三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)分析與保護(hù)

     周曉麗

    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),通過分析兩種啟動(dòng)方式的控制電路來解釋兩種啟動(dòng)方式的原理。后通過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)類型。近幾年,隨著汽車產(chǎn)業(yè)朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展,越來越多的電動(dòng)汽車出現(xiàn)在我們的生活中,表現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。電動(dòng)汽車的供電來自電源,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,也就是通過電源開關(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)啟動(dòng),啟動(dòng)過程比較可靠,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,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,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_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,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。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,對(duì)數(shù)p=2。選擇異步電動(dòng)機(jī)類型為鼠籠式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,具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能??膳c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

    說明:“√”表示具備“■”表示可選
    6結(jié)語
          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:
      周曉麗,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)橹悄芄夥杉b置

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