異步電機起動系統

a.介紹

在起動電機的時候，電源會產生一個較大的浪涌電流，尤其是在使用不合格電源線的情況下。

這個電流會導致壓降，影響負載運行。這種壓降可能給照明設備中帶來比較明顯的影響。

為了消除這種效應，某些部門規定禁止使用帶有直接起動系統，并且功率超過給定范圍的電機。關于這方面的內容，請參見第K34和K39頁中DistributionBT1999/2000產品目錄以及NFC15-100標準允許的壓降表。

根據電機和負載的規格，可以把起動系統分為若干種。

用戶在選擇起動系統的時候，需要考慮到電氣、機械需求以及經濟效益問題，同時也要兼顧驅動的負載。

b.主要起動模式

1.直接起動

這是最簡單的起動模式，定子直接連接到電源(圖1)。電機按照自己的特性起動。

在電機通電后，其工作與變壓器二次側類似，其中副邊由短路的超低電阻轉子籠形成。在轉子中有一個較高的感應電流，這個電流會導致電源內的電流達到峰值：

起動時的電流=5到8倍的額定電流。

平均起動轉矩為：

T(起動轉矩)=0.5到1.5倍的額定力矩T。

雖然直接起動有一些優勢(設備簡單，起動轉矩高，起動快速，成本低)，但是只適用于以下場合：

與電源相比，電機的功率較低，從而可以限制浪涌電流產生的干擾。要驅動的機器不需要逐步加速，或者有一個減震設備限制起動時的震動。要求立即達到額定轉速。起動轉矩可能比較高，不會影響機器運轉或者被驅動的負載。

2.星-三角起動

這種起動系統(圖2)只能用于三個定子繞組末端都安裝到端子排的電機。

另外，必須完成繞組設置，以便三角連接與電源電壓相匹配：比如380V的三相電源需要使用帶380V三角和660V星型線圈的電機。

這種起動系統的原理就是連接電源電壓的星型繞組，將電機的額定星型電壓均分到交流三相(在上面的例子中，電源電壓380V=660V/√3。起動電流峰值(SC)除以3：SC=1.5到2.6RC(RC為額定電流)。

星型連接的380V/660V電機在660V的額定電壓下吸收的電流小于380V下三角連接的√3倍。在380V的星型連接下，電流再次除以√3，也就是總共除以3。

因為起動轉矩(ST)與電源電壓的平方成正比，所以也除以3：ST=0.2到0.5RT(RT為額定轉矩)當電機和抵抗轉矩彼此相抵，電機速度會穩定下來，通常為額定速度的75-85%。接下來繞組為三角連接，電機恢復自身的特性。

從星型連接到三角連接的變化是由一個定時器控制的。在星型接觸器閉合30到50毫秒以后，三角接觸器會閉合，防止相間短路(因為兩個接觸器不能同時閉合)。

在星型接觸器開啟以后，流過繞組的電流中斷;在三角接觸器閉合以后，繞組電流恢復。在轉換到三角連接的過程中，因為電機會產生補償性點動力，所以會產生一個較強的瞬間峰值電流。

星型-三角起動適用于負載轉矩較低或者無負載起動的機器(比如鋸木機)?？赡苄枰柚~外的功能將瞬間電流現象限制在特定的功率以上，比如在從星型連接轉換到三角連接的時候設法產生一個1-2秒的延遲。這種延遲可以減弱補償性電移阻力，從而抑制瞬間峰值電流。只有當機器有足夠的慣性，可以避免在延遲過程中大幅度減速的情況下，才能使用這種延遲功能。

另外一種系統是3步起動系統：星型-三角+電阻-三角。仍然存在電流中斷，但是與三角連接繞組串連的電阻器可以在大約三秒鐘的時間內降低瞬間電流，這樣一來就可以防止電流中斷，從而防止出現瞬態現象。

如果使用這些額外功能，那么就需要增加元器件，這樣一來可能會顯著增加設備的成本。

3.局部繞組電機起動

此系統(圖3)在歐洲用的不太多，但是在北美市場(230/460電壓，比例1：2)應用非常廣泛。

這種電機的定子繞組分成兩個并聯繞組，共有6個或12個輸出端子。它相當于兩個功率相同的“半電機”。在起動的時候，將一個“半電機”直接連到整個電源電壓，將起動電流和轉矩均分成近似相等的兩半。不過，此時的轉矩比采用星型-三角起動的等功率鼠籠電機更大。

在起動過程結束的時候，第二對繞組被連接到電源。此時峰值電流較低，而且持續時間較短，這是因為電機尚未與電源斷開，滑差很小。

4.電阻定子起動

在這個系統中(圖4)，因為接入的電阻與繞組串聯，所以降低了電機起動電壓。在速度穩定以后，切斷電阻連接，電機直接連到電源上。這個過程通常由一個時間繼電器控制。這種起動方法不會改變電機繞組的連接，因而每個繞組的兩端不需要端子板輸出。根據起動時的最大峰值電流或者要驅動的機器的抵抗轉矩所需的最小起動轉矩來計算電阻值。一般情況下，起動電流和轉矩值為：

●SC=4.5RC

●ST=0.75RT

在使用電阻加速的階段，施加在電機端子上的電壓不是恒定的，但是等于電源電壓減去起動電阻上的壓降。壓降與電機吸收的電流成正比。在電機加速過程中，隨著電流的減小，電阻上的壓降也減少。因而，施加在電機端子上的電壓在起動的時候最低，然后逐漸升高。因為轉矩與電機端子電壓的平方成正比，因而增加的速度比星型-三角起動(電壓在整個星型連接階段保持恒定)要快。

因而，這種起動系統適用于阻力矩隨速度增加的機器，比如風機和離心泵。它的缺點是在起動的時候會產生相當大的電流。雖然可以通過增加電阻值來降低此電流，但是這樣一來會進一步降低電機端子上的壓降，從而使起動轉矩大大降低。

另外一方面，在起動結束的時候不再有電阻，并且不會中斷電機電源，因而不存在短時停滯現象。

5.自耦變壓器

電機在較低的電壓下由一個自耦變壓器驅動，在起動結束后，該自耦變壓器會被旁路(圖5)。

起動過程分為如下三步：

在第一階段，自耦變壓器為星型連接，接下來電機會通過自動變壓繞組的一部分連接到電源。該過程的運行電壓較低，取決于自耦系數。

自耦變壓器通常采用抽頭連接的方式，以便用戶選擇合適的自耦系數，進而確定最合適的降壓值，

在達到全壓之前，會打開星型連接。線圈的一部分連接到電源，繼而用作與電機串聯的電感。在第一階段結束速度達到平衡時會開始這種操作。

第二階段一般只持續不到一秒鐘，然后實現全壓連接。與電機串聯的自耦變壓器繞組片會被短路，自耦變壓器被關閉。

電流和起動轉矩按照同樣的比例變化。它們要除以(電源電壓/降壓的平方)。

得到的數值為：

●SC=1.7到4RC

●ST=0.5到0.85RT

起動過程中不會中斷電機電流，因而不會出現斷流所導致的短時停滯現象。

不過，如果沒有采取足夠的保護措施，那么在全壓連接時仍然可能出現類似的瞬態現象，這是因為在打開星型連接以后，與電機串連的電感比電機電感高，這樣一來就會產生大幅度的壓降，從而導致在全壓連接時出現較高的瞬態峰值電流。

為了克服這個缺點，在自耦變壓器中的磁回路帶有一個氣隙，可以降低電感值。

這個值是通過計算確定的，可以防止在第二階段星型連接打開的時候電機端子出現任何電壓變化。

這個氣隙會增加自耦變壓器中的磁化電流。在自耦變壓器被加電的時候，該電流會增加電源中的浪涌電流。

這個起動系統通常用于功率超過150kW的低壓電機。不過，因為自耦變壓器的成本較高，所以會導致設備價格比較昂貴。

6.滑環電機起動

滑環電機不能在轉子繞組被短路的情況下直接起動，否則會導致過大的峰值電流。

因而，必須在轉子回路中插入電阻器(圖6)，然后逐漸短路，并用全部電源電壓驅動定子。在每個階段插入的電阻都經過計算，以確保轉矩-速度曲線的精確度。

因此，必須在起動的時候將其完全插入，并在完全短路的時候達到全速。吸收電流或多或少與轉矩成正比，其最大值只比理論值大一點。比如，如果起動轉矩等于2倍額定轉矩，峰值電流約為2倍的額定電流。因此與鼠籠電機相比，這個峰值要低得多，而最大起動轉矩要高得多。對鼠籠電機來說，如果直接連接到電源，那么1.5時的峰值電流約為6。

對所有需要低峰值電流和全負載起動的機器來說，轉子起動的滑環電機都是最佳選擇。這種起動非常平穩，因為很容易按照機械和電氣(阻性轉矩、加速度、最大峰值電流等)要求調整各個階段的曲線的數量和形狀。

7.軟起動器起動/減速

這個起動系統可以有效而平穩地起動和停止電機(圖7)(更詳細的內容請參見講述電子速度控制器的章節)。

它可以用于：限流和調整轉矩。

限流

限流控制功能可以在起動階段設置一個最大電流(額定電流的3到4倍)，并降低轉矩性能。這種控制功能尤其適用于“渦輪機”(離心泵、風機)。

調整轉矩通過調整轉矩來控制，可以在起動過程中優化轉矩性能，并降低電源的浪涌電流。

這適用于恒定轉矩的機器。

這種起動器可以有多種圖示：

●單向操作

●雙向操作

●起動完成后元件關閉

●軟起和軟停多臺電動機(圖7)

●其它。

8.變頻器起動

在必須控制和調整速度的場合，它是一種非常有效的起動系統(圖8)(更詳細的內容請參見講述電子速度控制器的章節)。

它有如下用途：

●在高慣性負載條件下起動

●起動時電源負載較高，短路容量較低

●根據“渦輪機”的情況進行調整，從而優化耗電

這種起動系統可以用于所有類型的機器。這種解決方案主要用來調整電機速度，而起動功能則排在第二位。

異步電機起動系統

9.單相電機起動

單相電機不能自行起動，所以需要采用其它方法來運行。

10.輔助相位起動

在這種電機中(圖10)，定子有兩個偏置角度為90°的繞組。

在起動電機以后，因為線圈是不一樣的，所以電流C1會流過主相位，而另外一個偏移π/2的較小的電流會在輔助相位內流動。兩個彼此間存在相移的電流

產生磁場，旋轉生成的足夠強大的磁場，可以觸發電機的無負載起動。當電機達到速度的80%額定轉速時，可以切斷(離心耦合)或者繼續運行輔助相位。此時電機定子變為一個兩相定子(在起動的時候或者所有時間)。

可以將一個相位的連接反向，以便顛倒旋轉方向。因為起動轉矩較低，所以應該增加線圈產生的兩個磁場間的偏移角度，以便增加轉矩。

11輔助相位和電阻起動

通過與輔助相位串聯的電阻器可以增加其阻抗以及C1和C2間的偏移。在起動過程結束時的操作與只使用輔助相位一樣。

12輔助相位和電感起動

這種起動方式工作原理與上一種類似，但是將電阻器換成電感，電感與輔助相位串聯，以增加兩個電流之間的偏移。

13輔助相位和電容器起動

這是最常用的設備(圖11)，其中電容器被設置在輔助相位。對于永久電容器來說，在200W電機下的工作值為8uF。為了起動，可能需要使用一個額外的16uF電容器，在起動結束后就不再使用。

因為電容器產生的相移方向與使用電感的情況相反，所以在起動和操作過程中，電機的工作方式類似于一個帶有旋轉磁場的雙相電機。

轉矩和功率因子都較高。起動轉矩ST是額定轉矩RT的三倍，最大轉矩Tmax可以達到2RT。

在起動結束以后，雖然可以減少電容值，但是因為定子的阻抗增加了，所以最好保持電流間的相移。

下圖(圖11)給出了一個帶有永久連接電容器的單相電機。也可以采用其它設置，比如在達到指定速度以后打開相移回路。

如果配備了起動電容器并連接了永久電容器，那么三相電機(230/400V)可以使用230V單相電源。這種操作減少了工作功率(降容約為0.7)、起動轉矩和熱儲備。

只有不超過4kW的低功率4極電機適用于本系統。制造商為用戶提供了電容器選型表，在其中給出了相應的數值。

14.屏蔽磁極繞組起動

本設備(圖12)用于超低功率驅動電機(大約一百瓦)。磁極帶有凹口，將短路導電環插在里面。此設備產生的感應電流會使旋轉磁場發生畸變，觸發起動過程。

本設備的效率較低，但是適用于上述功率范圍。