模块2三相交流异步电动机控制技术教材精.docx

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模块2三相交流异步电动机控制技术教材精

模块2三相交流异步电动机控制技术

能力点

●掌握三相异步电动机的结构和工作原理。

●熟悉三相异步电动机的运行原理。

●能运用机械特性分析异步电动机的起动、调速、反转和制动。

交流电机可分为异步电机和同步电机两大类，异步电机又分为三相异步电机和单相异步电机。

异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。

和其他电动机比较，它具有结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、维护方便、效率较高等一系列优点，所以异步电动机得到如此广泛的应用。

异步电动机的缺点是不能经济地在较大范围内平滑调速和必须从电网吸收滞后的无功功率，使电网功率因数降低。

三相交流异步电动机启动调速技术

三相交流异步电动机启动

任务1三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组，如果在定子绕组通入三相对称的交流电流，就会在电动机内部建立起一个恒速旋转的磁场，称为旋转磁场，它是异步电动机工作的基本条件。

因此，有必要先说明旋转磁场是如何产生的，有什么特性，然后再讨论异步电动机的工作原理。

一、旋转磁场

（一）旋转磁场的产生

图2—1为最简单的三相异步电动机的定子绕组，每相绕组只有一个线圈，三个相同的线圈U1—U2、V1—V2、W1—W2在空间的位置彼此互差120°，分别放在定子铁心槽中。

当把三相线圈接成星形，并接通三相对称电源后，那么在定子绕组中便产生三个对称电流，即：

iU=Imsinωt

iv=Imsin（ωt−120°）（2—1）

iw=Imsin（ωt+120°）　

其波形如图2—2所示。

电流通过每个线圈要产生磁场，而现在通过定子绕组的三相交流电流的大小及方向均随时间而变

化，那么三个线圈所产生的合成磁场是怎样的呢？

这可由每个线圈在同一时刻各自产生的磁场进行叠加而得到。

假如电流由线圈的始端流入、末端流出为正，反之则为负。

电流流入端用“⊕”表示，流出端用“⊙”

表示。

下面就分别取t=0、T/6、T/3、T/2四个时刻所产生的合成磁场作定性的分析（其中T为三相电流

变化的周期）。

图2—1三相异步电动机最简单的定子绕组图2—2三相电流的波形

当t=0时，由三相电流的波形可见，电流瞬时值iU=0，iv为负值，iw为正值。

这表示U相无电流，V相电流是从线圈的末端V2流向首端V1，W相电流是从线圈的始端W1流向末端W2，这一时刻由三个线圈电流所产生的合成磁场如图2—3a所示。

它在空间形成二极磁场，上为S极，下为N极（对定子而言）。

设此时N、S极的轴线（即合成磁场的轴线）为零度。

图2—3两极旋转磁场

a）t=0；b）t=T/6；c）t=T/3；d）t=T/2

当t=T/6时，U相电流为正，由U1端流向U2端，V相电流为负，由V2端流向V1端，W相电流为零。

其合成磁场如图2—3b所示，也是一个两极磁场，但N、S极的轴线在空间顺时针方向转了60°。

当t=T/3时，iU为正，由U1端流向U2端，iv=0，iw为负，由W2端流向W1端，其合成磁场比上一时刻又向前转过了60°，如图2—3c所示。

用同样的方法可得出当t=T/2时，合成磁场比上一时刻又转过了60°空间角。

由此可见，图2—3描述的是一对磁极的旋转磁场。

但电流经过一个周期的变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转一周，即在空间旋转的角度为360°。

上面分析说明，当空间互差120°的线圈通入对称的三相交流电流时，在空间就产生了一个旋转磁场。

国产的异步电动机的电源频率通常为50Hz。

对于已知磁极对数的异步电动机，可得出对应的旋转磁场的转速，如表2—1所示。

表2—1异步电动机磁极对数和对应的旋转磁场的转速关系表

p

1

2

3

4

5

6

n1（r/min）

3000

1500

1000

750

600

500

（二）旋转磁场的转向

由图2—3中各个瞬间磁场变化，可以看出，当通入三相绕组中电流的相序为iU→iv→iw，旋转磁场在空间是沿绕组始端U→V→W方向旋转的，在图中即按顺时针方向旋转。

如果把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中两相，例如，调换V、W两相，此时通入三相绕组电流的相序为iU→iw→iv,则旋转磁场按逆时针方向旋转。

由此可见，旋转磁场的方向是由三相电流的相序决定的，即把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中的两相，就可改变旋转磁场的方向。

二、三相异步电动机的工作原理

（一）异步转动原理

由上面分析可知，如果在定子绕组中通入三相对称电流，则定子内部产生某个方向转速为n1的旋转磁场。

这时转子导体与旋转磁场之间存在着相对运动，切割磁力线而产生感应电动势。

电动势的方向可根据右手定则确定。

由于转子绕组是闭合的，于是在感应电动势的作用下，绕组内有电流流过，如图2—4所示。

转子电流与旋转磁场相互作用，便在转子绕组中产生电磁力F。

力F的方向可由左手定则确定。

该力对转轴形成了电磁转矩Tem，使转子按旋转磁场方向转动。

异步电动机的定子和转子之间能量的传递是靠电磁感应作用的，故异步电动机又称感应电动机。

转子的转速n是否会与旋转磁场的转速n1相同呢？

回答是不可能的。

因为一旦转子的转速和旋转磁场的转速相同，二者便无相对运动，转子也不能产生感应电动势和感应电流，也就没有电磁转矩了。

只有二者转速有差异时，才能产生电磁转矩，驱使转子转动。

可见，转子转速n总是略小于旋转磁场的转速n1。

正是由于这个关系，这个电动机被称为异步电动机。

由上式可知n1与n有差异是异步电动机运行的必要条件。

通常把同步转速n1与转子转速n二者之差称为“转差”，“转差”与同步转速n1的比值称为转差率（也叫滑差率），用s表示，即s=（n1−n）/n1。

图2—4异步电动机工作原理图

转差率s是异步电动机运行时的一个重要物理量，当同步转速n1一定时，转差率的数值与电动机的转速n相对应，正常运行的异步电动机，其s很小，一般s=0.01~0.05。

（二）异步电动机空载和负载运行

要使异步电动机运行，必须产生足够大的电磁转矩。

电动机空载运行时，它产生的电磁力必须克服轴与轴之间的摩擦和转子旋转所受风阻等产生的空载转矩，即Tem=T0，电动机才能稳定运行。

而T0一般很小，所以电磁转矩也很小，但其转速很高，几乎接近同步转速。

异步电动机轴上带负载转动时，也必须符合动力学的规律，即只有在电动机的电磁转矩与机械负载的反抗力矩相平衡时，即Tem=TL时，电动机才能以恒速运行。

如果电动机的电磁转矩大于反抗力矩，即Tem>TL时，电动机将产生加速运行。

反之，如果Tem

异步电动机是依靠转子转速的变化，来调整电动机的电磁能量，从而使电动机的电磁转矩得到相应的改变，以适用于负载变化的需要来实现新的平衡。

当电动机以稳定的转速n运行时，假如由于某种原因，负载转矩突然降低，即变为Tem>TL，电动机将作加速旋转，转子感应电动势和电流减小，从而使电磁转矩减小，直到电磁转矩与新的反抗转矩相平衡，此时电动机在高于原转速n的情况下稳定运行。

反之转矩由于某种原因增大时，电动机将最终稳定运行在低于原转速的情况下。

（三）三相异步电动机的电磁关系

三相异步电动机的电磁关系与变压器的很相似。

异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组相当与变压器的二次绕组，只不过是短路的绕组。

但三相异步电动机的每相绕组不像变压器那样集中的绕在铁心上，而是分布在铁心内壁的槽内，每一相绕组是由许多沿周围分布的线圈串联而成的。

另外，三相异步电动机的磁路中有一个较大的空气隙。

三相异步电动机的每相电路如图2—5所示。

图2—5三相异步电动机的每相电路

当定子绕组接上三相电源后，有三相电流流过，并产生旋转磁场。

其磁通通过定、转子的铁心闭合，它分为两部分：

其中绝大部分磁通既交链定子绕组，又交链转子绕组，称为主磁通

0；另一部分磁通仅交链定子绕组本身，而不交链定子绕组，称为定子漏磁通

s1。

主磁通和定子漏磁通分别在定子绕组中产生感应电动势

和

（由漏磁感抗Xs1产生）；此外，定子定子绕组还存在电阻R1，当电流通过时产生电阻压降

R1。

所以外加电源电压

由电动势

、

以及电阻压降

R1这三部分之和相平衡。

考虑到

、

R1与

较小，可以忽略不记，所以定子感应电动势

近似地与电源电压

相平衡，即

≈

=4.44kW1N1f1

0（2—2）

式中，kW1为定子绕组系数，它表示的异步电动机的定子绕组是分布放在槽中，所产生的感应电动势比绕组集中放置时减小而引入的系数。

当负载增加时，转子电流

增大，转子的磁动势

N2也增加。

由磁动势平衡关系，

N1=

N1+

N2（该式的推导方法与变压器相似）可知，在外加电源电压保持不变的情况下，要维持此时空载磁动势的不变，只有增大定子的电流，来抵消转子磁动势对旋转磁动势的影响，才能保持其平衡关系。

由此可见，异步电动机中定子绕组电流是随负载的变化而变化的，亦即异步电动机向电网取用的电流和功率，是由机械负载的大小决定的。

任务2三相异步电动机的结构与铭牌

一、三相异步电动机的结构

三相异步电动机按转子结构的不同分为笼型和绕线转子异步电动机两大类。

笼型异步电动机由于结构简单、价格低廉、工作可靠、维护方便，已成为生产上应用得最广泛的一种电动机。

绕线转子异步电动机由于结构较复杂、价格较高，一般只用在要求调速和起动性能好的场合，如桥式起重机上。

异步电动机由两个基本部分组成：

定子（固定部分）和转子（旋转部分）。

笼型和绕线转子异步电动机的定子结构基本相同，所不同的只是转子部分。

笼型异步电动机的主要部件，如图2—6所示；绕线转子异步电动机的结构如图2—7所示。

图2—6笼型异步电动机的各个部件

图2—7三相绕线式异步电动机结构图

（一）定子

三相异步电动机的定子由机座中的定子铁心及定子绕组组成。

机座一般由铸铁制成。

定子铁心是有冲有槽的硅钢片叠成，片与片之间涂有绝缘漆。

三相绕组是用绝缘铜线或铝线绕制成三相对称的绕组按一定的规则连接嵌放在定子槽中。

过去用A、B、C表示三相绕组始端，X、Y、Z表示其相应的末端，这六个接线端引出至接线盒。

按现国家标准，始端标以U1、V1、W1，末端标以U2、V2、W2。

三相定子绕组可以接成如图2—8所示的星形或三角形，但必须视电源电压和绕组额定电压的情况而定。

一般电源电压为380V（指线电压），如果电动机定子各相绕组的额定电压是220V，则定子绕组必须接成星形，如图2—8a所示；如果电动机各相绕组的额定电压为380V，则应将定子绕组接成三角形，如图2—8b所示。

图2—8三相绕组的联结

a）星形联结；b）三角形联结

（二）转子

转子部分是由转子铁心和转子绕组组成的。

转子铁心也是由相互绝缘的硅钢片叠成的。

转子冲片如图2—9a所示。

铁心外圆冲有槽，槽内安装转子绕组。

根据转子绕组结构不同可分为两种形式：

笼型转子和绕线型转子。

1．笼型转子

笼型转子的绕组是在铁心槽内放置铜条，铜条的两端用短路环焊接起来，绕组的形状如图2—9b所示。

它像个鼠笼，故称之为笼型转子。

为了简化制造工艺，小容量异步电动机的笼型转子都是熔化的铝浇铸在槽内而成，称为铸铝转子。

在浇铸的同时，把转子的短路环和端部的冷却风扇也一样用铝铸成，如图2—10所示。

图2—9笼型转子

a）转子冲片；b）笼型绕组；c）笼型转子

2．绕线转子

绕线型转子绕组和定子绕组一样，也是一个用绝缘导线绕成的三相对称绕组，被嵌放在转子铁心槽中，接成星形。

绕组的三个出线端分别接到转轴端部的三个彼此绝缘的铜制滑环上。

通过滑环与支持在端盖上的电刷构成滑动接触，把转子绕组的三个出线端引到机座上的接线盒内，以便与外部变阻器连接，故绕线式转子又称滑环式转子，其外形如图2—11所示。

图2—10铸铝转子图2—11绕线型转子与外部变阻器的连接图

（三）气隙

异步电机的气隙比同容量直流电机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，一般为0.2~2.5mm。

气隙大小对电机性能影响很大，气隙愈大则为建立磁场所需励磁电流就大，从而降低电机的功率因数。

如果把异步电机看成变压器，显然，气隙愈小则定子和转子之间的相互感应（即耦合）作用就愈好。

因此应尽量让气隙小些，但也不能太小，否则会使加工和装配困难，运转时定转子之间易发生扫膛。

二、铭牌

每台异步电动机的机座上都有一个铭牌，它标记着电动机的型号、各种额定值和联结方法等（如图2—12所示）。

按电动机铭牌所规定的条件和额定值运行，称作额定运行状态。

下面以三相异步电动机Y112M—6铭牌为例来说明各数据的含义。

图2—12三相异步电动机的铭牌

（一）型号型号指电动机的产品代号、规格代号和特殊环境代号：

电机产品型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。

其中汉语拼音字母是根据电机全名称选择有代表意义的汉字,再用该汉字的第一个拼音字母组成。

它表明了电机的类型、规格、结构特征和使用范围。

我国目前生产的异步电动机种类很多，现有老系列和新系列之别。

老系列电机已不再生产，现有的将逐步被新系列电机所取代。

新系列电机符合国际电工协会标准，具有国际通用性，技术、经济指标更高。

表2—2是几种常用系列异步电动机新旧代号对照表。

表2—2异步电机新旧产品代号对照表

产品名称

新代号

意义

老代号

异步电动机

Y

异

J、JO、JS、JK

绕线式异步电动机

YR

异

JR、JRO

高起动转矩异步电动

YQ

异起

JQ、JQO

多速异步电动机

YD

异多

JD、JDO

精密机床异步电动机

YJ

异精

JJO

大型绕线式高速异步电动机

YRK

异绕快

YRG

我国生产的异步电动机的主要产品系列有：

Y系列为一般的小型鼠笼式全封闭自冷式三相异步电动机，主要用于金属切削机床、通用机械、矿山机械和农业机械等。

YD系列是变极多速三相异步电动机。

YR系列是三相绕线式异步电动机。

YZ和YZR系列是起重和冶金用三相异步电动机，YZ是鼠笼式，YZR是绕线式。

YB系列是防爆式鼠笼异步电动机。

YCT系列是电磁调速异步电动机。

其他类型的异步电动机可参阅有关产品目录。

（二）额定值

1．额定功率PN额定功率指电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位为kW。

2．额定电压UN和接法额定电压指电动机额定运行状态时，定子绕组应加的线电压，单位为V。

有铭牌上给出两个电压值，这是对应于定子绕组三角形和星形两种不同的联结方式。

当铭牌标为220D/380ΥV时，表明当电压为220V时，电动机定子绕组用三角形联结；而电源为380V时，电动机定子绕组用星型联结。

两种方式都能保证每相定子绕组在额定电压下运行。

为了使电动机正常运行，一般规定电源电压波动不应超过额定值的5%。

3．额定电流IN指电动机在额定电压下运行，输出功率达到额定值，流入定子绕组的线电流，单位为A。

4．额定频率fN指加在电动机定子绕组上的允许频率。

我国电力网的频率规定为50Hz。

5．额定转速nN指电动机在额定电压、额定频率和额定输出的情况下。

电动机的转速，单位为r/min。

6．绝缘等级指电动机内部所有绝缘材料允许的最高温度等级，它决定了电动机工作时允许的温升。

各种等级所对应温度的关系见表2—3。

表2—3电动机允许温升与绝缘耐热等级关系

绝缘耐热等级

A

E

B

F

H

C

允许最高温度/℃

105

120

130

155

180

180以上

允许最高温升/℃

65

80

90

115

140

140以上

本章电动机为B级绝缘，定子绕组的容许温度不能超过130℃

7．定额按电动机在额定运行时的持续时间，定额分为连续——S1、短时——S2及断续——S3三种。

“连续”表示该电动机可以按铭牌的各项定额长期运行。

“短时”表示只能按照铭牌规定的工作时间短时使用。

“断续”表示该电动机短时运行，但每次周期性断续使用。

本例电动机为S1连续工作方式。

8．防护等级是提示电动机防止杂务与水进入的能力。

它是由外壳防护标志字母IP后跟2位具有特定含义的数字代码进行表定的。

例如某电动机的防护等级为IP44，意义见下表。

表2—4防护等级代码

（1）

防护等级

（第一位数字）

定义

防护等级

（第一位数字）

定义

0

1

2

3

有专门的防护装置

能防止直径大于50mm的固体侵入

能防止直径大于12mm的固体侵入

能防止直径大于25mm的固体侵入

4

5

6

能防止直径大于1mm的固体侵入

防尘

完全防止灰尘进入壳内

表2—5防护等级的代码

（2）

防护等级（第二位数字）

定义

0

1

2

3

4

5

6

7

8

无防护

防滴

15°防滴

防淋水

防止任何方向溅水

防止任何方向喷水

防止海浪或强力喷水

简称浸水级

简称潜水级

9．噪声器为了降低电动机运输时带来的噪声，目前电动机都规定噪声指标，该指标随电动机容量及转速的不同而不同（容量及转速相同的电动机，噪声指标又分“1”、“2”两段）。

中小型电动机噪声量的大致范围在50～100dB之间，本例电动机噪声为67dB。

10．震动量表示电动机震动的情况，本例电动机震动为每秒轴向移动不超过1.8mm。

在铭牌上除了给出的以上主要数据外，有的电动机还标有额定功率因数cosφN。

电动机是感性负载，定子相电流滞后定子相电压一个φ角，所以功率因数cosφN是指额定负载下定子电路的相电压与相电流之间相位差的余弦。

异步电动机的cosφN随负载的变化而变化，满载时cosφ约为0.7～0.9，轻载时cosφ较低，空载时只有0.2～0.3。

实际使用时要根据负载的大小来合理选择电动机容量，防止“大马拉小车”。

任务3三相异步电动机的参数测定

利用等效电路计算异步电动机的运行特性时，必须知道电动机的参数，这些参数可以通过空载试验和堵转（短路）试验求得。

一、空载试验

1、空载试验的目的：

是测定励磁支路的参数rm、xm以及铁耗PFe和机械损耗Pmec。

2、试验的条件：

试验时，电动机空载、定子接到额定频率的三相对称电源，改变定子端电压的大小可测得对应的空载电流I0和空载输入功率P0。

绘出I0=f（U1）和P0=f（U1）两条曲线。

3、参数计算

Z0=

（2—46）

根据空载试验，求得额定电压时的I0、P0、PFe的值，即可算出。

式中，U1为定子相电压；I0为定子相电流。

空载时，I2=0。

从T型等效电路来看，相当于转子开路，所以

X0=Xm+X1（2—47）

通过堵转试验求得X1后，即可求得励磁电抗Xm（Xm=X0−X1）和励磁电阻Rm（Rm=R0−R1）。

二、堵转试验

1、试验的目的：

测定感应电动机的短路参数ZS及消耗在定、转子的铜耗为PCu1+PCu2。

2、试验的条件：

试验时，将转子堵住不动，这时s=1，则在等效电路中的附加电阻，相当于转子电路本身短接，所以堵转试验也称为短路试验，求得的参数也就称之为短路参数。

试验时，定子仍加额定频率的三相对称电压，为了使短路试验不出现过电流，应降低电压。

一般电压从U1=0.4UN电压开始，逐渐降低电压，求得不同电压下的定子相电流Is和输入功率Ps，即可画出短路特性Ik=f（U1）和Pk=f（U1）。

当励磁支路开路，I0=0，铁耗忽略不计，因此，输入功率全部消耗在定、转子的铜耗上。

3、参数计算

Zs=

Rs=

　　　（2—48）

定子电阻r1可直接测得，于是

　　　　　　　（2—49）

对大中型电动机，可以认为

　　　　　　　　　　　　　　　　　（2—50）

任务4三相笼型异步电动机的直接起动

异步电动机在接通电源后，从静止状态到稳定运行状态的过度过程。

在起动的瞬间，由于转子尚未加速，此时n2=0，s=1，旋转磁场以最大的相对速度切割转子导体，转子感应电动势的电流最大，致使定子起动电流I1Q也很大，其值约为额定电流的4～7倍。

尽管起动电流很大，但因功率因数甚低，所以起动转矩TQ较小。

过大的起动电流会引起电网电压明显降低，而且还影响接在同一电网的其他用电设备的正常运行，严重时连电动机本身也转不起来。

如果是频繁起动，不仅使电动机温度升高，还会产生过大的电磁冲击，影响电动机的寿命。

起动转矩小会使电动机起动时间拖长，既影响生产效率又会使电动机温度升高，如果小于负载转矩，电动机就根本不能起动。

根据异步电动机存在着起动电流很大，而起动转矩却较小的问题，必须在起动瞬间限制起动电流，并应尽可能的提高起动转矩，以加快起动过程。

对于容量和结构不同的异步电动机，考虑到性质和大小不同的负载，以及电网的容量，解决起动电流大起动转矩小的问题，要采取不同的起动方式。

下面对笼型异步电动机和绕线转子异步电动机常用的几种起动方法进行讨论。

一、笼型异步电动机的起动

（一）直接起动

所谓直接起动，就是利用刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到额定电压的电流上，故又称全压起动。

直接起动的优点是起动设备和操作都比较简单，其缺点就是起动电流大、起动转矩小。

对于小容量异步电动机，因电动机起动电流较小，且体积小、惯性小、起动快，一般说来，对电网、对电动机本身都不会造成影响。

因此，可以直接起动，但必须根据电源的容量来限制直接起动电动机的容量。

在工程实践中，直接起动可按下列公式核定

IQ/IN≤

+

PN（2—38）

式中，IQ为电动机的起动电流；IN为电动机的额定电流；PN为电动机的额定功率（kW）；PH为电源的总容量（kV·A）。

如果不能满足上式的要求，则必须采取限制起动电流的方法进行起动。

任务5三相笼型异步电动机的降压起动

对中、大型笼型异步电动机，可采用降压起动方法，以限制起动电流。

待电动机起动完毕，再恢复全压工作。

但是降压起动的结果，会使起动转矩下降较多，因为TQ与电源电压U1的平方成正比。

所以，降压起动只适用于在空载或轻载情况下起动电动机。

下面介绍几种常用的降压起动方法。

1．定子电路串接电阻起动

在定子电路中串接电阻起动线路如图2—29所示。

起动时，先合上电源隔离开关Q1，将Q2扳向“起动”位置，电动机即串入电阻RQ起动。

待转速接近稳定值时，将Q2扳向“运行”位置，RQ被切除，使电动机恢复正常工作情况。

由于起动时，起动电流在RQ上产生一定的电压降，使得加在定子绕组的电压降低了，因此限制了起动电流。

调节电阻RQ的大小可以将起动电流限制在允许的范围内。

采用定子串电阻降压起动时，虽然降低了起动电流，但也使起动转矩大大减小。

图2—29定子串电阻降压起动线路图

假设定子串电阻起动后，定子端电压由U1降低到U/1时，电动机参数保持不变，则起动电流与定子绕组端电压成正比，于是有U1/U/1=I1Q/I′1Q=Ku

式中，I1Q为直接起动电流；I′1Q为降压后的起动电流；Ku为起动电压降低的倍数，即电压比，Ku>1。

由式（2—37）可知，在电动机参数不变的情况下，起动转矩与定子端电压平方成正比，故有TQ=T′Q=[U1/U/1]²=

，显然起动转矩将大大减小。

定子串电阻降压起动，只适用于空载和轻载起动。

由于采用电阻降压起动时损耗较大，它一般用于低电压电动机起动中。

2．星/三角降压起动

对于正常运行时定子绕组规定是三角形联结的三相异步电动机，起动时可以采用星型联结，使电动机每相所承受的电压降低，因而降低了起动电流，待电动机起动完毕，在接成三角形，故称这种起动方式为星/三角降压起动，其接