第7章 可逆式机组及其自动控制 · 7.4节

水泵工况异步起动原理与流程

交互式教学演示系统 — 含原理动画、专业电路仿真、特性曲线、三种方式对比
起动原理
流程仿真
专业电路仿真
方式对比
特性曲线
知识要点
异步电动机原理动画
合闸瞬间:定子磁场已以 n₁ 旋转,转子还停着——相对速度最大。
转速 n
0rpm
转差率 s
1.00
转子频率 f₂
50.0Hz
气隙磁密 Bδ
0.42Bδₙ
定子电流 I
4.4Iₙ
电磁转矩 T
1.1Tₙ
磁场转速 1.0x
A相
B相
C相
定子磁场 F₁
转子 d 轴
阻尼条
主磁通
定子磁场 F₁ 恒以 n₁ 旋转 → 扫过 阻尼条 → 感应电流(阻尼条发亮发光圈)→ 异步转矩拖动转子;橙色 d 轴 是转子位置,投励前始终落后 F₁
① 三套绕组,各干一件事
定
定子三相绕组

接三相交流,产生以 n₁ 旋转的磁场——起动过程中唯一主动的磁场源。

阻
阻尼绕组(起动绕组)

极靴上的鼠笼条。起动时切割定子磁场、感应电流,是异步转矩的来源;同步后只在振荡时起作用。

励
励磁绕组

起动时不供直流,必须经放电电阻闭路(约 5~10 倍励磁电阻);既不投励也不许直接短路。

② 定子磁场:从脉振到旋转

单相绕组通交流:f_A = Fφ₁·cosθ·cosωt,波峰不动、幅值正负交替——这是脉振磁场。可拆成两个幅值减半、转向相反的旋转磁场,对静止转子的转矩互相抵消,所以单相不能自起动。

三相在空间上差 120°、电流在时间上差 120°,反转分量抵消、正转分量叠加:

三相合成旋转磁场
f = 1.5Fφ₁·cos(θ − ωt)
幅值不变 → 圆形旋转;波峰以 ω 平移 → n₁ = 60f/p
③ 转子磁场:转矩为什么是平稳的

阻尼条以相对速度 s·n₁ 切割定子磁场,感应出 f₂ = s·f₁ 的电流;这些电流产生的磁场相对转子以 s·n₁ 转,叠加转子转速:

阻尼磁场的空间转速
n + s·n₁ = n₁
与定子磁场同速同向 → 相对静止 → 夹角恒定 → 转矩恒定

这就是为什么异步转矩是持续的、不是每转一圈抵消一次。

④ 转差 → 投励 → 牵入
转差率 / 转子频率
s = (n₁ − n)/n₁  f₂ = s·f₁

合闸瞬间 s=1、f₂=50 Hz;随着 n 上升 s 减小,阻尼电流和转矩一起减小。到 s < 0.05 时按极性投入励磁,同步转矩把转子拉入,s → 0。

注意:降压时 T ∝ U²,电压降到 0.6 倍,力矩只剩 0.36 倍——这就是降压起动慢的原因。

想看更系统的推导与三种方式的接线差异,点顶部 知识要点 页,或直接在下面切到 专业电路仿真。
1
起动前检查
确认机组无事故、制动阀无压、主断路器断开
1 / 9
机组状态实时仿真
机组转速0%n₁
定子电流0%Iₙ
转差率 s1.00
气隙磁密 Bδ0.42
10kV 三相母线 主断路器 · 分闸 相序 A-B-C 发电侧 冷却水 定子(三相绕组) 气隙 B 励磁 转轮室 导叶 尾水/下库
主断路器
分闸
励磁
未投入
转轮室压水
未投入
冷却水
关闭
换相开关
发电侧
运行模式
静止
同步状态
异步
转轮室水位
100%
异步起动操作步骤
完整起动流程 0 / 9
1
起动前检查
确认机组无事故、制动阀无压、接力器锁定拔出、主断路器断开
2
投入冷却水系统
开启推力轴承、导轴承冷却水,确保润滑冷却正常
3
转轮室压水
通入压缩空气,将水位压低至转轮以下,使转轮在空气中旋转
4
换相开关切至抽水侧
A-C-B相序,确保定子旋转磁场方向为抽水方向
5
合QF1,定子接入电网
励磁绕组经起动电阻短接,阻尼绕组产生异步转矩
6
异步加速阶段
电流2~4倍额定值,转速上升,阻尼绕组感应电流逐渐减小
7
转速≥95%时合QF2投励
转子建立直流磁场,机组被牵入同步运行
8
转轮室充水
排除压缩空气,转轮室充水至正常水位
9
开启导叶,开始抽水
导叶开至抽水开度,机组带负荷,将下库水抽至上库
异步起动的三种加压方式 — 只差一个元件
① 待机
② 准备
③ 并网
④ 异步加速
⑤ 投励同步
⑥ 抽水运行

方式一 全压起动

不增加任何元件
M 直通
电流≈4 Iₙ
力矩≈1.0 Tₙ
时间≈30 s

方式二 降压起动

增加:电抗器 L + 旁路 QF3
L M QF3
电流≈2.4 Iₙ
力矩≈0.36 Tₙ
时间1~2 min

方式三 部分绕组

增加:绕组分段 + QF4
QF4 Ⅱ M
电流≈2.8 Iₙ
力矩≈0.49 Tₙ
时间1~2 min
实时电气参数
定子电压
0kV
A相电流
0A
B相电流
0A
C相电流
0A
励磁电流
0A
机组转速
0rpm
转差率
1.00
功率因数
0
有功功率
0MW
视在功率
0MVA
频率
50Hz
运行状态
停机
气隙磁密 Bδ 变化(随转速恢复)
静止时只有 0.42 倍:大部分电压降在漏抗上,所以起动转矩比按 U² 估算的还低。
转速上升曲线(实时)
操作引导(按步骤执行)
手动操作开关
操作提示:选择起动方式后,先将换相开关切至「抽水侧」,再合 QF1 使定子接入电网,观察阻尼绕组感应电流(黄色高亮)和转子异步升速。当转速升至95%以上时,QF2 解锁可用,合 QF2 投入励磁牵入同步。降压起动需先合 QF3 投入电抗器,部分绕组起动需先合 QF4。
操作日志
[00:00] 系统初始化完成 就绪
电路元件说明
电网 10kV 50Hz 三相交流 | PT 电压互感器 | TA 电流互感器
T1 主变压器 Y/Δ-11 | QF1 三极主断路器
QF3+L 降压电抗器 | 换相 发电(A-B-C)↔抽水(A-C-B)
QF4 部分绕组切换 | G/M 发电电动机
QF2 励磁开关 | AVR 励磁调节器 | Rst 起动电阻
异步起动三种加压方式对比

方式一 异步全压起动

转轮在空气中起动,发电—电动机直接接入电网全电压,异步力矩作用下加速,接近同步转速时加励磁。
起动电压100% Uₙ
起动时间约 30 秒
起动电流2~4倍 Iₙ
起动力矩大
对电网冲击大
额外设备无
适用机组中、小型

方式二 异步降压起动

利用主变抽头或接入电抗器降低电源电压,接近同步转速时改接全电压,再投入励磁拉入同步。
起动电压50~80% Uₙ
起动时间1~2 分钟
起动电流较小
起动力矩较小
对电网冲击小
额外设备降压设备
适用机组各种容量

方式三 部分定子绕组起动

采用定子绕组换相方法,起动时只使用部分定子绕组使端电压低于额定电压,起动完毕后接入全部绕组。
起动电压低于 Uₙ
起动时间1~2 分钟
起动电流较小
起动力矩较小
对电网冲击小
额外设备换相开关
适用机组每相多支绕组
起动过程动画 — 异步全压起动
时间 → 投励 100% 50% 0% 转速 电流 力矩
关键参数对比表
对比项全压降压部分绕组
起动电压100% Uₙ50~80% Uₙ< Uₙ
起动时间~30s1~2min1~2min
起动电流2~4 Iₙ小小
起动力矩大小小
电网冲击大小小
阻尼绕组发热严重较轻较轻
额外设备无电抗器/抽头换相开关
适用范围中小型各种容量多支绕组
核心规律:异步电动机电磁转矩与定子端电压的平方成正比(T ∝ U²)。降压起动虽减小电流冲击,但力矩按平方关系减小,导致起动时间延长。
边看边学:
① 三套绕组,三种磁场

定子三相绕组:接三相交流,产生以 n₁ 旋转的磁场——异步起动时唯一主动的磁场源。

阻尼绕组:极靴上的鼠笼条,平时不工作;起动时切割定子磁场,感应电流,产生异步转矩。

励磁绕组:正常运行时通直流建立主磁场;起动时不供直流,必须经放电电阻闭路(不能直接短路,也不能开路)。

同步转速
n₁ = 60 f / p
f=50 Hz,p=极对数;p=10 时 n₁=300 rpm
② 旋转磁场是怎么来的

单相绕组通交流:f_A = Fφ₁·cosθ·cosωt,是原地脉振的磁场;用积化和差可拆成两个幅值一半、转向相反的旋转磁场——两个对静止转子的转矩互相抵消,所以单相不能自起动。

三相绕组空间互差 120°、电流时间互差 120°,反转分量两两抵消,正转分量同相叠加:f = 1.5Fφ₁·cos(θ−ωt)。幅值不变、波峰以 ω 平移,就是圆形旋转磁场。

转差率 / 转子频率
s = (n₁ − n)/n₁  f₂ = s·f₁
③ 异步转矩为什么是平稳的

阻尼条以相对速度 s·n₁ 切割定子磁场,感应出 f₂=s·f₁ 的电流;这些电流产生的磁场相对转子以 s·n₁ 旋转,叠加转子转速:

n + s·n₁ = n₁

即转子磁场在空间上恰好与定子磁场同速同向,两者相对静止、夹角恒定——所以异步转矩是持续恒定的,不是来回摆动。

④ 转矩—转差特性
Kloss 公式
T = 2T_max / (s/s_m + s_m/s)

s=1 时是起动转矩,s=s_m 时是最大转矩;s < s_m 区间转差越大转矩越大,s > s_m 后反过来。降压时 T ∝ U²:电压降到 0.6 倍,转矩只剩 0.36 倍。

常见误区:“励磁绕组直接短接”——错。单相励磁绕组被短接后,其脉振磁场分解出的反向分量在 n<n₁/2 时是制动的,还会感应过电压。正确做法是经 5~10 倍励磁电阻的灭磁电阻闭路。
⑤ 三种加压方式对比
对比项异步全压异步降压(电抗器/抽头)部分定子绕组
接线特点QF1 直接并网QF1 + 串联电抗器 L,起动后 QF3 旁路只投一半并联支路,起动后 QF4 投入另一半
端电压100% Uₙ≈60% Uₙ≈70% Uₙ(等效)
起动电流≈4 Iₙ≈2.4 Iₙ≈2.8 Iₙ
起动力矩≈1.0 Tₙ≈0.36 Tₙ≈0.49 Tₙ
起动时间≈30 s1~2 min1~2 min
适用中、小型各种容量每相多支路
⑥ 与其他起动方式比较
方式磁场转速转差适用
异步起动合闸即 n₁,恒定1 → 0.02中、小型
背靠背同步两台机磁场互锁,频率 0→50 Hz≈0各种容量
变频(SFC)变频器控制,从很低升到 n₁始终很小大型
本质区别:异步起动是“磁场先跑、转子去追”,靠转差产生转矩;变频起动是“磁场慢走、转子跟着”,靠同步转矩,所以没有阻尼绕组发热和电网冲击。
⑦ 五个常见误区

① “抽水工况用负序电流产生反向磁场”——错,异步起动通入的是三相对称正序电流。

② “转差越大转矩越大”——只在 s<s_m 区间成立。

③ “电抗器就是频敏变阻器”——两者是不同设备。

④ “电流越大感抗越大”——线性电抗器 X 基本恒定,铁心饱和后反而下降。

⑤ “部分绕组起动是靠降低端电压”——端电压没变,减少的是投入的并联支路数。

一图总结:从绕组到曲线
教学挂图:机组剖面、电机横剖面、四个磁场瞬间与起动过程曲线
同一张图里放着四件事:机组纵剖面(水怎么走)、电机横剖面(绕组、磁极、磁感线怎么排)、四个磁场瞬间(转子怎么追)、以及起动过程的五条曲线(各量怎么变)。
异步转矩—转速特性曲线(T-n 曲线)
电磁转矩 T
负载转矩 T_L
最大转矩 T_m
起动时 s=1,异步转矩约为额定转矩的 0.5~1 倍;随转速上升转矩先增大后减小,在 s≈0.25 附近达到最大转矩;接近同步转速时转矩趋近于零,必须投励。
电流—转速特性曲线(I-n 曲线)
定子电流 I
起动冲击区
起动瞬间(n=0,s=1)定子电流可达额定电流的 2~4倍,对电网冲击大。随转速升高转差率减小,电流迅速下降。投励时电流约为1.1倍额定值。
全压 vs 降压 特性叠加对比
全压转矩 (100% Uₙ)
降压转矩 (60% Uₙ,0.36倍)
全压电流
降压电流