三相异步电机串电阻启动

1异步电动机的结构及原理

1.1 异步电动机的基本结构

图1-1 绕线型异步电动机的结构

1—转子绕组2—端盖3—轴承4—定子绕组5—转子

6—定子7—集电环8—出线盒

1 定子：定子铁心：0.5mm厚硅钢片叠压而成,磁路的一部分

定子绕组：电磁线制而成,电路一部分

机座：铸铁或钢板焊接而成

（1）定子铁心是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。下图所示为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；

(c)是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。

（2）定子绕组：高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或△形，如图(b)所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。

（3）机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小

型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。

2 转子：

（1）转轴：支撑转子

（2）转子铁心：0.5mm硅钢片叠压而成。

（3）转子绕组：笼型绕组，绕线型绕组

图1-2 转子结构

（1）转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。

（2）转子绕组：分为笼型和绕线型两类

1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图（a）所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。

2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。

图1-3 绕线型转子

3 气隙：

文献1提出磁路的一部分, 异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中小型异步电动机中，气隙一般为0.2~1.5mm左右。

1.2 异步电动机的工作原理

文献2提出三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转，如图所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定则确定受力方向，如图所示。

转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要n＜n1（n1为旋转磁动势同步转

速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、

图1-4 转子受力图

电流及受力，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL

情况下。

2 绕线型异步电动机的起动

2.1基本概念

1 起动定义：电动机接到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程；

2 起动电流：n=0,S=1时的电流。

k

st Z U x x r r U I 1

2

212211

)()(=

'++'+=

起动电流倍数：7~5==

N

st

i I I k 3 起动转矩：n=0，s=1时的电磁转矩。

221()212

1

11

st

em st st st r m I P m s T I r '

'=

=

=ΩΩΩ

4 起动电流大的原因：此时处于短路。

5 起动转矩不大的原因：1）m Φ减少； 使T ST 不大。

2）2cos ?减小；

6 起动要求：（1）起动电流尽量较小。

（2）起动转矩尽量大，减小起动时间

（3）起动设备简单，可靠。

2.2 起动指标

起动是指电动机从静止状态开始转动起来，直至最后达到稳定运行。 对于任何一台电动机，在起动时需注意以下两个基本要求。

1 起动转矩足够大

只有T ST >T L 时，电动机才能改变原来的静止状态，拖动生产机械运转。一般要求T ST >(1.1~1.2)T L 。T ST 越大于T L ，起动过程所需要的时间就越短。

2 起动电流不要超过允许范围

文献3提出对三相异步电动机来说，由于起动瞬间s=1，旋转磁场与转子磁场之间的相对运动速度很大，转子电路的感应电动势及电流都很大，所以起动电流远大于额定电流。在电源容量与电动机的额定功率相比不是足够大时，会引起输

电线路上电压降的增加，造成供电电压的明显下降，不仅影响了同一供电系统中其他负载的工作，而且会延长电动机本身的起动时间。此外在起动过于频繁时，还会引起电动机过热。在这两种情况下，就必须设法减小起动电流。

2.3 绕线型异步电动及转子串电阻起动

1 起动过程

绕线型异步电动机的转子串联合适的电阻不但可以减小起动电流，而且还可以增大起动转矩，因而，要求起动转矩大或频繁的生产机械常采用绕线型异步电动机拖动。

容量较小的三相绕线型异步电动机可以采用转子电路串联起动变阻器的方法起动。容量较大的绕线型异步电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中都有较大的起动转矩和较小的起动电流。现以两级起动为例介绍其起动步骤和起动过程。原理图和机械特性如下图所示。图中机械特性只画出了每条特性的n

M 段，并近似用直线代替。起动步骤如下：

（1）串联起动电阻R

st1和R

st2

起动

起动前开关S

1和S

2

断开，使得转子每相电路串入电阻R

st1

和R

st2

，加上转子每相绕

组自身的电阻R

2

，转子电路毎相总电阻为

R

22=R

2

+R

st1

+R

st2

然后合上电源开关S，这时电动机的机械特性为绕线型异步电动机的分级起动

图中的a。由于起动转矩T

1远大于负载转矩T

L

，电动机拖动生产机械开始起动，工

作点沿特性a由a

1点向a

2

点移动。

（2）切除起动电阻R

st2

当工作点到达a

2点，即电磁T等于切换转矩T

2

时，合上开关S

2

切除起动电阻R

st2

转子毎相电路的总电阻变为

R 21=R

2

+R

st1

图2-1 绕线型异步电动机的分级起动

文献4提出这时电动机的机械特性变为特性b 。由于切除R st2的瞬间，转速来不及突变，故工作点由特性a 上的a 2点平移到特性b 上的b 1点，使这时的电磁转矩仍等于T 1，电动机继续加速，工作点沿特性b 由b 1 点向b 2点移动。 （3）切除起动电阻R st1

当工作点到达b 2点，即电磁转矩T 又等于切换转矩T 2时，合上开关S 1，切除起动电阻R st1，电动机转子电路短接，转子毎相电路的总电阻变为

R 20=R 2

机械特性变为固有特性c 。工作点由b 2平移至c 1点，使得这时的电磁转矩T 仍正好等于T 1。电动机继续加速，工作点沿特性c 由c 1向c 2点移动，经过c 2点，最后稳定运行在p 点。整个起动过程结束。 为了使起动过程满足上述要求，选择正确的起动电阻，下面分两种情况来讨论。

2 起动级数未定时起动电阻的计算

（1）选择起动转矩T 1和切换转矩T 2 一般选择：

T 1=(0.8~0.9)T M （2.2.1） T 2=(1.1~1.2)T L （2.2.2） （2）求出起切转矩比β

β=2

1

T T (2.2.3)

（3）求出起动级数m

利用图2.2.1（b ）所示起动过程中的机械特性，根据几何关系推导起动级数

m 的计算公式如下：

由特性c 与水平虚线构成的直角三角形求得

M T T 1=Mc c n n n n --010=Mc

c s s 1

M T T 2=Mc c n n n n --020=Mc

c s s 2

式中，n c1和n c2是工作在c 1点和c 2点是的转速，n Mc 是T M 与特性c 交点上的

转速。s c1、s c2和s Mc 是与之对应的转差率。同理可以求得

M T T 1=Ma a s s 1=Mb b s s 1=Mc c s s 1

M T T 2=Ma a s s 2=Mb b s s 2=Mc

c s s 2

由于s b1=s b2，对应两式相除，并参照公式s M =2

2

X R 可得

β=21T T =Mb Ma s s =221222//X R X R =21

22

R R

由于s c1=s c2，对应两式相除，可得

β=21T T =Mc Mb s s =220221//X R X R =20

21

R R

可见

R 22=βR 21 R 21=βR 20

所以

R 22=2βR 20=βR 21

若是m 级起动，则

R 2m =m βR 20=m βR 2

式中

R 2m =R 2+R st1+R st2+…R STM

因此

β=

2

2R R m

m

由前面的分析还可以得到

Mc c s s 1=Ma

a s s 1

s c1=s a1

Ma

MC s s =1×222220//X R X R =2220R R =22

2

R R

若是m 级起动，则

s c1=

m

R R 22

此外，在固有特性c 上工作时

N T T 1=N

c s s 1

s c1=s 1 N

T T 1

将这些关系代入β公式，可得

β=

1

T s T N N

m

（2.2.4） 两边取对数，便得到了起动级数m 的计算公式

m=β

lg lg

1T s T N N

(2.2.5)

若m 不是整数可取相近整数。

（4）重新计算β，校验T 2是否在规定的范围之内。

若m 是取相近整数，则需重新由式（2.2.4）计算β，并由式（2.2.3）

求出T 2，校验T 2是否在式（2.2.2）所规定的范围之内。若不在规定的范围之内，需加大起动级数m ，重新计算β和T 2，直到T 2满足要求为止 （5）求出转子毎相绕组的电阻R 2

转子毎相绕组的电阻可以通过实测或者通过铭牌上提供的转子额定线

电压U 2N 和转子绕组的额定线电流I 2N 进行计算。

由于转子绕组为星形联结，相电流等于线电流。因此，在额定状态下运

行时

I 2N =

)

(22

22X s R E s N N +=

)

(3/22

22X s R U s N N N +

由于s N 很小，S N X 2可以忽略不计，则

I 2N =

2

23R U s N N

由此求得R 2的计算公式为

R 2=N N N I U s 223 （2.2.6）

(6)计算各级起动电阻

由前面的分析知道

??

??

?????=====2222

21222

212

20R R R R R R R R R m

m ββββ

(2.2.7)

(7)求出各级起动电阻

???

?

???

-=-=-=-)1(22212222211m m stm st st R R R R R R R R R （2.2.8）

3 起动级数已定时，起动电阻的计算

计算步骤如下：

（1） 按式（2.2.1）选择T 1。 （2） 按式（2.2.4）求出β。

（3） 按式（2.2.3）求出T 2，并检验T 2是否在式（2.2.2）规定的范围之内，

否则加大起动级数m ，重新计算，直到T 2符合要求为止。

（4） 按式（2.2.6）求出R 2.

（5） 用最后确定的β和m ，按式（2.2.7）求出各级总电阻。 （6） 用式（2.2.8）求出各级起动电阻。

综上所述，对设计任务进行如下设计：

（1）选择起动转矩T 1

T N =

N

N

n P π260=266.32N ·m T M =αMT T N =692.43 N ·m

T 1=(0.8~0.9)T M =(553.94~623.19) N ·m

取T 1=580 N ·m

（2）求出起切转矩比β

s N =

0n n n N

-=0.0433 β=

1

T s T N N

m

2.2 （3）求出切换转矩T 2

T 2=

β

1

T =263.64 N ·m 由于T 2>1.1T L ,所以所选m 和β合适。 （4）求出转子毎相绕组电阻

R 2=

N

N N I U s 223=0.0844Ω

（5）求出各级总电阻

R 21=βR 2=0.186Ω R 22=βR 21=0.408Ω R 23=βR 22=0.899Ω

（6）求出各级起动电阻

R st1=R 21-R 2=0.102Ω R st2=R 22-R 21=0.222Ω R st3=R 23-R 22=0.491Ω

结论

绕线型异步电动机的转子串联合适的电阻不但可以减小起动电流，而且可以增大起动转矩，因而，要求起动转矩或起动频繁的生产机械常采用绕线型异步电动机来拖动。

在设计起动电阻时，可分为起动级数未定、已定两方面，看具体的已知条件，根据已知条件选择合适的方法确定起动电阻。

绕线型异步电动机优点是可以通过集电环和电刷，在转子回路中串入外加电阻，以改善起动性能并可改变外加电阻在一定范围内调节转速。但绕线型异步电动机结构复杂，价格较贵运行的可靠性也较差。

参考文献

1、于福鸿.电机与拖动基础.吉林科学技术出版社，1996年

2、顾绳谷.电机及拖动基础（第2版）.北京：机械工业出版社，2000年

3、李发海.电机学.北京:科学出版社，2001年

4、唐介.电机与拖动.北京：高等教育出版社，2003.7