⑶如何降低三相交流感應電動機的起動電流？（8分）

由於三相感應電動機在啟動瞬間，轉子尚未旋轉（轉差率 $s=1$），其等效阻抗極低，導致啟動電流通常高達額定電流的 5 到 7 倍。過大的電流會造成壓降，影響同一電網的其他設備，甚至損壞繞組。

以下是降低啟動電流的幾種主要方法：

一、 降壓啟動法（適用於鼠籠式電動機）

透過暫時降低施加在定子繞組上的電壓，根據 $I = V/Z$，電壓降低則啟動電流隨之減小。

1. Y-Δ（星形-三角形）啟動法：

   • 原理： 啟動時將定子繞組接成 Y（星形），使每相繞組承受電壓降為線電壓的 $1/\sqrt{3}$。待轉速上升至額定值的 80% 左右，再切換回 Δ（三角形） 正常運轉。

   • 效果： 啟動電流可降為直接啟動時的 1/3。這是船上最常見的啟動方式。

2. 自耦變壓器啟動法（補償器啟動）：

   • 原理： 利用自耦變壓器的抽頭（如 50%、65% 或 80%）來降低啟動電壓。

   • 效果： 啟動電流隨電壓平方下降，適合功率較大的馬達。

3. 定子串聯電抗（或電阻）啟動法：

   • 原理： 在定子迴路串入電抗器產生壓降，待啟動完成後再將其短路。

二、 轉子電阻啟動法（僅適用於繞線式電動機）

• 原理： 透過集電環在轉子迴路中串入外部可變電阻。

• 效果： 增加轉子阻抗不僅能降低啟動電流，還能同時提高啟動轉矩。這是繞線式電動機最大的優勢。

三、 電力電子控制法（現代主流）

1. 軟啟動器（Soft Starter）：

   • 原理： 利用矽控整流器（SCR）控制觸發角，使電壓從零開始平滑上升。

   • 效果： 電流上升非常平穩，無機械衝擊，能精確控制啟動電流倍數。

2. 變頻器啟動（VFD - Variable Frequency Drive）：

   • 原理： 同時改變電源的頻率 ($f$) 與電壓 ($V$)，保持 $V/f$ 為常數。

   • 效果： 這是最理想的方式，能讓電動機在極低的電流下產生額定轉矩，實現真正的「平滑啟動」。

? 考試作答小提醒

在申論題中，建議優先提到 Y-Δ 啟動（實務最普遍）與 繞線式轉子電阻啟動（原理最獨特）。此外，也要注意「降壓啟動」雖然降了電流，但啟動轉矩也會隨之下降（與電壓平方成正比），這是設計時必須權衡的缺點。