三相異步電機(jī)降壓啟動方法論文.doc

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畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目： 淺談三相異步電機(jī)降壓啟動方法 系 別： 裝備制造系 專 業(yè)： 機(jī)電一體化 學(xué)生姓名： 方?jīng)_ 學(xué) 號： 20130311 年級： 13級 指導(dǎo)教師： 費(fèi)維科 職稱： 助教 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評議意見 專業(yè) 機(jī)電一體化 姓 名 方?jīng)_ 題目 淺談三相異步電機(jī)降壓啟動方法 指 導(dǎo) 教 師 評 閱 意 見 成績評定：　　　　　　　　　　指導(dǎo)教師： 年 月 日 答 辯 組 意 見 答辯組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 　　　　　　 年 備 注 開題報(bào)告 題目：淺談三相異步電機(jī)降壓啟動方法 1、 選題的目的和意義 電機(jī)的起動電流近似的與定子的電壓成正比，因此要采用降低定子電壓的辦法來限制起動電流，即為降壓起動。對于因直接起動沖擊電流過大而無法承受的場合，通常采用降壓起動，此時(shí)，起動轉(zhuǎn)矩下降，起動電流也下降，所以只適合必須減小起動電流，又對起動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合。常見降壓起動方法：定子串電阻降壓起動、Y/Δ起動控制線路、延邊三角起動、軟啟動及自耦變壓器降壓起動。當(dāng)負(fù)載對電動機(jī)啟動力矩?zé)o嚴(yán)格要求但要限制電動機(jī)啟動電流且電機(jī)滿足380V/Δ接線條件才能采用降壓啟動。該方法是：在電機(jī)啟動時(shí)將電機(jī)接成星型接線,當(dāng)電機(jī)啟動成功后再將電機(jī)改接成三角型接線（通過雙投開關(guān)迅速切換）；因電機(jī)啟動電流與電源電壓成正比,此時(shí)電網(wǎng)提供的啟動電流只有全電壓啟動電流的1/3，但啟動力矩也只有全電壓啟動力矩的1/3在實(shí)際使用過程中,發(fā)現(xiàn)需降壓啟動的電機(jī)從11KW開始就有需要的,如風(fēng)機(jī)，在啟動時(shí)11KW電流在7-9倍(100)A左右,按正常配置的熱繼電器根本啟動不了（關(guān)風(fēng)門也沒用），熱繼電器配大了又起不了保護(hù)電機(jī)的作用，所以建議用降壓啟動。而在一些啟動負(fù)荷較小的電機(jī)上，由于電機(jī)到達(dá)恒速時(shí)間短，啟動時(shí)電流沖擊影響較小，所以在30KW左右的電機(jī)，選用1.5倍額定電流的斷路器直接啟動，長期工作一點(diǎn)問題都沒有。 二、研究的重點(diǎn)內(nèi)容 三相交流異步電動機(jī)直接起動，雖然控制線路結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便，但起動電流很大（約為正常工作電流的4~7倍），如果電源容量不比電動機(jī)容量大許多倍，則起動電流可能會明顯地影響同一電網(wǎng)中其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，對于鼠籠型異步電動機(jī)可采用：定子串電阻（電抗）降壓起動、定子串自耦變壓器降壓起動、星形—三角形降壓起動等方式；而對于繞線型異步電動機(jī)，還可采用轉(zhuǎn)子串電阻起動或轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動等方式以限制起動電流。 直接啟動就是用閘刀開關(guān)或接觸器把電機(jī)直接接到具有額定電壓的電源上。在變壓 器容量允許的情況下，鼠籠式異步電動機(jī)應(yīng)該盡可能采用全電壓直接起動，既可以提高 控制線路的可靠性，又可以減少電器的維修工作量。電動機(jī)單向起動控制線路常用于只 需要單方向運(yùn)轉(zhuǎn)的小功率電動機(jī)的控制。例如小型通風(fēng)機(jī)、水泵以及皮帶運(yùn)輸機(jī)等機(jī)械設(shè)備 2、 面臨困難及解決辦法。 1. 參閱相關(guān)書籍和資料學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識； 2. 設(shè)計(jì)三項(xiàng)異步電機(jī)降壓啟動模式 3.根據(jù)論文格式完成論文 三、主要參考文獻(xiàn) 1.湯蘊(yùn)璆，《電機(jī)學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社，北京：2003.1 2鄧星鐘,《機(jī)電傳動控制》，華中科技大學(xué)出版社，2001.3 3 秦曾煌,《電工學(xué)》，第五版，高等教育出版社，北京，2005.12. 4 李永東,《交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.5 5. 李欣，《電機(jī)學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社，北京：2003.1 6. 王可,《機(jī)電傳動控制》，華中科技大學(xué)出版社，2001.3 7. 秦輝 ,《電工學(xué)》，第五版，高等教育出版社，北京，2005.12 8.張麗，《交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.5 四、進(jìn)度計(jì)劃 2015.07.01---2015.07.31 查閱資料，完成開題報(bào)告 2015.08.01---2015.08.15 搜集資料，了解三相異步電機(jī)降壓啟動的方法，學(xué)習(xí)變頻器的結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法。 2015.08.16---2015.08.31 學(xué)習(xí)并掌握三相異步電機(jī)降壓啟動方式。 論證并確定設(shè)計(jì)改造方案。 2015.09.01---2015.09.15 對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，畫出接線圖。 2015.09.16---2015.09.30 對控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，畫出梯形圖。 2015.10.01---2015.10.25 整理。 2015.10.26---2015.10.30 提交設(shè)計(jì)。 2015.11.01---2015.11.15 準(zhǔn)備答辯。 五、指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師：費(fèi)維科 2015年8月XX日 摘要 電機(jī)的起動電流近似的與定子的電壓成正比，因此要采用降低定子電壓的辦法來限制起動電流，即為降壓起動。對于因直接起動沖擊電流過大而無法承受的場合，通常采用降壓起動，此時(shí)，起動轉(zhuǎn)矩下降，起動電流也下降，所以只適合必須減小起動電流，又對起動轉(zhuǎn)矩要求不高的場合。常見降壓起動方法：定子串電阻降壓起動、Y/Δ起動控制線路、延邊三角起動、軟啟動及自耦變壓器降壓起動。 當(dāng)負(fù)載對電動機(jī)啟動力矩?zé)o嚴(yán)格要求但要限制電動機(jī)啟動電流且電機(jī)滿足380V/Δ接線條件才能采用降壓啟動。該方法是：在電機(jī)啟動時(shí)將電機(jī)接成星型接線,當(dāng)電機(jī)啟動成功后再將電機(jī)改接成三角型接線（通過雙投開關(guān)迅速切換）；因電機(jī)啟動電流與電源電壓成正比,此時(shí)電網(wǎng)提供的啟動電流只有全電壓啟動電流的1/3，但啟動力矩也只有全電壓啟動力矩的1/3。 在實(shí)際使用過程中,發(fā)現(xiàn)需降壓啟動的電機(jī)從11KW開始就有需要的,如風(fēng)機(jī)，在啟動時(shí)11KW電流在7-9倍(100)A左右,按正常配置的熱繼電器根本啟動不了（關(guān)風(fēng)門也沒用），熱繼電器配大了又起不了保護(hù)電機(jī)的作用，所以建議用降壓啟動。而在一些啟動負(fù)荷較小的電機(jī)上，由于電機(jī)到達(dá)恒速時(shí)間短，啟動時(shí)電流沖擊影響較小，所以在30KW左右的電機(jī)，選用1.5倍額定電流的斷路器直接啟動，長期工作一點(diǎn)問題都沒有。 關(guān)鍵詞：三相異步電動機(jī) 降壓啟動 啟動方法 目錄 摘要 I 目錄 II 第1章 緒論 1 第2章 三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2 2.1 定子的結(jié)構(gòu)組成 2 2.2 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)組成 2 2.3 工作原理 2 第3章 異步電動機(jī)的分類及優(yōu)缺點(diǎn) 3 3.1 三相異步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 3 3.2 異步電動機(jī)存在的缺點(diǎn) 3 第4章 三相異步電機(jī)啟動出現(xiàn)的問題 5 4.1 異步電動機(jī)啟動時(shí)的要求 5 4.2 三相異步電動機(jī)啟動問題 5 4.3 工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械不同的起動條件 6 第5章 三相異步電動機(jī)起動方式 7 5.1 直接啟動 7 5.2 三相異步電動機(jī)的Y—Δ起動控制 8 5.3 定子串電阻降壓起動控制 10 5.4 自耦變壓器降壓啟動 11 5.5 軟啟動 14 結(jié)論 15 致謝 17 參考文獻(xiàn) 18 第1章 緒論 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運(yùn)動而產(chǎn)生感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換。與單相異步電動機(jī)相比，三相異步電動機(jī)運(yùn)行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機(jī)可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點(diǎn)是調(diào)速困難。繞線式三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設(shè)置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機(jī)的起動性能和調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 三相異步電動機(jī)又稱為三相感應(yīng)電動機(jī)，感應(yīng)電動機(jī)是基于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一種交流電動機(jī)。由于轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，因此稱為感應(yīng)電動機(jī)。感應(yīng)電動機(jī)與其它電動機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護(hù)方便，運(yùn)行可靠及重量輕成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外感應(yīng)電動機(jī)還便于派生各防護(hù)型式以使用不同環(huán)境條件的需要，也有較高的效率和較好的工作特性。由于感應(yīng)電動機(jī)具有上述許多優(yōu)點(diǎn)，它是電動機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種電動機(jī)。例如:中小型軋鋼設(shè)備,礦山機(jī)械,機(jī)床,起重運(yùn)輸機(jī)械,鼓風(fēng)機(jī),水泵,和農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械等都大部分采用三相異步電動機(jī)來拖動。 第2章 三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 三相異步電動機(jī)由兩個(gè)基本部分構(gòu)成：固定部分——定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子按其結(jié)構(gòu)可分為鼠籠型和繞線型兩種。 2.1 定子的結(jié)構(gòu)組成 定子由定子鐵心、機(jī)座、定子繞組等部分組成，定子鐵心是異步電動機(jī)磁路的一部分，一般由0.5毫米厚的硅鋼片疊壓而成，用壓圈及扣片固緊，各片之間相互絕緣，以減少渦流損耗。 定子繞組是由帶有絕緣的鋁導(dǎo)線或銅導(dǎo)線繞制而成的，小型電機(jī)采用散下線圈或稱軟繞組，大中型電機(jī)采用成型線圈，又稱為硬繞組。 2.2 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)組成 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部分組成，轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心一樣，也是由0.5毫米硅鋼片疊壓而成。鼠籠型轉(zhuǎn)子的繞組是由安放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的裸導(dǎo)條和兩端的環(huán)形端環(huán)連接而成，如果去掉轉(zhuǎn)子鐵心，繞組的形狀象一個(gè)籠子；繞線型轉(zhuǎn)子的繞組與定子繞組相似，做成三相繞組，在內(nèi)部為星型或三角型。 2.3 工作原理 當(dāng)定子繞組接至三相對稱電源時(shí)，流入定子繞組的三相對稱電流，在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的定子旋轉(zhuǎn)磁場，設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時(shí)，將在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2，電動勢的方向根據(jù)右手定則確定。N極下的電動勢方向用表示，S極下的電動勢用表示，轉(zhuǎn)子電流的有功分量i2a與e2同相位，所以既表示電動勢的方向，又表示電流有功分量的方向。轉(zhuǎn)子電流有功分量與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力fem,根據(jù)左手定則，在N極下的所有電流方向?yàn)榈膶?dǎo)體和在S極下所有電流流向?yàn)榈膶?dǎo)體均產(chǎn)生沿著逆時(shí)針方向的切向電磁力fem,在該電磁力作用下，使轉(zhuǎn)子受到了逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩Me的驅(qū)動作用，轉(zhuǎn)子將沿著旋轉(zhuǎn)磁場相同的方向轉(zhuǎn)動。驅(qū)動轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子軸端拖動的生產(chǎn)機(jī)械的制動轉(zhuǎn)矩相平衡，轉(zhuǎn)子將以恒速n拖動生產(chǎn)機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換，這就是異步電動機(jī)的基本工作原理。  第3章 異步電動機(jī)的分類及優(yōu)缺點(diǎn) 3.1 三相異步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運(yùn)動而產(chǎn)生感生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量變換。與單相異步電動機(jī)相比，三相異步電動機(jī)運(yùn)行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機(jī)可分為籠式和繞線式兩種。籠式轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點(diǎn)是調(diào)速困難。繞線式三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設(shè)置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機(jī)的起動性能和調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 3.2 異步電動機(jī)存在的缺點(diǎn) 3.2.1籠型感應(yīng)電動機(jī)存在下列三個(gè)主要缺點(diǎn)。 （1）起動轉(zhuǎn)矩不大，難以滿足帶負(fù)載起動的需要。當(dāng)前社會上解決該問題的多數(shù)辦法是提高電動機(jī)的功率容量（即增容）來提高其起動轉(zhuǎn)矩，這就造成嚴(yán)重的“大馬拉小車”，既增加購買設(shè)備的投資，又在長期的應(yīng)用中因處于低負(fù)荷運(yùn)行而浪費(fèi)大量電量，很不經(jīng)濟(jì)。第二種辦法是增購液力偶合器，先讓電動機(jī)空載起動，在由液力偶合器驅(qū)動負(fù)載。這種辦法同樣要增加添購設(shè)備的投資，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪費(fèi)3%的電能，因而整個(gè)驅(qū)動裝置的效率很低，同樣浪費(fèi)電量，更何況添加液力偶合器之后，機(jī)組的運(yùn)行可靠性大大下降，顯著增加維護(hù)困難，因此不是一個(gè)好辦法。 （2）大轉(zhuǎn)矩不大，用于驅(qū)動經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)過負(fù)荷的負(fù)載，如礦山所用破碎機(jī)等時(shí)，往往停轉(zhuǎn)而燒壞電動機(jī)。以致只能在輕載狀況下運(yùn)行，既降低了產(chǎn)量又浪費(fèi)電能。 （3）起動電流很大，增加了所需供電變壓器的容量，從而增加大量投資。另一辦法是采用降壓起動來降低起動電流，同樣要增加添購降壓裝置的投資，并且使本來就不好的起動特性進(jìn)一步惡化。 3.2.2 繞線型感應(yīng)電動機(jī) 繞線性感應(yīng)電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相繞組通過集電環(huán)短路。起動時(shí)，為減小起動電流，轉(zhuǎn)子中可以串入起動電阻，轉(zhuǎn)子串入適當(dāng)?shù)碾娮?，不僅可以減小起動電流，而且由于轉(zhuǎn)子功率因數(shù)和轉(zhuǎn)子電流有功分量增大，起動轉(zhuǎn)矩也可增大。這種電動機(jī)還可通過改變外串電阻調(diào)速。繞線型電動機(jī)雖起動特性和運(yùn)行特性兼優(yōu)，但仍存在下列缺點(diǎn)： （1）由于轉(zhuǎn)子上有集電環(huán)和電刷，不僅增加制造成本，并且降低了起動和運(yùn)行的可靠性，集電環(huán)和電刷之間的滑動接觸，是這種電動機(jī)發(fā)生故障的主要原因。特別是集電環(huán)與電刷之間會產(chǎn)生火花，使傳統(tǒng)繞線型電動機(jī)在礦山、井下、石油、華工等防爆要求的場所，對于灰土、粉塵濃度很高的地方，也不敢使用，這就限制了其應(yīng)用范圍。 （2）當(dāng)前的傳統(tǒng)繞線型電動機(jī)為了提高可靠性，多數(shù)不提刷，因此運(yùn)行時(shí)存在下列電能浪費(fèi)：集電環(huán)和電刷間的摩擦損耗和接觸電阻上的電損耗，電刷至控制柜短路開關(guān)間三根電纜的電損耗，若電動機(jī)與控制柜之間距離很長，則該損耗將非常嚴(yán)重。并且由于集電環(huán)與電刷產(chǎn)生碳粉、電火花和噪聲，長期污染周圍環(huán)境，損害管理人員和周圍居民健康。 （3）傳統(tǒng)繞線型電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩比籠型電動機(jī)的有所提高，但仍往往不能滿足滿載起動的需要，以至仍然需要增容而形成“大馬拉小車”。 上述傳統(tǒng)感應(yīng)電動機(jī)存在的嚴(yán)重缺點(diǎn)的根本原因在于“起動”、“運(yùn)行”和“可靠性”三者之間存在難以調(diào)和的矛盾，因此勢必顧此失彼，不可兼優(yōu)。  第4章 三相異步電機(jī)啟動出現(xiàn)的問題 4.1 異步電動機(jī)啟動時(shí)的要求 1）電動機(jī)有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩。 2）一定大小啟動轉(zhuǎn)矩前提下，啟動電流越小越好。 3）啟動所需設(shè)備簡單，操作方便。 4）啟動過程中功率損耗越小越好。 4.2 三相異步電動機(jī)啟動問題 電動機(jī)的起動特性中最主要的是它的起動力矩。設(shè)起動力矩為Ｍ，為了機(jī)組能轉(zhuǎn)動起來，必須大于拖動機(jī)械在n=0時(shí)的靜負(fù)載力矩Ｍ加上靜摩擦阻力。 圖4-1電動機(jī)負(fù)載特性曲線 圖4-1曲線1表示異步機(jī)的M—S曲線，曲線2和3表示兩種不同的負(fù)載特性曲線，為了能轉(zhuǎn)動起來，必須要求a點(diǎn)在b點(diǎn)或c點(diǎn)的上面，否則機(jī)組將轉(zhuǎn)動不起來。根據(jù)力矩平衡關(guān)系可以得出，為了保證能順利加速到額定轉(zhuǎn)速，在整個(gè)起動過程中，必須保持正的加速度，也就要求電動機(jī)的電磁力矩M在整個(gè)起動過程中大于負(fù)載的制動力矩。在相同的慣量下，力矩的差額越大，加速越快。慣量大得機(jī)械，起動就較慢。對于重復(fù)起動的生產(chǎn)機(jī)械來說，加速過程的時(shí)間長短對勞動生產(chǎn)率的影響是很大的。 電動機(jī)起動特性的另一個(gè)問題是起動電流，在起動時(shí)電流的大小可以用等值電路來求得。異步機(jī)在額定電壓下的起動電流常大于額定電流好幾倍。起動電流太大的影響是：一方面將影響電源的電壓，太大的起動電流將產(chǎn)生較大的線路壓降，使得電源電壓在起動時(shí)下降，特別當(dāng)電源容量較小時(shí)電壓降更多，可能影響電源上其它電機(jī)的運(yùn)行。另一個(gè)方面，大的起動電流將在線路及電機(jī)中產(chǎn)生損耗引起發(fā)熱，特別是當(dāng)加速力矩較小，機(jī)組的慣量J較大，起動很慢的情況下，損耗將很多而發(fā)熱也更嚴(yán)重。由上面可以看出，對電動機(jī)起動的要求是不同的，須看負(fù)載的特性，電網(wǎng)的情況等因素而定。有時(shí)要求有大的起動力矩，有時(shí)要求限制起動電流的大小，有時(shí)兩個(gè)要求須同時(shí)滿足?？偟膩碚f，要考慮下列各問題： 1.應(yīng)該有足夠大的起動力矩，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械特性曲線； 2.盡可能小的起動電流； 3.起動的操作應(yīng)該很方便；所用的起動設(shè)備應(yīng)該盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)；起動過程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。 4.3 工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械不同的起動條件 用電動機(jī)拖動的生產(chǎn)機(jī)械有不同的起動條件，有些機(jī)械在起動時(shí)負(fù)載力矩很小，隨著速度的增大力矩漸增大到額定值，這些負(fù)載的例子如鼓風(fēng)機(jī)，它的負(fù)載力矩差不多和轉(zhuǎn)速的平方成正比，起動時(shí)只需克服一些靜摩擦力矩。有些機(jī)械在起動時(shí)負(fù)載力矩就和額定轉(zhuǎn)速時(shí)一樣大，這類的例子像卷揚(yáng)機(jī)等起重設(shè)備。有些機(jī)械則在起動過程中負(fù)載較輕，等速度高起來以后再加上負(fù)載，例如機(jī)床等。此外，起動的頻繁程度也是需要考慮的因素。有些機(jī)械起動次數(shù)少，有些則不斷地停而又再起動。這一切因素都將電動機(jī)起動性能提出不同的要求。 第5章 三相異步電動機(jī)起動方式 三相交流異步電動機(jī)直接起動，雖然控制線路結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便，但起動電流很大（約為正常工作電流的4~7倍），如果電源容量不比電動機(jī)容量大許多倍，則起動電流可能會明顯地影響同一電網(wǎng)中其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，對于鼠籠型異步電動機(jī)可采用：定子串電阻（電抗）降壓起動、定子串自耦變壓器降壓起動、星形—三角形降壓起動等方式；而對于繞線型異步電動機(jī)，還可采用轉(zhuǎn)子串電阻起動或轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動等方式以限制起動電流。 5.1 直接啟動 直接啟動就是用閘刀開關(guān)或接觸器把電機(jī)直接接到具有額定電壓的電源上。在變壓器容量允許的情況下，鼠籠式異步電動機(jī)應(yīng)該盡可能采用全電壓直接起動，既可以提高控制線路的可靠性，又可以減少電器的維修工作量。電動機(jī)單向起動控制線路常用于只需要單方向運(yùn)轉(zhuǎn)的小功率電動機(jī)的控制。例如小型通風(fēng)機(jī)、水泵以及皮帶運(yùn)輸機(jī)等機(jī)械設(shè)備。圖5-1是電動機(jī)單向起動控制線路的電氣原理圖。這是一種最常用、最簡單的控制線路，能實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的起動、停止的自動控制、遠(yuǎn)距離控制、頻繁操作等。 圖5-1電動機(jī)單向起動控制線路的電氣原理圖 直接啟動方法主要受電網(wǎng)配電變壓器的容量限制，過大啟動電流可能會使電壓下降，影響在同一電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常運(yùn)行。一般異步電機(jī)的功率小于7.5千瓦時(shí)允許直接啟動，對于更大容量的電機(jī)能否使用要視配電變壓器的容量和各地電網(wǎng)部門而定。 5.2 三相異步電動機(jī)的Y—Δ起動控制 對于正常運(yùn)行時(shí)電動機(jī)額定電壓等于電源線電壓，定子繞組為三角形連接方式的三相交流異步電動機(jī)，可以采用星形—三角形降壓起動。它是指起動時(shí)，將電動機(jī)定子繞組接成星形，待電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到一定值后，再換成三角形連接。這樣，電動機(jī)起動時(shí)每相繞組的工作電壓為正常時(shí)繞組電壓的1/，起動電流為三角形直接起動時(shí)的1/3。 （1）Y—Δ起動自動控制 圖5-2 三相異步電動機(jī)Y—Δ降壓啟動控制線路圖 三相異步電動機(jī)的Y—Δ起動自動控制如圖5-2所示。 主要元器件介紹： a.起動按鈕（SB2）。手動按鈕開關(guān)，可控制電動機(jī)的起動運(yùn)行。 b.停止按鈕（SB1）。手動按鈕開關(guān)，可控制電動機(jī)的停止運(yùn)行。 c.主交流接觸器（KM1）。電動機(jī)主運(yùn)行回路用接觸器，起動時(shí)通過電動機(jī)起動電流，運(yùn)行時(shí)通過正常運(yùn)行的線電流。 d.Y形連接的交流接觸器（KM3）。用于電動機(jī)起動時(shí)作Y形連接的交流接觸器，起動時(shí)通過Y形連接降壓起動的線電流，起動結(jié)束后停止工作。 e.Δ形連接的交流接觸器（KM2）。用于電動機(jī)起動結(jié)束后恢復(fù)Δ形連接作正常運(yùn)行的接觸器，通過繞組正常運(yùn)行的相電流。 f.時(shí)間繼電器（KT）。控制Y—Δ變換起動的起動過程時(shí)間（電機(jī)起動時(shí)間），即電動機(jī)從起動開始到額定轉(zhuǎn)速及運(yùn)行正常后所需的時(shí)間。 g.熱繼電器（或電機(jī)保護(hù)器FR）。熱繼電器主要設(shè)置有三相電動機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)；電機(jī)保護(hù)器主要設(shè)置有三相電動機(jī)的過負(fù)荷保護(hù)、斷相保護(hù)、短路保護(hù)和平橫保護(hù)等。 控制原理：三相異步電動機(jī)Y—Δ轉(zhuǎn)換啟動的控制原理大致如下： a.按下啟動按鈕SB2后，電源通過熱繼電器FR的動斷接點(diǎn)、停止按鈕SB1的動斷接點(diǎn)、Δ形連接交流接觸器KM2常閉輔助觸頭，接通時(shí)間繼電器KT的線圈使其動作并延時(shí)開始。此時(shí)時(shí)間繼電器KT雖已動作，接點(diǎn)應(yīng)斷開，但其延時(shí)接點(diǎn)是瞬間閉合延時(shí)斷開的（延時(shí)結(jié)束后斷開），同時(shí)通過此KT延時(shí)接點(diǎn)去接通Y形連接的交流接觸器KM3的線圈回路，則交流接觸器KM3帶電動作，其主觸頭去接通三相繞組，使電動機(jī)處于Y形連接的運(yùn)行狀態(tài)；KM3輔助常開觸頭閉合去接通主交流接觸器KM1的線圈。 b.主交流接觸器KM1帶電啟動后，其輔助觸頭進(jìn)行自保持功能（自鎖功能）；而KM1的主觸頭閉合去接通三相交流電源，此時(shí)電動機(jī)啟動過程開始。c.當(dāng)時(shí)間繼電器KT延時(shí)斷開接點(diǎn)（動斷接點(diǎn)）KT的時(shí)間達(dá)到（或延時(shí)到）電動機(jī)啟動過程結(jié)束時(shí)間后，時(shí)間繼電器KT接點(diǎn)隨即斷開。 d.時(shí)間繼電器KT接點(diǎn)斷開后，則交流接觸器KM3失電。KM3主觸頭切斷電動機(jī)繞組的Y形連接回路；同時(shí)接觸器KM3的常閉輔助觸頭閉合，去接通Δ形連接交流接觸器KM2的線圈電源。 e.當(dāng)交流接觸器KM2動作后，其主觸頭閉合，使電動機(jī)正常運(yùn)行于Δ形連接狀態(tài)；而KM2的常閉輔助觸頭斷開使時(shí)間繼電器KT線圈失電，并對交流接觸器KM3聯(lián)鎖。電動機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。f.啟動過程結(jié)束后，電動機(jī)按Δ形連接正常運(yùn)行。 （2）Y—Δ起動手動控制 圖5-3 三相異步電動機(jī)Y—Δ降壓啟動接線圖 Y—Δ起動手動控制接線如圖5-3所示。圖中手動控制開關(guān)SA有兩個(gè)位置，分別是電動機(jī)定子繞組星形和三角形連接。線路動作原理為：起動時(shí)，將開關(guān)SA置于“起動”位置，電動機(jī)定子繞組被接成星形降壓起動，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定值后，再將開關(guān)SA置于“運(yùn)行”位置，使電動機(jī)定子繞組接成三角形，電動機(jī)全壓運(yùn)行。 對于正常運(yùn)行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動機(jī)來說，如果在起動時(shí)將定子繞組接成星形，待起動完畢后再接成三角形，就可以降低起動電流，減輕它對電網(wǎng)的沖擊。這樣的起動方式稱為星三角降壓起動，或簡稱為星三角起動（Y-Δ 起動）。采用星三角起動時(shí)，起動電流只是原來按三角形接法直接起動時(shí)的1/3。如果直接起動時(shí)的起動電流以6～7Ie 計(jì)，則在星三角起動時(shí)，起動電流才2～2.3倍。這就是說采用星三角起動時(shí)，起動轉(zhuǎn)矩也降為原來按三角形接法直接起動時(shí)的1/3。適用于無載或者輕載起動的場合。并且同任何別的降壓起動器相比較，其結(jié)構(gòu)最簡單，價(jià)格也最便宜。除此之外，星三角起動方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，可以讓電動機(jī)在星形接法下運(yùn)行。此時(shí)，額定轉(zhuǎn)矩與負(fù)載可以匹配，這樣能使電動機(jī)的效率有所提高，并因之節(jié)約了電力消耗。缺點(diǎn)是啟動力矩小，僅適用于無載或輕載啟動。 5.3 定子串電阻降壓起動控制 定子串電阻(電抗)降壓起動是指起動時(shí)，在電動機(jī)定子繞組上串聯(lián)電阻(電抗)，起動電流在電阻上產(chǎn)生電壓降，使實(shí)際加到電動機(jī)定子繞組中的電壓低于額定電壓，待電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定值后，再將串聯(lián)電阻(電抗)短接，使電動機(jī)在額定電壓下運(yùn)行。 圖5-4 定子串電阻降壓起動控制線路 由上圖可見，按下起動按鈕SB2后，電動機(jī)M先串電阻R降壓起動，經(jīng)一定延時(shí)（由時(shí)間繼電器KT確定）后，全壓運(yùn)行。且在全壓運(yùn)行期間，時(shí)間繼電器KT和接觸器KM1線圈均斷電，不僅節(jié)省電能，而且增加了電器的使用壽命。 在鼠籠式電動機(jī)的定子繞組中串電阻（或電抗）而降壓起動的方法。起動時(shí)將電阻（或電抗）串入鼠籠式電動機(jī)定子繞組中降低電壓起動，待電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定值后再將電阻（或電抗）短路，電動機(jī)在額定電壓下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電阻（或電抗）降壓起動法，只適用于起動轉(zhuǎn)矩較小，而起動次數(shù)不太頻繁的電動機(jī)上。 5.4 自耦變壓器降壓啟動 對于容量較大且正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成星形的籠型異步電動機(jī)，可采用自耦變壓器降壓起動。它是指起動時(shí)，將自耦變壓器接入電動機(jī)的定子回路，待電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到一定值后，再切除自耦變壓器，使電動機(jī)定子繞組獲正常工作電壓。這樣，起動時(shí)電動機(jī)每相繞組電壓為正常工作電壓的1 / K 倍（K ——自耦變壓器的匝數(shù)比。K = N1 / N2 ），起動電流也為全壓起動電流的1 / K2倍。 （1）電動機(jī)自耦降壓啟動（自動控制接線圖） 圖5-5 電動機(jī)自耦降壓起動接線圖 圖5-5是交流電動機(jī)自耦降壓啟動自動切換控制接線圖，自動切換靠時(shí)間繼電器完成，用時(shí)間繼電器切換能可靠地完成由啟動到運(yùn)行的轉(zhuǎn)換過程，不會造成啟動時(shí)間的長短不一的情況，也不會因啟動時(shí)間長造成燒毀自耦變壓器事故 控制過程如下： a、合上空氣開關(guān)QF接通三相電源。 b、按啟動按鈕SB2交流接觸器KM1線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦變壓器線圈接成星形，與此同時(shí)由于KM1輔助常開觸點(diǎn)閉合，使得接觸器KM2線圈通電吸合，KM2的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓低壓抽頭（例如65％）將三相電壓的65％接入電動。 c、KM1輔助常開觸點(diǎn)閉合，使時(shí)間繼電器KT線圈通電，并按已整定好的時(shí)間開始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間到達(dá)后，KT的延時(shí)常開觸點(diǎn)閉合，使中間繼電器KA線圈通電吸合并自鎖。 d、由于KA線圈通電，其常閉觸點(diǎn)斷開使KM1線圈斷電，KM1常開觸點(diǎn)全部釋放，主觸頭斷開，使自耦變壓器線圈封星端打開；同時(shí) KM2線圈斷電，其主觸頭斷開，切斷自耦變壓器電源。KA的常閉觸點(diǎn)閉合，通過KM1已經(jīng)復(fù)位的常閉觸點(diǎn)，使KM3線圈得電吸合，KM3主觸頭接通電動機(jī)在全壓下運(yùn)行。 e、KM1的常開觸點(diǎn)斷開也使時(shí)間繼電器KT線圈斷電，其延時(shí)閉合觸點(diǎn)釋放，也保證了在電動機(jī)啟動任務(wù)完成后，使時(shí)間繼電器KT可處于斷電狀態(tài)。 f、欲停車時(shí)，可按SB1則控制回路全部斷電，電動機(jī)切除電源而停轉(zhuǎn)。 g、電動機(jī)的過載保護(hù)由熱繼電器FR完成。 （2）電動機(jī)自耦降壓啟動（手動控制接線） 圖5-6 電動機(jī)自耦降壓起動接線圖 自耦變壓器降壓起動手動控制接線如圖5—6所示，圖中操作手柄有三個(gè)位置：“停止”、“起動”和“運(yùn)行”。操作機(jī)構(gòu)中設(shè)有機(jī)械連鎖機(jī)構(gòu)，它使得操作手柄未經(jīng)“起動”位置就不可能扳到“運(yùn)行”位置，保證了電動機(jī)必須先經(jīng)過起動階段以后才能投入運(yùn)行。 動作原理為：當(dāng)操作手柄置于“停止”位置時(shí)，所有的動、靜觸點(diǎn)都斷開，電動機(jī)定子繞組斷電，停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)操作手柄向上推至“起動”位置時(shí)，起動觸點(diǎn)和中性觸點(diǎn)同時(shí)閉合，電流經(jīng)起動觸點(diǎn)流入自耦變壓器，再由自耦變壓器的65%（或85%）抽頭處輸出到電動機(jī)的定子繞組，使定子繞組降壓起動。隨著起動的進(jìn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高到接近額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，可將操作手柄扳到“運(yùn)行”位置，此時(shí)起動工作結(jié)束，電動機(jī)定子繞組得到電網(wǎng)額定電壓，電動機(jī)全壓運(yùn)行。 停止時(shí)須按下SB按鈕，使失壓脫扣器的線圈斷電而造成銜鐵釋放，通過機(jī)械脫扣裝置將運(yùn)行觸點(diǎn)斷開，切斷電源。同時(shí)也使手柄自動跳回到“停止”位置，為下一次起動做準(zhǔn)備。 自耦變壓器備有65%和85%兩擋電壓觸頭，出廠時(shí)接在65%觸頭上，可根據(jù)電動機(jī)的負(fù)載情況選擇不同的起動電壓。自耦變壓器只在起動過程中短時(shí)工作，在起動完畢后應(yīng)從電源中切除。 5.5 軟啟動 以上幾種降壓啟動的方法是有級啟動，啟動的平滑性不高，應(yīng)用一些自動控制線路組成的軟啟動器可以實(shí)現(xiàn)鼠籠式異步電機(jī)的無級平滑運(yùn)動，這種方法稱為軟啟動。軟啟動分為磁控式和電子式兩種。磁控式故障率高，已被電子式取代。 啟動過程電機(jī)所加的電壓不是一個(gè)固定值，軟啟動裝置輸出電壓按指定要求上升，被控電機(jī)電壓由零安指定斜率上升至全電壓，轉(zhuǎn)速相應(yīng)由零上升到規(guī)定轉(zhuǎn)速。軟啟動能保證電機(jī)在不同負(fù)載下平滑啟動，減少電機(jī)啟動對電網(wǎng)沖擊，又降低對自身承受的較大結(jié)構(gòu)沖擊力。 軟啟動可以設(shè)定起始電壓、上升方式、啟動電流倍數(shù)等參數(shù)，以適用重載、輕載啟動不同情況。 結(jié)論 異步電動機(jī)的起動問題是它在運(yùn)行中的一個(gè)特殊問題。常用的方法有自耦變壓器降壓起動、Y-Δ起動、軟起動、定子串電阻降壓起動等。 　　在電網(wǎng)和負(fù)載兩方面都允許全壓直接起動的情況下，鼠籠式異步電動機(jī)仍以直接起動為宜，因?yàn)椴倏v控制方便，而且比較經(jīng)濟(jì)。自耦降壓起動器是經(jīng)常被用來起動較大容量鼠籠式異步電動機(jī)的降壓起動裝置。雖然自耦降壓起動器是一種老式的起動設(shè)備，但利用自耦變壓器的多觸頭降壓，既能適應(yīng)不同負(fù)載起動的需要，又能得到更大的起動轉(zhuǎn)矩，加之還因裝設(shè)有熱繼電器和低電壓脫扣器而具有較完善的過載和失壓保護(hù)，所以，至今仍被廣泛應(yīng)用。直接起動固然起動轉(zhuǎn)矩較大，對于重型負(fù)載有利，但對一般的輕型負(fù)載來說,就有可能發(fā)生機(jī)械沖擊，從而導(dǎo)致傳動皮帶被撕裂、齒輪被打壞等事故。盡管直接起動方法簡單，起動設(shè)備也簡單，價(jià)格便宜，但為了限制電壓和機(jī)械的沖擊，以及保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，在某種場合，就得采取降壓起動方式，或者在繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入阻抗進(jìn)行起動。 　　星三角起動，對于正常運(yùn)行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動機(jī)來說，如果在起動時(shí)將定子繞組接成星形，待起動完畢后再接成三角形，就可以降低起動電流，減輕它對電網(wǎng)的沖擊。采用星三角起動方式時(shí)，電流特性很好，而轉(zhuǎn)矩特性較差，所以客觀存在只適用于無載或者輕載起動的場合。換句話說，由于起動轉(zhuǎn)矩小，星三角起動的優(yōu)點(diǎn)還是很顯著的，因?yàn)榛谶@個(gè)起動原理的星三角起動器，同任何別的降壓起動器相比較，其結(jié)構(gòu)最簡單，價(jià)格也最便宜。除此之外，星三角起動方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，可以讓電動機(jī)在星形接法下運(yùn)行。此時(shí)，額定轉(zhuǎn)矩與負(fù)載可以匹配，這樣能使電動機(jī)的效率有所提高，并因之節(jié)約了電力消耗。眾所周知，自耦降壓起動器的最大優(yōu)點(diǎn)是起動轉(zhuǎn)矩較大，當(dāng)其繞組觸頭在80%處時(shí)，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)直接起動時(shí)的64%。設(shè)電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩為其額定轉(zhuǎn)矩的1.4倍，則在降壓起動時(shí)，線電流為直接起動時(shí)的64%，起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的90%。然而據(jù)調(diào)查，自耦降壓起動器多半工作于65%觸頭處，而且起動也頗順利。根據(jù)分析，此時(shí)電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩為直接起動時(shí)的42%，與星三角起動時(shí)的1/3比較，只不過大8～9%而已?？梢灶A(yù)計(jì)，在這種場合采用星三角起動器也未嘗不可，何況實(shí)際上也有飼料粉碎機(jī)、水泵等采用星三角降壓起動而運(yùn)轉(zhuǎn)正常的例子。如果顧及到高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機(jī)的推廣，星三角起動方式的應(yīng)用更有著廣闊的前景。 　　綜上，并非所有的場合采用降壓方式都是有利的。因?yàn)椴扇〗祲浩饎臃绞?，一方面要增設(shè)起動設(shè)備，從而增加了投資；另一方面，有些拖動系統(tǒng)常常需要正反轉(zhuǎn)，也有些系統(tǒng)操作很頻繁，這都要求縮短起動時(shí)間，以提高勞動生產(chǎn)率。所以必須針對具體使用要求對起動方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)籌考慮，合理地選擇起動方式和相應(yīng)的起動設(shè)備。 致謝 在此論文的寫作期間，得到課題設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師悉心的指導(dǎo)和精心的幫助，并在實(shí)習(xí)時(shí)也得到實(shí)習(xí)老師的幫助，在此向各老師表示深深的感謝。同時(shí)我也得到裝備制造系同學(xué)的大力支持及學(xué)長們的無私幫助。通過本次課題設(shè)計(jì)我也學(xué)到了不少新的東西，也發(fā)現(xiàn)了大量的問題，有些在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)解決，有些還有待今后慢慢學(xué)習(xí)。只要學(xué)習(xí)就會有更多的問題，有更多的難點(diǎn)，但也會有更多的收獲。另外本文參考了多篇論文，在此表示感謝！ 參考文獻(xiàn) 1. 湯蘊(yùn)璆，《電機(jī)學(xué)》，機(jī)械工業(yè)出版社，北京：2003.1 2. 鄧星鐘,《機(jī)電傳動控制》，華中科技大學(xué)出版社，2001.3 4. 秦曾煌,《電工學(xué)》，第五版，高等教育出版社，北京，2005.12 3. 李永東,《交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.5