三相异步电动机通断条件优化

1.有关三相异步电动机的若干技术术语和机械特性

三相异步电动机在现代工业中占据重要的地位，在各行各业中安装的各类电动机中有95%是三相笼型异步电动机。

三相异步电动机的通断条件表征了低压配电网参数与电动机之间的制约关系，且涉及三相异步电动机的各种技术参数、工作特性、负载特性、起动条件、调速条件和使用运行参数等。

表1-21对有关三相异步电动机的技术参数、工作特性和起动条件予以汇总。

表1-21 三相异步电动机的若干技术术语

（续）

电力拖动系统由电动机、生产机械和传动机构三大部分构成，这三大部分之间存在互相制约的关系，这些制约关系可以通过电动机的机械特性曲线直观地显现出来。表1-22～表1-24对电动机的机械特性予以汇总。

表1-22 电动机的机械特性

（续）

表1-23 改变电压的人工机械特性

（续）

表1-24 负载的转矩与转速之间的关系特性

（续）

2.三相异步电动机的通断条件

异步电动机在起动刚开始的瞬间，异步电动机的转子尚处于静止状态，此时电动机定子绕组中流过的是冲击电流峰值I_p，此电流相当于额定电流的8～14倍。所以在给电动机回路配置断路器或者熔断器时必须考虑到这种影响，如图1-37所示。

图中

I_n——异步电动机的额定电流；

I_s——异步电动机的起动电流；

I_p——异步电动机的起动电流峰值；

t_s——异步电动机的起动时间；

t_p——异步电动机起动电流峰值时间。

我们从图1-37中可以看出异步电动机的起动过程：

电动机定子绕组电流从得电开始后的20～30ms内出现起动电流峰值，起动电流峰值I_p为8～14倍额定电流，且异步电动机的转子尚未运转；当电动机的转子从开始旋转过渡到正常转速的起动状态，大约经历了数秒到数十秒的时间，在此起动状态下起动电流I_s为4～8.4倍额定电流I_n；当电动机起动完成后，电动机电流迅速降低到额定电流I_n。

图1-37 异步电动机直接起动时 的时间-电流特性曲线

（1）异步电动机在低压电网中的起动条件

对于不频繁起动的异步电动机来说，短时大电流没有什么关系；对于频繁起动的异步电动机来说，频繁出现的短时大电流会使电动机内部发热较多而过热，但是只要限制每小时最高起动次数，电动机也是可以承受得住的。因此，如果只从电动机本身来说，是可以直接起动的。

电动机起动电流主要影响对象是低压电网的电源电压。

三相异步电动机起动电流过大会使电力变压器低压侧电压下降。若电力变压器额定容量相对较小则低压侧电压下降更多，有可能超过正常规定值（例如ΔU>15%或更多）。低压电网电压下降会影响到如下几个方面：

因为电动机的最初起动转矩T_s与电网电压的二次方成正比，所以电动机在负载很重时有可能无法正常起动。

影响同一配电网的其他负载：例如电灯变暗、数控和计算机设备失常、重载的异步电动机可能停止运行等。

判断电动机是否允许直接起动需要考虑多种因素，包括变压器容量、低压配电网电压、同时运行的电动机数量、工作制以及各级配电之间的电缆截面及长度等，计算时比较麻烦。当电力变压器独立配电，且容量不是太大，系统中的电动机也不太多的情况下，可用如下简易的经验公式来判断低压配电网是否允许电动机直接起动：

K_M=0.75+0.25S_n/P_n （1-62）

式中 K_M——电动机的直接起动判据系数，其中

K_M≥6则允许直接起动；

4≤K_M<6时要采用星-三角起动；

K_M<4时建议采用软起动器起动；

S_n——电力变压器的容量，单位为kV·A；

P_n——电动机的容量，单位为kW。

只有满足直接起动条件的电动机才允许直接起动，否则要采用减压起动。

将K_M=6代入式（1-62）中，可得S_n=21P_n。也就是说，如果变压器的容量大于电动机功率20倍以上，则电动机在此低压配电网中可以直接起动。(www.xing528.com)

【例1-11】 电动机电网条件之一：电力变压器的容量为2500kV·A，电动机的功率是75kW；电动机电网条件之二：电力变压器的容量为1000kV·A，电动机的容量是75kW。试求该两种电网条件下的电动机的起动判据系数。

解：将电网条件之一的数据代入式（1-62）右边，得到75kW电动机的起动限制条件：

可知75kW的电机允许在该低压电网中直接起动。

将电网条件之二的数据代入式（1-62）右边，得到75kW电动机的起动限制条件：

因为K_M=4.08，所以75kW的电动机不允许在该低压电网中直接起动，该电动机的起动必须配套采用某种减压起动措施，或者采用软起动器起动。

注：式（1-62）较适用于现场人员和低压开关柜制造厂人员估算电动机的起动条件。若需要准确判断，则建议还是采用规范的设计方法。

关于电动机起动经验公式有关论述见第5章5.4节“经验分享与知识扩展”。

（2）电动机的各种起动方式

我们来看电动机的各种起动方式，见表1-25。

表1-25 三相交流异步电动机的起动方式

（续）

1）三相异步电动机的直接起动：

三相异步电动机的起动电流（有效值）：

I_s=（4-8.4）I_n（1-63）

三相异步电动机的空载电流（有效值）：

I_s0=（0.2-0.95）I_n（1-64）

三相异步电动机的起动时间T_n：在正常情况下起动时间T_n小于10s，在重载情况下起动时间T_n大于10s，且起动电流大于6倍I_n。

当运行中的三相异步电动机需要不经停机阶段直接逆向运行时则电流峰值会更大，特别当发生堵转的情况下三相异步电动机将达到最大的起动电流。

2）三相异步电动机的星-三角起动：当三相异步电动机按星-三角联结方法起动时，电动机定子绕组的接线方法为星形联结；当三相异步电动机在按星-三角联结方法运行时，电动机定子绕组的接线方法为三角形联结。

三相异步电动机按星形联结起动时电流降低到直接起动时的1/3，电动机定子绕组的相电压降低到直接起动的1/3，电动机的起动转矩也降低到直接起动的1/3。

星-三角的起动方式只能应用在三角形联结的电动机上。由于实现电动机星-三角的起动方式相对简单，应当优先采用。

3）通过自耦起动变压器来起动三相异步电动机：三相异步电动机在起动时以星形联结接在自耦起动变压器的抽头上，一般接在额定电压的70%上，在这种情况下，起动转矩降低到直接起动的49%。

自耦起动变压器起动三相异步电动机的优点是起动转换相对星-三角起动方式比较平稳，起动转矩较大。但自耦变压器的体积和重量比较大，接线较多，所以已经很少采用了。

4）通过软起动器起动三相异步电动机：三相异步电动机利用软起动器起动具有许多优点，主要有：

①可限流起动：当采用软起动器以限流方式起动电动机时，软起动器输出的电压迅速增加，直到输出电流达到限定值I_m，接着在保持输出电流不大于I_m下将电压逐步提高，使电动机加速。当电动机达到额定电压和额定转速时，输出电流迅速下降到额定电流，起动过程结束。

采用软起动器起动电动机时可根据实际负载的情况进行设定，电流范围为0.4倍额定电流I_e至8倍额定电流I_e，如图1-38所示。因为电动机的转矩与电压的二次方成正比，若仅调整电压而不作对应处理将会造成电动机的机械特性变软，出现电动机起动转矩不足的问题。为了提高电动机低速时的转矩，软起动器对输出电压配置了负反馈，并由此大幅地提高了电动机的起动转矩。所以在各种电动机起动方式中，软起动器具有最优良的起动效果和性价比。

②电压斜坡起动：当采用电压斜坡起动时，软起动器的电压快速地上升至初始电压U₁，然后在设定的时间t内逐渐上升，电动机随着电压的上升不断加速，达到额定电压U_e和额定转速时起动过程结束。

图1-39所示为电压斜坡起动的特征曲线。

U₁的设定范围为0～380V，t的设定范围为0～600s。

图1-38 软起动器以限流方式起动 电动机时的电流特性

图1-39 软起动器的电压斜坡起动特征曲线

除了以上两种常用的起动方式外，软起动器还具有斜坡限流起动、断相保护、过电流保护、过载保护等功能，以及自由停机和软停机等功能。

电动机利用软起动器起动和利用自耦变压器起动的主要性能比较见表1-26。

表1-26 软起动器起动和利用自耦变压器起动的主要性能比较

（3）各种起动方式的比较

各种电动机的起动方式见表1-27。

表1-27 各种电动机的起动方式比较

（续）