三相绕组式异步电动机起动优化方法

从上面的讨论可知，对于笼型异步电动机，无论采用哪种降压起动方法来减少起动电流，电动机的起动转矩都跟着减少。同时，为了改善异步电动机的起动性能，希望在起动时转子绕组具有较大的电阻。这样，一方面可以限制起动电流，另一方面可以提高转子电路的功率因数，增大起动转矩，两对矛盾都得到解决。所以，对于不仅要求起动电流小，而且要求起动转矩大的生产机械，必须采用起动性能较好的绕线式起步电动机来拖动。

因为绕线式异步电动机的转子绕组可以经过3个滑环与外电路相连接，所以可以在起动时在转子电路中串接电阻，以改善它的起动性能。因异步电动机的最大转矩不随转子电阻而变化，但最大转差率却随转子电阻成正比例增大。如果适当增加串入的起动电阻，使转子绕组每相的总电阻为，此时Sm=1，便可在起动时获得最大转矩Tm。虽然转子电路串入起动电阻R′S，可使电动机转子的起动电流减小，从而也减小定子的起动电流。但是，由于转子电路串入电阻后，使得转子电路的功率因数角φ2减小，功率因数增加，转子电流的有功分量I′2cosφ2增加，所以起动转矩也随之增加。当然起动转矩增大也是有限度的，若转子电阻过度地增大，将使转子电流I′2过度地减小，这样转子电流有功分量及转矩TS反而减小。下面将着重讨论绕线式异步电动机转子串接起动电阻和频敏变阻器时的起动方法及起动电阻的计算步骤。

1.转子电路串入对称电阻起动

通常在转子电路中接入3～4级星形连接的三相起动变阻器，在小功率和中等功率的电动机中，变阻器材料采用高电阻的合金或铸铁电阻片组成；而在大功率的电动机中，则可用大电阻。起动变阻器通过电刷及滑环与转子绕组连接起来，如图7.5.6（a）所示。

图7.5.6　异步电动机接线和机械特性曲线

在开始起动时，将全部电阻接入转子电路，相应的机械特性曲线如图7.5.6（b）所示。虽然异步电动机的机械特性是非线性的，但在最大转矩点以上的运行段可以近似为直线。在整个起动过程中，随着电动机转速的上升，起动转矩将沿着T-S曲线相应减小，使起动效果逐渐变差。为了加快起动过程，缩短起动时间，不断增大转矩，可以采取将串入的起动电阻逐段切除的方法。也就是说，当转矩减少到一定数值TS2时，便将起动电阻切除一段，从而使转矩重新恢复到TS1。这样，在整个起动过程中可保持电动机的转矩在TS1和TS2之间变化，直到转子中所串电阻R被全部切除为止，电动机便稳定运行在固有机械特性上，起动过程结束。

下面根据图7.5.6（b）所示的3级起动机械特性曲线进一步说明起动过程。起动时转子电路接入全部起动电阻，相应的机械特性曲线为Aa直线，电动机沿着aA直线加速。为了使电动机有较大的加速度，到B点时接触器KM3闭合，将电阻R3切除。此时电动机转子电流增大，转矩立即增大到TS1。因为在切除电阻的瞬间，由于机械惯性，电动机转速来不及改变，转矩却上升为TS2，所以从第一条特性上的b点水平地过渡到第二条特性上的c点，电动机将沿着cA直线继续加速。同理，至d点切除RS2，至f点再切除RS1，最后电动机便运行到固有机械特性上。若电动机轴上的负载转矩T2+T0=TN，则电动机将稳定运行在n′点。

在起动完毕后，转子绕组便被直接短路。这时，为了减少电刷在滑环上的摩擦，对于起动次数不多的大功率绕线式电动机，装有提刷装置，在电动机起动后将电刷提起，同时把滑环直接短路，如图7.5.7所示。当电动机停转时，再把电刷放下，并把起动变阻器的电阻全部接入，以便下次进行起动。

图7.5.7　电动机提刷装置

2.转子电路串入频敏变阻器起动

绕线式转子采用串联电阻的方法起动时，要获得良好的起动特性，就需要较多的起动级数，这样就会使控制设备复杂，既要增加设备投资，又给维修带来困难，特别在大容量电力拖动系统中，矛盾更突出。于是人们会想到，既然双笼型或深槽式电动机能够让转子阻抗自动地随频率变化，以获得较高的起动转矩，那么对于绕线式电动机是否也能做到这一点呢？按照这个指导思想，我国工程技术人员研制出频敏变阻器。

1）频敏变阻器的结构

频敏变阻器是电阻（实际上还有电抗）值自动随频率变化的装置，其结构如图7.5.8所示。它的外形很像一个没有次级绕组的变压器，但实质上却是一个铁心损耗很大的三相电抗器。铁心一般做成三柱式，是由几块一定厚度的实心铁板或钢板叠成 （每块厚度达30～50mm，比变压器用的硅钢片厚100倍左右），每柱铁心上绕有一个线圈，三相连接成星形，然后接到绕线式电动机的转子滑环上。

2）工作原理(www.xing528.com)

起动时当转子的感应电流通过频敏变阻器的线圈时产生交变磁通，由于它的铁心是由特厚的钢板做成的，该磁通将在铁心中产生大量的涡流损耗。这个涡流损耗可以用一个等值电阻Rm 来代替，电阻的大小取决于铁心的几何形状和铁心材料的电阻系数。同时，频敏变阻器线圈本身又是一个电抗，电抗X同样也是交变磁通产生的。因此，Rm 和X都承受同一个转子电势。为便于分析，转子电流可分为两个分量，即产生交变磁通的励磁电流Iq和产生铁损耗的有功电流Ip，因此变阻器的等值电路可看成是由Rm 和X并联，再和线圈电阻r2串联的电路，如图7.5.9所示。电路中Rm和X都随电流频率的增减而增减，并且在频敏变阻器厚铁心的特定条件下，铁心中涡流的趋表效应强弱也随频率而变化，同样也引起等位电阻Rm和电抗X的变化。

当绕线式异步电动机的转子串接一台适当参数的频敏变阻器时，它的起动特性如图7.5.10所示。电动机起动时，转速n=0，f2=f1，电抗X较大，转子电流I2大部分流经等值电阻Rm支路。这就相当于在转子电路串入一个电阻Rm，它限制起动电流，并增大起动转矩，因而获得较好的起动性能。当电动机转速逐渐升高时，S逐渐减小，转子电流频率也减小，涡流的集肤效应减弱，电抗X也逐渐减小，Rm 也逐渐减小，相当于自动连续减小起动电阻一样。当电动机起动完毕，转速接近于同步速度时，转差率很小，转子电流频率也很小，频敏变阻器的Rm 和X都很小，相当于短路。如果频敏变阻器的参数选得恰当，可使起动特性具有近似恒转矩的性质，如图7.5.10所示。这就使得拖动系统在限制电流和增大转矩的情况下，能够获得较大的加速度，而达到无级起动的目的，同时省掉逐级切换电阻的起动设备。

图7.5.8　频敏变阻器结构示意图

图7.5.9　频敏变阻器简化分析图

图7.5.10　起动特性曲线

3）应用

频敏变阻器是一种静止的无触点变压器，它具有结构简单、材料和加工要求低、寿命长、使用维护方便等优点，因而广泛地应用在绕线式异步电动机的起动上。但与转子串入电阻的起动方法比较，频敏变阻器不仅具有一定的电阻，而且具有一定的电抗，转子功率因数较低，在同样的起动电流倍数下，接入频敏变阻器起动时的转矩，要比接入起动电阻时的转矩小。

在实际工作中常根据电动机的功率和起动要求，从产品目录中选用相应的频敏变阻器。单台频敏变阻器的体积、自重不要过大，当电动机的功率大到一定程度时，可由多组频敏变阻器连接使用。连接种类有单组、二组串联、二组并联、二串联二并联等接法，如图7.5.11（a）～图7.5.11（d）所示。

图7.5.11　变阻器连接

由于频敏变阻器只能根据产品的经验公式或使用表格进行选择，精确度不高，因而使用时一般都要通过调节来获得良好的启动性能。频敏变阻器的线圈抽头是作粗调阻抗用的，线圈匝数越多，阻抗越大。还可以通过调节铁心的气隙来微调阻抗，气隙越大，阻抗越小。所以，在使用时若发生下列情况，应调整频敏变阻器的匝数和气隙。

若起动电流过大，起动太快，应增加匝数，可换接抽头，使用100%的匝数。由于匝数增加，起动电流减小，起动转矩也减小。

若起动电流过小，起动转矩不够，起动太慢，应减少匝数，使用80%或更少的匝数。由于匝数减少使起动电流增大，起动转矩也增大。

如在刚起动时，起动转矩过大，机械有冲击，但起动完毕后稳定转速又太低，这时可增加铁心气隙。由于增加气隙使起动电流略增；起动转矩略减，但起动完毕时转矩增大，这样提高了稳定转速。