机的功率因数、过载能力比普通笼型异步电动机稍差。

自测题

答案7.3

一、填空题

1.双笼型异步电动机，为了确保电动机启动和运行都能有较大的转矩，所以双笼安排在________。

2.星—三角降压启动，由于启动时每相定子绕组的电压为额定电压的1.732倍，所以启动转矩也只有直接启动时的________倍。

3.三相异步电动机启动转矩不大的主要原因是________。

4.降低电源电压后，三相异步电动机的启动转矩将________。

5.大功率三相异步笼式电动机可以采用__________。

6.降低电源电压后，三相异步电动机的启动电流将________。

7.绕线式异步电动机通过转子回路串接________来改善启动和调速性能。

8.三相异步电动机采用星—三角降压启动时，其启动电流是三角形连接全压启动电流的________，启动转矩是三角形连接全压启动时的________。

二、选择题

1.三相鼠笼型异步电动机采用星—三角换接启动，其启动电流和启动转矩为直启启动的（　　）。

A.1/3　B.1/3　C.1/2　D.1/2

2.三相鼠笼型异步电动机采用启动补偿器启动，其启动电流和启动转矩为直接启动的（　　）。

3.线绕型异步电动机在转子绕组中串变阻器启动时，（　　）。

A.启动电流减小，启动转矩减小　B.启动电流减小，启动转矩增大

C.启动电流增大，启动转矩减小　D.启动电流增大，启动转矩增大

4.三相异步电动机启动的时间较长，加载后转速明显下降，电流明显增加，可能的原因是（　　）。

A.电源缺相　B.电源电压过低　C.某相绕组断路　D.电源频率过高

5.绕线型异步电动机转子串电阻启动是为了（　　）。

A.空载启动　B.增加电动机转速　C.轻载启动　D.增大启动转矩

6.降低电源电压后，三相异步电动机的启动转矩将（　　）。

A.减小　B.不变　C.增大　D.不能确定

7.降低电源电压后，三相异步电动机的启动电流将（　　）。

A.减小　B.不变　C.增大　D.不能确定

8.三相异步电动机的启动电流与启动时的（　　）。

A.电压成正比　B.电压平方成正比

C.电压成反比　D.电压平方成反比

9.从降低启动电流来考虑，三相异步电动机可以采用降压启动，但启动转矩将（　　），因而只适用空载或轻载启动的场合。

A.降低　B.升高　C.不变　D.不能确定

10.频敏变阻器适用（　　）的启动。

A.同步电动机　B.直流电动机

C.三相绕线型异步电动机　D.步进电动机

三、判断题

1.三相鼠笼型异步电动机铭牌标明：“额定电压380/220 V，接线Y/△”，当电源电压为380 V时，这台三相异步电动机可以采用星—三角换接启动。（　　）

2.三相鼠笼型异步电动机采用降压启动的目的是降低启动电流，同时增加启动转矩。（　　）

3.采用星—三角换接启动，启动电流和启动转矩都减小为直接启动时的1/3倍。（　　）

4.频敏变阻器启动时的阻抗比较大，而运行时阻抗几乎为零。（　　）

5.转子深槽型异步电动机启动时利用集肤效应，能产生较大的启动转矩。（　　）

6.长期闲置的异步电动机，在使用时可以直接启动。（　　）

7.直接启动的异步电动机一般容量只要不大于100 kW就可以。（　　）

8.单台直接启动异步电动机的容量和电源无关。（　　）

9.启动电流会随着转速的升高而逐渐减小，最后达到稳定值。（　　）

10.三相异步电动机在满载和空载下启动时，启动电流是一样的。（　　）

四、分析计算题

1.某三相异步电动机Tst＝1.4TN，采用星—三角启动，问在下述情况下电动机能否启动？

（1）负载转矩为0.5TN；

（2）负载转矩为0.25TN。

2.一台Y132－52－4型三相异步电动机，额定数据如下：nN＝1 450 r/min，PN＝10 kW，三角连接，UN＝380 V，ηN＝87.5%，cosφN＝0.87，Tst/TN＝1.4，Tmax/TN＝2.0。试求：

（1）接380 V电压直接启动时的Tst；

（2）采用星—三角降压启动时的。

3.普通笼型感应电动机在额定电压下启动时，为什么启动电流很大而启动转矩并不大？

4.某三相异步电机，三角形连接，以200 kV·A的三相变压器供电。已知：PN＝30 kW，UN＝380 V，IN＝63 A，nN＝740 r/min，Kst＝1.8，αsc＝6，TL＝0.8TN。试分析能否：直接启动？星—三角启动？选用变比为0.73的自耦变压器启动？