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1、4.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 所謂三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程是指三相異步電動(dòng)機(jī)從接入電網(wǎng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)起，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速為止這一段過程。 根據(jù)上一節(jié)的分析知，三相異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 并不大，但轉(zhuǎn)子繞組中的電流I很大，通?？蛇_(dá)額定電流的47倍，從而使得定子繞組中的電流相應(yīng)增大為額定電流的47倍。這么大的啟動(dòng)電流將帶來下述不良后果。 （1）啟動(dòng)電流過大使電壓損失過大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠使電動(dòng)機(jī)根本無法啟動(dòng)。 （2）使電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱，絕緣老化，從而縮短了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。 （3）造成過流保護(hù)裝置誤動(dòng)作、跳閘。 （4）使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而形成影響連接在電網(wǎng)上的其他設(shè)備的正常運(yùn)行。 因此，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在
2、保證一定大小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下， 還要求限制啟動(dòng)電流在允許的范圍內(nèi)。 stT 4.2.1 籠形異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有兩種方式，第一種是直接啟動(dòng)，即將額定電壓直接加在電動(dòng)機(jī)定子繞組端。第二種是降壓?jiǎn)?dòng)，即在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)降低定子繞組上的外加電壓，從而降低啟動(dòng)電流。啟動(dòng)結(jié)束后，將外加電壓升高為額定電壓，進(jìn)入額定運(yùn)行。兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)視具體情況具體確定。從電動(dòng)機(jī)容量的角度講，通常認(rèn)為滿足下列條件之一的即可直接啟動(dòng)，否則應(yīng)采用降壓?jiǎn)?dòng)的方法。 （1）容量在10kW以下 （2）符合下列經(jīng)驗(yàn)公式 kW4 AkV43啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率供電變壓器容量 NstII 1三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的直接
3、啟動(dòng) 直接啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備少，啟動(dòng)方式簡(jiǎn)單，成本低，是小型籠形異步電動(dòng)機(jī)主要采用的啟動(dòng)方法，如圖4.5所示。 圖4.5 三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng) 2三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的降壓?jiǎn)?dòng) 降壓?jiǎn)?dòng)方式是指在啟動(dòng)過程中降低其定子繞組端的外施電壓，啟動(dòng)結(jié)束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復(fù)到額定值。這種方法雖然能達(dá)到降低啟動(dòng)電流的目的，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小很多，故此法一般只適用于電動(dòng)機(jī)的空載或輕載啟動(dòng)，具體方法包括： （1）定子串電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng) 三相籠形異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)定子電路串入電阻或電抗器，使加到電動(dòng)機(jī)定子繞組端電壓降低，減少了電動(dòng)機(jī)上的啟動(dòng)電流。圖4.6是三相籠形電動(dòng)機(jī)定子繞組串電阻降
4、壓?jiǎn)?dòng)的原理圖，其工作情況為：合上刀開關(guān)Q，在開始起動(dòng)時(shí)，KM1主觸點(diǎn)閉合，KM2主觸點(diǎn)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)電阻接入電源，電動(dòng)機(jī)在低壓狀態(tài)下開始啟動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)，使KM1斷開、KM2接通，切除了電阻，電源電壓直接加在電動(dòng)機(jī)上，啟動(dòng)過程結(jié)束。 這種啟動(dòng)方法不受電動(dòng)機(jī)定子繞組接法形式的限制，但由于啟動(dòng) 電阻的存在，將使設(shè)備體積增大，電能損耗大，目前已較少采用。 圖4.6 三相異步電動(dòng)機(jī)定子方串電阻降壓?jiǎn)?dòng) （2）Y/降壓?jiǎn)?dòng) 對(duì)于正常運(yùn)行為形接法的三相交流異步電動(dòng)機(jī)，若在啟動(dòng)時(shí)將其定子繞組接為Y形，則啟動(dòng)時(shí)其定子繞組上所加的電壓僅為正常運(yùn)行的 ， 降低了啟動(dòng)電壓。目前生產(chǎn)的Y系列功率在4
5、kV以上的中小型三相異步電動(dòng)機(jī)，其定子繞組的規(guī)定接法一般為形接法，所以在啟動(dòng)時(shí)，可以對(duì)其采用Y/降壓?jiǎn)?dòng)方法，即在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，將定子繞組接成Y形接法，啟動(dòng)過程結(jié)束后，再接成形接法。圖4.7是Y/降壓?jiǎn)?dòng)的原理圖，其工作情況如下。 31 合上開關(guān)QF后，若要啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，則交流接觸器KM1和KM2的主觸點(diǎn)同時(shí)閉合，KM1將電動(dòng)機(jī)的定子繞組接成Y形，KM2將電源引到電動(dòng)機(jī)定子繞組端，電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近于穩(wěn)定值時(shí)，KM1先斷開而后KM3立即閉合，將電動(dòng)機(jī)定子繞組的Y形接法解除而接成形，進(jìn)入額定運(yùn)行狀態(tài)。 三相籠形異步電動(dòng)機(jī)的Y/降壓?jiǎn)?dòng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，應(yīng)用較廣泛。但它只適用于正常
6、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組為接的電動(dòng)機(jī)。 圖4.7 Y/降壓?jiǎn)?dòng)原理圖 （3）定子串自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng) 這種方法是利用自耦變壓器將電源電壓降低后再加到電動(dòng)機(jī)定子繞組端，達(dá)到減小啟動(dòng)電流的目的，如圖4.8所示。 設(shè)自耦變壓器的一次側(cè)電壓U1（即電源電壓），電流為I1，二次側(cè)電壓為U 2，電流為I2，變壓比為k，則 ; stst IkI 12 圖4.8 自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng) 啟動(dòng)時(shí)，經(jīng)自耦變壓器后，加在三相籠形異步電動(dòng)機(jī)定子繞組端的線電壓為U1/k，此時(shí)電動(dòng)機(jī)定子繞組上的啟動(dòng)電壓為全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的1/k，即 式中 電動(dòng)機(jī)電壓為U1/k時(shí)的啟動(dòng)電流，即自耦變壓器二次側(cè)電流。 電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的電流。 電動(dòng)機(jī)電壓為U1
7、/k時(shí)電網(wǎng)上流經(jīng)的電流，即自耦變壓器一次側(cè)電流，所以電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸取的電流 。由于自耦變壓器一次側(cè)的電流小于二次側(cè)的電流，故在相同的啟動(dòng)電壓下，自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)比Y/降壓?jiǎn)?dòng)向電源吸取的電流要小。 圖5.8的控制原理是合上Q后，令 KM1觸點(diǎn)先將自耦變壓器做星形連接，再由KM2接通電源，電動(dòng)機(jī)定子繞組經(jīng)自耦變壓器實(shí)現(xiàn)減壓?jiǎn)?dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，令KM1、KM2斷開而KM3閉合直接將全電壓加在電動(dòng)機(jī)上，啟動(dòng)過程結(jié)束，進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài)。 自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)的啟動(dòng)性能好，但線路相對(duì)較復(fù)雜，設(shè) 備體積大，目前是三相籠形異步電動(dòng)機(jī)常用的一種降壓?jiǎn)?dòng)方法。kIIUU stst 12212s
8、tIstI 1stI ststst IkkII 221 1 4.2.2 繞線形異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng) 三相繞線形異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中有三相繞組，可以通過滑環(huán)和電刷串接外加電阻。在上一節(jié)分析轉(zhuǎn)子串電阻的人為機(jī)械特性時(shí)已知：適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子串接電阻，可以減小啟動(dòng)電流并提高電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，繞線形異步電動(dòng)機(jī)正是利用了這一特性。 按照繞線形異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子串接裝置的不同，有串電阻啟動(dòng)和串頻敏電阻器啟動(dòng)兩種方法。 1轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng) 在這種啟動(dòng)方式中，由于電阻是常數(shù)，所以為了獲取較平滑的啟動(dòng)過程，將啟動(dòng)電阻分為幾級(jí)，在啟動(dòng)過程中逐級(jí)切除。圖4.9是繞線形異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)的原理圖，圖4.10是機(jī)械特性曲線
9、。 圖4.9 繞線形異步電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)原理圖 其工作情況為：合上刀開關(guān)Q后，交流接觸器KM1，KM2，KM3的主觸點(diǎn)全部斷開，全部電阻均接入電路，對(duì)應(yīng)工作的機(jī)械特性曲線為圖5.10中曲線1，從a點(diǎn)開始啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸升高。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到b點(diǎn)時(shí)，令KM1閉合，R1被短接，R2, R3仍串入電路，由于電阻減小而轉(zhuǎn)速不能突變，特性曲線瞬間過渡到曲線2上的c點(diǎn)并沿曲線2繼續(xù)加速。當(dāng)加速到d點(diǎn)時(shí)，令KM2閉合，R1, R2被短接，R 3仍串入電路，由于電阻減小而轉(zhuǎn)速不能突變，特性曲線瞬間過渡到曲線3上的e點(diǎn)并沿曲線3繼續(xù)加速。當(dāng)加速到f點(diǎn)時(shí)，令KM3閉合，R 1, R 2, R3被短接，由于電阻減小而轉(zhuǎn)速
10、不能突變，特性曲線瞬間過渡到固有機(jī)械特性曲線上的g點(diǎn)并沿固有機(jī)械特性曲線繼續(xù)加速，直到穩(wěn)定運(yùn)行，啟動(dòng)過程結(jié)束。 圖4.10 繞線形異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)機(jī)械特性 2轉(zhuǎn)子繞組串頻敏變阻器啟動(dòng) 根據(jù)上述分析知：要想獲得更加平穩(wěn)的啟動(dòng)特性，必須增加啟動(dòng)級(jí)數(shù)，這就會(huì)使設(shè)備復(fù)雜化。為此采用了在轉(zhuǎn)子上串頻敏變阻器的啟動(dòng)方法。所謂頻敏變阻器，是由厚鋼板疊成鐵心并在鐵心柱上繞有線圈的電抗器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4.11所示。它是一個(gè)鐵損耗很大的三相電抗器，如果忽略繞組的電阻和漏抗時(shí)，其一相的等效電路如圖4.12所示。 圖4.11 頻敏變阻器結(jié)構(gòu)示意圖 圖4.12 頻敏變阻器一相等效電路 頻敏變阻器啟動(dòng)原理如圖4.13所示。合上開關(guān)Q，KM1閉合，電動(dòng)機(jī)定子繞組接通電源電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子頻率較高，f2f1，頻敏變阻器的鐵損很大，Rm和Xm均很大，且RmXm，因此限制了啟動(dòng)電流，增大了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子電流頻率下降，于是Rm、Xm隨n減小，這就相當(dāng)于啟動(dòng)過程中電阻的無級(jí)切除。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近于穩(wěn)定值時(shí)，KM2閉合將頻敏電阻器短接，啟動(dòng)過程結(jié)束。 圖4.13 三相繞線形異步電動(dòng)機(jī)串頻敏電阻器啟動(dòng)原理圖
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