绕线式异步电动机串电阻启动仿真研究

摘要：绕线式异步电动机因其简单的结构和灵活的运行方式，在社会生产和居民生活的各个方面应用广泛。文章阐述了绕线式异步电动机的基本理论知识，针对电动机的启动方式进行了讲述，对比分析了各种启动方式的异同，最终选择了转子回路串电阻启动方式。仿真结果验证了该启动方式的合理性，为绕线式异步电机的后续研究奠定了基础。

关键词：绕线式异步电动机；串电阻启动；matlab/simulik仿真；启动方式 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2015）31-0022-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.010

异步电动机是使用最广泛的一种交流电机，按照电动机转子结构不同，可以分为鼠笼型异步电动机和绕线式异步电动机，所谓的鼠笼型异步电动机是指电动机的转子绕组端部自行闭合，形成圆柱状的笼子，这种电动机结构简单、经济耐用；而绕线式异步电动机的转子绕组通过滑环和电刷引出到设备上，所以绕线式异步电动机转子绕组中可以串入电阻后形成闭合回路，这样有助于改善电动机的启动和调速性能。电动机从静止状态变化到稳定运行状态的过程称之为启动过程。电动机的启动过程属于暂态过程，涉及到的电磁过程非常复杂，转矩和电流都会存在不同程度的波动。在实际使用中，对电动机的启动过程是有一定性能要求的：一般都希望启动转矩足够大，能够拖动负载稳定运行，同时又希望启动电流尽量小，减小对电动机自身影响的程度和减轻对供电电网的冲击性。《通用用电设备配电设计规范》（GB 50055-1993）中明确列出了对异步电动机启动的基本要求。

本文以三相绕线式异步电动机为具体研究对象，介绍了电动机适用的几种不同的启动方式，并对比分析了各种启动方式之间的差异，最终选择了最合适的启动方式，在查阅了大量理论知识的基础上，借助matlab/simulink仿真软件搭建了所采用的三相绕线式异步电动机启动方式的仿真模型，通过合理设置仿真参数，得到了仿真结果，验证了理论分析的正确性。

1 绕线式异步电动机的启动方式

绕线式异步电动机的基本启动方法可以分为两种：一种是在转子回路中串联接入电阻；另一种是在转子绕组中串联接入变频电源。当然，随着对绕线式异步电动机启动方式的不断研究和发展，还有通过对两种方式进行改进或者将两种启动方式相结合产生的更加灵活的启动方式，如参考文献[5]中提出采用变频降压结合液体变阻器的方式实现异步电动机的启动。相比于第二种基本启动方式以及多种方式结合的启动方法，在绕线式异步电动机转子回路中直接串联接入电阻的启动方法更加简单实用，而且能够满足一般电机对启动的性能需求。启动瞬间在转子回路中串入合适的启动电阻，不仅能够减小电动机的启动电流，而且还可以提高转子回路的功率因数，从而提高绕线式异步电动机的启动转矩，很好地改善了其启动性能。不过启动过程结束后，应该快速切除转子回路中串入的启动电阻，并将转子绕组短路闭合。在实际启动过程中，绕线式异步电动机转子回路串电阻的启动方式获得了广泛的欢迎。

2 绕线式异步电动机串电阻启动的原理

绕线式异步电动机串电阻启动的原理实际上是改变了电动机的M-s曲线，从而提高了电动机的启动转矩，最大限度时可以使得启动转矩达到电动机所能提供的最大转矩。但同时也要注意，串入转子的电阻一般不会很小，所以不能一次性切除，应该是随着启动过程的进行逐级进行切除，直至电磁转矩和负载转矩相等，使得电动机能够稳定地拖动负载运行。在切除每一段电阻时，都会造成电流和转矩的突变，会对电机产生一定的机械冲击，所以合理地选择每一段的串联电阻很重要，转子回路中应该串联接入的电阻值的计算在参考文献[7]中有详细叙述。

3 绕线式异步电动机串电阻启动仿真分析

本文基于matlab/simulink丰富的仿真模型库和高效的仿真通道搭建绕线式异步电动机串电阻启动的仿真模型。其中绕线式异步电动机的相关仿真参数为：额定功率Pn=11kW、额定电压Un=380V（Y联接）、定子每相电阻r1=0.4Ω、每相漏抗X1=1Ω、转子每相电阻折算值r′2=0.4Ω、每相漏抗折算值X′2=1Ω、励磁电阻rm忽略、励磁漏抗Xm=40Ω、电动机的转动惯量J=0.089kg·m2、摩擦系数F=0、负载转矩30N·m。

系统的工作原理叙述如下：绕线式异步电动机的定子三相绕组直接接入交流电源，转子侧串入启动电阻子模块，子模块是由一个断路器和一个电阻并联构成，在仿真开始瞬间，设置断路器的初始状态为0（断开），此时断路器所在的支路处于开路状态，电阻串联接入绕线式异步电动机的转子，可以减小电动机的启动电流，同时由于该启动电阻的接入，还能够有效地提高电动机的启动转矩。在0.35s时，启动过程基本结束，断路器闭合，串联电阻的支路被短路，三相绕线式异步电动机的转子侧通过导线直接短接在一起，电动机可以稳定运行在额定电压下，此时，转子回路中串入的电阻已被全部切除，不再消耗能量，三相绕线式异步电动机将获得的电能全部转化为机械能供负载使用。启动过程的仿真结果如图1所示：

图1 启动过程仿真结果

如图1所示，电机在启动瞬间因为电场和磁场相互影响的作用，使得转子电流和定子电流存在不同程度的波动，但波动程度随着时间的推移逐步减小，在0.35s时切除启动电阻，转子电流有小幅上升，上升幅度和串入的电阻值大小相关。同时，在启动过程结束后，电动机输出的电磁转矩等于负载转矩，两者平衡，电动机可以拖动负载稳定运行。此外可以发现，在启动过程中，电阻的切除对电动机造成一定的冲击，当启动电阻较小时，这种冲击比较小，电动机不会造成损坏，但是如果启动电阻较大时，切除过程中较大的冲击电流很可能会对电机造成不可逆的破坏。所以，在实际操作过程中，可以采用逐级切除较小电阻的方式，在限制启动电流的同时，还可以有效缓解对电机的冲击影响。仿真结果显示，串电阻启动对绕线式异步电机是一种很好的启动方式，但合理地选择启动电阻级数和各级启动电阻的大小需要不断优化。endprint

4 结语

绕线式异步电动机转子串电阻启动是一种简单实用的启动方式，很好地缓解了电机在启动过程中启动电流较大的不利影响，但同时又保留了启动转矩大的优良特性，满足了某些生产机械需要高启动转矩和低启动电流的要求。通过在matlab/simulink中建立仿真模型，按照某实际型号的三相绕线式异步电动机厂家提供的参数对电动机进行了设置，同时使用断路器和电阻并联模型构造了启动电阻子模块，通过断路器的闭合，实现启动初期电阻的接入和启动过程结束后电阻的切除，很好地模拟了绕线式异步电动机转子串电阻启动的过程，仿真结果证明了该方法的有效性，但是还需要看到，转子串入分级电阻启动过程中，切除每段电阻瞬间都会使得电流出现波动，从而造成转矩突变，这对电动机本身会造成机械冲击，而这个波动程度的大小是与每段启动电阻的大小直接相关联的。所以，在实际使用中，应该尽可能地减小每段启动电阻，使得电流波动减小，这样就需要增加启动电阻的启动级数，最理想的状态是希望能够实现启动电阻连续平滑的调节，所以近年来发展了采用频敏变阻器作为启动电阻，其电阻值会随着电机转速的升高而变小，相当于平滑、无级的切除电阻。

参考文献

[1] 周景雷，王丽娜.鼠笼型电动机定子串电阻降压启动[J].可编程控制器与工业自动化，2012，（6）.

[2] 王红卫.浅谈异步电动机的结构与工作原理[J].山西冶金，2011，（2）.

[3] 沈群，朱晨燕，柳民，周华.浅谈电动机的降压启动方式[J].水泥工程，2012，（5）.

[4] 刘国锋.浅谈三相异步电动机的各种启动及调速方法[J].新世纪水泥导报，2001，（2）.

[5] 宋旭东.绕线式异步电动机起动过程分析及起动参数的设定[D].山东大学，2006.

[6] 牛维扬，李祖明.电机学（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2005.

[7] 谢可夫，邓建国.绕线式异步电动机转子串电阻分级起动过程的仿真[J].计算机仿真，2003，20（1）.

[8] 马天兵.绕线式异步电动机转子串电阻启动过程的仿真分析[J].煤矿机械，2004，（3）.

作者简介：罗胜华（1979-），男，湖南隆回人，湖南电气职业技术学院讲师，研究方向：电机与电气控制。

（责任编辑：周 琼）endprint