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三相異步電動機(jī)的啟動分析與保護(hù)
閱讀：877 發(fā)布時間：2022-1-5
摘 要：本文首先對三相異步電動機(jī)做了簡單的介紹，分析了三相異步電動機(jī)的工作原理和啟動過程，其次分析了三相異步電動機(jī)兩種啟動方式，直接啟動和Y-△（星型-三角形）降壓啟動，通過分析兩種啟動方式的控制電路來解釋兩種啟動方式的原理。后通過MATLAB軟件進(jìn)行了仿真，直觀的觀測出三相異步電動機(jī)兩種啟動方式的電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩的變化波形圖。
關(guān)鍵詞：三相異步電動機(jī)；直接啟動；降壓啟動
1研究背景
三相異步電動機(jī)是一種非常常見的感應(yīng)電動機(jī)，它具有非常簡單的結(jié)構(gòu)，而且價格比較合理，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，運行可靠?；谶@些優(yōu)點，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。電動汽車的供電來自電源，電動機(jī)將電源提供的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動車輪行駛[1]，三相異步電動機(jī)由于其優(yōu)良的特性，在電動汽車的使用上發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。本文主要研究的是三相異步電動機(jī)的啟動特性。
2三相異步電動機(jī)的基本工作原理
三相異步電動機(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，是三相異步電動機(jī)固定不動的部分；轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子三相繞組和轉(zhuǎn)軸幾個部分，轉(zhuǎn)子是三相異步電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動的部分。當(dāng)三相異步電動機(jī)的定子繞組中，通入三相對稱的交流電的時候[2]，就會產(chǎn)生一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場會切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢以及感應(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，因而會在磁場中受到電磁力的作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動[3]。三相異步電動機(jī)的啟動，也就是從三相異步電動機(jī)通入三相電，轉(zhuǎn)子開始進(jìn)行轉(zhuǎn)動，一直到轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速這一工作過程。
對于三相異步電動機(jī)的啟動有幾點要求：
①盡可能大的啟動轉(zhuǎn)矩。
②一定啟動轉(zhuǎn)矩下，盡可能小的啟動電流。
③操作方便。通常三相異步電動機(jī)的啟動方式常見的有直接啟動和降壓啟動，下文將不同啟動方式的特點進(jìn)行分析。
3三相異步電動機(jī)的啟動方式分析
3.1直接啟動
直接啟動是三相異步電動機(jī)簡單方便的一種啟動方式，也就是通過電源開關(guān)將電動機(jī)直接接入電網(wǎng)的方式。直接啟動操作非常簡單，而且啟動的時間比較短，可以實現(xiàn)快速啟動，啟動過程比較可靠，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。然而直接啟動也有其缺點，即啟動電流比較大。啟動電流過大，對電動機(jī)會產(chǎn)生一定的危害，比如使得繞組發(fā)熱，絕緣老化，影響電動機(jī)的使用壽命。通常，直接啟動通常用于容量比較小的電動機(jī)。通常7.5kW以下的電動機(jī)采用直接啟動的方式。直接啟動的電路圖如圖1所示。在圖1中，左半部分連著電動機(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)電動機(jī)進(jìn)行啟動的時候，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線圈就會導(dǎo)通得電，那么和SB2按鈕并聯(lián)的KM輔助觸點就會閉合，自鎖，主電路中的KM常開觸點就會閉合，三相異步電動機(jī)就會通電進(jìn)行啟動。這就是直接啟動的控制過程。若想讓電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，只需按下控制電路中的SB1按鈕，使M線圈斷電，同時主電路中的KM主觸點斷開，電動機(jī)斷電停止轉(zhuǎn)動。
3.2Y-△降壓啟動
降壓啟動也就是把三相異步電動機(jī)的輸入電壓降低到額定電壓以下進(jìn)行啟動，目的就是使三相異步電動機(jī)的啟動電流得到降低。典型的降壓啟動有星三角啟動、串接電抗器啟動、自耦變壓器啟動等等。本文主要介紹的是Y-△降壓啟動。Y-△啟動方式也就是三相異步電動機(jī)剛開始啟動的時候，將定子三相繞組接成星型，等三相異步電動機(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，便可以限制了啟動電流。圖2是時間繼電器控制的星三角降壓啟動的電路圖。圖2中，電路圖同樣是分為兩部分，其中左邊電動機(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，接入三相交流電，按下按鈕SB1，此時KM接觸器線圈、控制星型連接的KMY接觸器線圈以及時間繼電器線圈得電，因而控制電路中的KMY輔助動斷觸點斷開，互鎖，控制電路中的KM輔助觸點也閉合，自鎖，主電路中的KM主觸點與KMY主觸點閉合。這個時候，主電路中的控制星型連接的KMY主觸點處于閉合狀態(tài)，而控制電動機(jī)三角形連接的KM△線圈沒有得電，所以主電路中控制電動機(jī)三角形連接的KM△主觸點仍然保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，此時，三相異步電動機(jī)進(jìn)行星型啟動。
本電路圖中，采用時間繼電器去控制星型和三角形切換連接的時間。星型連接啟動之后，時間繼電器開始進(jìn)行計時，假設(shè)時間為t秒，當(dāng)計時結(jié)束之后，控制電路中的時間繼電器的動斷觸點斷開，動合觸點閉合。因此，與時間繼電器動斷觸點相連接的KMY線圈失電KMY控制電路中的動斷觸點閉合，主電路中的KMY動合觸點斷開。與此同時，與時間繼電器動合觸點相連接的KM△線圈得電，而控制電路中的KM△動合觸點閉合，主電路中，KM△主觸點得電閉合。此時，也就是星型啟動t秒之后，三相異步電動機(jī)切換成了三角形連接進(jìn)行全壓啟動。
4直接啟動與星三角降壓啟動的仿真分析
為了更直觀的觀察到三相異步電動機(jī)啟動時候的各個參數(shù)的變化，本文采用MATLAB軟件中的simulink工具進(jìn)行仿真。圖3為三相異步電動機(jī)兩種啟動方式的模型圖。為了方便兩種啟動方式的對比，將直接啟動和Y-△啟動搭建同一個模型，采用斷路器的通斷時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，勵磁互感Lm=0.069H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.018kg·m2，摩擦系數(shù)為0，極對數(shù)p=2。選擇異步電動機(jī)類型為鼠籠式squirrel-cage。在模型中，斷路器①控制著電動機(jī)的三角形連接，而斷路器②控制著電動機(jī)星型連接。當(dāng)三相異步電動機(jī)直接啟動的時候，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)，動作時間為2秒，然后點擊右面輸出端示波器觀察波形；當(dāng)三相異步電動機(jī)Y-△啟動的時候，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)，同樣點擊輸出端示波器觀察波形。圖4和圖5為所觀測的波形。通過三相異步電動機(jī)直接啟動和Y-△啟動定子電流的對比，我們可以看到Y(jié)-△啟動方式，通過降低啟動電壓，直接限制了啟動電流。除了定子電流，我們還可以從仿真模上觀察到轉(zhuǎn)子電流、啟動轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速，對后面幾個參數(shù)便不再具體闡述。
5安科瑞ARD系列智能電動機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型
5.1產(chǎn)品簡介
ARD該系列低壓電動機(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、電動機(jī)起動器等電器元件構(gòu)成電動機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。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機(jī)兩種不同的啟動方式，分析了兩種啟動方式的控制電路，并搭建了兩種啟動方式的模型。通過這兩種啟動方式的仿真模型，我們可以比較直觀的觀察到兩種啟動方式的各個參數(shù)。直接啟動速度比較快，然而啟動電流比較大，而Y-△降壓啟動電流很明顯的降低了，但啟動速度不如直接啟動。通常在實際應(yīng)用中，我們應(yīng)該更注意采用降壓啟動的方式，以降低啟動大電流對電網(wǎng)的沖擊，然而具體應(yīng)該采用哪種啟動方式，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.三相異步電動機(jī)的啟動分析[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)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.