2.3 三相交流异步电动机的启动

启动是指电动机通电后转速从开始逐渐加速到正常运转的过程。

三相异步电动机启动时，一般要求：启动转矩大；启动电流小；启动时间短；启动方法与设备简单、经济；操作简便。实际的三相异步电动机启动转矩偏小且启动电流大（可达额定电流的4～7 倍），其影响主要表现在：大启动电流冲击电网设备，导致设备发热及电网电压下降，影响同网其他负载正常工作；启动转矩小造成启动过程缓慢，冲击时间长。一般需要根据电动机及负载的要求采取相应的启动措施。

2.3.1 笼型异步电动机的启动

笼型电动机的启动方式包括全压启动、降压启动和特殊转子结构的笼型电动机启动。

1.全压启动

全压启动就是将电机直接接入电网，在定子绕组承受额定电压情况下启动，又称直接启动。一般容量的电源可允许7.5kW以下异步电机直接启动，如果供电变压器的容量较大，对7.5kW以上并且启动电流比满足以下经验公式的异步电机也可直接启动。

2.降压启动

对不满足全压启动条件的笼型电机，需要降压启动后再切换至全压运行。降压措施有：定子串电阻或电抗降压、星形—三角形降压、自耦变压器降压、延边三角形降压等。

（1）定子串电阻或电抗降压启动

这种启动措施通过电阻或电抗的分压作用降低定子绕组电压。设全压时定子电压为U1，降压后的定子绕组电压、电流和启动转矩分别为U1′、Ist′、Tst′，U1′=kU1。根据启动电流、启动转矩与电压的关系可得

可以看出这种启动方式下，启动转矩下降幅度更大，一般适用于空载或轻载启动。

（2）星形-三角形（Y-△）降压启动

启动时电机作Y接法，启动结束后电机以△接法全压运行。设星形、三角形接法下电机的启动电流、启动转矩分别为：IstY、TstY，Ist△、Tst△，有

Y-△启动方法简单，线路换接方便，转矩与电流下降比例均为1/3且不能调整，一般用于空载或轻载场合，并且只有正常运行接法为△的笼型电机才能使用Y-△启动。

（3）自耦变压器降压启动

采用自耦变压器（又称启动补偿器）降压启动时，自耦变压器的抽头一般有几个可选择，所以适用于不同容量的电机在不同负载启动时使用。这种启动方式的缺点是：启动设备体积大且笨重、价格高、维护检修工作量大。自耦变压器启动时的原理接线与一相电路如图2.11所示。

设电机全压时的电压与启动电流为 U1、Ist，自耦变压器的降压比例为：k=U′/U1=N2/N1，流过电机绕组的启动电流为Ist′′，反映到自耦变压器原边的启动电流为Ist′，则

故

（4）延边三角形降压启动

这种电机的每相绕组都带有中心抽头，抽头比例可按启动要求在制造电机前确定。启动时的接法如图2.12（a）所示，部分绕组作△连接，其余绕组向外延伸，所以称为延边三角形启动。启动中降压比例取决于抽头比例，绕组延伸部分越多则降压比越大。启动结束后，将电机的三相中心抽头断开并使绕组依次首尾相接以△接法运行，如图2.12（b）所示。延边三角形降压启动主要用于专用电机上。

3.深槽型和双笼型异步电动机启动

深槽型和双笼型异步电动机采用特殊的转子笼型绕组结构来改善启动性能，它们都利用电流的集肤效应使电动机启动时转子绕组的电阻变大，从而降低启动电流、增大启动转矩。

（1）深槽型异步电动机

深槽型电动机的转子槽型深而窄，深宽比是普通电动机的2～4倍。转子电流产生的漏磁通与槽底部分交链多而槽口部分较少，故槽口部分漏磁通很小，电流主要从槽口部分流过（即电流趋于表面），这就是所谓的“集肤效应”。深槽型电动机的转子槽型、漏磁通、转子电流分布及机械特性如图2.13所示。

集肤效应使导条的有效截面积减小，导条电阻增大。由于转子漏电抗正比于转子电流频率，启动时，s=1，f2=f1，集肤效应最明显，转子电阻显著增大，机械特性临界点下移导致启动转矩增大，同时启动电流减小。启动结束后电机进入高速运行状态，f2=sf1，f2很小，集肤效应基本消失，转子电流近似均匀分布，机械特性基本不受影响，特性如图2.13中曲线2所示（普通异步电机的特性如曲线1所示）。

（2）双笼型异步电动机

双笼型电机的转子有内、外两套笼型绕组（分别称为工作笼和启动笼）。外笼导条截面小且以电阻率较大的黄铜材料制造；内笼导条截面大并由导电性好的紫铜材料制成。启动时，强烈的集肤效应使转子电流流过电阻较大的外笼（启动笼），启动转矩大且启动电流小，外笼对电动机的启动性能影响大。高速运行时，电流主要流经电阻很小的内笼（工作笼），电动机的运行特性受内笼影响大。双笼型电动机机械特性由启动笼特性和工作笼特性合成，图2.14所示分别为双笼型电动机的转子结构、漏磁通分布及机械特性。特性图中，曲线1、2、3 分别为启动笼特性、工作笼特性和合成的机械特性。

深槽型和双笼型异步电动机正常工作时的转子电流远离转子铁芯表面，转子漏电抗比普通笼型电动机大，电动机运行时的功率因数、过载能力偏低并且结构复杂、价格偏高。

2.3.2 绕线式异步电动机的启动

异步电动机转子电阻对机械特性有很大影响。绕线式电动机通过滑环、电刷结构可将外界启动设备接入转子绕组，从而改善电动机的启动性能。它的突出优点是：可根据不同的负载需要设计相应的启动过程。

1.转子串电阻分级启动

启动过程中转子外接启动电阻通过分级短接（根据需要进行手动或自动切除），启动结束后由绕线式电机的提刷短路装置切除启动设备，电机进入固有特性运行，这就是转子串电阻分级启动，其原理接线与机械特性如图2.15所示。

电机启动时，转子外接全部启动电阻，这时的转子总电阻为：R3=（r2+Rst1+Rst2+Rst3），机械特性临界点下移量最大，电机以启动转矩Tst1从a点开始启动并沿R3机械特性上升。随着转速上升，转矩开始下降，电机状态到达b点（转矩为Tst2）后，为增大启动转矩、加快启动过程，将第三级启动电阻短接切除，转子总电阻变为 R2=（r2+Rst1+Rst2）。由于惯性作用，电机状态在同转速下切换至R2特性上的b点并沿R2特性上升，直至最后依次切除Rst2、Rst1，电机沿固有特性加速至额定状态（h′点）。

转子串电阻分级启动方式下要求选择合理的最大启动转矩 Tst1和切换转矩 Tst2时，如果Tst1和Tst2相差较小，则启动过程中转矩变化小，电流与机械冲击小，启动较为平稳但启动电阻级数多，导致切换与控制复杂、冲击频繁；若Tst1和Tst2相差较大则相反。一般取：Tst1=（1.4～2.0）TN；Tst2=（1.1～1.2）TN。

2.转子串频敏变阻器启动

分级启动的缺点主要是：启动设备维护复杂，有冲击，启动过程不平滑。转子串频敏变阻器启动则可根据启动过程中的电机转速自动调整频敏变阻器参数，从而实现平滑启动。图2.16中（a）和（b）所示即为频敏变阻器结构及转子串频敏变阻器后相应的每相等效电路。

频敏变阻器由整块的厚钢板叠压而成，绕组作星形连接，相当于三个共磁路且参数可调的电感线圈。转子电流流经频敏变阻器绕组产生的交变磁通在铁芯中引起大量的铁损耗（主要是涡流损耗），相当于转子外接电阻的功率消耗。忽略漏阻抗时，频敏变阻器在电路上可等效励磁电阻rpz与励磁电抗Xpz的串联。铁耗正比于转子电流频率的平方。启动时，n=0，s=1，f2=f1，铁耗很大，相当于等值的励磁电阻很大，可以提高启动转矩并降低启动电流；随转速上升，f2=sf1，f2逐渐减小，rpz与Xpz也平滑地减小，因而具有较好的启动性能。为适应不同的负载需求，频敏变阻器的铁芯气隙可调，结合选择适当的绕组抽头后可得到启动转矩近似恒定的启动特性，如图2.16（c）中的曲线2就是转子串频敏变阻器启动的机械特性，曲线1则是绕线式电机的固有机械特性。