淺談三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)分析與保護(hù)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011

摘  要：本文首先對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)做了簡(jiǎn)單的介紹，分析了三相異步電動(dòng)機(jī)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(jī)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，直觀的觀測(cè)出三相異步電動(dòng)機(jī)兩種啟動(dòng)方式的電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的變化波形圖。

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

1研究背景

      三相異步電動(dòng)機(jī)是一種非常常見(jiàn)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，它具有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且價(jià)格比較合理，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用起來(lái)非常方便，而且維修比較方便，運(yùn)行可靠?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，從剛開(kāi)始發(fā)展至今，三相異步電動(dòng)機(jī)得到了非常廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為工業(yè)上應(yīng)用多的電機(jī)類(lèi)型。近幾年，隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)在我們的生活中，表現(xiàn)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(jī)將電源提供的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛[1]，三相異步電動(dòng)機(jī)由于其優(yōu)良的特性，在電動(dòng)汽車(chē)的使用上發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。本文主要研究的是三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性。

2三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

      三相異步電動(dòng)機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成的。其中，定子主要有定子鐵心、定子三相繞組和機(jī)座構(gòu)成，是三相異步電動(dòng)機(jī)固定不動(dòng)的部分；轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子三相繞組和轉(zhuǎn)軸幾個(gè)部分，轉(zhuǎn)子是三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的部分。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，通入三相對(duì)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(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)以及感應(yīng)電流，這也就是“電生磁”和“磁生電”的過(guò)程。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)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(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，也就是從三相異步電動(dòng)機(jī)通入三相電，轉(zhuǎn)子開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，一直到轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速這一工作過(guò)程。

      對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有幾點(diǎn)要求：

      ①盡可能大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

      ②一定啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(jī)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。

3三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式分析

3.1直接啟動(dòng)

      直接啟動(dòng)是三相異步電動(dòng)機(jī)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(jī)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(xiàn)快速啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程比較可靠，而且不需要接入復(fù)雜的設(shè)備，因此滿足一定的經(jīng)濟(jì)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(duì)電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)。通常7.5kW以下的電動(dòng)機(jī)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，左半部分連著電動(dòng)機(jī)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(dāng)電動(dòng)機(jī)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線圈就會(huì)導(dǎo)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(jī)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(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，只需按下控制電路中的SB1按鈕，使M線圈斷電，同時(shí)主電路中的KM主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)斷電停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2Y-△降壓?jiǎn)?dòng)

      降壓?jiǎn)?dòng)也就是把三相異步電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)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(jī)的部分為主電路，右邊帶有接觸器線圈的電路為控制電路。當(dāng)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接觸器線圈、控制星型連接的KMY接觸器線圈以及時(shí)間繼電器線圈得電，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(jī)三角形連接的KM△線圈沒(méi)有得電，所以主電路中控制電動(dòng)機(jī)三角形連接的KM△主觸點(diǎn)仍然保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，此時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)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(jì)時(shí)，假設(shè)時(shí)間為t秒，當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)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(jī)切換成了三角形連接進(jìn)行全壓?jiǎn)?dòng)。

4直接啟動(dòng)與星三角降壓?jiǎn)?dòng)的仿真分析

      為了更直觀的觀察到三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)候的各個(gè)參數(shù)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(jī)兩種啟動(dòng)方式的模型圖。為了方便兩種啟動(dòng)方式的對(duì)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(jī)參數(shù)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(zhuǎn)子電阻Rr=0.816Ω，轉(zhuǎn)子電感Ls=0.002H，勵(lì)磁互感Lm=0.069H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.018kg·m2，摩擦系數(shù)為0，極對(duì)數(shù)p=2。選擇異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)型為鼠籠式squirrel-cage。在模型中，斷路器①控制著電動(dòng)機(jī)的三角形連接，而斷路器②控制著電動(dòng)機(jī)星型連接。當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的時(shí)候，斷路器①設(shè)置為closed閉合狀態(tài)，斷路器②設(shè)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察波形；當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)Y-△啟動(dòng)的時(shí)候，斷路器①設(shè)置為open斷開(kāi)狀態(tài)，斷路器②設(shè)置為closed閉合狀態(tài)，同樣點(diǎn)擊輸出端示波器觀察波形。圖4和圖5為所觀測(cè)的波形。通過(guò)三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)和Y-△啟動(dòng)定子電流的對(duì)比，我們可以看到Y(jié)-△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察到轉(zhuǎn)子電流、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速，對(duì)后面幾個(gè)參數(shù)便不再具體闡述。

 

5安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型

5.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介

      ARD該系列低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。可與接觸器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)直接控制、面板指示、信號(hào)報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)總線通信等功能。應(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)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

6結(jié)語(yǔ)

      本文主要介紹了三相異步電動(dòng)機(jī)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，我們可以比較直觀的觀察到兩種啟動(dòng)方式的各個(gè)參數(shù)。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(yīng)用中，我們應(yīng)該更注意采用降壓?jiǎn)?dòng)的方式，以降低啟動(dòng)大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，然而具體應(yīng)該采用哪種啟動(dòng)方式，應(yīng)該具體問(wèn)題具體分析，根據(jù)電機(jī)的容量等參數(shù)而定。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姜雪菲,曾政霖.三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021.12.029.

[2]李慶武，劉子林.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[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(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.

作者簡(jiǎn)介：

     張娟，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用