异步电动机如何起动

根据网上得到的数据，2016年，异步电动机，是装车量第二位的电动机品类。作为一种比较成熟的电机，之前主要的应用是在电力行业。我们可以看到很多材料，都是针对电动机在电力行业应用的问题探讨和举例。具体到异步电机在电动汽车上的大量应用，则是最近这几年的事情。

这里从源头开始，整理一套异步电动机的起动方法。当前电动汽车，不会再直接使用其中的大部分方法，但调控的目的和方向是一致的。以史为鉴，了解电机的性能特点，是本文立足点。

1.工作原理

异步电动机主要由基座、定子和转子组成。额定电压和额定功率的不同，在详细结构上会有区别。

基座

整个电机的支撑，中小型常见电机，一般为铸铁；大型电机，有焊接基座。

定子

定子铁芯，是电机磁路的一部分，放置在基座上，一个无底桶，如上图所示。定子内部开槽，用于放置定子绕组。绕组按照极数不同，沿着360环形均匀布置。励磁绕组的磁极都是成对出现的，绕组的极数都是偶数，2、4、6、8……极。

定子绕组，是电机电路的一部分，由具有绝缘层的铜线缠绕而成。其最理想的状态就是三组绕组完全一致，进而可以提供完美圆形旋转磁场。我们通常所说的星形连接，三角形连接，也指的是定子与电源的连接方式。

定子铁芯和定子绕组一起，组成一套完整的定子。

转子

同样，转子也是由转子铁芯和转子绕组两部分组成。

转子铁芯，由硅钢片叠压成圆柱体，作为电机磁路的另一个组成部分。

转子“绕组”分两种，一种如上图（a）所示，传说中的“鼠笼”是也，图（b）是鼠笼与铁芯结合在一起的样子；图（c）为铸铝鼠笼，并同时铸造出了散热的扇叶。

另一种是绝缘导线绕制的绕组。绕组转子也是分为完全相同的三相，一端连接在同一个点上，另一端通过电刷、滑环与电机本体以外的设备相连。此结构主要是为了给转子回路接入可调电阻等外围设备之用。如下图所示。

三相绕线型转子

2．异步电动机起动

2.1起动过程的主要要求：

1）足够大的起动转矩，以克服系统的静摩擦力，实现系统从静止到运动的状态变化。这是电机起动的第一要义。

2）起动电流不能太大，要在系统设计承受范围以内。如果想要硬杠，就必须留出足够的设计余量。

3）起动时间不能太长，其实也是起动转矩足够大的问题；

4）尽可能做到平滑起动，在任何机械系统中，冲击都是极其有害的；

5）经济性，便宜性。

总之，异步电机的起动，首先要动起来，其次要克服回路中产生大电流的问题，再次，尽量减少冲击，实现无级。

2.2有级软启动

2．2.1直接起动

闭合开关，直接给定子励磁绕组加载额定电压。回路只有定子绕组铜线内阻，其阻值非常小。在起动的瞬间，定子内会出现非常大的电流，一般为额定电流的4-7倍。

在小型微型电机中，直接起动普遍应用，比如玩具汽车等等，相关线路按照回路电流最大值去设计承受就可以。

2.2.2降压起动

根据影响起动电流的因素，软启动的方向可以考虑：

降低定子端电压；

增加定子电阻；

加大转子电阻；

增加定子电阻，可以归入降低定子电压方法里面去。由于鼠笼型转子的封闭型设计，加大转子电阻，是鼠笼式电动机不方便实现的形式。

降低电压，固然会降低起动电流，但同时也会降低的起动转矩，起动转矩与定子端电压的平方成正比。

降压起动的方式，是以牺牲一部分起动转矩为前提的。

2.2.2.1定子回路串入阻抗降压

定子回路起动瞬间，串入大电阻，加载到定子线圈上的电压会大幅减小；起动过程基本结束后，再逐渐将电阻切出。

串入回路的电阻一般都是可调电阻的，分几次逐渐切出，避免定子回路阻值的突变，带来电机运行中的过大冲击。

2.2.2.2自耦变压器降压

利用变压器一次侧与二次侧之间的降压原理，为定子回路提供起动时刻的低电压。待运行平稳后，变压器切出。这是大型电动机的降压方法，设备复杂，此处不多讨论。

2.2.2.3三角连接转换成星形连接降压

三角连接转换成星形连接法，电动机定子端电压相差一个根号3，折算到线电流，转换后是转换前的三分之一。而电路实现简单，需要附加的设备少，经济实惠。

但有个前提，电机本身工作状态必须是三角形连接。

2.2.3绕线转子感应电动机独特的起动方法——转子阻值提升法

鼠笼式电动机起动时刻，存在着大的起动转矩和小的起动电流很难两全的局面。但是绕线转子感应电机，却在此处有着自己的优势。

起动电流，与转子电阻是反向的关系，而起动转矩，与转子电阻的平方成正比。当取得合适的转子电阻后，系统可以达到对应定子电压下的最大转矩。这是一种非常理想的情况。

绕线转子异步电动机，其转子绕线的一端，通过滑环和电刷，从电机上延伸出来。这个设计是为调节转矩和转速的入口使用。

把电阻接入转子绕组，普通做法有两种。

一种是，起动之初，串接进来几个等值电阻，或者有多接线点的滑动变阻器。随着转速的逐渐上升，逐步把电阻短掉，直至回路里没有绕组以外的多余电阻。

另一种，是串入频敏电阻。这种电阻，随着电机转速的升高，其阻值会逐步降低。待系统稳定达到预期转速后，将电阻回路切出。

2.3无级软启动

2.3.1解液液阻限流的软起动

利用两块极板之间电解液的电阻与极板距离成正比，与电解液的电导率成反比的特点，把装满电解液的箱体连接在电机定子电路里，调节以上两个影响阻值的参数，对接入回路的电阻无级调节。

这套装置庞大复杂，显然不是易于广泛应用的形式。

2.3.2晶闸管软起动

利用受控晶闸管高频通断的特点，将定子电压逐渐调高，直至达到正常运行电压为止。

2.3.3磁控软起动

控制直流励磁电流，改变铁芯的磁饱和度，进而改变电抗器电阻。是电抗器降压的改良版，但是可以实现电阻的无级变化。

2.3.4变频起动

变频器也是一种软起动装置，除了价格高于前面的方式，其余均为优点。但变频器很少单独为起动设置。在大的直流发电系统中，有大规模变频系统在应用的案例。

3异步电机在电动汽车上的起动过程

电动汽车的运行环境极为复杂，电动机的每一个动作都是依据电机控制器的指令进行的。电机控制器是一台功能强大的变频器，且其实际的复杂程度已经超越了传统意义的变频器。

电动机在怎样的条件下需要旋转多少角度，都是被电机控制器精确控制的。在这样的系统中，已经不需要单独设置起动装置。

起动过程中，依照电机特性的需要，控制器会给电机定子提供转速从0开始逐步提高的旋转磁场和从0开始上升的定子端电压，完全避免了起动时刻，绕组内的大电流冲击以及降压调节过程中的突变。

电机控制器实现控制目的的策略有很多种，一般常用的有V/f控制、矢量控制和直接转矩控制。

只是，异步电机的控制算法与同步电机相比，要略显复杂，这也是它在国内用量排位下降的原因之一。