电气系统中电机启动电流计算的要点

一、引言

在电气系统中，电机的启动电流计算是非常重要的一个环节。准确地计算电机启动电流有助于合理选择电路保护装置、电缆规格以及评估对电网的冲击等。无论是在工业生产中的大型电机，还是日常生活中的小型电机应用场景下，都需要对电机启动电流有清晰的认识。

二、电机启动电流的基本概念

  1. 定义 电机启动电流是指电机在启动瞬间所流过的电流。由于电机在启动时，转子处于静止状态，旋转磁场以最大的相对速度切割转子导体，使得转子绕组中的感应电动势和感应电流最大，从而定子绕组中的电流也相应增大。
  2. 与额定电流的关系 通常情况下，电机的启动电流要比其额定电流大很多。一般鼠笼式异步电机的启动电流为额定电流的4 - 7倍。这一比例关系是我们在初步估算电机启动电流时的一个重要依据。

三、影响电机启动电流的因素

（一）电机类型

  1. 异步电机
    • 对于鼠笼式异步电机，其转子结构简单，启动时电流较大。这是因为鼠笼式转子的电阻相对较小，在启动瞬间，根据公式（其中为电流，为电压，为阻抗），由于转子的感抗较大且电阻小，所以阻抗相对较小，导致启动电流较大。
    • 绕线式异步电机则可以通过在转子回路中串接电阻来改变启动电流。串接电阻后，转子回路的电阻增大，根据上述公式，阻抗增大，从而降低启动电流。
  2. 同步电机
    • 同步电机的启动电流特性与异步电机有所不同。同步电机在启动时，需要先采用异步启动的方式，其启动电流也较大，但随着电机逐渐牵入同步，电流会趋于稳定。同步电机启动电流的计算还需要考虑其励磁系统等因素。

（二）电机的额定功率和额定电压

  1. 额定功率
    • 一般来说，电机的额定功率越大，其启动电流也越大。这是因为根据功率公式（其中为功率，为电压，为电流，为功率因数），在电压和功率因数相对固定的情况下，功率与电流成正比关系。
  2. 额定电压
    • 电机的额定电压对启动电流也有影响。当电机的额定电压较高时，在相同的负载情况下，其启动电流相对会小一些。根据欧姆定律（这里的为电机等效电阻等综合阻抗），电压增大时，如果电阻变化不大，电流会相应减小。

（三）负载特性

  1. 轻载启动
    • 如果电机是轻载启动，例如带动风扇等惯性较小的负载，启动电流相对会小一些。因为负载对电机的阻力矩较小，电机能够较快地加速到额定转速，在这个过程中，电流的峰值持续时间较短。
  2. 重载启动
    • 当电机重载启动时，如起重机提升重物，电机需要克服较大的负载转矩。此时电机的启动电流会更大，并且持续时间较长，因为电机需要更大的转矩来启动负载，这就需要更大的电流来产生足够的磁场力。

四、电机启动电流的计算方法

（一）直接启动电流计算

  1. 经验公式法
    • 对于鼠笼式异步电机，常用的经验公式为，其中为启动电流，为额定电流，为系数，一般取4 - 7。例如，一台额定电流为的鼠笼式异步电机，按照计算，其启动电流。
  2. 基于电机参数计算
    • 根据电机的等效电路模型，电机的启动电流可以通过公式计算（其中为电机的额定电压，为电机定子电阻，为电机定子电抗）。假设一台电机额定电压，定子电阻，定子电抗，则

（二）降压启动电流计算

  1. 星 - 三角降压启动
    • 在星 - 三角降压启动中，电机启动时接成星形，此时电机每相绕组所承受的电压为三角形接法时的。根据公式（其中为星形接法启动电流，为三角形接法启动电流）。
    • 例如，一台三角形接法时启动电流为的电机，采用星 - 三角降压启动时，其星形接法启动电流。
  2. 自耦变压器降压启动
    • 设自耦变压器的变比为，则降压启动时电机的启动电流（其中为全压启动电流）。例如，自耦变压器变比，电机全压启动电流为，则降压启动时的启动电流。

五、实际问题解决案例

某工厂有一台额定功率为，额定电压为，额定电流为的鼠笼式异步电机，需要带动一个较大惯性的负载启动。工厂担心电机启动时对电网造成较大冲击，想要计算电机的启动电流并考虑是否采用降压启动方式。

  1. 计算直接启动电流
    • 按照经验公式，取，则。
  2. 分析对电网的影响
    • 这么大的启动电流可能会导致电网电压瞬间下降，影响其他设备的正常运行。
  3. 考虑降压启动
    • 采用星 - 三角降压启动，根据前面提到的公式，则降压启动电流。通过降压启动，可以有效降低电机启动时对电网的冲击，同时也能满足负载的启动要求。

六、结论

电机启动电流的计算在电气系统设计、运行和维护中具有重要意义。通过对电机类型、额定功率、额定电压和负载特性等因素的分析，结合合适的计算方法，可以准确地计算电机启动电流。在实际应用中，根据计算结果合理选择启动方式，能够有效保护电气设备，提高系统的稳定性和可靠性。