異步電動機(jī)啟動過程分析

1、我京文冠乂攀學(xué)號082911xx姓名張XX班級電氣08xx異步電動機(jī)啟動過程分析張 XX（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）摘 要： 隨著異步電動機(jī)作為重要的動力設(shè)備在社會各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用，研究三相鼠籠式異步電動機(jī)在各種起動方式下的起動性能就顯得尤為重要。為獲得較好的起動效果，在對籠型異步電機(jī)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用Matlab 中的Simulink仿真工具對異步電動機(jī)的直接起動、降壓起動、V/f比控制起動方式進(jìn)行動態(tài)仿真。通過對起動過程中電機(jī)的定子電流、起動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，得出各種起動方式下電流時(shí)間、轉(zhuǎn)矩時(shí)間、轉(zhuǎn)速時(shí)間和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的特性曲線，從而比較不同起動方式的起動性能

2、優(yōu)劣。異步電動機(jī)變頻起動后，使起動電流大大減小，起動時(shí)對電網(wǎng)的沖擊效應(yīng)較小，并且使異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩盡可能大，縮短了起動時(shí)間，從而克服了傳統(tǒng)起動的弊端。關(guān)鍵字： 直接起動；降壓啟動；V/f 比控制起動；籠型異步電機(jī)Abstract: With the induction motor as an important power equipment widely usedin all walks of life, research phase squirrel cage induction motor start-up mode in a variety of starting performan

3、ce is particularly important. In order to obtain good starting results, in the cage induction motor in-depth analysis, based on the use of Matlab Simulink simulation tools for asynchronous motor direct starting, reduced voltage starting, V / f ratio control method for starting the dynamic simulation

4、. Through the process of starting the motor stator current, starting torque and rotor speed testing, come under a variety of ways starting current - time, torque - time, speed - the time and torque - speed characteristic curves to compare the different starting way of starting performance of the pro

5、s and cons. After induction motor variable frequency start, so that greatly reduce the starting current, starting at a smaller effect on the impact of the grid, and the induction motor starting torque as large as possible, shortening the starting time, to overcome the traditional start of the state.

6、Keywords: direct start; Buck started; V / f ratio control starts; cage induction motor/、乙1 前 言1.1 三相異步電動機(jī)起動研究的意義電動機(jī)作為重要的動力裝置，已被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、 交通 運(yùn)輸、國防軍事設(shè)施以及日常生活中。與電機(jī)配套的控制設(shè)備的性能已經(jīng)成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。電機(jī)的控制包括電機(jī)的起動、調(diào)速和制動。異步電動機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、維修方便、 運(yùn)行效率較高、工作特性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而在電力拖動平臺上得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其耗電量約占全國發(fā)電量的40%左右。當(dāng)電機(jī)并入電網(wǎng)

7、時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速的過程稱為電機(jī)的起動過程。異步電動機(jī)的起動性能最重要的是起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。因此在電機(jī)的起動過程中，如何降低起動電流，增大起動轉(zhuǎn)矩，一直是機(jī)電行業(yè)的專家們探討的重要課題。1.2 三相異步電動機(jī)的起動分類及其發(fā)展方向目前， 最常見的是直接起動方式，這是一種最簡單的起動方法。就是用閘刀開關(guān)或者接觸器把電機(jī)的定子繞組直接接到電網(wǎng)上。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是操作和起動設(shè)備簡單，缺點(diǎn)是起動電流很大。一般鼠籠式異步電機(jī)直接起動的電流是額定電流的47倍，某些國產(chǎn)電機(jī)甚至可達(dá)812倍，起動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的 12倍。雖然，起動電流很大，但起動轉(zhuǎn)矩并不大。因 此 , 直接起動方法只適用于小

8、容量電機(jī)起動。為了解決直接起動帶來的一系列問題，人們采用了各種降壓起動技術(shù)，目前應(yīng)用較為普遍的有自耦變壓器起動、串電阻或串電抗起動、Y-啟動和延邊三角形起動等方法。這些傳統(tǒng)降壓起動方法在很大程度上緩解了大容量電機(jī)在相對較小容量電網(wǎng)上起動時(shí)的矛盾，但它們只是縮短了大電流沖擊的時(shí)間，并沒有從本質(zhì)上解決問題。而且這些起動設(shè)備還存在一些固有的缺點(diǎn): 如對負(fù)載的適應(yīng)能力差、起動電流不連續(xù)、觸點(diǎn)繼電器控制、維修工作量大以及浪費(fèi)能源等問題。隨著自動化、機(jī)械化要求日益提高，這些矛盾變得更加突出。1.3 變頻起動的發(fā)展雖然軟起動仍然以各種形式的降壓（限流）軟起動為主要形式，但是隨著變頻器價(jià)格的逐漸下降及可靠性的

9、進(jìn)一步提高，變頻軟起動將成為軟起動的主流。變頻器具有所有軟起動器功能，但它的價(jià)格比軟起動器貴的多，結(jié)構(gòu)也負(fù)責(zé)的多。由于其價(jià)格太高，人們購置變頻器一般都是著眼于調(diào)速，因此常常不把他歸類于軟啟動裝置。但對于需要重載或者滿載起動的設(shè)備，最好采用變頻軟啟動。因?yàn)檐浧饎悠髡{(diào)壓不調(diào)頻，轉(zhuǎn)差率始終存在，難免過大的起動電流，而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式，可實(shí)現(xiàn)無過流軟啟動，且可提供1.2-2倍的起動轉(zhuǎn)矩，特別適合于重負(fù)載起動的設(shè)備。相信隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的價(jià)格會進(jìn)一步降低，變頻器作為一種軟啟動方式會得到更為廣泛的應(yīng)用。各種形式的降壓起動動將與星三角起動等技術(shù)一起歸并為傳統(tǒng)的起動技術(shù)。未來成為主流產(chǎn)

10、品的軟起動裝置將是帶有軟切換功能的廉價(jià)的變頻器。2籠型異步電動機(jī)的起動方式1.4 直接起動直接起動，也就是全壓起動，是一種最簡單的起動方法也是三相異步電動機(jī)應(yīng)用最多的 一種起動方法。小功率電機(jī)常常采用這種起動方式然而對較大功率的電機(jī)而言，這種起停方式的缺點(diǎn)也是顯而易見的。在這種起動方式下，起動電流約為標(biāo)稱電流的4-7倍；起動轉(zhuǎn)矩約為標(biāo)稱轉(zhuǎn)矩的1.0 - 2.0倍。其/I點(diǎn)是：電機(jī)端子少（一般為三端子電機(jī)），可帶載起動、高 電流峰值和大壓降起動，設(shè)備簡易。直接起動是最簡單的起動方式，起動時(shí)通過空開或接觸器將電機(jī)直接接到電網(wǎng)上。具有起動設(shè)備簡單，起動速度快的優(yōu)點(diǎn)，而且起動轉(zhuǎn)矩比采用降壓起動時(shí)大。在

11、電網(wǎng)和負(fù)載兩方面都允許全壓直接起動的情況下，鼠籠式異步電動機(jī)仍以直接起動為宜.因?yàn)椴倏v控制方便，而且比較經(jīng)濟(jì)。其危害很大電網(wǎng)沖擊大。 過大的起動電流，會造成電網(wǎng)壓降，影響其他用電設(shè)備的正常 進(jìn)行。還可能使欠壓保護(hù)動作，造成用電設(shè)備的有害跳閘。 同時(shí)過大的起動電流會使電機(jī)繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機(jī)壽命；機(jī)械沖擊嚴(yán)重，過大的沖擊力矩容量造成電機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定于端部繞組絕緣磨損，導(dǎo)致絕緣擊穿燒毀電機(jī)， 轉(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等。因此盡管直接起動方法簡單. 起動設(shè)備也簡單，價(jià)格便宜，但為了限制電和機(jī)械的沖擊， 以及保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量， 在某種場合，就得采取減壓起動方

12、式， 或者在繞線式異步電動機(jī) 的轉(zhuǎn)子電路中串入阻抗進(jìn)行起動。圖2.1為三相交流異步電動機(jī)直接起動的電路圖。三相交流電源經(jīng)由組合開關(guān)K,熔斷器Fi, F2 , F3 ,交流接觸器KM的主觸點(diǎn)到電動機(jī)定子繞組，構(gòu)成了主電路。圖2.1三相交流異步電動機(jī)直接起動的電路圖1.5 降壓起動降壓起動通過降低起動時(shí)加在定子繞組上的電壓來減小起動電流，起動結(jié)束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復(fù)到額定值。降壓起動雖然能減小起動電流，但是起動轉(zhuǎn)矩也大大減小了，所以降壓起動一般適用于中、大容量的異步電動機(jī)輕載貨空載起動。降壓起動適用于容量大于或等于20kw并帶輕載的工況。由于輕載，故電動機(jī)起動時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩很容易滿足負(fù)載要求

13、。主要問題是起動電流大，電網(wǎng)難以承受過大的沖擊電流，因此必須降低起動電流。在研究起動時(shí)，可以用短路阻抗Rk jXk來等效異步電動機(jī)。電機(jī)的起動電流（即流過Rk +jXk上的電流）與端電壓成正比，而起動轉(zhuǎn)矩與電機(jī)端電壓的平方成正比，這就是說起動轉(zhuǎn)矩比起動電流降得更快。降壓之后在起動電流滿足要求的情況下，還要校核起動轉(zhuǎn)矩是否滿足要求。1.6 三相異步電動機(jī)變頻起動的原理根據(jù)三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為60 fin = 1 -s = ni 1-sP式中f1為異步電動機(jī)的定子電壓供電頻率；p為異步電動機(jī)的極對數(shù)；s為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率。改變異步電動機(jī)定子繞組供電電源的頻率 f1,可以改變同步轉(zhuǎn)速 n ,

14、從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率f1連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。3異步電機(jī)啟動過程的simulink 仿真3.1直接啟動異步電機(jī)直接起動仿真模型上圖為異步電動機(jī)直接起動仿真模型。起動過程中，把全部的電源電壓直接加到電機(jī)的定子繞組。其中，三相電源的3路輸入信號的初始相位分別設(shè)置為0, -120, 120。相電壓設(shè)為220V,頻率為50Hz。電機(jī)模塊繞組類型選擇鼠籠式( Squirrel-cage )。所有的圖形的仿真時(shí)間均為10s (截取圖形時(shí)為了截取有效數(shù)據(jù)，一般都是選擇性截取，沒有截取到10s)仿真算法為ode23tb。對各元件的參數(shù)配置完成后就可以進(jìn)行仿真。仿真波形：上圖分別是：

15、轉(zhuǎn)子電流 、定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形卜圖是：異步電機(jī)直接啟動時(shí)轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性曲線EJ型，-I 回XYPIot 16WUi j 12M 10IHI則 6門 -I I： 3 2IM）fl-10石Q5IQ1S202530XAxjb從上面波形圖可以看出， 直接起動時(shí)，起動過程在1.8秒左右結(jié)束，起動速度較快。因?yàn)樨?fù)載很小，所以轉(zhuǎn)速非常接近同步轉(zhuǎn)速1500r/min,轉(zhuǎn)速上升速度快。定子電流波形和轉(zhuǎn)子電流波形呈現(xiàn)較大的振蕩，起動后電流降至正常工作電流。啟動負(fù)載較小，異步電機(jī)在直接起動過程中的起動定子電流最大約為28.2A （找尖峰，進(jìn)行圖形放大得到）。異步電機(jī)降壓啟動仿真模型圖中為異步電動機(jī)自耦變壓器降

16、壓起動仿真模型。起動時(shí)，串聯(lián)的一組breaker開關(guān)合3.2 降壓啟動上，并聯(lián)在變壓器兩端的一組breaker開關(guān)打開，這樣使得變壓器接入電源，其二次側(cè)抽頭接電動機(jī)，使電動機(jī)降壓起動。 當(dāng)轉(zhuǎn)速接增加到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，將串聯(lián)的一組開關(guān)打開，并聯(lián)在變壓器兩端的開關(guān)閉合，則電動機(jī)接入全電壓（此時(shí)自耦變壓器已經(jīng)脫離電源），繼續(xù)起動，但此時(shí)的電流沖擊已經(jīng)很小。再過一小段時(shí)間，電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。升壓時(shí)間為1s時(shí)的仿真波形：（轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形）15001000升壓時(shí)間為2s時(shí)的仿真波形:升壓時(shí)間為3s時(shí)的仿真波形:升壓時(shí)間為4s時(shí)的仿真波形:025e升壓時(shí)間為6s時(shí)的仿真波形:上圖分別是：

17、轉(zhuǎn)子電流定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形卜圖是：異步電機(jī)降壓啟動時(shí)轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性曲線升壓時(shí)間為1s時(shí)的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性:升壓時(shí)間為2s時(shí)的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性:升壓時(shí)間為3s時(shí)的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性:升壓時(shí)間為4s時(shí)的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性:升壓時(shí)間為5s時(shí)的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性:升壓時(shí)間為6s時(shí)的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性:異步電動機(jī)通過自耦變壓器降壓起動，可以減小變壓器二次側(cè)加在定子兩端的機(jī)端電壓，從而達(dá)到減小起動電流的目的。從定子電流波形可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速時(shí)，接由于自耦變壓器的退出，電流入全電壓，比直接起動的定子電流小。但是在起動的過程中, 波形出現(xiàn)了高電流峰值，存在 2次大的沖擊電流。3.3 V/f比控制異步電機(jī)V/f比控

18、制啟動仿真模型仿真圖說明：上圖中的的 PWM模塊是利用自行編制的PWM,單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出右鍵菜單，單擊Creat subsystem進(jìn)行封裝，然后重命名得到的。下面是說明圖。1）加速（減速）斜率設(shè)置為200 （-200）時(shí)仿真結(jié)果IJidJIEJlJliJ0I1SE1 <1皿 x*ww«IWRIMlW»tA上圖分別是：轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形卜圖是：異步電機(jī) V/f比控制起動時(shí)轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性曲線160014001200100060060040020040XYPlQt2。40060XAxis802）加速（減速）斜率設(shè)置為100 （-100）時(shí)仿真結(jié)果上圖分別

19、是：轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形卜圖是：異步電機(jī) V/f比控制起動時(shí)轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩特性曲線2）加速（減速）斜率設(shè)置為 2（-2）時(shí)仿真結(jié)果4仿真結(jié)果分析4.1啟動的速度、啟動電流、啟動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行對比分析時(shí)間啟動電流最大值啟動轉(zhuǎn)矩最大值直接起動2s28.3 A27.3降壓啟動（變比220:180）4.5s （取穩(wěn)定啟動的時(shí)間）23 A18.5V/f控制啟動（取斜率為100時(shí)數(shù)據(jù)）1s23.1A45直接起動比降壓啟動時(shí)間短，但是啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩大。V/f啟動時(shí)間最短，啟動轉(zhuǎn)矩比其他兩種啟動都大很多。啟動電流比直接起動小，與降壓啟 動相比啟動電流略大一點(diǎn)。4.2降壓啟動中升壓時(shí)間對啟動電流及啟動

20、轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行分析變壓器變比220: 180從仿真圖中可以得到開關(guān)切換 的時(shí)間即 全電壓接 入前的時(shí) 間1s2s3s4s5s6s開關(guān)切換 時(shí)的轉(zhuǎn)速150371731135414431443轉(zhuǎn)速達(dá)到 穩(wěn)定所需 時(shí)間2.5s3.3s3.7s4.3s4.5s4.5s定子電流 的幅值24.0A23.522.119.219.219.2轉(zhuǎn)矩波動 時(shí)間0.4s0.240.08s0.03s0.23s0.23s轉(zhuǎn)矩的波 動幅值5.96.756.95.355.55.5從表格中可以看出接入全電壓的時(shí)間越早，轉(zhuǎn)速越早達(dá)到穩(wěn)定，電機(jī)啟動所用時(shí)間越短,但是定子電流幅值的幅值越大，這是因?yàn)榻尤肴妷簳r(shí)， 電壓的突然升高會使

21、電流出現(xiàn)突然的升高，在原來波動基礎(chǔ)之上進(jìn)行疊加造成的, 因此全電壓越早接入對電網(wǎng)及電機(jī)的沖擊越大。從圖中可以看出如果一直不撤去變壓器,4.5s時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)穩(wěn)定，此時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到最大值，此時(shí)接入全電壓對定子電流形成的沖擊為8.28A,由于沒有與啟動時(shí)的波動電流疊加,所以對電機(jī)及電網(wǎng)的影響很小，因此接入全電壓的時(shí)間在4.5s時(shí)接入比較好。在轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定前(5s前)，接入全電壓的時(shí)間早，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動時(shí)間越長。由于負(fù)載很小，接入全電壓的時(shí)間對轉(zhuǎn)矩的幅值影響很小。加速(減速)斜率設(shè)置為 200 (-200 )加速(減速)斜率設(shè)100 (-100)加速(減速)斜率設(shè)» 2 (-2 )啟動電流幅值

22、46A23.1A22.8A啟動時(shí)間0.6s1s2.5s啟動轉(zhuǎn)矩幅值8345264.3 V/f比控制中加速時(shí)間對啟動電流及啟動轉(zhuǎn)矩的影響進(jìn)行分析啟動時(shí)間越短，啟動轉(zhuǎn)矩越大，啟動電流幅值越大。因?yàn)榧铀傩甭蚀? 因此必須提供較大的轉(zhuǎn)矩來牽引電機(jī)，所以啟動電流也會比較大。加速斜率越大, 加速時(shí)間會比較短，變頻起動與其他啟動方式性能比較5.1技術(shù)性比較單從技術(shù)上來說，變頻具有不可比擬的優(yōu)勢, 可控制在額定電流以下，起動時(shí)電網(wǎng)功率因素高起動特性好，可連續(xù)起動多次，起動電流(0.90.95),電網(wǎng)壓降小，同時(shí)還可進(jìn)行調(diào)速，減小動力設(shè)備功率消耗，節(jié)約電能。缺點(diǎn)是產(chǎn)生高磁諧波，污染電網(wǎng)，影響系統(tǒng)內(nèi)其它設(shè)備的用電

23、質(zhì)量，要解決諧波污染，還得追加設(shè)備投資。5.2經(jīng)濟(jì)性比較從實(shí)用性經(jīng)濟(jì)角度來說，變頻起動屬于一種過于奢侈的技術(shù)方案，雖然變頻起動可以將起動電流降到額定電流以下，但是對于不是特別頻繁起動又不需要調(diào)速的大型動力設(shè)備來說，僅僅為了起動而進(jìn)行巨額投資，太不經(jīng)濟(jì)。5.3可靠性比較變頻軟起動技術(shù)含量高， 設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度較大，使用維護(hù)及故障處理等對技術(shù)人員的技術(shù)素質(zhì)要求高。發(fā)生故障，解決問題的技術(shù)難度較高，事故處理周期較長。變頻調(diào)速起動是目前最好的電機(jī)起動方式，可以基本上做到對電網(wǎng)無沖擊，負(fù)荷電流從零平滑地達(dá)到滿負(fù)荷額定電流，而母線電壓維持不變。這種起動方式雖一次投資大，但起動過程對電網(wǎng)和設(shè)備影響很小，且節(jié)約能源。因此對于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載電動機(jī)的起動，在投資允許的條件下，應(yīng)優(yōu)先采用變頻調(diào)速起動。變頻調(diào)速起動以其節(jié)能、降耗、優(yōu)質(zhì)的性能成為符合