大容量异步电动机启动特性仿真分析研究

万玉晶，邱立伟，陈景荣，王利来，李 顺，刘 念

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065）

大容量异步电动机启动特性仿真分析研究

万玉晶1，邱立伟1，陈景荣1，王利来2，李 顺2，刘 念2

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065）

针对大容量异步电动机启动频繁的问题，建立大容量异步电动机在直接启动、转子串电阻启动以及软启动3种模式下的控制数学模型。利用Matlab/Simulink仿真异步电动机启动特性，对大容量异步电动机启动控制进行仿真分析，为电力系统的电机节能控制以及大容量异步电动机启动方式的选择提供理论依据。

大容量异步电动机；数学模型；启动特性；仿真分析

0 引 言

近年来大型厂用电动机起停频繁，其启动过程对一些电气设备的安全运行造成很大隐患。由于异步电动机启动时，启动电流能达到额定电流的4～7倍，定子绕组端部结构将承受很大的冲击力，如果引线（小跳线）的机械强度不够，可能造成扭弯曲或机械拉伤。同时，转子笼条承受着电磁力、离心力和热应力，端部笼条出铁心到短路环范围内，特别是笼条与短路环接触的根部承受着很高的应力，容易发生脱焊或断裂事故[1]。

随着电力工业的不断发展，异步电动机的容量越来越大，大容量以及特大容量电动机陆续投入使用。电动机的容量越大，启动所带来的冲击也越大，安全引患将会愈发突出[2-3]。大容量异步电动机的启动特性关系到整个电力系统的稳定，因此，研究其启动特性对保证电网的稳定以及大容量电动机的安全运行十分必要[4]。

国内外对异步电动机的启动特性也有很多研究。文献[2]分析了小容量三相异步电动机的直接启动特性；文献[3]分析了小容量三相异步电动机的软启动特性；文献[4]对启动特性仿真模型建立进行了分析。但是对大容量异步电动机的启动特性分析较少，本文针对大容量异步电机的启动特性进行仿真分析，并对几种启动方式进行对比，为电力系统的电机节能控制以及大容量异步电动机启动方式的选择提供合理的科学依据。

1 三相异步电动机数学模型

异步电机的数学模型是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统[5]。在研究异步电机的多变量数学模型时，常作如下假设：

1）三相绕组在空间对称互差120°，磁势在空间按正弦分布。

2）忽略铁芯损耗。

3）不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感都是线性的。

4）不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。

异步电动机的数学模型主要由电压方程、磁链方程和转矩方程组成，通过坐标变换和旋转变换将异步电动机三相静止坐标系下的数学模型转换为d、q旋转坐标系的简单模型，只要在这两个坐标系下的合成磁势相等，坐标变换就是有效的。经过变换后的数学模型为

电压方程

式中：usd、usq——d轴和q轴电压；

Rs——电机定子电阻；

isd、isq——d轴和q轴定子电流；

φsd——磁通。

磁链方程

式中：Ls——自感抗；

Lm——互感抗。

转矩方程

式中：Te——电磁转矩；

np——转速。

旋转变换是用旋转的绕组代替原来静止的定子绕组，并使等效的转子绕组与等效的定子绕组重合，且保持严格同步，等效后定、转子绕组间不存在相对运动。

通过对三相异步电机进行频率折算，可以得到转子旋转时异步电机的平衡方程式组。

式中：U1——定子绕组相电压；

E1——定子绕组侧相电动势；

I1——定子绕组相电流；

Z1——定子一相绕组的漏阻抗；

s——转差率；

I0——控制励磁电流。

对于容量＞100 kW的异步电机，可以得到异步电机简化等效电路模型，如图1所示。

图1 大容量异步电动机简化模型

由于异步电动机的转子、定子漏阻抗比较小，启动瞬间的启动电流很大。由简化电路图可知，通过控制电压U1可以有效控制启动电流，这就是直接启动和软启动的区别。

2 异步电动机的启动方式

根据不同工况，异步电动可有多种启动方法，比较常见的有直接启动和降压启动[6]。随着我国电子技术的不断发展，软启动被广泛应用，特别是针对大容量异步电动机，降压启动法逐渐被软启动所取代。常见的软启动方式有晶闸管软启动、磁饱和软启动和磁控软启动等[7]。本文基于大容量异步电动机启动的特性对比，主要针对直接启动、压降启动和晶闸管软启动3种方式进行了分析。

2.1 直接启动

直接启动是最简单直接的启动方式，启动时通过开关或接触器将电机直接接到电网上。此方法在小型电动机上应用最为广泛；具有起动设备简单，起动速度上升快，起动转矩比采用降压起动时大等优点。在负载和电网两方面都允许直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机以直接起动为宜。但是，针对本文所提的大容量异步电动机，直接启动的缺点更为突出。直接启动时产生的过大启动电流，不仅对外侧电网中的其他用电设备造成影响，而且会使电机绕组过热，加速电机绝缘老化，同时产生的巨大电磁力对电机机身也会造成破坏性影响。

2.2 转子串联电阻启动

绕线式异步电动机的转子串联合适的电阻不但可以减小启动电流，还可以增大启动转矩，也是比较适合大容量异步电机的启动方式。容量较大的一般采用分级启动的方法以保证启动过程中都有较大的启动转矩和较小的启动电流。

2.3 晶闸管软启动

晶闸管软启动在电路上与直接启动有明显不同，它在电源与被控电机之间串接一个由晶闸管组成的软启动器。启动过程中通过控制晶闸管的导通角来控制输入电机的电压变化，直到启动结束。

晶闸管软启动可以有效限制启动冲击电流，大大减小启动过程对电网造成的压降，从而减小了冲击电流对电机自身的影响，延长电机使用寿命[8]。

针对大容量异步电动机，软启动有着明显的优势，将大大减小启动冲击电流。当大容量电动机重载启动时，软启动是非常不错的选择[9-10]。下面将通过仿真对比分析，给出大容量异步电动机直接启动和软启动的启动特性曲线。

3 大容量三相异步电动机启动特性仿真分析

针对大容量异步电动机，对它在不同启动方法下的启动特性进行仿真研究。利用Simulink自带的异步电动机模型，搭建直接启动、转子串联电阻启动和软启动的3种仿真模型[11-12]，并进行仿真分析。

3.1 大容量三相异步电机直接启动特性仿真

直接启动电路非常简单，没有任何调节措施。在仿真时，将仿真时间设置为10s，并测量异步发电机的定子和转子电流以及转速和电磁转矩的相关参数。

图2 直接启动转子电流特性

图3 直接启动转速特性

图4 直接启动转矩特性

由图2、图3和图4可知，大容量异步电动机直接启动时，有启动时间短、转速上升速度快、输出转矩大的优点；但是，转子启动电流比较大，达到了额定电流的4～7倍甚至更高，转速达到稳定之前有个短暂的波动过程，直接启动时的冲击电流电机本身以及电力系统的冲击不可忽视。随着异步电机容量的进一步增大，其冲击电流也会增大，如图5所示。

3.2 转子串联电阻启动特性仿真

转子串联启动的特点是异步电动机启动时在电动机转子侧串联接入合适的电阻，以减小启动电流和增大启动转矩。

仿真时，仿真时间设置为10s。经过0.1s将转子侧电阻短接。并测量异步发电机的定子和转子电流以及转速相关参数。仿真结果如图6和图7所示。

从仿真图中可以看出，经0.1 s将电阻短接后，电机转子电流有略微的波动，电机将在波动的电磁转矩Te的作用下，逐渐加速到额定转速，通过与直接启动的启动电流比较，可以清楚地看到启动电流的波动明显减少。

图5 不同容量异步电机直接启动电流特性

图6 转子串电阻启动电流

图7 转子串电阻启动转矩特性

3.3 大容量异步电动机软启动特性仿真分析

晶闸管软启动方式相对于直接启动，在电路上有明显不同。它是在电源与异步电动机之间，加入了晶闸管控制电路，通过控制晶闸管的触发角来改变输出电压，晶闸管软启动仿真模型利用Matlab进行搭建。

仿真时，将仿真时间设置为10s，为了较好观测启动电流特性，设置仿真启动时间为2s。并测量异步发电机的定子和转子电流以及转速相关参数。仿真结果表明：软启动时，启动电流和转速特性有明显改善。启动电流特性和转速特性如图8和图9所示。

图8 软启动转子电流特性

图9 软启动转速特性

由图8和图9可知，大容量异步电动机软启动时，启动时间较长，转速上升速度较为平缓；但是，转子启动冲击电流大大得到改善，启动过程中启动电流能够平稳上升，电动机能够平稳启动。大容量异步电动机启动过程对电网和电机自身的冲击得到明显改善，保证了大容量电动机的安全运行。

经过对直接启动、转子串电阻启动和软启动的仿真可以看出，3种启动方式之间各有特点。

1）大型电动机直接启动时，启动冲击电流很大，并且随着电机容量的不断增大，冲击电流越来越大，震荡时间加长。

2）转子串联电阻启动的启动特性与直接启动特性差别不大，但是能够减小启动电流和增大启动转矩。

3）软启动可以很好地控制大容量电动机启动时的电流，有效降低启动时引起的电网压降。

4 结束语

本文针对异步电动机容量配置需求越来越大的趋势，对大容量电机启动特性进行分析，以此做出启动时对电网以及电机自身的危害评估。通过对大容量异步电动机直接启动、转子串联电阻和软启动3种启动方式分别进行仿真分析，对大容量异步电动机的启动特性有了较为全面的了解，给大容量电动机启动方式的选择提供了科学依据。

1）直接启动方式简单，但是当电动机容量较大时会产生较大的启动冲击电流，比较适合小容量电动机的启动。

2）转子串电阻启动通过在转子串加入适当电阻可以减小启动电流和增大启动转矩。比较适合于大容量电动机轻载状态的启动。

3）软启动的启动时间较长，转速平缓上升，启动冲击电流大大减小，比较适合于大容量异步电动机重负荷时的启动。

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Simulation analysis of starting characteristic for large capacity asynchronous motor

WAN Yu-jing1，QIU Li-wei1，CHEN Jing-rong1，WANG Li-lai2，LI Shun2，LIU Nian2
（1.CNNC Nuclear Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan 314300，China；2.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

For the problem about the starting characteristics of large capacity asynchronous motor，the mathematical control models of the large capacity asynchronous motor are presented for the direct starting，the rotor resistance starting and the soft starting.The starting control characteristics of the large capacity asynchronous motor are analyized by Matlab/Simulink software.Based on the mathematical model analysis and the simulation analysis for the large capacity asynchronous motor，the results can provid an effective scientific evidence for the saving-energy and the starting mode selection of asynchronous motors.

asynchronousmotoroflarge capacity；mathematicalmodel；starting characteristic；simulation analysis

TM343+.2；TK018；TP391.9；TP274

：A

：1674-5124（2014)06-0132-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.034

2014-02-17；

：2014-05-05

万玉晶（1983-），男，工程师，主要从事继电保护检修及管理工作。