刘旭富

摘要：交流异步电动机按转子结构划分为鼠笼式和绕线式两类。绕线式异步电动机其转子绕组构造有别于鼠笼式异步电动机，且二者的机械特性，启动方式、用途也大相径庭。

关键词：绕线式电动机;特性曲线;串联电阻;频繁变阻器;无刷无环启动器

0  引言

近年来因生产、市场需求，公司大力发展原矿砂的再加工生产规模。由此洗砂厂的主要设备——棒磨机进入了设备维修员的视野。棒磨机的原动机为绕线式异步电动机，作为异步电动机的一种基本类型，其在工农业生产及国民经济各部门中占据着至关重要的地位。由于绕线式异步电动机多用于大型矿山机械，具有负载性能好、运行稳定可靠、效率可观等优点，因而在国民经济发展中日益得到广泛应用。在此背景下，对其启动方式及原理的相关分析，也就变得尤为必要。

1  交流异步电动机启动原理的概述

交流异步电动机的特性曲线又简称硬曲线。它的启动方式经综合分类后应分两类：直接（全压）启动、降压启动。

各类特性曲线如图1。

从图1左侧图示中可以看出，交流异步电动机采用的是单纯降低定子电压来限制启动电流措施。其的机械特性也与全压启动同为属硬特性，且其启动转矩下降幅度较大（T

右侧图中是采用变频器启动电机的机械特性曲线，它因在降压的同时降低了频率，使其转速降低，其启动转矩特性稍软，启动转矩接近Tst，所以启动电流低且平滑。适用于轻、中载启动且有调速运行需求的负荷。

2  交流绕线式异步电动机的启动方式

2.1 基本原理

由于交流异步电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，求取转矩的公式为：

T≈kTU12SR2/[R22+（SX20）2]

式中：kT为同电机自身特性有关的常数;U1为定子输入电压;R2为转子电阻;X20为转子漏感抗与电机制造工艺相关;S为转差率。

从式中可以看出，在选定绕线式电动机后，影响该电机电磁转矩的只有U1和R2两个变量（其他都可理解成为常量，其中S与负载需求转矩有关，在特定负载下也可视其为常量）。绕线式电动机就是利用这一点，规避以降低定子电压来减小启动电流的方式，克服了定子控制式启动器的启动转矩与输入电压的平方成正比的这一缺陷。采用增加转子回路电阻的阻值来提高电磁转矩。同时转子回路因增加了额外电阻，造成转子电流降低从而引导定子电流跟着降低（基本于电动机近似于变压器原理）。这样既限制了电机的启动电流，又获得可观的启动转矩（Tst

2.2 绕线式异步电动机改变转子回路电阻的方式有如下三种

2.2.1 分级串联电阻可获得较大的启动转矩和有级调速性能

在绕线式异步电动机转子回路中串入适当的电阻，使转子回路的电阻增加，使转子和定子在起动时电流减少，起动转矩略为减小。另一方面由于转子回路电阻增加后，转子回路的功率因数增加使起动转矩又相应增大。

在绕线式异步电动机串电阻起动结束后，如果不是用于调速，需及时切除串入的电阻。因为电机空、轻载运行时，转速接近同步转速，所以转子上的感应电流极小，即电阻上能耗很小。一旦带上负载，转子上的感应电流增大，此时不及时切除起动电阻，电阻就会消耗有功功率，所以若无需串级调速就需要切除电阻。

在绕线式异步电动机转子回路串入专用的附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串进的电阻越大，电动机的转速越低，属有级调速。此方法设备简单，控制方便，但转差功率在电阻上以发热形式消耗。

因切换电阻的附属设备较多、电阻能耗较大、分级切换电阻时电流有冲击、频繁切换导致故障隐患也就较多。其仅适用于重载启动的桥式起重机、卷扬机等设备。

我司洗砂厂棒磨机采用的是可实现均匀调节阻值的液态电阻。

2.2.2 频敏变阻器是一种有独特结构的无触点原件

在绕线式电动机转子绕组回路中串入频敏变阻器的启动过程中，电机的转差率变化引导转子电流频率变化，而变阻器阻抗是随着转子电流频率的变化而变化，从而改变电机转子绕组的回路阻抗。

刚开始启动时，电动机转速很低，转子电流频率接近工频，随着电动机转速上升，变阻器的阻抗随着转子电流频率的降低而自动减小，所以启动平稳性能好。启动结束后，再把频敏变阻器从电路中切除。

这种启动方法的优点是结构简单、成本较低、使用寿命长、维护方便，电动机启动电流低而平滑。主要不足之处是，功率因素较低（可另采用静止进相器来提高功率因数）。

上述两种启动方式都需要在启动完成后将电阻旁路。另外，绕线式电动机因其转子绕组与外部通过集电环、碳刷进行电气连接。在洗砂厂的粉尘、积水交织的恶劣环境中，集电环、碳刷、旁路接触器因粉尘、潮湿等原因，接触不良、受潮故障频出。继而出现碳刷压簧弹性因碳刷发热而降低又引起集电环与碳刷间打火、转子回路接地、旁路接触器触点发热、熔焊，导致其他相触点接触不良等形成恶性循环，最终导致停机，严重时危及电机安全。

2.2.3 无刷无环启动器

无刷无环启动器是基于前述两种启动原理但更为可靠的一種启动方式，它分绕组型和液阻型两种。绕组型就是在转子中串接电抗绕组，液组型就是在转子中串接液态电阻。因启动机理、特性与频敏变阻器类似，这里不做赘述。

因为该启动器无刷（无碳刷）无环（无集电环）的特点，大大减少了电机因碳刷、压簧、集电环、旁路接触器以及相关回路的中间环节引起的故障和投资。这也是该启动方式的亮点所在！

由于无刷无环启动器属非常敏感元件，能及时感测转子频率变化自动工作，当电机偶遇过载时，电动机转速下降，感应电流频率升高，启动器阻抗应变增大，从而加大了拖动力矩，以维持电动机原有转速、同时又使超载电流适当降低，避免导致电气保护装置动作而使设备停机。这样既保证了生产的连续性又提高了生产设备的运转率。当然这个自动调速过程是非常短暂的，同时限制过载电流也是有限的，如果设备长时间过载，电气保护装置还是会动作，这是保护设备免受破坏的必要措施。

无刷无环启动器由于减少了转子绕组回路的向外延伸，棒磨机控制柜即可远离电机生产现场安装而安装于控制室内，很大程度上避免洗砂厂设备现场环境对电气回路的影响。

3  绕线式电动机的另一种启动形式

上述以外，还有一种启动绕线式电动机的方式。简单而言，就是先将转子绕组短接，使其转变成为交流异步普通鼠笼式电机，然后利用软启动或变频器装置将电机投入电路中启动。将绕线式异步电动机当成鼠笼式异步电动机来使用属降级使用，完全失去绕线式电动机应有的优势。

如本文开章所述，软启动是以降低定子电压来降低电流的，那么启动转矩会大受影响，而配备绕线式电机都是有重载启动需求的负载。如此一来，要在额定负载下启动电机，其启动电流会很大，与电机功率适配的软启动器也必须降级才能使用。

采用变频器启动可以获得很小且很平滑的启动电流，但其装置投资造价高。而选用绕线式电机的负载不会有较高的调速需求，故变频器的优势得不到完全体现。

综上所述，使用软启动器、变频器启动绕线式电动机方案性价比太低。另外，软启动、变频器都属精密电子产品，对工作环境要求很高，洗砂厂的环境对其工作稳定性、使用寿命的影响也不可忽视。

4  结束语

在绕线式电动机日益得到广泛应用的今天，我们越发不能忽视其重要性以及对其研究、探讨的必要性。本文简要探讨归纳了绕线式电动机的几种启动方式。就其各自特征而言，无刷无环启动器使绕线式电动机甩掉了复杂的启动系统，能够直接启动，具有良好的启动特性，其操作简便、无需配件、运转无事故，基本免维修且起动器的综合价格不及其它软起动器的1/3等特点，使得无刷无环启动器在洗砂厂棒磨机的启动方案选择中独具优越性。就企业本身发展而言，将绕线转子异步电动机改用无刷无环启动器能为我司节省大量备件及维修费用，提高设备的安全运转率。因而该产品的推广使用，应该引起我们的重视。

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