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1.1　三相异步电动机起动研究的意义

电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。

与电机配套的控制设备的性能已经成为用户关注的焦点。

电机的控制包括电机的起动、调速和制动。

异步电动机由于具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等优点，因而在电力拖动平台上得到了广泛应用。

据统计，其耗电量约占全国发电量的40%左右。

当电机并入电网时，电机转速从静止加速到额定转速的过程称为电机的起动过程。

异步电动机的起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。

因此在电机的起动过程中，如何降低起动电流，增大起动转矩，一直是机电行业的专家们探讨的重要课题。

1.2　三相异步电动机的起动分类及其发展方向

目前，最常见的是直接起动方式，这是一种最简单的起动方法。

就是用闸刀开关或者接触器把电机的定子绕组直接接到电网上。

这种方式的优点是操作和起动设备简单，缺点是起动电流很大。

一般鼠笼式异步电机直接起动的电流是额定电流的4～7倍，某些国产电机甚至可达8～12倍，起动转矩是额定转矩的1～2倍。

虽然,起动电流很大,但起动转矩并不大。

因此,直接起动方法只适用于小容量电机起动。

为了解决直接起动带来的一系列问题，人们采用了各种降压起动技术，目前应用较为普遍的有自耦变压器起动、串电阻或串电抗起动、Y-△启动和延边三角形起动等方法。

这些传统降压起动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾，但它们只是缩短了大电流冲击的时间，并没有从本质上解决问题。

而且这些起动设备还存在一些固有的缺点:

如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维修工作量大以及浪费能源等问题。

随着自动化、机械化要求日益提高，这些矛盾变得更加突出。

1.3　变频起动的发展

虽然软起动仍然以各种形式的降压（限流）软起动为主要形式，但是随着变频器价格的逐渐下降及可靠性的进一步提高，变频软起动将成为软起动的主流。

变频器具有所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵的多，结构也负责的多。

由于其价格太高，人们购置变频器一般都是着眼于调速，因此常常不把他归类于软启动装置。

但对于需要重载或者满载起动的设备，最好采用变频软启动。

因为软起动器调压不调频，转差率始终存在，难免过大的起动电流，而变频器采用调频调压方式，可实现无过流软启动，且可提供1.2－2倍的起动转矩，特别适合于重负载起动的设备。

相信随着电力电子技术的不断发展，变频器的价格会进一步降低，变频器作为一种软启动方式会得到更为广泛的应用。

各种形式的降压起动动将与星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。

未来成为主流产品的软起动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器。

2　笼型异步电动机的起动方式

2.1　直接起动

直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。

小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点也是显而易见的。

在这种起动方式下，起动电流约为标称电流的4-7倍;

起动转矩约为标称转矩的

倍。

其特点是:

电机端子少（一般为三端子电机），可带载起动、高电流峰值和大压降起动，设备简易。

直接起动是最简单的起动方式，起动时通过空开或接触器将电机直接接到电网上。

具有起动设备简单，起动速度快的优点,而且起动转矩比采用降压起动时大。

在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜．因为操纵控制方便，而且比较经济。

其危害很大电网冲击大。

过大的起动电流，会造成电网压降，影响其他用电设备的正常进行。

还可能使欠压保护动作，造成用电设备的有害跳闸。

同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命；

机械冲击严重，过大的冲击力矩容量造成电机转子笼条、端环断裂和定于端部绕组绝缘磨损，导致绝缘击穿烧毁电机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。

因此尽管直接起动方法简单．起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。

图2.1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。

三相交流电源经由组合开关

，熔断器

，

，交流接触器KM的主触点到电动机定子绕组，构成了主电路。

图2.1　三相交流异步电动机直接起动的电路图

2.2　降压起动

降压起动通过降低起动时加在定子绕组上的电压来减小起动电流，起动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。

降压起动虽然能减小起动电流，但是起动转矩也大大减小了，所以降压起动一般适用于中、大容量的异步电动机轻载货空载起动。

降压起动适用于容量大于或等于

并带轻载的工况。

由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。

主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低起动电流。

在研究起动时，可以用短路阻抗

来等效异步电动机。

电机的起动电流（即流过

上的电流）与端电压成正比，而起动转矩与电机端电压的平方成正比，这就是说起动转矩比起动电流降得更快。

降压之后在起动电流满足要求的情况下，还要校核起动转矩是否满足要求。

2.3　三相异步电动机变频起动的原理

根据三相异步电动机的转速公式为

式中

为异步电动机的定子电压供电频率；

为异步电动机的极对数；

为异步电动机的转差率。

改变异步电动机定子绕组供电电源的频率

，可以改变同步转速

，从而改变转速。

如果频率

连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。

3异步电机启动过程的simulink仿真

3.1直接启动

异步电机直接起动仿真模型

上图为异步电动机直接起动仿真模型。

起动过程中，把全部的电源电压直接加到电机的定子绕组。

其中，三相电源的3路输入信号的初始相位分别设置为0，-120，120。

相电压设为220V，频率为50Hz。

电机模块绕组类型选择鼠笼式（Squirrel-cage）。

所有的图形的仿真时间均为10s（截取图形时为了截取有效数据，一般都是选择性截取，没有截取到10s）仿真算法为ode23tb。

对各元件的参数配置完成后就可以进行仿真。

仿真波形：

上图分别是：

转子电流、定子电流、转速、转矩波形

下图是：

异步电机直接启动时转速—转矩特性曲线

从上面波形图可以看出，直接起动时，起动过程在1.8秒左右结束，起动速度较快。

因为负载很小，所以转速非常接近同步转速1500

，转速上升速度快。

定子电流波形和转子电流波形呈现较大的振荡，起动后电流降至正常工作电流。

启动负载较小，异步电机在直接起动过程中的起动定子电流最大约为28.2A（找尖峰，进行图形放大得到）。

3.2降压启动

异步电机降压启动仿真模型

图中为异步电动机自耦变压器降压起动仿真模型。

起动时，串联的一组breaker开关合上，并联在变压器两端的一组breaker开关打开，这样使得变压器接入电源，其二次侧抽头接电动机，使电动机降压起动。

当转速接增加到一定转速时，将串联的一组开关打开，并联在变压器两端的开关闭合，则电动机接入全电压（此时自耦变压器已经脱离电源），继续起动，但此时的电流冲击已经很小。

再过一小段时间，电机进入正常运行状态。

升压时间为1s时的仿真波形：

（转子电流、定子电流、转速、转矩波形）

升压时间为2s时的仿真波形：

升压时间为3s时的仿真波形：

升压时间为4s时的仿真波形：

升压时间为5s时的仿真波形：

升压时间为6s时的仿真波形：

异步电机降压启动时转速—转矩特性曲线

升压时间为1s时的转速—转矩特性：

升压时间为2s时的转速—转矩特性：

升压时间为3s时的转速—转矩特性：

升压时间为4s时的转速—转矩特性：

升压时间为5s时的转速—转矩特性：

升压时间为6s时的转速—转矩特性：

异步电动机通过自耦变压器降压起动，可以减小变压器二次侧加在定子两端的机端电压，从而达到减小起动电流的目的。

从定子电流波形可知，当转速接近正常运行转速时，接入全电压，比直接起动的定子电流小。

但是在起动的过程中，由于自耦变压器的退出，电流波形出现了高电流峰值，存在2次大的冲击电流。

3.3V/f比控制

异步电机V/f比控制启动仿真模型

仿真图说明：

上图中的的PWM模块是利用自行编制的PWM，单击鼠标右键，弹出右键菜单，单击Creatsubsystem进行封装，然后重命名得到的。

下面是说明图。

1）加速（减速）斜率设置为200（-200）时仿真结果

异步电机V/f比控制起动时转速—转矩特性曲线

2）加速（减速）斜率设置为100（-100）时仿真结果

2）加速（减速）斜率设置为2（-2）时仿真结果

4仿真结果分析

4.1启动的速度、启动电流、启动转矩进行对比分析

时间

启动电流最大值

启动转矩最大值

直接起动

2s

28.3A

27.3

降压启动（变比220：

180）

4.5s（取稳定启动的时间）

23A

18.5

V/f控制启动（取斜率为100时数据）

1s

23.1A

45

直接起动比降压启动时间短，但是启动电流大，启动转矩大。

V/f启动时间最短，启动转矩比其他两种启动都大很多。

启动电流比直接起动小，与降压启动相比启动电流略大一点。

4.2降压启动中升压时间对启动电流及启动转矩的影响进行分析

变压器变比220：

180

从仿真图中可以得到

开关切换的时间即全电压接入前的时间

3s

4s

5s

6s

开关切换时的转速

150

371

731

1354

1443

转速达到稳定所需时间

2.5s

3.3s

3.7s

4.3s

4.5s

定子电流的幅值

24.0A

23.5

22.1

19.2

转矩波动时间

0.4s

0.24

0.08s

0.03s

0.23s

转矩的波动幅值

5.9

6.75

6.9

5.35

5.5

从表格中可以看出接入全电压的时间越早，转速越早达到稳定，电机启动所用时间越短，但是定子电流幅值的幅值越大，这是因为接入全电压时，电压的突然升高会使电流出现突然的升高，在原来波动基础之上进行叠加造成的，因此全电压越早接入对电网及电机的冲击越大。

从图中可以看出如果一直不撤去变压器，4.5s时转速已经稳定，此时转速已经达到最大值，此时接入全电压对定子电流形成的冲击为8.28A，由于没有与启动时的波动电流叠加，所以对电机及电网的影响很小，因此接入全电压的时间在4.5s时接入比较好。

在转速达到稳定前（5s前），接入全电压的时间早，负载转矩的波动时间越长。

由于负载很小，接入全电压的时间对转矩的幅值影响很小。

4.3V/f比控制中加速时间对启动电流及启动转矩的影响进行分析

加速（减速）斜率设置为200（-200）

加速（减速）斜率设置为100（-100）

加速（减速）斜率设置为2（-2）

启动电流幅值

46A

22.8A

启动时间

0.6s

启动转矩幅值

83

26

加速斜率越大，启动时间越短，启动转矩越大，启动电流幅值越大。

因为加速斜率大，加速时间会比较短，因此必须提供较大的转矩来牵引电机，所以启动电流也会比较大。

5变频起动与其他启动方式性能比较

5.1技术性比较

单从技术上来说，变频具有不可比拟的优势，起动特性好，可连续起动多次，起动电流可控制在额定电流以下，起动时电网功率因素高（0.9～0.95），电网压降小，同时还可进行调速，减小动力设备功率消耗，节约电能。

缺点是产生高磁谐波，污染电网，影响系统内其它设备的用电质量，要解决谐波污染，还得追加设备投资。

5.2经济性比较

从实用性经济角度来说，变频起动属于一种过于奢侈的技术方案，虽然变频起动可以将起动电流降到额定电流以下，但是对于不是特别频繁起动又不需要调速的大型动力设备来说，仅仅为了起动而进行巨额投资，太不经济。

5.3可靠性比较

变频软起动技术含量高，设备复杂，技术难度较大，使用维护及故障处理等对技术人员的技术素质要求高。

发生故障，解决问题的技术难度较高，事故处理周期较长。

变频调速起动是目前最好的电机起动方式，可以基本上做到对电网无冲击，负荷电流从零平滑地达到满负荷额定电流，而母线电压维持不变。

这种起动方式虽一次投资大，但起动过程对电网和设备影响很小，且节约能源。

因此对于风机和泵类负载电动机的起动，在投资允许的条件下，应优先采用变频调速起动。

变频调速起动以其节能、降耗、优质的性能成为符合21世纪发展需要的首要传动技术。

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