張乃標(biāo)

(棗莊學(xué)院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方案選擇

張乃標(biāo)

(棗莊學(xué)院物理與電子工程系,山東棗莊 277160)

本文介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和常用起動(dòng)方法的特點(diǎn),分析了不同負(fù)載對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求,推薦了各種負(fù)載情況下的優(yōu)選起動(dòng)方案.

電動(dòng)機(jī);起動(dòng);方案選擇＊

0 引言

由于電能的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、輸送和分配比較方便,電動(dòng)機(jī)的類型和規(guī)格繁多,性能各異,可以充分地滿足各類生產(chǎn)機(jī)械的需要,并且電機(jī)易于控制,便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,因此絕大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng).因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜,而且性能良好、運(yùn)行可靠,所以電力拖動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是三相異步電動(dòng)機(jī).每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都存在著起動(dòng)問題,面對(duì)不同的負(fù)載要使電動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就必須選擇合理的起動(dòng)方案.

1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能

1.1 起動(dòng)性能指標(biāo)

三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能包括下列幾項(xiàng):(1)起動(dòng)電流倍數(shù);(2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù); (3)起動(dòng)時(shí)間;(4)起動(dòng)時(shí)繞組中消耗的能量和繞組的發(fā)熱;(5)起動(dòng)設(shè)備的簡單性和可靠性;(6)起動(dòng)時(shí)的過渡過程.其中最重要的是起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小.

1.2 起動(dòng)性能分析

普通的三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí),往往起動(dòng)電流Ist很大,而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst較小.因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T=CTΦmI2coφs2,其中轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子功率因數(shù)co sφ2轉(zhuǎn)矩常數(shù)C由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定,Φ為電機(jī)氣隙磁場磁通最Tm大值.上述公式中s為轉(zhuǎn)差率,R2為轉(zhuǎn)子電阻,X2、E2分別為轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的電抗和電動(dòng)勢(shì).

由于起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差率較大(起動(dòng)瞬間s=1),轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很小,所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大,但轉(zhuǎn)子繞組中

的電流很大,從而使得定子繞組中的電流相應(yīng)增大,一般為額定電流的4～7倍,這么大的起動(dòng)電流起動(dòng)瞬間將產(chǎn)生較大的壓降,使電網(wǎng)電壓波動(dòng)過大,影響電網(wǎng)上其它電機(jī)和設(shè)備的正常運(yùn)行,而且過大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)本身受到電磁力的沖擊,如果經(jīng)常起動(dòng)便造成繞組過熱而使絕緣老化,減少使用壽命,而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠?qū)⑹闺妱?dòng)機(jī)根本無法起動(dòng).

2 常用起動(dòng)方法性能比較

2.1 三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)常用起動(dòng)方法比較

起動(dòng)方法全壓起動(dòng)ㄚ-Δ轉(zhuǎn)換減壓定子電路串電阻或電抗減壓自耦變壓器減壓定子線電壓UNUNkUNKAUN定子相電壓UNP1 3UNkUNPKAUNP定子相電流I1PI1Pk I1PKAI1P定子線電流I11 3 13 I1k I1KA1t電源電流I113I1k I1K2AI1起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst13Tstk2TstK2ATst特點(diǎn)簡單方便, Ist大,Tst不大.設(shè)備簡單,費(fèi)用低,Ist較小,Tst小.費(fèi)用較大,Ist較小,Tst較大.可靈活選擇電壓. Ist較小,Tst較小;串接電阻時(shí)損耗大.

表中k為起動(dòng)電壓與額定電壓之比,KA為自耦變壓器的降壓比.

2.2 三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)常用起動(dòng)方法比較

起動(dòng)方法轉(zhuǎn)子電路串固體電阻轉(zhuǎn)子電路串頻敏電阻轉(zhuǎn)子電路串液體電阻起動(dòng)電流小較大小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大較小大起動(dòng)時(shí)間短較長短允許時(shí)間較短短長能量消耗較低較高低起動(dòng)溫升較高高低平滑性差較好好適應(yīng)范圍較小小廣

3 不同負(fù)載情況下的起動(dòng)方案選擇

3.1 小功率三相異步電動(dòng)機(jī)的輕載起動(dòng)

小功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流盡管可能達(dá)到額定電流的7倍,但與電源容許電流相比是較小的,不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成過大的沖擊,而輕載起動(dòng)需要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又比較低,因此小功率三相異步電動(dòng)機(jī)(一般規(guī)定7.5kW以下)輕載時(shí)可以直接起動(dòng)(全壓起動(dòng)),7.5 kW以上必須滿足如下條件:

如果不能滿足上述要求或起動(dòng)過于頻繁者,必須采取措施以限制起動(dòng)電流.

3.2 大功率三相異步電動(dòng)機(jī)的輕載起動(dòng)

大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成比較大的沖擊,因此這時(shí)的主要問題是電流,降低電流的方法主要靠降低電壓.起動(dòng)電流:

式中U1為定子相電壓,R′2、X′2為等效折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電抗.

降壓起動(dòng)時(shí),起動(dòng)電流與定子電壓成比例降低,待轉(zhuǎn)速升高到一定值,恢復(fù)全電壓.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩:

式中KT是由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的常數(shù),p為電機(jī)極對(duì)數(shù),f1為定子電壓頻率.

可見通過降低電壓減小起動(dòng)電流時(shí),起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之減小,而且比起動(dòng)電流降低的幅度更大,因此減壓起動(dòng)只適用于空載或輕載起動(dòng)的電動(dòng)機(jī).常用的方法有ㄚ-Δ轉(zhuǎn)換減壓、定子電路串電阻或電抗減壓、自耦變壓器減壓.

ㄚ-Δ轉(zhuǎn)換減壓起動(dòng),設(shè)備簡單、體積小、無損耗,起動(dòng)電流小,但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,不能按不同的負(fù)載選擇起動(dòng)電壓,且只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為三角形接法的電動(dòng)機(jī).定子串電阻或電抗減壓起動(dòng)方法簡單,但串電阻起動(dòng)耗能較多,主要用于低壓電動(dòng)機(jī),串電抗起動(dòng)投資較大,主要用于高壓大功率電動(dòng)機(jī).自耦變壓器減壓起動(dòng)不受電動(dòng)機(jī)繞組連接的影響,可以根據(jù)需要選擇分接頭,但設(shè)備體積大,投資高,維護(hù)麻煩,適用于容量較大帶較重負(fù)載起動(dòng)且不頻繁的場合.

3.3 小功率三相異步電動(dòng)機(jī)的重載起動(dòng)

這種情況的主要問題是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足,而小功率三相異步電動(dòng)機(jī)一般為鼠籠型,解決的辦法是用特殊電機(jī)獲得高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,主要有高轉(zhuǎn)差率電機(jī)、深槽式電機(jī)和雙籠型電機(jī).從上述起動(dòng)電流公式和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式可以看出,增大轉(zhuǎn)子電阻既可限制起動(dòng)電流又可提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩.

高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條不是普通的鋁條,而是采用電阻率較高的鋁合金.這種電機(jī)過載能力強(qiáng),但功率因數(shù)低,正常運(yùn)行時(shí)損耗較大,效率較低.所以只適用于頻繁起動(dòng)的場合,主要是起重運(yùn)輸機(jī)械.深槽式異步電動(dòng)機(jī)是利用起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)的集膚效應(yīng)使起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子電阻增大,改善起動(dòng)性能又不降低正常運(yùn)行效率,但功率因數(shù)和過載能力有所降低,適用于需要重載起動(dòng)而對(duì)過載能力要求不高的場合.雙籠型異步電動(dòng)機(jī)利用集膚效應(yīng)改善了起動(dòng)性能,又保證了基本的運(yùn)行性能,但電機(jī)價(jià)格較高,一般用于要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較高的場合.

3.4 大功率三相異步電動(dòng)機(jī)的重載起動(dòng)

此種情況下既要有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又要限制起動(dòng)電流,若高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的籠型異步電動(dòng)機(jī)不能滿足要求,可以采用繞線型異步電動(dòng)機(jī),在轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)合適的電阻,既可提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩又能降低起動(dòng)電流.因而,要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大或起動(dòng)頻繁的生產(chǎn)機(jī)械常采用繞線型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng).大功率電動(dòng)機(jī)一般為繞線型.

三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方法有轉(zhuǎn)子串固體電阻、頻敏電阻或液體電阻.大功率繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串固體電阻起動(dòng),不能無級(jí)調(diào)節(jié),起動(dòng)不夠平滑.為了減小沖擊,應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路中串入多級(jí)對(duì)稱電阻,并隨著轉(zhuǎn)速的升高逐漸切除起動(dòng)電阻,因此設(shè)備投資大,操作、維修不便.串頻敏電阻器起動(dòng),結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便,可以無級(jí)調(diào)節(jié),但起動(dòng)電流較大、功率因數(shù)低,使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩受到限制,且不同容量的電動(dòng)機(jī)要配不同規(guī)格的頻敏變阻器.轉(zhuǎn)子回路串液體電阻,能連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)使電機(jī)平滑起動(dòng),具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、起動(dòng)電流小、起動(dòng)時(shí)間短、功率因數(shù)高、噪聲小、溫升低、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn),并且可以通過調(diào)節(jié)液體濃度來改變阻值,使一臺(tái)起動(dòng)器適應(yīng)不同功率的電動(dòng)機(jī),因此是大功率電動(dòng)機(jī)重載起動(dòng)的首選方案.

4 結(jié)語

三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)存在兩種矛盾:一是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大,供電網(wǎng)絡(luò)承受沖擊電流能力有限;二是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,而負(fù)載要求有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩.我們總是希望在起動(dòng)電流比較小的情況下,能獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩.為了使電動(dòng)機(jī)能夠順利起動(dòng)又不對(duì)電網(wǎng)造成沖擊,并考慮電機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及投資和使用費(fèi)用等,應(yīng)針對(duì)不同的負(fù)載情況和對(duì)起動(dòng)條件的要求,結(jié)合實(shí)際情況對(duì)起動(dòng)方案做出合理的選擇.

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AbstractThis paper introduces the three-phase asynchronous motor and the start-up of commonly used method of starting the characteristics of the different load requirements of the motor starter,recommended under various load conditions Optimization Start programme.

Keywords:Motor Starting Options

Three-phase Asynchronous Motor Starter Options

ZHANG Nai-biao
(Physics Department,Zaozhuang College,Zaozhuang 277160,China)

TM 918

A

1004-7077(2010)02-0098-04

2009-11-06

張乃標(biāo)(1964-),男,山東郯城人,棗莊學(xué)院物理與電子工程系工程師,主要從事電機(jī)電器控制及節(jié)能研究.

[責(zé)任編輯:陳慶朋]