淺談三相異步電動機的啟動分析與保護

安科瑞 仲曉棟

摘 要：本文首先對三相異步電動機做瞭簡單的介紹，分析瞭三相異步電動機的工作原理和啟動過程，其次分析瞭三相異步電動機兩種啟動方式，直接啟動和Y-△（星型-三角形）降壓啟動，通過分析兩種啟動方式的控制電路來解釋兩種啟動方式的原理。後通過MATLAB軟件進行瞭仿真，直觀的觀測出三相異步電動機兩種啟動方式的電流、轉速以及轉矩的變化波形圖。

關鍵詞：三相異步電動機；直接啟動；降壓啟動

1研究背景

三相異步電動機是一種非常常見的感應電動機，它具有非常簡單的結構，而且價格比較合理，具有良好的經濟性，應用起來非常方便，而且維修比較方便，運行可靠。基於這些優點，據相關數據顯示，從剛開始發展至今，三相異步電動機得到瞭非常廣泛的應用，已經成為工業上應用多的電機類型。近幾年，隨著汽車產業朝著節能環保的方向發展，越來越多的電動汽車出現在我們的生活中，表現出瞭良好的發展前景。電動汽車的供電來自電源，電動機將電源提供的電能轉化為機械能驅動車輪行駛[1]，三相異步電動機由於其優良的特性，在電動汽車的使用上發揮著關鍵的作用。本文主要研究的是三相異步電動機的啟動特性。

2三相異步電動機的基本工作原理

三相異步電動機主要是由定子和轉子兩部分構成的。其中，定子主要有定子鐵心、定子三相繞組和機座構成，是三相異步電動機固定不動的部分；轉子包括轉子鐵心、轉子三相繞組和轉軸幾個部分，轉子是三相異步電動機進行轉動的部分。當三相異步電動機的定子繞組中，通入三相對稱的交流電的時候[2]，就會產生一個圓形的旋轉磁場，旋轉磁場會切割轉子導體，從而產生感應電動勢以及感應電流，這也就是“電生磁”和“磁生電”的過程。由於轉子導體已經產生瞭電流，因而會在磁場中受到電磁力的作用，形成電磁轉矩驅動電動機進行轉動[3]。三相異步電動機的啟動，也就是從三相異步電動機通入三相電，轉子開始進行轉動，一直到轉速達到額定轉速這一工作過程。

對於三相異步電動機的啟動有幾點要求：

①盡可能大的啟動轉矩。

②一定啟動轉矩下，盡可能小的啟動電流。

③操作方便。通常三相異步電動機的啟動方式常見的有直接啟動和降壓啟動，下文將不同啟動方式的特點進行分析。

3三相異步電動機的啟動方式分析

3.1直接啟動

直接啟動是三相異步電動機簡單方便的一種啟動方式，也就是通過電源開關將電動機直接接入電網的方式。直接啟動操作非常簡單，而且啟動的時間比較短，可以實現快速啟動，啟動過程比較可靠，而且不需要接入復雜的設備，因此滿足一定的經濟性。然而直接啟動也有其缺點，即啟動電流比較大。啟動電流過大，對電動機會產生一定的危害，比如使得繞組發熱，絕緣老化，影響電動機的使用壽命。通常，直接啟動通常用於容量比較小的電動機。通常7.5kW以下的電動機采用直接啟動的方式。直接啟動的電路圖如圖1所示。在圖1中，左半部分連著電動機的電路為主電路，右半部分為控制電路。本電路采用的是利用KM接觸器的自鎖控制。當電動機進行啟動的時候，按下電源開關QS，然後按下控制電路中的SB2按鈕，則控制電路中的接觸器KM線圈就會導通得電，那麼和SB2按鈕並聯的KM輔助觸點就會閉合，自鎖，主電路中的KM常開觸點就會閉合，三相異步電動機就會通電進行啟動。這就是直接啟動的控制過程。若想讓電動機停止轉動，隻需按下控制電路中的SB1按鈕，使M線圈斷電，同時主電路中的KM主觸點斷開，電動機斷電停止轉動。

3.2Y-△降壓啟動

降壓啟動也就是把三相異步電動機的輸入電壓降低到額定電壓以下進行啟動，目的就是使三相異步電動機的啟動電流得到降低。典型的降壓啟動有星三角啟動、串接電抗器啟動、自耦變壓器啟動等等。本文主要介紹的是Y-△降壓啟動。Y-△啟動方式也就是三相異步電動機剛開始啟動的時候，將定子三相繞組接成星型，等三相異步電動機達到一定的轉速之後，再將三相繞組接為三角形。這樣，便可以限制瞭啟動電流。圖2是時間繼電器控制的星三角降壓啟動的電路圖。圖2中，電路圖同樣是分為兩部分，其中左邊電動機的部分為主電路，右邊帶有接觸器線圈的電路為控制電路。當閉合電源開關QS時，接入三相交流電，按下按鈕SB1，此時KM接觸器線圈、控制星型連接的KMY接觸器線圈以及時間繼電器線圈得電，因而控制電路中的KMY輔助動斷觸點斷開，互鎖，控制電路中的KM輔助觸點也閉合，自鎖，主電路中的KM主觸點與KMY主觸點閉合。這個時候，主電路中的控制星型連接的KMY主觸點處於閉合狀態，而控制電動機三角形連接的KM△線圈沒有得電，所以主電路中控制電動機三角形連接的KM△主觸點仍然保持斷開狀態，此時，三相異步電動機進行星型啟動。

本電路圖中，采用時間繼電器去控制星型和三角形切換連接的時間。星型連接啟動之後，時間繼電器開始進行計時，假設時間為t秒，當計時結束之後，控制電路中的時間繼電器的動斷觸點斷開，動合觸點閉合。因此，與時間繼電器動斷觸點相連接的KMY線圈失電KMY控制電路中的動斷觸點閉合，主電路中的KMY動合觸點斷開。與此同時，與時間繼電器動合觸點相連接的KM△線圈得電，而控制電路中的KM△動合觸點閉合，主電路中，KM△主觸點得電閉合。此時，也就是星型啟動t秒之後，三相異步電動機切換成瞭三角形連接進行全壓啟動。

4直接啟動與星三角降壓啟動的仿真分析

為瞭更直觀的觀察到三相異步電動機啟動時候的各個參數的變化，本文采用MATLAB軟件中的simulink工具進行仿真。圖3為三相異步電動機兩種啟動方式的模型圖。為瞭方便兩種啟動方式的對比，將直接啟動和Y-△啟動搭建同一個模型，采用斷路器的通斷時間來控制星型和三角形的連接。本次仿真采用的電機參數為：額定電壓Pn=380V，額定頻率fn=50Hz，定子電阻Rs=0.435Ω，定子電感Ls=0.002H，轉子電阻Rr=0.816Ω，轉子電感Ls=0.002H，勵磁互感Lm=0.069H，轉動慣量J=0.018kg·m2，摩擦系數為0，極對數p=2。選擇異步電動機類型為鼠籠式squirrel-cage。在模型中，斷路器①控制著電動機的三角形連接，而斷路器②控制著電動機星型連接。當三相異步電動機直接啟動的時候，斷路器①設置為closed閉合狀態，斷路器②設置為open斷開狀態，動作時間為2秒，然後點擊右面輸出端示波器觀察波形；當三相異步電動機Y-△啟動的時候，斷路器①設置為open斷開狀態，斷路器②設置為closed閉合狀態，同樣點擊輸出端示波器觀察波形。圖4和圖5為所觀測的波形。通過三相異步電動機直接啟動和Y-△啟動定子電流的對比，我們可以看到Y-△啟動方式，通過降低啟動電壓，直接限制瞭啟動電流。除瞭定子電流，我們還可以從仿真模上觀察到轉子電流、啟動轉矩以及轉速，對後面幾個參數便不再具體闡述。

5安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型

5.1產品簡介

ARD該系列低壓電動機保護器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能。可與接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，具有遠程自動控制、現場直接控制、面板指示、信號報警、現場總線通信等功能。應用范圍：可廣泛應用於煤礦、石化、冶煉、電力、建築等行業的配電領域。

5.2產品選型

產品功能

說明：“√”表示具備“■”表示可選

6結語

本文主要介紹瞭三相異步電動機兩種不同的啟動方式，分析瞭兩種啟動方式的控制電路，並搭建瞭兩種啟動方式的模型。通過這兩種啟動方式的仿真模型，我們可以比較直觀的觀察到兩種啟動方式的各個參數。直接啟動速度比較快，然而啟動電流比較大，而Y-△降壓啟動電流很明顯的降低瞭，但啟動速度不如直接啟動。通常在實際應用中，我們應該更註意采用降壓啟動的方式，以降低啟動大電流對電網的沖擊，然而具體應該采用哪種啟動方式，應該具體問題具體分析，根據電機的容量等參數而定。

【參考文獻】

[1]薑雪菲,曾政霖.三相異步電動機的啟動分析[J].內燃機與配件，2021.12.029.

[2]李慶武，劉子林.電機與拖動基礎[M].武漢理工大學出版社，2009，5.

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.