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三相异步电动机在额定运行时,其定子绕组一般为三角形接法,所承受的电压为线电压。而在低压三相四线系统中,电源线电压为相电压的根号3倍,即U线 =1.732U相 ,如下图1-1所示,相电压是指相线与中线点间的电压,而线电压是指相线与相线间的电压。
图1-1
对应三相异步电动机而言,其定子的起动电流会比额定电流大很多,所谓起动电流是指接入电动机定子绕组的电源线电流。起动电流可达到额定电流的5~7倍,这是因为电动机在起动时转子转速为0,转差率为1,对转子而言,转子导体与定子旋转磁场相对速度较大,所以转子电流很大,同样的,定子电流也就很大。
一般地,近似情况下,电动机的定子起动电流与电源电压成正比,换言之,如果降低电源电压,就可以降低电动机的起动电流。但较低的电压不利于电动机的正常运行,所以我们要做到降低电动机起动电流的同时,还要保证电动机在正常运行时有较高的电压,基于此,把电动机的起动和额定运行分为两步控制。
一、三相异步电动机的起动
这里的三相异步电动机指的是笼型异步电动机,它的起动方法要视电源容量、负载性质等要求而定。例如当供电系统的容量足够大(电动机容量<变压器容量的20%),此时电动机全压起动的大电流所引起的系统电压降很小,不会影响其他设备的正常工作,所以是允许的。
当变压器容量不够,为了降低起动电流,电动机就得降压起动。电动机起动的方法不一,如自耦变压器降压起动、星——三角降压起动、延边三角形降压起动、定子回路串电阻(或串电抗器)降压起动以及电动机的软启动等。
相对于其他起动方法中,定子电压只能按一定倍数降低,电动机的软启动可以通过控制晶闸管的导通角来控制定子的电压,使得定子电压从零开始逐渐升高至额定电压。然而,我今天要讲的不是电动机的软启动,而是电动机的星形——三角形降压起动。
二、电动机的星形——三角形降压起动
星形——三角形降压起动是指在电动机起动时,将定子绕组接成星形,起动完毕后(达到额定转速后),立即将定子绕组改成三角形接法运行,如下图1-2所示,就是一种星形——三角形降压起动的实际接线方法。
图1-2
那么,电动机的星形——三角形起动是如何实现降低电压的目的的呢?它可以将电动机的定子起动电流降低到多少呢?
(1)电动机定子绕组星接时的电压与电流
电动机定子绕组星形接法的接线图如下图1-3所示。
图1-3
在电动机的接线端子上,用连片把U2、V2、W2连接起来,然后电源线分别接入U1、V1、W1三个端子上,其电路接线图如图1-3的右边所示。电动机的3相定子绕组的阻抗相等,若对阻抗不理解的,可以当作电阻看待。每相绕组的电流等于每相绕组的电压除以该相绕组的阻抗,即I相 =U相 /Z。
在星形接法中,流过电源线的电流(线电流)等于电动机的相电流,电源电压(线电压)等于电动机相电压的根号3倍。若不知道为什么是根号3倍的,可以回顾我之前写的文章“带你完全理解相电压与线电压”,里面有详细的解释。
根据以上关系,就可以得到在星形接法时,电动机的定子起动电流(即流过电源线的电流)如图1-3所示,为线电压除以根号3倍阻抗。
(2)电动机定子绕组三角接时的电压与电流
电动机定子绕组星形接法的接线图如下图1-4所示。
图1-4
电动机的接线端子上,用连片分别把U1W2、V1U2、W1V2连接起来,然后电源线分别接入U1、V1、W1三个端子上,其电路接线图如图1-4的右边所示。同样的,电动机的3相定子绕组的阻抗相等,每相绕组的电流等于每相绕组的电压除以该相绕组的阻抗,即I相 =U相 /Z。在三角形接法中,流过电源线的电流(线电流)等于电动机相电流的根号3倍,电源电压(线电压)等于电动机相电压,如图1-4右边的式子所示。
三、星形接法和三角形接法的电压电流比较
将三角形接法与星形接法相比较,可以发现,三角形接法时,定子绕组的每相电压直接等于电源线线电压,而且流过电源线的电流是每相绕组电流的根号3倍!
如下图1-5所示为两种接法的对比,两者的电源电压为同一个电压,前后不变,两者的定子绕组阻抗也为同一个阻抗,因为阻抗就像电阻一样,不改变绕组的结构,只改变接法,阻抗是不会变的。
图1-5
将三角形接法时的起动电流除以星形接法时的起动电流,如下图1-6所示,可以发现,星形接法起动可以将起动电流减少到1/3。也就是说,电动机的星三角降压起动,起动电压减小到1/√3,但起动电流却减少到1/3。
图1-6
星三角降压起动在众多的起动方法中算是比较简单的,但它只有一个固定的降压值(降到额定电压的1/√3),没有选择的余地。另外,这种起动方法下,起动转矩也降低为原来的1/3(起动转矩正比于电压的平方,即T∝U2 ),所以电动机的星形——三角形降压起动适用于空载或轻载下的起动。
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