摘要：繞線式異步電動(dòng)機(jī)因其簡單的結(jié)構(gòu)和靈活的運(yùn)行方式，在社會(huì)生產(chǎn)和居民生活的各個(gè)方面應(yīng)用廣泛。文章闡述了繞線式異步電動(dòng)機(jī)的基本理論知識(shí)，針對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式進(jìn)行了講述，對(duì)比分析了各種啟動(dòng)方式的異同，最終選擇了轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動(dòng)方式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該啟動(dòng)方式的合理性，為繞線式異步電機(jī)的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：繞線式異步電動(dòng)機(jī)；串電阻啟動(dòng)；matlab/simulik仿真；啟動(dòng)方式 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

異步電動(dòng)機(jī)是使用最廣泛的一種交流電機(jī)，按照電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，可以分為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線式異步電動(dòng)機(jī)，所謂的鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組端部自行閉合，形成圓柱狀的籠子，這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)耐用；而繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷引出到設(shè)備上，所以繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速性能。電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)變化到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程稱之為啟動(dòng)過程。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程屬于暫態(tài)過程，涉及到的電磁過程非常復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩和電流都會(huì)存在不同程度的波動(dòng)。在實(shí)際使用中，對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程是有一定性能要求的：一般都希望啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，能夠拖動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)又希望啟動(dòng)電流盡量小，減小對(duì)電動(dòng)機(jī)自身影響的程度和減輕對(duì)供電電網(wǎng)的沖擊性。《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50055-1993）中明確列出了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的基本要求。

本文以三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)為具體研究對(duì)象，介紹了電動(dòng)機(jī)適用的幾種不同的啟動(dòng)方式，并對(duì)比分析了各種啟動(dòng)方式之間的差異，最終選擇了最合適的啟動(dòng)方式，在查閱了大量理論知識(shí)的基礎(chǔ)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(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的仿真模型，通過合理設(shè)置仿真參數(shù)，得到了仿真結(jié)果，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式

繞線式異步電動(dòng)機(jī)的基本啟動(dòng)方法可以分為兩種：一種是在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)接入電阻；另一種是在轉(zhuǎn)子繞組中串聯(lián)接入變頻電源。當(dāng)然，隨著對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的不斷研究和發(fā)展，還有通過對(duì)兩種方式進(jìn)行改進(jìn)或者將兩種啟動(dòng)方式相結(jié)合產(chǎn)生的更加靈活的啟動(dòng)方式，如參考文獻(xiàn)[5]中提出采用變頻降壓結(jié)合液體變阻器的方式實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)。相比于第二種基本啟動(dòng)方式以及多種方式結(jié)合的啟動(dòng)方法，在繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中直接串聯(lián)接入電阻的啟動(dòng)方法更加簡單實(shí)用，而且能夠滿足一般電機(jī)對(duì)啟動(dòng)的性能需求。啟動(dòng)瞬間在轉(zhuǎn)子回路中串入合適的啟動(dòng)電阻，不僅能夠減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，而且還可以提高轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)，從而提高繞線式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，很好地改善了其啟動(dòng)性能。不過啟動(dòng)過程結(jié)束后，應(yīng)該快速切除轉(zhuǎn)子回路中串入的啟動(dòng)電阻，并將轉(zhuǎn)子繞組短路閉合。在實(shí)際啟動(dòng)過程中，繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的啟動(dòng)方式獲得了廣泛的歡迎。

2 繞線式異步電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的原理

繞線式異步電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的原理實(shí)際上是改變了電動(dòng)機(jī)的M-s曲線，從而提高了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最大限度時(shí)可以使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到電動(dòng)機(jī)所能提供的最大轉(zhuǎn)矩。但同時(shí)也要注意，串入轉(zhuǎn)子的電阻一般不會(huì)很小，所以不能一次性切除，應(yīng)該是隨著啟動(dòng)過程的進(jìn)行逐級(jí)進(jìn)行切除，直至電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，使得電動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定地拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行。在切除每一段電阻時(shí)，都會(huì)造成電流和轉(zhuǎn)矩的突變，會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生一定的機(jī)械沖擊，所以合理地選擇每一段的串聯(lián)電阻很重要，轉(zhuǎn)子回路中應(yīng)該串聯(lián)接入的電阻值的計(jì)算在參考文獻(xiàn)[7]中有詳細(xì)敘述。

3 繞線式異步電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)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(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的仿真模型。其中繞線式異步電動(dòng)機(jī)的相關(guān)仿真參數(shù)為：額定功率Pn=11kW、額定電壓Un=380V（Y聯(lián)接）、定子每相電阻r1=0.4Ω、每相漏抗X1=1Ω、轉(zhuǎn)子每相電阻折算值r′2=0.4Ω、每相漏抗折算值X′2=1Ω、勵(lì)磁電阻rm忽略、勵(lì)磁漏抗Xm=40Ω、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.089kg·m2、摩擦系數(shù)F=0、負(fù)載轉(zhuǎn)矩30N·m。

系統(tǒng)的工作原理敘述如下：繞線式異步電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組直接接入交流電源，轉(zhuǎn)子側(cè)串入啟動(dòng)電阻子模塊，子模塊是由一個(gè)斷路器和一個(gè)電阻并聯(lián)構(gòu)成，在仿真開始瞬間，設(shè)置斷路器的初始狀態(tài)為0（斷開），此時(shí)斷路器所在的支路處于開路狀態(tài)，電阻串聯(lián)接入繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，可以減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，同時(shí)由于該啟動(dòng)電阻的接入，還能夠有效地提高電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在0.35s時(shí)，啟動(dòng)過程基本結(jié)束，斷路器閉合，串聯(lián)電阻的支路被短路，三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)通過導(dǎo)線直接短接在一起，電動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行在額定電壓下，此時(shí)，轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)將獲得的電能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能供負(fù)載使用。啟動(dòng)過程的仿真結(jié)果如圖1所示：

圖1 啟動(dòng)過程仿真結(jié)果

如圖1所示，電機(jī)在啟動(dòng)瞬間因?yàn)殡妶龊痛艌鱿嗷ビ绊懙淖饔茫沟棉D(zhuǎn)子電流和定子電流存在不同程度的波動(dòng)，但波動(dòng)程度隨著時(shí)間的推移逐步減小，在0.35s時(shí)切除啟動(dòng)電阻，轉(zhuǎn)子電流有小幅上升，上升幅度和串入的電阻值大小相關(guān)。同時(shí)，在啟動(dòng)過程結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，兩者平衡，電動(dòng)機(jī)可以拖動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行。此外可以發(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)過程中，電阻的切除對(duì)電動(dòng)機(jī)造成一定的沖擊，當(dāng)啟動(dòng)電阻較小時(shí)，這種沖擊比較小，電動(dòng)機(jī)不會(huì)造成損壞，但是如果啟動(dòng)電阻較大時(shí)，切除過程中較大的沖擊電流很可能會(huì)對(duì)電機(jī)造成不可逆的破壞。所以，在實(shí)際操作過程中，可以采用逐級(jí)切除較小電阻的方式，在限制啟動(dòng)電流的同時(shí)，還可以有效緩解對(duì)電機(jī)的沖擊影響。仿真結(jié)果顯示，串電阻啟動(dòng)對(duì)繞線式異步電機(jī)是一種很好的啟動(dòng)方式，但合理地選擇啟動(dòng)電阻級(jí)數(shù)和各級(jí)啟動(dòng)電阻的大小需要不斷優(yōu)化。endprint

4 結(jié)語

繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)是一種簡單實(shí)用的啟動(dòng)方式，很好地緩解了電機(jī)在啟動(dòng)過程中啟動(dòng)電流較大的不利影響，但同時(shí)又保留了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)良特性，滿足了某些生產(chǎn)機(jī)械需要高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低啟動(dòng)電流的要求。通過在matlab/simulink中建立仿真模型，按照某實(shí)際型號(hào)的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)廠家提供的參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)置，同時(shí)使用斷路器和電阻并聯(lián)模型構(gòu)造了啟動(dòng)電阻子模塊，通過斷路器的閉合，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)初期電阻的接入和啟動(dòng)過程結(jié)束后電阻的切除，很好地模擬了繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)的過程，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性，但是還需要看到，轉(zhuǎn)子串入分級(jí)電阻啟動(dòng)過程中，切除每段電阻瞬間都會(huì)使得電流出現(xiàn)波動(dòng)，從而造成轉(zhuǎn)矩突變，這對(duì)電動(dòng)機(jī)本身會(huì)造成機(jī)械沖擊，而這個(gè)波動(dòng)程度的大小是與每段啟動(dòng)電阻的大小直接相關(guān)聯(lián)的。所以，在實(shí)際使用中，應(yīng)該盡可能地減小每段啟動(dòng)電阻，使得電流波動(dòng)減小，這樣就需要增加啟動(dòng)電阻的啟動(dòng)級(jí)數(shù)，最理想的狀態(tài)是希望能夠?qū)崿F(xiàn)啟動(dòng)電阻連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)，所以近年來發(fā)展了采用頻敏變阻器作為啟動(dòng)電阻，其電阻值會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而變小，相當(dāng)于平滑、無級(jí)的切除電阻。

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作者簡介：羅勝華（1979-），男，湖南隆回人，湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電機(jī)與電氣控制。

（責(zé)任編輯：周 瓊）endprint