相异步发电机的启动

第 七 节 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 1、 主 要 内 容 ： 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 原 则 、方 法 、 线 路 、 特 点 ； 2、 重 点 ： 几 种 实 用 启 动 方 法 ； 3、 难 点 ： 启 动 线 路 、 电 流 、 转 矩 （ 特 别 是自 耦 降 压 启 动 线 路 ） ； 目 录 何 谓 启 动 启 动 电 流 及 其 影 响 启 动 方 法 讨 论 何 谓 启 动 电 动 机 从 n=0到 n=nN的 过 程 叫 启 动 ， 实 际 是 一 个 暂 态 过 程 ， 即 式 中 为 电 动 机 的 时 间 常 数 。 en tNn 1 所 谓 三 相 异 步 电 动 机 的 启 动 过程 是 指 三 相 异 步 电 动 机 从 接 入 电 网 开始 转 动 时 起 ， 到 达 额 定 转 速 为 止 这 一段 过 程 。 三 相 异 步 电 动 机 在 启 动 时 启 动 转 矩 并 不 大 ， 但 转 子 绕 组 中 的 电 流 很 大 ，通 常 可 达 额 定 电 流 的 4 7倍 ， 从 而 使得 定 子 绕 组 中 的 电 流 相 应 增 大 为 额 定电 流 的 4 7倍 。何 谓 启 动 这 么 大 的 启 动 电 流 将 带 来 下 述 不 良 后 果 。 （ 1） 启 动 电 流 过 大 使 电 压 损 失 过 大 ， 启 动转 矩 不 够 使 电 动 机 根 本 无 法 启 动 。 （ 2） 使 电 动 机 绕 组 发 热 ， 绝 缘 老 化 ， 从 而缩 短 了 电 动 机 的 使 用 寿 命 。 （ 3） 造 成 过 流 保 护 装 置 误 动 作 、 跳 闸 。 （ 4） 使 电 网 电 压 产 生 波 动 ， 进 而 形 成 影 响连 接 在 电 网 上 的 其 他 设 备 的 正 常 运 行 。 因 此 ， 电 动 机 启 动 时 ， 在 保 证 一 定 大 小 的启 动 转 矩 的 前 提 下 ， 还 要 求 限 制 启 动 电 流 在 允 许的 范 围 内 。 启 动 电 流 及 其 影 响 ： 启 动 电 流 及 其 影 响 ： 大 的 启 动 电 流 对 电 机 的 影 响 ： 对 电 机 本 身 的 影 响 -发 热 ； 对 线 路 的 影 响 ： 线 路 电 压 降 低 ， 影 响 别 的 电机 的 工 作 ， 甚 至 影 响 自 身 启 动 。 启 动 转 矩 ： 由 于 启 动 时 功 率 因 数 cos2低 ， 启 动转 矩 不 大 ， 若 电 压 又 降 低 ， 很 难 负 载 启 动 。 对 启 动 的 要 求 ： 理 想 的 启 动 是 启 动 电 流 小 ,启动 转 矩 大 ， 这 只 有 绕 线 式 转 子 的 异 步 电 动 机才 能 实 现 ， 因 为 绕 线 式 转 子 的 R2可 调 ， 启 动时 增 大 R2， 启 动 转 矩 增 大 ， 同 时 I2st减 小 ， 导致 启 动 电 流 Ist减 小 。 启 动 方 法 目 录笼 形 异 步 电 动 机 的 启 动1、 三 相 笼 形 异 步 电 动 机 的 直 接 启 动2、三相笼形异步电动机的降压启动（ 1） 定 子 串 电 阻 或 电 抗 器 降 压 启 动 （ 2） Y/D降 压 启 动 （ 3） 定 子 串 自 耦 变 压 器 降 压 启 动绕 线 形 异 步 电 动 机 的 启 动1、 转 子 串 电 阻 启 动2、 转 子 绕 组 串 频 敏 变 阻 器 启 动 启 动 方 法笼 形 异 步 电 动 机 的 启 动 三 相 笼 形 异 步 电 动 机 的 启 动 有两 种 方 式 : 第 一 种 是 直 接 启 动 ， 即 将 额 定电 压 直 接 加 在 电 动 机 定 子 绕 组 端 。 第 二 种 是 降 压 启 动 ， 即 在 电动 机 启 动 时 降 低 定 子 绕 组 上 的 外 加电 压 ， 从 而 降 低 启 动 电 流 。 启 动 结束 后 ， 将 外 加 电 压 升 高 为 额 定 电 压 ，进 入 额 定 运 行 。 两 种 方 法 各 有 优 点 ， 应 视 具 体 情 况 具 体确 定 。 从 电 动 机 容 量 的 角 度 讲 ， 通 常 认 为 满足 下 列 条 件 之 一 的 即 可 直 接 启 动 ， 否 则 应 采用 降 压 启 动 的 方 法 。 （ 1） 容 量 在 10kW以 下 （ 2） 符 合 下 列 经 验 公 式 kW4 AkV43 启 动 电 动 机 功 率供 电 变 压 器 容 量 NstII 1 三 相 笼 形 异 步 电 动 机 的 直 接 启 动 1 三 相 笼 形 异 步 电 动 机 的 直 接 启 动 直 接 启 动 的 优 点是 所 需 设 备 少 ， 启 动 方式 简 单 ， 成 本 低 ， 是 小型 笼 形 异 步 电 动 机 主 要采 用 的 启 动 方 法 ， 如 图所 示 。 三 相 笼 形 异 步 电动 机 的 直 接 启 动 2三相笼形异步电动机的降压启动 降 压 启 动 方 式 是 指 在 启 动 过 程 中 降 低其 定 子 绕 组 端 的 外 施 电 压 ， 启 动 结 束 后 ，再 将 定 子 绕 组 的 两 端 电 压 恢 复 到 额 定 值 。这 种 方 法 虽 然 能 达 到 降 低 启 动 电 流 的 目 的 ，但 启 动 转 矩 也 减 小 很 多 ， 故 此 法 一 般 只 适用 于 电 动 机 的 空 载 或 轻 载 启 动 ， 具 体 方 法包 括 ： （ 1） 定 子 串 电 阻 或 电 抗 器 降 压 启 动 三 相 笼 形 异 步 电 动 机 启 动 时 ，在 电 动 机 定 子 电 路 串 入 电 阻 或 电 抗器 ， 使 加 到 电 动 机 定 子 绕 组 端 电 压降 低 ， 减 少 了 电 动 机 上 的 启 动 电 流 。图 5.6是 三 相 笼 形 电 动 机 定 子 绕 组 串电 阻 降 压 启 动 的 原 理 图 ， 其 工 作 情况 为 ： 合 上 刀 开 关 Q， 在 开 始 起 动时 ， KM1主 触 点 闭 合 ， KM2主 触 点断 开 ， 电 动 机 经 电 阻 接 入 电 源 ， 电动 机 在 低 压 状 态 下 开 始 启 动 。 当 电动 机 的 转 速 接 近 额 定 值 时 ， 使 KM1断 开 、 KM2接 通 ， 切 除 了 电 阻 ， 电源 电 压 直 接 加 在 电 动 机 上 ， 启 动 过程 结 束 。 图 5.6 三 相 异 步 电 动 机 定 子 方串 电 阻 降 压 启 动 （ 1） 定 子 串 电 阻 或 电 抗 器 降 压 启 动 这 种 启 动 方 法 不 受 电 动 机 定 子绕 组 接 法 形 式 的 限 制 ， 但 由 于 启 动电 阻 的 存 在 ， 将 使 设 备 体 积 增 大 ，电 能 损 耗 大 ， 目 前 已 较 少 采 用 。 图 5.6 三 相 异 步 电 动 机 定 子 方串 电 阻 降 压 启 动 星 形 -三 角 形 代 换 启 动 ： 适 用 于 原 来 三角 形 运 行 的 电 动 机 。 启 动 线 路 ： 线 路 如 下 图（ 2） Y/D降 压 启 动 （ 2） Y/D降 压 启 动 对 于 正 常 运 行 为 D形 接 法的 三 相 交 流 异 步 电 动 机 ， 若 在启 动 时 将 其 定 子 绕 组 接 为 Y形 ，则 启 动 时 其 定 子 绕 组 上 所 加 的电 压 仅 为 正 常 运 行 的 ， 降 低 了 启 动 电 压 。 定 子 绕 组 的接 法 为 D形 接 法 的 电 动 机 ， 在启 动 时 ， 可 以 对 其 采 用 Y/D降压 启 动 方 法 ， 即 在 电 动 机 启 动过 程 中 ， 将 定 子 绕 组 接 成 Y形接 法 ， 启 动 过 程 结 束 后 ， 再 接成 D形 接 法 。 图 5.7是 Y/D降 压启 动 的 原 理 图 ， 其 工 作 情 况 如 下 。 31 图 5.7 Y/D降 压 启 动 原 理 图 Y/D降 压 启 动 合 上 开 关 QF后 ， 若 要 启动 电 动 机 ， 则 交 流 接 触 器 KM1和 KM2的 主 触 点 同 时 闭 合 ，KM1将 电 动 机 的 定 子 绕 组 接 成Y形 ， KM2将 电 源 引 到 电 动 机定 子 绕 组 端 ， 电 动 机 降 压 启 动 。当 电 动 机 的 转 速 接 近 于 稳 定 值时 ， KM1先 断 开 而 后KM3立 即 闭 合 ， 将 电 动机 定 子 绕 组 的 Y形 接 法 解 除 而接 成 D形 ， 进 入 额 定 运 行 状 态 。 Y/D降 压 启 动 三 相 笼 形 异 步 电 动 机 的Y/D降 压 启 动 简 单 ， 运 行 可靠 ， 应 用 较 广 泛 。 但 它 只 适用 于 正 常 运 转 时 定 子 绕 组 为D接 的 电 动 机 。 启 动 电 流 ： 星 形 电 流 三 角 形 电 流 ： IUI lYYPY Z ZZ UUII YYPl 3333 显 然 启 动 电 流 降 低 ； 所 以 两 种 方 法 的 电 流 之 比 为31IIllP 启 动 转 矩 适 用 于 轻 载 启 动 。 3121 2 UUTT IPY PY （ 3） 定 子 串 自 耦 变 压 器 降 压 启 动 这 种 方 法 是 利用 自 耦 变 压 器 将 电 源电 压 降 低 后 再 加 到 电动 机 定 子 绕 组 端 ， 达到 减 小 启 动 电 流 的 目的 ， 如 图 5.8所 示 。 图 5.8 自 耦 变 压 器 降 压 启 动 控 制 原 理 是 合 上 Q后 ，令 KM1触 点 先 将 自 耦 变 压器 做 星 形 连 接 ， 再 由 KM2接 通 电 源 ， 电 动 机 定 子 绕组 经 自 耦 变 压 器 实 现 减 压启 动 。 当 电 动 机 的 转 速 接近 于 额 定 转 速 时 ， 令 KM1、KM2断 开 而 KM3闭 合 直 接将 全 电 压 加 在 电 动 机 上 ，启 动 过 程 结 束 ， 进 入 全 压运 行 状 态 。 启 动 电 流 ： 降 压 启 动 时 变 压 器 副边 的 电 机 线 电 流 ZkUI 原 边 降 压 降 压 启 动 时 变 压 器 原 边 的 电 流 kUIII Zk 21 原 边原 边 降 压原 边 所 以 直 接 启 动 的 电 流 ZUI 原 边 直 接 故 降 压 启 动 与 直 接 启 动 的 线 电 流之 比 为 kII 21直 接降 压 启 动 转 矩 kUkUTT 22 2 1 直 接降 压 特 点 结 构 较 复 杂 ， 价 格 较 贵 ， 但 可 多 个 抽 头 进行 调 节 不 同 的 变 比 。 自 耦 变 压 器 降 压 启 动 的 启 动 性 能 好 ， 但 线路 相 对 较 复 杂 ， 设 备 体 积 大 ， 目 前 是 三 相笼 形 异 步 电 动 机 常 用 的 一 种 降 压 启 动 方 法 。 绕 线 式 异 步 电 动 机 的 启 动 三 相 绕 线 形 异 步 电 动 机 转 子 中 有 三 相绕 组 ， 可 以 通 过 滑 环 和 电 刷 串 接 外 加 电 阻 。在 上 一 节 分 析 转 子 串 电 阻 的 人 为 机 械 特 性时 已 知 ： 适 当 增 加 转 子 串 接 电 阻 ， 可 以 减小 启 动 电 流 并 提 高 电 动 机 的 启 动 转 矩 ， 绕线 形 异 步 电 动 机 正 是 利 用 了 这 一 特 性 。 绕 线 式 异 步 电 动 机 的 启 动 操 作 方 法 ： 启 动 时 增 大 R2， 启 动 结 束 后 复 原 R2（ 手 动 或 自 动 ） ， 一 般 为 分 级 启 动 。 启 动 电 流 减 小 ： 增 大 R2， I2减 小 ， ， I1减 小 ； 启 动 转 矩 增 大 ： 增 大 R2， 根 据 机 械 特 性 可 知 转矩 增 大 。 所 以 绕 线 式 异 步 电 动 机 的 启 动 方 法 比 较 理 想 。 绕 线 式 异 步 电 动 机 的 启 动 方 法 按 照 绕 线 形 异 步 电 动 机 启 动 过 程中 转 子 串 接 装 置 的 不 同 ， 有 串 电 阻 启 动和 串 频 敏 电 阻 器 启 动 两 种 方 法 。 1转子串电阻启动 在 这 种 启 动 方 式中 ， 由 于 电 阻 是 常 数 ，所 以 为 了 获 取 较 平 滑 的启 动 过 程 ， 将 启 动 电 阻分 为 几 级 ， 在 启 动 过 程中 逐 级 切 除 。 图 5.9是绕 线 形 异 步 电 动 机 转 子串 电 阻 启 动 的 原 理 图 ，图 5.10是 机 械 特 性 曲 线 。 图 5.9 绕 线 形 异 步 电 动 机 串 电 阻 启 动 原 理 图 转子串电阻启动（续1） 其 工 作 情 况 为 ： 合 上刀 开 关 Q后 ， 交 流 接 触 器KM1， KM2， KM3的 主 触点 全 部 断 开 ， 全 部 电 阻 均接 入 电 路 ， 对 应 工 作 的 机械 特 性 曲 线 为 图 5.10中 曲线 1， 从 a点 开 始 启 动 ， 转速 逐 渐 升 高 。 图 5.10 绕 线 形 异 步 电 动 机转 子 串 电 阻 启 动 机 械 特 性 转子串电阻启动（续1） 当 转 速 升 高 到 b点 时 ，令 KM1闭 合 ， R1被 短 接 ，R2, R3仍 串 入 电 路 ， 由于 电 阻 减 小 而 转 速 不 能突 变 ， 特 性 曲 线 瞬 间 过渡 到 曲 线 2上 的 c点 并 沿曲 线 2继 续 加 速 。 当 加 速到 d点 时 ， 令 KM2闭 合 ，R1, R2被 短 接 ， R3仍 串入 电 路 ， 由 于 电 阻 减 小而 转 速 不 能 突 变 ， 特 性曲 线 瞬 间 过 渡 到 曲 线 3上的 e点 并 沿 曲 线 3继 续 加速 。 图 5.10 绕 线 形 异 步 电 动 机转 子 串 电 阻 启 动 机 械 特 性 转子串电阻启动（续1） 当 加 速 到 f点 时 ， 令KM3闭 合 ， R 1, R 2, R3被 短 接 ， 由 于 电 阻 减 小而 转 速 不 能 突 变 ， 特 性曲 线 瞬 间 过 渡 到 固 有 机械 特 性 曲 线 上 的 g点 并 沿固 有 机 械 特 性 曲 线 继 续加 速 ， 直 到 稳 定 运 行 ，启 动 过 程 结 束 。 图 5.10 绕 线 形 异 步 电 动 机转 子 串 电 阻 启 动 机 械 特 性 2转子绕组串频敏变阻器启动 根 据 上 述 分 析 知 ： 要 想 获 得 更 加 平 稳 的 启 动 特 性 ， 必 须 增加 启 动 级 数 ， 这 就 会 使 设 备 复 杂 化 。 为 此 采 用 了 在 转 子 上 串 频 敏变 阻 器 的 启 动 方 法 。 所 谓 频 敏 变 阻 器 ， 是 由 厚 钢 板 叠 成 铁 心 并 在铁 心 柱 上 绕 有 线 圈 的 电 抗 器 ， 其 结 构 示 意 图 如 图 5.11所 示 。 它 是一 个 铁 损 耗 很 大 的 三 相 电 抗 器 ， 如 果 忽 略 绕 组 的 电 阻 和 漏 抗 时 ，其 一 相 的 等 效 电 路 如 图 5.12所 示 。 图 5.11 频 敏 变 阻 器 结 构 示 意 图 图 5.12 频 敏 变 阻 器 一 相 等 效 电 路 转子绕组串频敏变阻器启动（续1） 频 敏 变 阻 器 启 动 原 理如 图 5.13所 示 。 合 上 开 关Q， KM1闭 合 ， 电 动 机 定子 绕 组 接 通 电 源 电 动 机 开始 启 动 时 ， 电 动 机 转 子 转速 很 低 ， 故 转 子 频 率 较 高 ，f2f1， 频 敏 变 阻 器 的 铁 损很 大 ， Rm和 Xm均 很 大 ， 且R m Xm， 因 此 限 制 了 启 动电 流 ， 增 大 了 启 动 转 矩 。 图 5.13 三 相 绕 线 形 异 步 电 动 机 串 频敏 电 阻 器 启 动 原 理 图 转子绕组串频敏变阻器启动（续1） 随 着 电 动 机 转 速 的 升高 ， 转 子 电 流 频 率 下 降 ，于 是 Rm、 Xm随 n减 小 ，这 就 相 当 于 启 动 过 程 中 电阻 的 无 级 切 除 。 当 转 速 上升 到 接 近 于 稳 定 值 时 ，KM2闭 合 将 频 敏 电 阻 器 短接 ， 启 动 过 程 结 束 。 图 5.13 三 相 绕 线 形 异 步 电 动 机 串 频敏 电 阻 器 启 动 原 理 图 1、 求 额 定 电 流 、 启 动 电 流 、 启 动 转 矩 、 最大 转 矩 等 ； 2、 若 电 压 降 低 到 额 定 电 压 的 x%， 求 启 动转 矩 、 最 大 转 矩 ； 3、 若 采 用 星 形 -三 角 形 代 换 启 动 ， 求 启 动转 矩 ， 若 负 载 转 矩 为 额 定 转 矩 的 y%， 是 否能 启 动 ？ 若 采 用 抽 头 为 z%自 耦 降 压 启 动 器 ，是 否 能 启 动 ？ 讨 论 讨 论 三 相 感 应 电 动 机 的 铭 牌 数 据 如 下 ： PN 10KW，nN =960r/Min, Y 联 结 ， 380/220V =0.868， COS=0.85， Tst/TN=1.5，Ist/IN=6.5。 试 求 (1)IN和 TN (2)电 源 电 压 为 380V时 ， 电 动 机 的 接 法 及 直 接起 动 的 起 动 电 流 和 起 动 转 矩 。 (3)电 源 电 压 为 220V时 ， 电 动 机 的 接 法 及 直 接起 动 的 起 动 电 流 和 起 动 转 矩 。 (4)要 求 采 用 Y 降 压 启 动 ， 此 时 能 否 带 70 TN和 30 TN 负 载 ？ 讨 论 三 相 感 应 电 动 机 的 额 定 功 率 PN=11Kw， 额定 转 速 nN=2930r/min， =2.2， 起 动 转 矩倍 数 Tst/TN=2。 求 该 电 动 机 的 最 大 转 矩 Tm和 起 动 转 矩 Tst