炎黃職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 雷時榮

引言

電動機(jī)的起動是指電動機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。三相異步電動機(jī)除了運(yùn)行于電動狀態(tài)外，還時常運(yùn)行于制動狀態(tài)。

運(yùn)行于電動狀態(tài)時，Tem與n方向相同，Tem是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)從電網(wǎng)吸收電能并轉(zhuǎn)換成機(jī)械能從軸上輸出，其機(jī)械特性位于第一或第三象限。運(yùn)行于制動狀態(tài)時，Tem與n方向相反，Tem是制動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)從軸上吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電能，該電能或消耗在電機(jī)內(nèi)部，或反饋回電網(wǎng)，其機(jī)械特性位于第二或第四象限。

本篇將分別介紹籠型異步電動機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的起動方法，異步電動機(jī)的能耗制動、反接制動和回饋制動方法。

1.三相籠型異步電動機(jī)的起動

籠型異步電動機(jī)的起動方法有兩種：直接起動和降壓起動。下面分別進(jìn)行介紹。

1.1 直接起動

直接起動也稱全壓起動。起動時，電動機(jī)定子繞組直接接入額定電壓的電網(wǎng)上。這是一種最簡單的起動方法，不需要復(fù)雜的起動設(shè)備，但是，它的起動性能恰好與所要求的相反。即：

1.1.1 起動電流Ist大

對于普通籠型異步電動機(jī)，起動電流倍數(shù)kI=Ist/IN=4～7。起動電流大的原因是：起動時，n=O，s=1，轉(zhuǎn)子電動勢很大，所以轉(zhuǎn)子電流很大，根據(jù)磁動勢平衡關(guān)系，定子電流也必然很大。

1.1.2 起動轉(zhuǎn)矩Tst不大

對于普通籠型異步電動機(jī)，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)kst=Tst/TN=1～2。

起動時，起動電流大而起動轉(zhuǎn)矩不大，可以從機(jī)械特性物理表達(dá)式

Tem=CTΦOI2'cosφ2來說明：

首先，起動時的轉(zhuǎn)差率（s=1）遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行時的轉(zhuǎn)差率（s=O.O1～O.O6）。

起動時轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)角φ2=ar-ctan(sX2’)/(R2’)很大，轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)cosφ2很低（一般只有O.3左右），因此，起動時雖然I2'大，但其有功分量I2'cosφ2并不大，所以起動轉(zhuǎn)矩不大。

其次，由于起動電流大，定子繞組漏抗壓降大，使定子繞組感應(yīng)電動勢E1減小，導(dǎo)致對應(yīng)的氣隙磁通量Φ減?。ㄆ饎铀查gΦ約為額定值的一半），這是造成起動轉(zhuǎn)矩不大的另一個原因。

通過以上分析可見，籠型異步電動機(jī)直接起動時，起動電流大，而起動轉(zhuǎn)矩不大，這樣的起動性能是不理想的。過大的起動電流對電網(wǎng)電壓的波動及電動機(jī)本身均會帶來不利影響，因此，直接起動一般只在小容量電動機(jī)中使用，如7.5kW以下的電動機(jī)可采用直接起動。如果電網(wǎng)容量很大，就可允許容量較大的電動機(jī)直接起動。若電動機(jī)的起動電流倍數(shù)kI滿足于電動機(jī)容量與電網(wǎng)容量的下列經(jīng)驗公式：

kI≤1/4[3+電網(wǎng)容量（kV?A）/電動機(jī)容量（kW)]

則電動機(jī)便可直接起動，否則應(yīng)采用下面介紹的降壓起動方法。

1.2 降壓起動

降壓起動的目的是限制起動電流。起動時，通過起動設(shè)備使加到電動機(jī)上的電壓小于額定電壓，待電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定數(shù)值時，再使電動機(jī)承受額定電壓，保證電動機(jī)在額定電壓下穩(wěn)定工作。下面介紹兩種常見的降壓起動方法。

（1）Y-△降壓起動

Y-△降壓起動，即星形——三角形降壓起動，只適用于正常運(yùn)行時定子繞組為三角形聯(lián)結(jié)的電動機(jī)。起動接線原理圖如圖1所示。

起動時先將開關(guān)S2投向“起動”側(cè)，將定子繞組接成星形（Y聯(lián)結(jié)），然后合上開關(guān)S1進(jìn)行起動。此時，定子每相繞組電壓為額定電壓的1/√3，從而實現(xiàn)了降壓起動。待轉(zhuǎn)速上升至一定數(shù)值時，將S2投向“運(yùn)行”側(cè)，恢復(fù)定子繞組為三角形（△）聯(lián)結(jié)，使電動機(jī)在全壓下運(yùn)行。

設(shè)電動機(jī)額定電壓為UN，短路阻抗為ZS，由簡化等效電路可得：

Y聯(lián)結(jié)時的起動電流為IstY=UN/√3ZS

△ 聯(lián)結(jié)時的起動電流（線電流），即直接起動電流為Ist△=√3UN/ZS

根據(jù)Tst∝U12，可得起動轉(zhuǎn)矩減小的倍數(shù)為：

可見，Y-△降壓起動操作方便，起動設(shè)備簡單，應(yīng)用較為廣泛，但它僅適用于正常運(yùn)行時定子繞組作三角形聯(lián)結(jié)的電動機(jī)，因此作一般用途的小型異步電動機(jī)，當(dāng)容量大于4kW時，定子繞組都采用三角形聯(lián)結(jié)。由于起動轉(zhuǎn)矩為直接起動時的1/3，這種起動方法多用于空載或輕載起動。

（2）自耦變壓器降壓起動

這種起動方法是通過自耦變壓器把電壓降低后再加到電動機(jī)定子繞組上，以達(dá)到減小起動電流的目的。自耦變壓器一般有三個分接頭可供選用，其接線原理圖如圖2所示。

起動時，把開關(guān)S2投向“起動”側(cè)，并合上開關(guān)S1，這時自耦變壓器一次繞組加全電壓，而電動機(jī)定子電壓為自耦變壓器二次抽頭部分的電壓，電動機(jī)在低壓下起動。待轉(zhuǎn)速上升至一定數(shù)值時，再把開關(guān)S2切換到“運(yùn)行”側(cè)，切除自耦變壓器，電動機(jī)在全壓下運(yùn)行。

2.三相繞線型異步電動機(jī)的起動

三相籠型異步電動機(jī)直接起動時，起動電流大，起動轉(zhuǎn)矩不大；降壓起動時，雖然減小了起動電流，但起動轉(zhuǎn)矩也隨電壓的平方關(guān)系減小，因此籠型異步電動機(jī)只能用于空載或輕載起動。

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，若轉(zhuǎn)子回路串入適當(dāng)?shù)碾娮?，既能限制起動電流，又能增大起動轉(zhuǎn)矩，同時克服了籠型異步電動機(jī)起動電流大，起動轉(zhuǎn)矩不大的缺點(diǎn)，這種起動方法適用于大、中容量異步電動機(jī)重載起動。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的起動分為轉(zhuǎn)子串電阻和轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器兩種起動方法。

圖1 異步電動機(jī)Y-△降壓起動原理接線圖

圖2 異步電動機(jī)的自耦變壓器降壓起動原理接線圖

圖3 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻接線圖

圖4 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級起動機(jī)械特性圖

圖5 三相繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動原理接線圖

圖6 三相繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動機(jī)械特性曲線

圖7 三相異步電動機(jī)的能耗制動原理接線圖

2.1 轉(zhuǎn)子串電阻起動

為了在整個起動過程中得到較大的加速轉(zhuǎn)矩，并使起動過程比較平滑，應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入多級對稱電阻。起動時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐段切除起動電阻，這與直流電動機(jī)電樞串電阻起動類似，稱為電阻分級起動。圖3為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串接對稱電阻分級起動的接線圖，圖4為對應(yīng)三級起動時的機(jī)械特性圖。

起動中，電動機(jī)由a點(diǎn)開始起動，經(jīng)機(jī)械特性曲線的b→c→d→e→f→g→h，完成起動過程。

2.2 轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器起動

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)采用轉(zhuǎn)子串接電阻起動時，若想在起動過程中保持有較大的起動轉(zhuǎn)矩且起動平穩(wěn)，則必須采用較多的起動級數(shù)，這必然導(dǎo)致起動設(shè)備復(fù)雜化。為了克服這個問題，可以采用頻敏變阻器起動。頻敏變阻器是一鐵損很大的三相電抗器，從結(jié)構(gòu)上看，它好像一個沒有二次繞組的三相心式變壓器，它的鐵心是用較厚的鋼板疊成。三個繞組分別繞在三個鐵心柱上并作星形聯(lián)結(jié)，然后接到轉(zhuǎn)子滑環(huán)上。三相繞線異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動電路原理圖如圖5所示。

起動時，S2斷開，轉(zhuǎn)子串入頻敏變阻器，S1閉合，電機(jī)通電開始起動。

在起動過程中，它自動、無級地減小電阻，如果參數(shù)選擇適當(dāng)，可以在起動過程中保持轉(zhuǎn)矩近似不變，使起動過程平穩(wěn)、快速。這時電動機(jī)的機(jī)械特性如圖6所示，圖中曲線1是電動機(jī)的固有機(jī)械特性。

頻敏變阻器的結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維護(hù)方便，因此使用廣泛。

3.三相異步電動機(jī)的制動

3.1 能耗制動

異步電動機(jī)的能耗制動接線圖如圖7所示。制動時，接觸器觸點(diǎn)S1斷開，電動機(jī)脫離電網(wǎng)，同時觸點(diǎn)S2閉合，在定子繞組中通入直流勵磁電流，于是定子繞組便產(chǎn)生一個恒定的磁場。轉(zhuǎn)子因慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并切割該恒定磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中便產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與恒定磁場作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降為零時，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流均為零，制動過程結(jié)束。

制動期間，轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路電阻上，故稱為能耗制動。

能耗制動廣泛應(yīng)用于要求平穩(wěn)準(zhǔn)確停車的場合，也可應(yīng)用于起重機(jī)一類帶位能性負(fù)載的機(jī)械上，用來限制重物下降的速度，使重物保持勻速下降。

3.2 反接制動

當(dāng)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反時，電動機(jī)便處于反接制動狀態(tài)。它有兩種情況，一是在電動狀態(tài)下突然將電源兩相反接，使定子旋轉(zhuǎn)磁場的方向由原來的順轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向改為逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，這種情況下的制動稱為定子兩相反接的反接制動；二是保持定子磁場的轉(zhuǎn)向不變，而轉(zhuǎn)子在位能性負(fù)載作用下進(jìn)入倒拉反轉(zhuǎn)，這種情況下的制動稱為倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動。

圖8 異步電動機(jī)定子兩相反接的反接制動原理圖

圖9 異步電動機(jī)定子兩相反接的反接制動機(jī)械特性曲線圖

圖10 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動原理圖

圖11 倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動的機(jī)械特性曲線圖

圖12 異步電動機(jī)回饋制動時的機(jī)械特性

圖13 異步電動機(jī)在變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動機(jī)械特性曲線圖

（1）電源兩相反接的反接制動

異步電動機(jī)定子兩相反接的反接制動原理圖如圖8所示。

實現(xiàn)：將電動機(jī)電源兩相反接可實現(xiàn)反接制動。

異步電動機(jī)定子兩相反接的反接制動機(jī)械特性曲線圖如圖9所示。

機(jī)械特性由曲線1變?yōu)榍€2，工作點(diǎn)由A→B→C，n=O，制動過程結(jié)束。

繞線式電動機(jī)在定子兩反接同時，可在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)制動電阻來限制制動電流和增大制動轉(zhuǎn)矩，曲線3。

（2）倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動

倒拉反轉(zhuǎn)的反接制動電路原理圖如圖1O所示。

條件：適用于繞線式異步電動機(jī)帶位能性負(fù)載情況。

實現(xiàn)：在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)適當(dāng)大電阻RB。

電機(jī)工作點(diǎn)由A→B→C，n=O，制動過程開始，電機(jī)反轉(zhuǎn)子，直到D點(diǎn)。在第四象限才是制動狀態(tài)。由于電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，n＜O，所以s＞1。

軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變成電功率后，連同定子傳遞給轉(zhuǎn)子的電磁功率一起消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻上，所反接制動的能量損耗較大。

3.3 回饋制動

若異步電動機(jī)在電動狀態(tài)運(yùn)行時，由于某種原因，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)向不變），這時電動機(jī)便處于回饋制動狀態(tài)。

要使電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速（n＞n1），那么轉(zhuǎn)子必須在外力矩的作用下，即轉(zhuǎn)軸上必須輸入機(jī)械能。因此回饋制動狀態(tài)實際上就是將軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能并回饋到電網(wǎng)的異步電機(jī)的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。

生產(chǎn)實踐中，異步電動機(jī)的回饋制動有以下兩種情況：一種是出現(xiàn)位能性負(fù)載下放；另一種是出現(xiàn)電動機(jī)變極調(diào)速或變頻調(diào)速過程。

（1）下放重物時的回饋制動

電動機(jī)機(jī)械特性曲線1，運(yùn)行于A點(diǎn)。

首先將定子兩相反接，定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步速為-n1，特性曲線變?yōu)?。工作點(diǎn)由A到B。經(jīng)過反接制動過程（由B到C）、反向加速過程（C到-n1變化），最后在位能負(fù)載作用下反向加速并超過同步速，直到C點(diǎn)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動

制動前，電動機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)械特性曲線1，運(yùn)行于A點(diǎn)。

制動后，當(dāng)電機(jī)采用變極（增加極數(shù)）或變頻（降低頻率）進(jìn)行調(diào)速時，機(jī)械特性變?yōu)?。電機(jī)工作點(diǎn)由A變到B，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電機(jī)處于回饋制動狀態(tài)。異步電動機(jī)在變極或變頻調(diào)速過程中的回饋制動機(jī)械特性曲線圖如圖13所示。

結(jié)論

本文所設(shè)計電動機(jī)起動和制動電路廣泛應(yīng)用于工程實踐中，具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用方法易學(xué)易用，維護(hù)維修方便。其中的起動電路，能使電動機(jī)平穩(wěn)起動，且對電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沖擊?。恢苿与娐?，制動速度快，成本低，能量損耗小。

[1]許曉峰.電機(jī)及拖動[M].北京:高等教育出版社,2004,2.

[2]葉云漢.電機(jī)與電力拖動項目教程[M].北京:科學(xué)出版社,2008.