論3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能

王灝　梁國斌 姚非

摘 要：對于小功率可直接啟動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)來說，其啟動(dòng)性能對電網(wǎng)和負(fù)載都具有一定的危害性。針對3kW及其以下直接起動(dòng)的小功率異步電動(dòng)機(jī)，解析了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)理，并對其起動(dòng)性能的相關(guān)影響因素進(jìn)行了提取和分析。

關(guān)鍵詞：小功率；異步電動(dòng)機(jī)；起動(dòng)性能

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.05.090

1 引言

目前，我國3kW及其以下的小功率電機(jī)是允許直接起動(dòng)，但是電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生較大的起動(dòng)電流，對電網(wǎng)與負(fù)載都有較大的影響，歸結(jié)起來其危害性主要為以下幾點(diǎn)：（1）電機(jī)起動(dòng)大電流會引起電網(wǎng)電壓的急劇下降，影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運(yùn)行。（2）電機(jī)起動(dòng)大電流會對電網(wǎng)帶來沖擊，引發(fā)功率振蕩，使電網(wǎng)失去穩(wěn)定。（3）由于起動(dòng)電流中含有大量的高次諧波，會與電網(wǎng)電路相關(guān)參數(shù)引發(fā)高頻諧振，造成繼電保護(hù)誤動(dòng)作、自動(dòng)控制失靈等故障。（4）電機(jī)起動(dòng)的大電流產(chǎn)生的焦耳熱和機(jī)械力，不僅加速電機(jī)絕緣老化，而且使導(dǎo)線相互摩擦增大，降低了電機(jī)使用的壽命。（5）電機(jī)起動(dòng)大電流在電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會造成線圈變形、夾緊松動(dòng)等故障。（6）電機(jī)起動(dòng)產(chǎn)生很大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，會加速齒輪磨損、風(fēng)葉疲勞等。

2 異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)理

異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中一般轉(zhuǎn)速會比穩(wěn)定時(shí)偏高，輸入電流偏大，這由電機(jī)的起動(dòng)特性決定的。

2.1 異步電動(dòng)機(jī)的單相理論模型

依據(jù)折算前電機(jī)各物理量之間的關(guān)系可得到轉(zhuǎn)子經(jīng)頻率、繞組折算后至定子側(cè)的電機(jī)T型等效電路圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)等效電路圖

圖1中三相電機(jī)等效電路的基本方程為：

其中，R1是定子繞組電阻，X1是定子繞組漏抗，R2是折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻，X2是折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏抗，Rm是鐵耗等效電阻，Xm是勵(lì)磁電抗，S是轉(zhuǎn)差率。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)描述

如圖2所示，當(dāng)合閘瞬間，轉(zhuǎn)子因慣性還未能轉(zhuǎn)起來時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場以最大的切割速度（同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組）使轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)可能達(dá)到的最高的電勢，因而，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中流過很大的電流，這個(gè)電流產(chǎn)生抵消定子磁場的磁能，而定子方面為了維護(hù)與該時(shí)電源電壓相適應(yīng)的原有磁通，遂自動(dòng)繼續(xù)增大電流。因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)子的電流很大，故定子電流也增得很大，甚至高達(dá)額定電流的4～8倍，這就是起動(dòng)電流大的緣由。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增高，定子磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的速度也減小，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢減小，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電流也減小，于是定子電流中用來抵消轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的磁通的影響的那部分電流也減小，所以定子電流就從大到小的變化，直到正常。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，瞬間對電機(jī)進(jìn)行重新斷電、通電試驗(yàn)，若起停間隔時(shí)間為mS（毫秒）級，可認(rèn)為電機(jī)仍保持穩(wěn)態(tài)電流值大小不變。

3 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的相關(guān)性分析

影響異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的因素歸結(jié)起來可分為三個(gè)要素，即起動(dòng)電流大小、起動(dòng)時(shí)間長短與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小。下面從這三個(gè)方面分析起動(dòng)電流影響參數(shù)。

3.1 起動(dòng)電流分析

由上述公式（1）可得出含有轉(zhuǎn)差率的定子側(cè)輸入電流公式為：

增大負(fù)載，相當(dāng)于在負(fù)載端并聯(lián)電阻，從而減小負(fù)載端總電阻。由公式（2）可知，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速為0，轉(zhuǎn)差率為1，則電機(jī)起動(dòng)瞬間電流公式為：

由公式（2）、（5）可以看出，在同一電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間，電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電流為最大值。即在電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率有冗余的情況下，電機(jī)起動(dòng)電流的相關(guān)參數(shù)分別為輸入電壓、定子側(cè)阻抗和轉(zhuǎn)子側(cè)阻抗（包括負(fù)載阻抗）。

異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流在經(jīng)過起動(dòng)瞬間電流峰值后電流呈現(xiàn)逐步下降趨勢，直至電動(dòng)機(jī)完全起動(dòng)結(jié)束趨于短時(shí)平穩(wěn)。也就是，隨著電機(jī)帶載運(yùn)行至起動(dòng)結(jié)束階段，再從起動(dòng)結(jié)束運(yùn)行至熱穩(wěn)定階段，在這兩個(gè)階段，電動(dòng)機(jī)的輸入電流均會有不同程度的下降，前者一般下降幅度較大，后者下降幅度較小。而起動(dòng)電流的大小是導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱故障的主要原因之一。

3.2 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析

電機(jī)的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式為：

由公式（6）可知，電機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載、轉(zhuǎn)差率S相關(guān)，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速為0，轉(zhuǎn)差率為1，則電機(jī)起動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)矩公式應(yīng)為：

由公式（7）可以看出，電機(jī)的瞬間起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的相關(guān)參數(shù)為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)、輸入頻率、輸入電壓、定子側(cè)阻抗和轉(zhuǎn)子側(cè)阻抗。

電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩除了與電動(dòng)機(jī)自身的因素有關(guān)，還與電機(jī)的負(fù)載大小、電源電壓和頻率息息相關(guān)。因此，它直接影響著電動(dòng)機(jī)的帶載能力。

3.3 起動(dòng)時(shí)間分析

由圖3可以看出，異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，起動(dòng)電流瞬間達(dá)到峰值，然后隨著起動(dòng)時(shí)間的增加而明顯下降至起動(dòng)結(jié)束后達(dá)到短時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。在電機(jī)直接起動(dòng)過程中，起動(dòng)電流較大，一般能達(dá)到額定電流的4～8倍，因此，起動(dòng)時(shí)間的長短，直接影響著電動(dòng)機(jī)的電沖擊和發(fā)熱。若起動(dòng)時(shí)間過短，則電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)瞬間電沖擊較大，影響電機(jī)絕緣性能；若起動(dòng)時(shí)間過長，電動(dòng)機(jī)會在較長時(shí)間內(nèi)運(yùn)行較大的電流，發(fā)熱嚴(yán)重，絕緣性能也容易遭到破壞，而導(dǎo)致電機(jī)損壞。合理的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，有利于提高電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

4 結(jié)語

通過對異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流、起動(dòng)時(shí)間與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的深入分析，可以對異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能進(jìn)行更加直觀合理的理解，為下面幾方面的工作帶來了便利。

（1）提高了設(shè)計(jì)技術(shù)人員解決異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)問題的效率，對異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)合理性和可用性都有一定的指導(dǎo)作用。

（2）提高了應(yīng)用技術(shù)人員對異步電動(dòng)機(jī)的檢驗(yàn)?zāi)芰凸收显\斷能力，可以對異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程帶來的危害性加以預(yù)防和降低。

（3）使不了解異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的使用者，對異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能有了初步的認(rèn)識，減少由于使用不當(dāng)造成電機(jī)的損壞概率。例如：頻繁起動(dòng)等。

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