異步電動機(jī)如何起動

根據(jù)網(wǎng)上得到的數(shù)據(jù)，2016年，異步電動機(jī)，是裝車量第二位的電動機(jī)品類。作為一種比較成熟的電機(jī)，之前主要的應(yīng)用是在電力行業(yè)。我們可以看到很多材料，都是針對電動機(jī)在電力行業(yè)應(yīng)用的問題探討和舉例。具體到異步電機(jī)在電動汽車上的大量應(yīng)用，則是最近這幾年的事情。

這里從源頭開始，整理一套異步電動機(jī)的起動方法。當(dāng)前電動汽車，不會再直接使用其中的大部分方法，但調(diào)控的目的和方向是一致的。以史為鑒，了解電機(jī)的性能特點(diǎn)，是本文立足點(diǎn)。

1.工作原理

異步電動機(jī)主要由基座、定子和轉(zhuǎn)子組成。額定電壓和額定功率的不同，在詳細(xì)結(jié)構(gòu)上會有區(qū)別。

基座

整個(gè)電機(jī)的支撐，中小型常見電機(jī)，一般為鑄鐵；大型電機(jī)，有焊接基座。

定子

定子鐵芯，是電機(jī)磁路的一部分，放置在基座上，一個(gè)無底桶，如上圖所示。定子內(nèi)部開槽，用于放置定子繞組。繞組按照極數(shù)不同，沿著360環(huán)形均勻布置。勵(lì)磁繞組的磁極都是成對出現(xiàn)的，繞組的極數(shù)都是偶數(shù)，2、4、6、8……極。

定子繞組，是電機(jī)電路的一部分，由具有絕緣層的銅線纏繞而成。其最理想的狀態(tài)就是三組繞組完全一致，進(jìn)而可以提供完美圓形旋轉(zhuǎn)磁場。我們通常所說的星形連接，三角形連接，也指的是定子與電源的連接方式。

定子鐵芯和定子繞組一起，組成一套完整的定子。

轉(zhuǎn)子

同樣，轉(zhuǎn)子也是由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組兩部分組成。

轉(zhuǎn)子鐵芯，由硅鋼片疊壓成圓柱體，作為電機(jī)磁路的另一個(gè)組成部分。

轉(zhuǎn)子“繞組”分兩種，一種如上圖（a）所示，傳說中的“鼠籠”是也，圖（b）是鼠籠與鐵芯結(jié)合在一起的樣子；圖（c）為鑄鋁鼠籠，并同時(shí)鑄造出了散熱的扇葉。

另一種是絕緣導(dǎo)線繞制的繞組。繞組轉(zhuǎn)子也是分為完全相同的三相，一端連接在同一個(gè)點(diǎn)上，另一端通過電刷、滑環(huán)與電機(jī)本體以外的設(shè)備相連。此結(jié)構(gòu)主要是為了給轉(zhuǎn)子回路接入可調(diào)電阻等外圍設(shè)備之用。如下圖所示。

三相繞線型轉(zhuǎn)子

2．異步電動機(jī)起動

2.1起動過程的主要要求：

1）足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，以克服系統(tǒng)的靜摩擦力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從靜止到運(yùn)動的狀態(tài)變化。這是電機(jī)起動的第一要義。

2）起動電流不能太大，要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)承受范圍以內(nèi)。如果想要硬杠，就必須留出足夠的設(shè)計(jì)余量。

3）起動時(shí)間不能太長，其實(shí)也是起動轉(zhuǎn)矩足夠大的問題；

4）盡可能做到平滑起動，在任何機(jī)械系統(tǒng)中，沖擊都是極其有害的；

5）經(jīng)濟(jì)性，便宜性。

總之，異步電機(jī)的起動，首先要?jiǎng)悠饋恚浯我朔芈分挟a(chǎn)生大電流的問題，再次，盡量減少沖擊，實(shí)現(xiàn)無級。

2.2有級軟啟動

2．2.1直接起動

閉合開關(guān)，直接給定子勵(lì)磁繞組加載額定電壓?；芈分挥卸ㄗ永@組銅線內(nèi)阻，其阻值非常小。在起動的瞬間，定子內(nèi)會出現(xiàn)非常大的電流，一般為額定電流的4-7倍。

在小型微型電機(jī)中，直接起動普遍應(yīng)用，比如玩具汽車等等，相關(guān)線路按照回路電流最大值去設(shè)計(jì)承受就可以。

2.2.2降壓起動

根據(jù)影響起動電流的因素，軟啟動的方向可以考慮：

降低定子端電壓；

增加定子電阻；

加大轉(zhuǎn)子電阻；

增加定子電阻，可以歸入降低定子電壓方法里面去。由于鼠籠型轉(zhuǎn)子的封閉型設(shè)計(jì)，加大轉(zhuǎn)子電阻，是鼠籠式電動機(jī)不方便實(shí)現(xiàn)的形式。

降低電壓，固然會降低起動電流，但同時(shí)也會降低的起動轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩與定子端電壓的平方成正比。

降壓起動的方式，是以犧牲一部分起動轉(zhuǎn)矩為前提的。

2.2.2.1定子回路串入阻抗降壓

定子回路起動瞬間，串入大電阻，加載到定子線圈上的電壓會大幅減??；起動過程基本結(jié)束后，再逐漸將電阻切出。

串入回路的電阻一般都是可調(diào)電阻的，分幾次逐漸切出，避免定子回路阻值的突變，帶來電機(jī)運(yùn)行中的過大沖擊。

2.2.2.2自耦變壓器降壓

利用變壓器一次側(cè)與二次側(cè)之間的降壓原理，為定子回路提供起動時(shí)刻的低電壓。待運(yùn)行平穩(wěn)后，變壓器切出。這是大型電動機(jī)的降壓方法，設(shè)備復(fù)雜，此處不多討論。

2.2.2.3三角連接轉(zhuǎn)換成星形連接降壓

三角連接轉(zhuǎn)換成星形連接法，電動機(jī)定子端電壓相差一個(gè)根號3，折算到線電流，轉(zhuǎn)換后是轉(zhuǎn)換前的三分之一。而電路實(shí)現(xiàn)簡單，需要附加的設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

但有個(gè)前提，電機(jī)本身工作狀態(tài)必須是三角形連接。

2.2.3繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)獨(dú)特的起動方法——轉(zhuǎn)子阻值提升法

鼠籠式電動機(jī)起動時(shí)刻，存在著大的起動轉(zhuǎn)矩和小的起動電流很難兩全的局面。但是繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)，卻在此處有著自己的優(yōu)勢。

起動電流，與轉(zhuǎn)子電阻是反向的關(guān)系，而起動轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)子電阻的平方成正比。當(dāng)取得合適的轉(zhuǎn)子電阻后，系統(tǒng)可以達(dá)到對應(yīng)定子電壓下的最大轉(zhuǎn)矩。這是一種非常理想的情況。

繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子繞線的一端，通過滑環(huán)和電刷，從電機(jī)上延伸出來。這個(gè)設(shè)計(jì)是為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的入口使用。

把電阻接入轉(zhuǎn)子繞組，普通做法有兩種。

一種是，起動之初，串接進(jìn)來幾個(gè)等值電阻，或者有多接線點(diǎn)的滑動變阻器。隨著轉(zhuǎn)速的逐漸上升，逐步把電阻短掉，直至回路里沒有繞組以外的多余電阻。

另一種，是串入頻敏電阻。這種電阻，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，其阻值會逐步降低。待系統(tǒng)穩(wěn)定達(dá)到預(yù)期轉(zhuǎn)速后，將電阻回路切出。

2.3無級軟啟動

2.3.1解液液阻限流的軟起動

利用兩塊極板之間電解液的電阻與極板距離成正比，與電解液的電導(dǎo)率成反比的特點(diǎn)，把裝滿電解液的箱體連接在電機(jī)定子電路里，調(diào)節(jié)以上兩個(gè)影響阻值的參數(shù)，對接入回路的電阻無級調(diào)節(jié)。

這套裝置龐大復(fù)雜，顯然不是易于廣泛應(yīng)用的形式。

2.3.2晶閘管軟起動

利用受控晶閘管高頻通斷的特點(diǎn)，將定子電壓逐漸調(diào)高，直至達(dá)到正常運(yùn)行電壓為止。

2.3.3磁控軟起動

控制直流勵(lì)磁電流，改變鐵芯的磁飽和度，進(jìn)而改變電抗器電阻。是電抗器降壓的改良版，但是可以實(shí)現(xiàn)電阻的無級變化。

2.3.4變頻起動

變頻器也是一種軟起動裝置，除了價(jià)格高于前面的方式，其余均為優(yōu)點(diǎn)。但變頻器很少單獨(dú)為起動設(shè)置。在大的直流發(fā)電系統(tǒng)中，有大規(guī)模變頻系統(tǒng)在應(yīng)用的案例。

3異步電機(jī)在電動汽車上的起動過程

電動汽車的運(yùn)行環(huán)境極為復(fù)雜，電動機(jī)的每一個(gè)動作都是依據(jù)電機(jī)控制器的指令進(jìn)行的。電機(jī)控制器是一臺功能強(qiáng)大的變頻器，且其實(shí)際的復(fù)雜程度已經(jīng)超越了傳統(tǒng)意義的變頻器。

電動機(jī)在怎樣的條件下需要旋轉(zhuǎn)多少角度，都是被電機(jī)控制器精確控制的。在這樣的系統(tǒng)中，已經(jīng)不需要單獨(dú)設(shè)置起動裝置。

起動過程中，依照電機(jī)特性的需要，控制器會給電機(jī)定子提供轉(zhuǎn)速從0開始逐步提高的旋轉(zhuǎn)磁場和從0開始上升的定子端電壓，完全避免了起動時(shí)刻，繞組內(nèi)的大電流沖擊以及降壓調(diào)節(jié)過程中的突變。

電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)控制目的的策略有很多種，一般常用的有V/f控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

只是，異步電機(jī)的控制算法與同步電機(jī)相比，要略顯復(fù)雜，這也是它在國內(nèi)用量排位下降的原因之一。