基于Multisim 的电动机起动性能改善仿真与分析*

严利芳，李墅娜，吴泱序

（中北大学创新创业学院，太原 030051）

0 引言

三相异步电动机拖动系统在起动过程中要求有足够大的起动转矩Tst和较小的起动电流Ist，但实际情况是起动时，由于转子转速n=0，转差率s=1，旋转磁场切割转子的相对速度最大，转子电路的感应电动势和感应电流最大，因此，定子电流即起动电流Ist也必然最大，其数值大约是额定电流的5 倍～7 倍［1］，同时因为s=1，转子漏电抗最大，转子电路的功率因数cosφ2很低，由电磁转矩表达式T=KTΦmI2cos φ2可知，虽然起动电流很大，但起动转矩Tst却不大［1］。要改善起动性能，就需要减小起动电流并增大起动转矩，鼠笼式电动机往往不能两项指标同时满足，绕线式电动机采用转子绕组中串接适当电阻起动，既可减小起动电流，又可增大起动转矩，在需要较大起动转矩的场合（比如起重机）得到了广泛的应用。然而要同时满足以上两项要求，串接电阻大小的确定在工程上是一个值得研究的问题。应用Multisim仿真，可以准确地确定转子绕组串接多大电阻时，起动电流减小的同时起动转矩达到最大，为工程设计提供参考。

1 绕线式电动机转子串电阻起动

图1 是绕线式异步电动机定子、转子绕组的接线方式。定子、转子都星形连结，定子绕组接在三相对称电源上，转子绕组的电阻用R2表示，其3 条引线分别接到3 个滑环上，用一套电刷装置引出来，就可以把静止的外接电阻RS串联到转子绕组回路里去，串接的电阻越大，起动电流越小，但起动转矩是随着电阻的变化非线性变化的，因此，要找到合适的阻值才能使起动转矩达到最大。同时，串接电阻还能起到调速的作用，串接不同电阻对起动转矩和转速的影响如图2 所示，转速n 与电磁转矩T 成非线性关系，随着转子串接电阻阻值的改变，转速n与起动转矩Tst都会发生变化，串接电阻取到一定值，可使起动转矩达到最大。

图1 绕线式异步电动机定子、转子绕组的接线Fig.1 The wiring between stators of wound rotor asynchronous motor and rotor winding

图2 R2 变化对起动转矩的影响Fig.2 The effect of the variation of R2 on the starting torque

2 绕线式电动机转子串电阻仿真

图3 是绕线式电机转子串接电阻起动的Multisim 仿真电路。V1是有效值为220 V，频率为50 Hz的对称三相电源，按下空格键，电源开关S1接通，按下B 键，起动按钮S2闭合，电动机控制电路接通，交流接触器线圈K1得电，辅助触点K2闭合，起到自锁作用，主触点K3、K4、K5闭合，电动机起动运行。电动机参数设置如下：同步转速为1 000 r/min，定子漏电感L1=1.4 mH，定子电阻R1=0.28 Ω，转子漏电感L1=0.71mH，转子电阻R2=0.2 Ω。定子绕组通入频率f=50 Hz 的三相交流电，则定子漏阻抗Z1=R1+jX1=（0.28+j0.44）Ω，转子漏阻抗Z2=R2+jX2=（0.2+j0.223）Ω。定子A1相绕组接到泰克示波器的通道1，转子A2相绕组接到通道2，电磁转矩Te 接到通道3，电磁转矩以电压形式表现。转轴上连接恒速负载T1，为了方便得到电机起动时的电磁转矩，设置恒速负载T1转速为1 mrad/s，相当于使电机堵转。按下C 键，使开关S4、S5、S6闭合，转子三相绕组分别和串接的电阻RS1、RS2、RS3接通，改变电阻值得到不同的起动电流和起动转矩。转子串接不同电阻仿真后对应的起动电流和起动转矩对比数据如表1 所示。

表1 转子串接不同电阻对应的起动电流和起动转矩Table 1 The relative starting current and starting torque while rotor winding in tandem connection with different resistance

图3 转子绕组串接0.5Ω 电阻的仿真结果Fig.3 The simulation results of rotor winding in tandem connection with 0.5Ω resistance

观察表1 数据可知，随着串接电阻Rs的增大，起动电流I1随之减小，起动转矩Te 先增大后减小，在RS=0.5 Ω 时达到最大，转矩以电压形式表现，此时电压值为-675 V。仿真结果如图3 所示，串接电阻总阻值设置为1 Ω，该图显示总值的50%即RS1=RS2=RS3=0.5Ω 时对应数据，其中, 交流电流表I1、I2、I3测量定子三相电流，此时电流值为I1= I2=I3=186.23 A，泰克示波器黄色波形为定子A1相绕组电压，蓝色波形为转子A2相绕组电压，紫色横线为电磁转矩Te 的值，此时显示的值为-675 V，达到最大。

3 绕线式电动机转子串电阻理论

3.1 电动机转子不转，转子绕组开路

正常运行的电动机，转子总是旋转的，为了便于理解和分析，先从转子不转且转子绕组开路时分析。仿真电路如图4 所示，电机轴上仍然接转速为1 mrad/s 的恒速负载，按下C 键，开关S4、S5、S6断开，使转子绕组开路。此时的电机相当于一台副边绕组开路的三相变压器，其中, 定子绕组是原边绕组，转子绕组是副边绕组。由于定子绕组接在三相对称电源上，有三相对称电流流过，在气隙中合成旋转磁场，其主磁通为Φm，它以同步转速同时切割定、转子绕组，在定、转子每相绕组中分别感应出电动势和，电动势之比叫电压变比，用ke表示，ke=E1/E2=N1kdp1/N2kdp2。式中N1、N2分别为定、转子每相串联匝数，kdp1、kdp2分别为定、转子绕组系数。仿真测得的数据如下页图4 所示，电压表U1测量定子绕组线电压，读数为381.08 V，则定子一相电动势E1=220 V，电压表U2测量转子绕组线电压，读数为370.84 V，则转子一相电动势E2=214 V，所以ke=E1/E2=220/214=1.028。示波器上显示的是定子和转子一相的电压值，可以观察到两个通道波形几乎重叠，且读出通道2 波形有效值为214 V，与电压表显示的线电压值互相印证。

图4 转子绕组开路的仿真Fig.4 The simulation of the open circuit of rotor winding

3.2 电动机转子绕组短路时的折合

图5 转子堵转、转子绕组短路时的等效电路Fig.5 The Equivalent Circuit When the Locked Rotor or the short circuit of Rotor Winding Appears

3.3 转子回路串入三相对称电阻的机械特性

4 结论

本文分析了绕线式电动机转子串电阻起动的理论基础，当串接电阻取到某值时可使起动电流降低的同时起动转矩达到最大，从而改善起动性能，文中重点应用Multisim 软件仿真了转子串接不同电阻对应的起动电流和起动转矩，且经过理论推导得到了最佳匹配电阻，经过对比，可以看到仿真和理论推导都得到了相同的阻值时可以获得最大电磁转矩，验证了仿真方法的正确性。