交流异步电动机起动过程中的问题及解决方法

1.交流异步电动机直接起动存在的问题

根据交流异步电动机的起动特性可知，电动机接电网直接起动会带来一系列的问题。

（1）对电网的冲击 当有过大的电流流过时，电网的阻抗会产生过大的电路压降，使连接该电动机的供电母线产生快速、短时的电压波动，该电压波动将影响系统中其它用电设备的正常工作，甚至引起电网不稳定，造成更大的故障。如引起同步电动机振荡，使电子设备和测量仪器无法准确工作，使照明灯光闪烁一些生产机械产生速度波动，影响产品质量。表16-3列出了电压跌落对一些设备的危害。

因此，国际标准和国家标准对电网压降有严格的限制，不允许超过15%。国内的很多用户通过扩大电网容量的方法来符合规定，这样会使电网的负载率降低，往往达不到50%，造成电能浪费。

表16-3 电压跌落对一些设备的危害

（2）对电动机本体结构的冲击 电动机内部定子绕组产生的电动力与绕组中的电流二次方成正比，电动机直接起动会产生7～8倍的额定电流，这样产生的电动力要比额定工作时大50多倍。电动机频繁承受这么大的应力会加速转子笼条、端环断裂，同时大电流还会产生大量焦耳热，加速定子绕组绝缘老化。

（3）对生产机械的冲击 电动机直接起动会产生过大的冲击转矩，使被拖动设备产生巨大的应力，造成传动设备损伤。对于带式输送机，输送带价值占输送机总价值的3/4，过大的电动机起动冲击转矩会严重影响输送带的使用寿命，有时甚至会拉断输送带。对齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快，甚至破碎。对水泵类负载来说，电动机直接起动时，水流会在很短的时间内达到全速，在遇到管路拐弯时，高速的水流冲击到管壁上，产生很大的冲击力，形成水锤效应，会破坏管道。如果水泵前面的管路比较长，当水泵电动机突然停止时，则高速的水流会冲击到水泵的叶轮上，产生很大的冲击力，使叶轮变形或损坏。直接起动时电动机速度上升很快，润滑油往往不能及时到位，会引起轴承干磨，降低其使用寿命。所以这些机械的电动机不应直接起动。

（4）电动机再起动 电动机在起动时，会产生短时的谐波电流，使电网的谐波大量增加。电网谐波含量的增加，将导致电气设备寿命缩短，电网损耗加大，同时使得系统发生谐波谐振的可能性增加，还可能引起继电保护和自动装置误动作，仪表指示和电能计量不准以及通信受干扰等一系列问题。

（5）电动机速度突变 在传动流水线，如在啤酒灌装线等设备上，速度的突变会使啤酒瓶翻倒，造成生产损失。这些场合也不允许速度突变。

2.解决交流异步电动机起动的方法

由电动机的机械特性可知，电动机的电压与电流成正比，转矩与电压二次方成正比。降低起动电压可以达到降低起动电流的效果。降低定子电压的方法有多种，归纳起来主要可以分为星-三角起动、自耦变压器减压起动、定子串电阻起动、定子串电抗起动、转子串电阻电抗起动、固态软起动器软起动以及变频软起动等，如图16-3所示。

其中，定子串电抗起动的代表产品是磁控饱和软起动器，定子串电阻起动的代表产品是液阻软起动器，这两类产品一般只用于高压软起动领域，且有逐渐被固态软起动器取代的趋势。

图16-3 电动机起动方法分类

（1）星-三角起动 图16-4所示为星-三角起动的主电路。首先接触器KM₃闭合，然后闭合接触器KM₁，异步电动机定子绕组接成星形开始起动，经过一段时间后（时间继电器的延时可根据电动机的起动时间调整），使接触器KM₃断开，然后闭合接触器KM₂，这时电动机定子绕组接成三角形运行，起动完毕。

起动时三相绕组接成星形，每相绕组的电压为三角形接法时的，而起动转矩为全压三角形联结时的1/3。

图16-4 星-三角起动的主电路

星形联结时每相绕组的电流是三角形联结时的1/3，因为星形联结时每相绕组电流就是线电流，而三角形联结时每相绕组电流是相电流，所以星形联结时的线电流是三角形联结时线电流的1/3。起动时的电流-转矩曲线如图16-5所示。

图16-5 星-三角起动时的电流-转矩曲线

曲线（1）—电流 （2）—电动机转矩 （3）—负载转矩

由图16-5可知，该方法在星形转换为三角形联结时会造成大的冲击电流，这是因为断开KM₃，电动机存在剩磁，会在三相绕组中产生感应电动势。而当KM₂闭合时，由于外加电压与该感应电动势在相位和频率上都不一致，会造成冲击电流，该电流甚至达到额定电流的15倍。另外该起动方式只有一个固定的压降等级，故其起动转矩不能与各种负载转矩配合，只能用于小功率电动机的起动。

（2）自耦变压器减压起动 如图16-6所示，电动机M起动时，先闭合接触器KM₂和KM₃，自耦变压器TA通电，电动机接到自耦变压器的抽头上开始起动。经过延时，电动机转速达到或接近额定转速时，再断开接触器KM₃，闭合接触器KM₁，然后断开接触器KM₂，电动机起动完毕。

图16-6 自耦变压器减压起动主电路

设电源电压为U₁，自耦变压器中间抽头的电压为U₂₃，自耦变压器每相绕组总匝数为N₁，抽头至零点间的匝数为N₂₃，则U₂₃/U₁=N₂₃/N₁，常选的降压百分比为80%、65%、50%，对应的转矩和电流的下降百分数为64%、43%、25%。采用自耦变压器减压起动时的电流与转矩曲线如图16-7所示。

采用自耦变压器减压起动的缺点是通常只有一挡抽头，如果采用多挡抽头则需增加多个接触器。该方法起动转矩不能与负载转矩相配合。而且自耦变压器体积大、重量重、成本高、消耗金属材料多。(www.xing528.com)

（3）磁控电抗器软起动 磁控电抗器软起动是从电抗器软起动中衍生出来的，在电源和电动机定子之间串入三相电抗器。磁控电抗器软起动的接线原理电路和晶闸管软起动的接线原理电路基本一致，只是磁控电抗器软起动的起动回路由可变阻值的电抗器组成，其原理电路如图16-8所示。

图16-7 自耦变压器起动电流和转矩曲线

（1）—电流曲线 （2）—电动机转矩曲线 （3）—负载转矩曲线

图16-8 磁控电抗器软起动原理电路

起动时QS₁、QF₁和SR构成起动回路，起动开始时，SR的阻值很大，在软起动过程中，通过反馈调节使得电阻值逐渐减小，最后起动回路被断路器QF₂短路，完成起动过程。

磁控电抗器软起动的工作原理和晶闸管软起动的工作原理是完全一致的，具有晶闸管软起动所具有的全部功能，只是在快速性上，由于磁饱和电抗器的0.1s量级惯性，所以磁控电抗器软起动比晶闸管软起动慢一个数量级。

磁控电抗器软起动的缺点：①调速范围有限；②磁控电抗器软起动不能提供起动时需要的较大的起动电流；③磁控电抗器软起动的电抗器饱和会引起非线性，产生谐波；④磁控电抗器软起动装置需要相对功率较大的辅助电源，噪声较大。

（4）液态电阻软起动 液态电阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。其阻值正比于两块电极板的距离，反比于电解液的电导率。极板距离和电导率都便于控制，液态电阻的热容量大，这两大特点正是软起动所需要的。另外，液态电阻软起动还具有成本低这一重要优势。但是液态电阻软起动的缺点也十分明显：①液态电阻箱体积大，一次软起动后电解液通常会有（10～30）℃的温升，使得软起动的重复性很差；②极板移动速度慢，难以实现起动方式的多样化和控制的准确度；③液态电阻箱中的电解液需要定期补充，电极板长期浸泡在电解液中会有腐蚀，需定期处理。④液态电阻软起动装置不适合放置在易结冰或颠簸的环境中。液态电阻软起动的这些缺点，使得它的应用受到了很大的限制。

（5）固态软起动器起动 图16-9所示为电动机固态软起动器起动电路。其实质是一个晶闸管调压器，调压原理在后续章节中给出详细说明。晶闸管调压电路能无级调节输出电压，使电动机平滑起动。当起动完毕后，晶闸管完全导通，即输出电压完全等于电网电压。因晶闸管导通有1V压降，因此可以选择旁路接触器旁路晶闸管，从而减少晶闸管的损耗，也可以不设旁路。

1）软起动器的优点主要有：体积小、结构紧凑，一般为其它起动器的30%～60%；寿命长，一般使用寿命可达10年以上；免维护，安全可靠，晶闸管不同于其它产品，连续运行数年无需停机；安装使用简单；计算机数字控制，功能齐全；起动重复性好；具有良好的人机界面；无电流冲击；能实现软停车；负载适应性强。

2）软起动器也有一些不足：起动过程中谐波含量较多；由于是电子电路控制，因此抗干扰能力差；高压软起动器价格相对于串电阻起动器较昂贵。

（6）变频软起动 变频器可以改变供电频率，从而改变电动机的同步转速，实现软起动。在起动过程中，通过变频，逐步提高同步转速，实现良好的静、动态起动性能。

变频软起动的起动电流小，可限制在1.5倍的电动机额定电流以下，同时起动转矩大，可达到电动机额定转矩的1.5倍，在此范围内可以任意调节，实现恒转矩起动。变频软起动的重要优势在于，电压和频率都能连续地从零开始调节，同时做到无过电流。

为了得到大容量的交-直-交变频器，前级整流电路采用三电平的高频整流电路，后级逆变环节采用三电平的逆变电路，逆变器的主电路拓扑结构如图16-10所示。

对于三电平的逆变电路，需采用SVPWM的控制方法，控制原理图如图16-11所示，控制中需要将27个矢量（6个中矢量，12个小矢量，6个大矢量，3个零矢量）分成6个大区，每个大区又分成4个小区，共有24个扇区。三电平的SVPWM控制方法比较复杂，而且需要进行中点电压不平衡的闭环控制。

相对于软起动器，变频器的缺点是：①器件损耗大，故障率较高，需要经常维修；②谐波输出大，设备昂贵，所以变频软起动一般较少采用。

3.几种低压交流异步电动机起动方式的比较（见表16-4）

图16-9 电动机固态软起动器起动电路

图16-10 三电平逆变器的拓扑结构

图16-11 SVPWM控制原理图

表16-4 几种低压交流异步电动机起动方式的比较

综上所述，采用软起动器起动电动机具有最高的性价比。