安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011

摘  要：本文首先對三相異步電動(dòng)機做了簡(jiǎn)單的介紹，分析了三相異步電動(dòng)機的工作原理和啟動(dòng)過(guò)程，其次分析了三相異步電動(dòng)機兩種啟動(dòng)方式，直接啟動(dòng)和Y-△（星型-三角形）降壓?jiǎn)?dòng)，通過(guò)分析兩種啟動(dòng)方式的控制電路來(lái)解釋兩種啟動(dòng)方式的原理。后通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行了仿真，直觀(guān)的觀(guān)測出三相異步電動(dòng)機兩種啟動(dòng)方式的電流、轉速以及轉矩的變化波形圖。

關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機；直接啟動(dòng)；降壓?jiǎn)?dòng)

      三相異步電動(dòng)機是一種非常常見(jiàn)的感應電動(dòng)機，它具有非常簡(jiǎn)單的結構，而且價(jià)格比較合理，具有良好的經(jīng)濟性，應用起來(lái)非常方便，而且維修比較方便，運行可靠?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，據相關(guān)數據顯示，從剛開(kāi)始發(fā)展至今，三相異步電動(dòng)機得到了非常廣泛的應用，已經(jīng)成為工業(yè)上應用多的電機類(lèi)型。近幾年，隨著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)朝著(zhù)節能環(huán)保的方向發(fā)展，越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)出現在我們的生活中，表現出了良好的發(fā)展前景。電動(dòng)汽車(chē)的供電來(lái)自電源，電動(dòng)機將電源提供的電能轉化為機械能驅動(dòng)車(chē)輪行駛[1]，三相異步電動(dòng)機由于其優(yōu)良的特性，在電動(dòng)汽車(chē)的使用上發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵的作用。本文主要研究的是三相異步電動(dòng)機的啟動(dòng)特性。

      三相異步電動(dòng)機主要是由定子和轉子兩部分構成的。其中，定子主要有定子鐵心、定子三相繞組和機座構成，是三相異步電動(dòng)機固定不動(dòng)的部分；轉子包括轉子鐵心、轉子三相繞組和轉軸幾個(gè)部分，轉子是三相異步電動(dòng)機進(jìn)行轉動(dòng)的部分。當三相異步電動(dòng)機的定子繞組中，通入三相對稱(chēng)的交流電的時(shí)候[2]，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)圓形的旋轉磁場(chǎng)，旋轉磁場(chǎng)會(huì )切割轉子導體，從而產(chǎn)生感應電動(dòng)勢以及感應電流，這也就是“電生磁"和“磁生電"的過(guò)程。由于轉子導體已經(jīng)產(chǎn)生了電流，因而會(huì )在磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，形成電磁轉矩驅動(dòng)電動(dòng)機進(jìn)行轉動(dòng)[3]。三相異步電動(dòng)機的啟動(dòng)，也就是從三相異步電動(dòng)機通入三相電，轉子開(kāi)始進(jìn)行轉動(dòng)，一直到轉速達到額定轉速這一工作過(guò)程。

      對于三相異步電動(dòng)機的啟動(dòng)有幾點(diǎn)要求：

      ①盡可能大的啟動(dòng)轉矩。

      ②一定啟動(dòng)轉矩下，盡可能小的啟動(dòng)電流。

      ③操作方便。通常三相異步電動(dòng)機的啟動(dòng)方式常見(jiàn)的有直接啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)，下文將不同啟動(dòng)方式的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1直接啟動(dòng)

      直接啟動(dòng)是三相異步電動(dòng)機簡(jiǎn)單方便的一種啟動(dòng)方式，也就是通過(guò)電源開(kāi)關(guān)將電動(dòng)機直接接入電網(wǎng)的方式。直接啟動(dòng)操作非常簡(jiǎn)單，而且啟動(dòng)的時(shí)間比較短，可以實(shí)現快速啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程比較可靠，而且不需要接入復雜的設備，因此滿(mǎn)足一定的經(jīng)濟性。然而直接啟動(dòng)也有其缺點(diǎn)，即啟動(dòng)電流比較大。啟動(dòng)電流過(guò)大，對電動(dòng)機會(huì )產(chǎn)生一定的危害，比如使得繞組發(fā)熱，絕緣老化，影響電動(dòng)機的使用壽命。通常，直接啟動(dòng)通常用于容量比較小的電動(dòng)機。通常7.5kW以下的電動(dòng)機采用直接啟動(dòng)的方式。直接啟動(dòng)的電路圖如圖1所示。在圖1中，左半部分連著(zhù)電動(dòng)機的電路為主電路，右半部分為控制電路。本電路采用的是利用KM接觸器的自鎖控制。當電動(dòng)機進(jìn)行啟動(dòng)的時(shí)候，按下電源開(kāi)關(guān)QS，然后按下控制電路中的SB2按鈕，則控制電路中的接觸器KM線(xiàn)圈就會(huì )導通得電，那么和SB2按鈕并聯(lián)的KM輔助觸點(diǎn)就會(huì )閉合，自鎖，主電路中的KM常開(kāi)觸點(diǎn)就會(huì )閉合，三相異步電動(dòng)機就會(huì )通電進(jìn)行啟動(dòng)。這就是直接啟動(dòng)的控制過(guò)程。若想讓電動(dòng)機停止轉動(dòng)，只需按下控制電路中的SB1按鈕，使M線(xiàn)圈斷電，同時(shí)主電路中的KM主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機斷電停止轉動(dòng)。

3.2Y-△降壓?jiǎn)?dòng)

      降壓?jiǎn)?dòng)也就是把三相異步電動(dòng)機的輸入電壓降低到額定電壓以下進(jìn)行啟動(dòng)，目的就是使三相異步電動(dòng)機的啟動(dòng)電流得到降低。典型的降壓?jiǎn)?dòng)有星三角啟動(dòng)、串接電抗器啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)等等。本文主要介紹的是Y-△降壓?jiǎn)?dòng)。Y-△啟動(dòng)方式也就是三相異步電動(dòng)機剛開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，將定子三相繞組接成星型，等三相異步電動(dòng)機達到一定的轉速之后，再將三相繞組接為三角形。這樣，便可以限制了啟動(dòng)電流。圖2是時(shí)間繼電器控制的星三角降壓?jiǎn)?dòng)的電路圖。圖2中，電路圖同樣是分為兩部分，其中左邊電動(dòng)機的部分為主電路，右邊帶有接觸器線(xiàn)圈的電路為控制電路。當閉合電源開(kāi)關(guān)QS時(shí)，接入三相交流電，按下按鈕SB1，此時(shí)KM接觸器線(xiàn)圈、控制星型連接的KMY接觸器線(xiàn)圈以及時(shí)間繼電器線(xiàn)圈得電，因而控制電路中的KMY輔助動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，互鎖，控制電路中的KM輔助觸點(diǎn)也閉合，自鎖，主電路中的KM主觸點(diǎn)與KMY主觸點(diǎn)閉合。這個(gè)時(shí)候，主電路中的控制星型連接的KMY主觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，而控制電動(dòng)機三角形連接的KM△線(xiàn)圈沒(méi)有得電，所以主電路中控制電動(dòng)機三角形連接的KM△主觸點(diǎn)仍然保持斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)，三相異步電動(dòng)機進(jìn)行星型啟動(dòng)。

      本電路圖中，采用時(shí)間繼電器去控制星型和三角形切換連接的時(shí)間。星型連接啟動(dòng)之后，時(shí)間繼電器開(kāi)始進(jìn)行計時(shí)，假設時(shí)間為t秒，當計時(shí)結束之后，控制電路中的時(shí)間繼電器的動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開(kāi)，動(dòng)合觸點(diǎn)閉合。因此，與時(shí)間繼電器動(dòng)斷觸點(diǎn)相連接的KMY線(xiàn)圈失電KMY控制電路中的動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，主電路中的KMY動(dòng)合觸點(diǎn)斷開(kāi)。與此同時(shí)，與時(shí)間繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)相連接的KM△線(xiàn)圈得電，而控制電路中的KM△動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，主電路中，KM△主觸點(diǎn)得電閉合。此時(shí)，也就是星型啟動(dòng)t秒之后，三相異步電動(dòng)機切換成了三角形連接進(jìn)行全壓?jiǎn)?dòng)。

      為了更直觀(guān)的觀(guān)察到三相異步電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)候的各個(gè)參數的變化，本文采用MATLAB軟件中的simulink工具進(jìn)行仿真。圖3為三相異步電動(dòng)機兩種啟動(dòng)方式的模型圖。為了方便兩種啟動(dòng)方式的對比，將直接啟動(dòng)和Y-△啟動(dòng)搭建同一個(gè)模型，采用斷路器的通斷時(shí)間來(lái)控制星型和三角形的連接。本次仿真采用的電機參數為：額定電壓Pn=380V，額定頻率fn=50Hz，定子電阻Rs=0.435Ω，定子電感Ls=0.002H，轉子電阻Rr=0.816Ω，轉子電感Ls=0.002H，勵磁互感Lm=0.069H，轉動(dòng)慣量J=0.018kg·m2，摩擦系數為0，極對數p=2。選擇異步電動(dòng)機類(lèi)型為鼠籠式squirrel-cage。在模型中，斷路器①控制著(zhù)電動(dòng)機的三角形連接，而斷路器②控制著(zhù)電動(dòng)機星型連接。當三相異步電動(dòng)機直接啟動(dòng)的時(shí)候，斷路器①設置為closed閉合狀態(tài)，斷路器②設置為open斷開(kāi)狀態(tài)，動(dòng)作時(shí)間為2秒，然后點(diǎn)擊右面輸出端示波器觀(guān)察波形；當三相異步電動(dòng)機Y-△啟動(dòng)的時(shí)候，斷路器①設置為open斷開(kāi)狀態(tài)，斷路器②設置為closed閉合狀態(tài)，同樣點(diǎn)擊輸出端示波器觀(guān)察波形。圖4和圖5為所觀(guān)測的波形。通過(guò)三相異步電動(dòng)機直接啟動(dòng)和Y-△啟動(dòng)定子電流的對比，我們可以看到Y-△啟動(dòng)方式，通過(guò)降低啟動(dòng)電壓，直接限制了啟動(dòng)電流。除了定子電流，我們還可以從仿真模上觀(guān)察到轉子電流、啟動(dòng)轉矩以及轉速，對后面幾個(gè)參數便不再具體闡述。

 

5.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介

      ARD該系列低壓電動(dòng)機保護器，具有過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能?？膳c接觸器、電動(dòng)機起動(dòng)器等電器元件構成電動(dòng)機控制保護單元，具有遠程自動(dòng)控制、現場(chǎng)直接控制、面板指示、信號報警、現場(chǎng)總線(xiàn)通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。

5.2產(chǎn)品選型

      產(chǎn)品功能

說(shuō)明：“√"表示具備“■"表示可選

      本文主要介紹了三相異步電動(dòng)機兩種不同的啟動(dòng)方式，分析了兩種啟動(dòng)方式的控制電路，并搭建了兩種啟動(dòng)方式的模型。通過(guò)這兩種啟動(dòng)方式的仿真模型，我們可以比較直觀(guān)的觀(guān)察到兩種啟動(dòng)方式的各個(gè)參數。直接啟動(dòng)速度比較快，然而啟動(dòng)電流比較大，而Y-△降壓?jiǎn)?dòng)電流很明顯的降低了，但啟動(dòng)速度不如直接啟動(dòng)。通常在實(shí)際應用中，我們應該更注意采用降壓?jiǎn)?dòng)的方式，以降低啟動(dòng)大電流對電網(wǎng)的沖擊，然而具體應該采用哪種啟動(dòng)方式，應該具體問(wèn)題具體分析，根據電機的容量等參數而定。

[1]姜雪菲,曾政霖.三相異步電動(dòng)機的啟動(dòng)分析[J].內燃機與配件，2021.12.029.

[2]李慶武，劉子林.電機與拖動(dòng)基礎[M].武漢理工大學(xué)出版社，2009，5.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.

      韓歡慶，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電動(dòng)機保護器的設計與應用