交流电动机三角形-星形节能切换的动态过程仿真

谢芳芳 邹序武 张 莱

（湖南工业职业技术学院电气工程学院，湖南 长沙 410208）

0 引言

定子绕组为三角形连接的交流电动机，负载率低于40%时可将三角形连接切换成星形连接，以实现节能运行[1]。三角形-星形节能切换（下文简称“Δ-Y切换”）具有结构简单、经济稳定等优点，既适合异步电动机也适合同步电动机，具有较高的性价比，因此在工程中得到广泛应用[2]。现有文献已对Δ-Y切换的硬件电路、控制算法、切换点计算、切换后运行效率等方面进行了研究[3-6]，这些研究通常基于稳态分析，采用近似的公式进行计算。为了深入研究Δ-Y切换系统，需要了解切换的动态过程。本文在分析两种切换过程的基础上，利用MATLAB/Simulink搭建交流电动机Δ-Y切换的仿真模型，通过仿真手段研究两种Δ-Y切换的动态过程，并对仿真结果进行对比分析。

1 三角形-星形节能切换的过程

Δ-Y切换过程与星形-三角形启动（下文简称“星三角启动”）过程刚好相反，因此两者的硬件主电路是一样的，基于交流接触器的硬件主电路如图1所示[7]，图中KM1是主接触器，KM2是三角形接触器，KM3是星形接触器，KM4是过渡接触器，R是过渡电阻。

图1 Δ-Y切换的硬件主电路

众所周知，星三角启动有断电式、不断电式之分[8]，相应地，Δ-Y切换也分为断电式、不断电式两种。断电式Δ-Y切换用到KM1、KM2、KM3三个接触器，切换过程分三个阶段：阶段一，KM1及KM2闭合，此阶段电动机是三角形运行，定子绕组接线如图2（a）所示；阶段二，当负载率低于40%时，KM2断开，此阶段电动机处于断电状态，持续50 ms左右，定子绕组接线如图2（b）所示；阶段三，KM3闭合，此阶段电动机是星形运行，定子绕组接线如图2（c）所示。

不断电式Δ-Y切换除了用到KM1～KM3，还用到KM4和R。切换过程分四个阶段：阶段一，与断电式Δ-Y切换的阶段一相同，定子绕组接线如图3（a）所示；阶段二，当负载率低于40%时，KM2断开，KM4闭合，此阶段电动机仍是三角形运行，持续25 ms左右，定子绕组接线如图3（b）所示，三个过渡电阻R分别与三个绕组串联；阶段三，KM3闭合，此阶段电动机变成星形运行，持续25 ms左右，定子绕组接线如图3（c）所示，三个过渡电阻R分别与三个绕组并联；阶段四，KM4断开，此阶段电动机仍是星形运行，定子绕组接线如图3（d）所示，三个过渡电阻R被短接，退出运行。

图3 不断电式Δ-Y切换的定子绕组接线示意图

由上述分析可知，两种Δ-Y切换的区别是：断电式切换过程有50 ms左右的断电状态，而不断电式切换过程没有断电状态。

2 三角形-星形节能切换的仿真模型

利用MATLAB R2021b软件搭建Δ-Y切换的仿真模型，如图4所示。主电路采用Simulink专业库Simscape Electrial子库里的模块，能更好地反映实际工况。图中Voltage Source模块是三相电网；R0模块是输电线路；K1～K5模块是受控开关；Current Sensor模块是电流传感器，检测三根电源线的电流；R1～R2模块是过渡电阻；R3模块是无穷大电阻；Phase Permute模块可以将三根电源线调换位置；Grounded Neutral模块是接地中性点；Asynchronous Machine Squirrel Cage模块是笼型异步电动机，端子～1是三个绕组的首端，端子～2是三个绕组的末端；ASM measurement模块用来测量电动机物理量的标幺值，这里将电磁转矩、转子转速测量出来。

图4 Δ-Y切换的仿真模型

图4中Controller模块是控制系统，采用Simulink标准库里的基础模块搭建，有五个控制信号S1～S5，用来控制K1～K5开关的动作，实现两种Δ-Y切换，控制信号及对应阶段如表1、表2所示。

表1 断电式Δ-Y切换的控制信号及对应阶段

表2 不断电式Δ-Y切换的控制信号及对应阶段

3 仿真结果分析

仿真模型中电动机参数：额定功率3 kW，三角形接法，额定电压380 V/50 Hz，额定电流6.9 A，转动惯量0.1284 kg·m2，定子电阻1.85 Ω，转子电阻2.658 Ω，定子电感0.2941 H，转子电感0.2898 H，定转子互感0.2838 H，磁极对数2。

仿真过程中，电动机额定运行，第3.5秒负载由额定值20 N·m下降到8 N·m，第3.6秒执行Δ-Y切换。两种Δ-Y切换的电源线电流iA、电磁转矩、转速的仿真结果如图5所示。

图5 两种Δ-Y切换的仿真结果

图5（a）和（b）是两种切换的电源线电流iA。由图5（a）可知，断电式切换过程中电流脉动范围是-7.8～7.5 A，脉动幅度为15.3 A；而由图5（b）可知，不断电式切换的电流脉动范围是-14.5～30.5 A，脉动幅度为45 A。

图5（c）和（d）是两种切换的电磁转矩标幺值。由图5（c）可知，断电式切换的转矩脉动范围是-1.37～1.05，脉动幅度为2.42；而由图5（d）可知，不断电式切换的转矩脉动范围是-9.35～2.23，脉动幅度为11.58。

图5（e）和（f）是两种切换的转速标幺值。由图5（e）可知，断电式切换的转速脉动范围是0.954～0.9915，脉动幅度为0.0375；而由图5（f）可知，不断电式切换的转速脉动范围是0.906～0.9973，脉动幅度为0.0913。

综上，与不断电式切换相比，断电式切换的线电流冲击幅度、转矩脉动幅度、转速脉动幅度分别降低了66%、79%和59%。

4 结论

本文利用MATLAB/Simulink对交流电动机两种Δ-Y切换的仿真做了深入研究，仿真结果表明，断电式切换比不断电式切换的性能更好，能有效抑制最大冲击电流，转矩与转速的脉动幅度更小。本文为交流电动机驱动系统的深入研究提供了有效模型和依据。