繞線式異步電動機串電阻啟動仿真研究

摘要：繞線式異步電動機因其簡單的結構和靈活的運行方式，在社會生產和居民生活的各個方面應用廣泛。文章闡述了繞線式異步電動機的基本理論知識，針對電動機的啟動方式進行了講述，對比分析了各種啟動方式的異同，最終選擇了轉子回路串電阻啟動方式。仿真結果驗證了該啟動方式的合理性，為繞線式異步電機的后續研究奠定了基礎。

關鍵詞：繞線式異步電動機；串電阻啟動；matlab/simulik仿真；啟動方式 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2015）31-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.010

異步電動機是使用最廣泛的一種交流電機，按照電動機轉子結構不同，可以分為鼠籠型異步電動機和繞線式異步電動機，所謂的鼠籠型異步電動機是指電動機的轉子繞組端部自行閉合，形成圓柱狀的籠子，這種電動機結構簡單、經濟耐用；而繞線式異步電動機的轉子繞組通過滑環和電刷引出到設備上，所以繞線式異步電動機轉子繞組中可以串入電阻后形成閉合回路，這樣有助于改善電動機的啟動和調速性能。電動機從靜止狀態變化到穩定運行狀態的過程稱之為啟動過程。電動機的啟動過程屬于暫態過程，涉及到的電磁過程非常復雜，轉矩和電流都會存在不同程度的波動。在實際使用中，對電動機的啟動過程是有一定性能要求的：一般都希望啟動轉矩足夠大，能夠拖動負載穩定運行，同時又希望啟動電流盡量小，減小對電動機自身影響的程度和減輕對供電電網的沖擊性?！锻ㄓ糜秒娫O備配電設計規范》（GB 50055-1993）中明確列出了對異步電動機啟動的基本要求。

本文以三相繞線式異步電動機為具體研究對象，介紹了電動機適用的幾種不同的啟動方式，并對比分析了各種啟動方式之間的差異，最終選擇了最合適的啟動方式，在查閱了大量理論知識的基礎上，借助matlab/simulink仿真軟件搭建了所采用的三相繞線式異步電動機啟動方式的仿真模型，通過合理設置仿真參數，得到了仿真結果，驗證了理論分析的正確性。

1 繞線式異步電動機的啟動方式

繞線式異步電動機的基本啟動方法可以分為兩種：一種是在轉子回路中串聯接入電阻；另一種是在轉子繞組中串聯接入變頻電源。當然，隨著對繞線式異步電動機啟動方式的不斷研究和發展，還有通過對兩種方式進行改進或者將兩種啟動方式相結合產生的更加靈活的啟動方式，如參考文獻[5]中提出采用變頻降壓結合液體變阻器的方式實現異步電動機的啟動。相比于第二種基本啟動方式以及多種方式結合的啟動方法，在繞線式異步電動機轉子回路中直接串聯接入電阻的啟動方法更加簡單實用，而且能夠滿足一般電機對啟動的性能需求。啟動瞬間在轉子回路中串入合適的啟動電阻，不僅能夠減小電動機的啟動電流，而且還可以提高轉子回路的功率因數，從而提高繞線式異步電動機的啟動轉矩，很好地改善了其啟動性能。不過啟動過程結束后，應該快速切除轉子回路中串入的啟動電阻，并將轉子繞組短路閉合。在實際啟動過程中，繞線式異步電動機轉子回路串電阻的啟動方式獲得了廣泛的歡迎。

2 繞線式異步電動機串電阻啟動的原理

繞線式異步電動機串電阻啟動的原理實際上是改變了電動機的M-s曲線，從而提高了電動機的啟動轉矩，最大限度時可以使得啟動轉矩達到電動機所能提供的最大轉矩。但同時也要注意，串入轉子的電阻一般不會很小，所以不能一次性切除，應該是隨著啟動過程的進行逐級進行切除，直至電磁轉矩和負載轉矩相等，使得電動機能夠穩定地拖動負載運行。在切除每一段電阻時，都會造成電流和轉矩的突變，會對電機產生一定的機械沖擊，所以合理地選擇每一段的串聯電阻很重要，轉子回路中應該串聯接入的電阻值的計算在參考文獻[7]中有詳細敘述。

3 繞線式異步電動機串電阻啟動仿真分析

本文基于matlab/simulink豐富的仿真模型庫和高效的仿真通道搭建繞線式異步電動機串電阻啟動的仿真模型。其中繞線式異步電動機的相關仿真參數為：額定功率Pn=11kW、額定電壓Un=380V（Y聯接）、定子每相電阻r1=0.4Ω、每相漏抗X1=1Ω、轉子每相電阻折算值r′2=0.4Ω、每相漏抗折算值X′2=1Ω、勵磁電阻rm忽略、勵磁漏抗Xm=40Ω、電動機的轉動慣量J=0.089kg·m2、摩擦系數F=0、負載轉矩30N·m。

系統的工作原理敘述如下：繞線式異步電動機的定子三相繞組直接接入交流電源，轉子側串入啟動電阻子模塊，子模塊是由一個斷路器和一個電阻并聯構成，在仿真開始瞬間，設置斷路器的初始狀態為0（斷開），此時斷路器所在的支路處于開路狀態，電阻串聯接入繞線式異步電動機的轉子，可以減小電動機的啟動電流，同時由于該啟動電阻的接入，還能夠有效地提高電動機的啟動轉矩。在0.35s時，啟動過程基本結束，斷路器閉合，串聯電阻的支路被短路，三相繞線式異步電動機的轉子側通過導線直接短接在一起，電動機可以穩定運行在額定電壓下，此時，轉子回路中串入的電阻已被全部切除，不再消耗能量，三相繞線式異步電動機將獲得的電能全部轉化為機械能供負載使用。啟動過程的仿真結果如圖1所示：

圖1 啟動過程仿真結果

如圖1所示，電機在啟動瞬間因為電場和磁場相互影響的作用，使得轉子電流和定子電流存在不同程度的波動，但波動程度隨著時間的推移逐步減小，在0.35s時切除啟動電阻，轉子電流有小幅上升，上升幅度和串入的電阻值大小相關。同時，在啟動過程結束后，電動機輸出的電磁轉矩等于負載轉矩，兩者平衡，電動機可以拖動負載穩定運行。此外可以發現，在啟動過程中，電阻的切除對電動機造成一定的沖擊，當啟動電阻較小時，這種沖擊比較小，電動機不會造成損壞，但是如果啟動電阻較大時，切除過程中較大的沖擊電流很可能會對電機造成不可逆的破壞。所以，在實際操作過程中，可以采用逐級切除較小電阻的方式，在限制啟動電流的同時，還可以有效緩解對電機的沖擊影響。仿真結果顯示，串電阻啟動對繞線式異步電機是一種很好的啟動方式，但合理地選擇啟動電阻級數和各級啟動電阻的大小需要不斷優化。endprint

4 結語

繞線式異步電動機轉子串電阻啟動是一種簡單實用的啟動方式，很好地緩解了電機在啟動過程中啟動電流較大的不利影響，但同時又保留了啟動轉矩大的優良特性，滿足了某些生產機械需要高啟動轉矩和低啟動電流的要求。通過在matlab/simulink中建立仿真模型，按照某實際型號的三相繞線式異步電動機廠家提供的參數對電動機進行了設置，同時使用斷路器和電阻并聯模型構造了啟動電阻子模塊，通過斷路器的閉合，實現啟動初期電阻的接入和啟動過程結束后電阻的切除，很好地模擬了繞線式異步電動機轉子串電阻啟動的過程，仿真結果證明了該方法的有效性，但是還需要看到，轉子串入分級電阻啟動過程中，切除每段電阻瞬間都會使得電流出現波動，從而造成轉矩突變，這對電動機本身會造成機械沖擊，而這個波動程度的大小是與每段啟動電阻的大小直接相關聯的。所以，在實際使用中，應該盡可能地減小每段啟動電阻，使得電流波動減小，這樣就需要增加啟動電阻的啟動級數，最理想的狀態是希望能夠實現啟動電阻連續平滑的調節，所以近年來發展了采用頻敏變阻器作為啟動電阻，其電阻值會隨著電機轉速的升高而變小，相當于平滑、無級的切除電阻。

參考文獻

[1] 周景雷，王麗娜.鼠籠型電動機定子串電阻降壓啟動[J].可編程控制器與工業自動化，2012，（6）.

[2] 王紅衛.淺談異步電動機的結構與工作原理[J].山西冶金，2011，（2）.

[3] 沈群，朱晨燕，柳民，周華.淺談電動機的降壓啟動方式[J].水泥工程，2012，（5）.

[4] 劉國鋒.淺談三相異步電動機的各種啟動及調速方法[J].新世紀水泥導報，2001，（2）.

[5] 宋旭東.繞線式異步電動機起動過程分析及起動參數的設定[D].山東大學，2006.

[6] 牛維揚，李祖明.電機學（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2005.

[7] 謝可夫，鄧建國.繞線式異步電動機轉子串電阻分級起動過程的仿真[J].計算機仿真，2003，20（1）.

[8] 馬天兵.繞線式異步電動機轉子串電阻啟動過程的仿真分析[J].煤礦機械，2004，（3）.

作者簡介：羅勝華（1979-），男，湖南隆回人，湖南電氣職業技術學院講師，研究方向：電機與電氣控制。

（責任編輯：周 瓊）endprint