鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)研究及仿真

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)研究及仿真摘要：以鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，描述了異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)分析了幾種不同的啟動(dòng)方法，就各種啟動(dòng)方法各自的特點(diǎn)和適用情況進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明。最后，在Matlab/Simulink仿真軟件中建立了鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的仿真模型，得出了仿真結(jié)果，并就仿真結(jié)果進(jìn)行了深入分析，所得到的結(jié)論與理論相吻合，這說(shuō)明了仿真模型的正確性，同時(shí)也為理論知識(shí)提供了感性而直觀(guān)的素材，對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方法的后續(xù)研究和探索來(lái)說(shuō)，具有十分重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞 ：鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)；啟動(dòng)方法；Matlab/Simulink

0引言

在日常生活和社會(huì)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)幾乎遍布各個(gè)方面，尤其是異步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槠湓谛阅芊矫媪己玫谋憩F(xiàn)而獲得了廣泛的應(yīng)用。異步電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)方式有很多種，按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的不同，異步電動(dòng)機(jī)可以分為繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)［1］和鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)［2］。相比繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和制造工藝上更為簡(jiǎn)單、成本更低、運(yùn)行維護(hù)更方便，所以被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。作為電力拖動(dòng)的原動(dòng)機(jī)，我們?nèi)粘＝佑|到的異步電動(dòng)機(jī)主要是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。

任何電動(dòng)機(jī)的使用都必須經(jīng)歷從靜止?fàn)顟B(tài)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的中間暫態(tài)過(guò)程，即啟動(dòng)過(guò)程［3］，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)然也是如此。作為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的一種動(dòng)力機(jī)械，其啟動(dòng)性能也是電動(dòng)機(jī)性能的重要衡量指標(biāo)，故對(duì)其啟動(dòng)過(guò)程有如下要求：其一，要具有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以確保異步電動(dòng)機(jī)可以正常啟動(dòng)；其二，要具有盡量小的啟動(dòng)電流，不至于對(duì)電動(dòng)機(jī)本身造成沖擊；其三，啟動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，以減小工作人員的執(zhí)行操作量及維護(hù)量；其四，啟動(dòng)過(guò)程中能量損失越小越好，這樣才能更好地利用異步電動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能。

本文以鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)描述，分析各種啟動(dòng)方式的應(yīng)用場(chǎng)合和不同特點(diǎn)，然后選取直接啟動(dòng)方式進(jìn)行重點(diǎn)研究，在Matlab/Simulink中搭建鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的仿真模型，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證直接啟動(dòng)方式下鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能及特點(diǎn)。

1鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)主要包括定子部分和轉(zhuǎn)子部分。定子部分是指固定不動(dòng)的部分，分為定子鐵芯和定子繞組，定子鐵芯屬于電機(jī)磁路的一部分，一般是由幾百微米厚、表面具有絕緣層的硅鋼片疊壓而成的，且在鐵芯的內(nèi)圓上沖有均勻分布的槽，用來(lái)嵌放定子繞組；定子繞組是電機(jī)電路的一部分，其是由3個(gè)在空間上互差120°電角度、結(jié)構(gòu)相同的繞組對(duì)稱(chēng)排列而成，當(dāng)在定子線(xiàn)圈中通入三相交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子是指鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，也分為兩部分：轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，由硅鋼片疊壓而成，硅鋼片的外圓開(kāi)有均勻分布的孔，用來(lái)安放轉(zhuǎn)子繞組；轉(zhuǎn)子繞組是由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個(gè)閉合的端環(huán)組成的，去掉繞組時(shí)就像一個(gè)鼠籠一樣，故稱(chēng)為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。小型的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，而100kW以上的電動(dòng)機(jī)則采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。

當(dāng)在鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中通入三相交流電后，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上的閉合導(dǎo)條切割磁感線(xiàn)，從而產(chǎn)生出電動(dòng)勢(shì)和電流，在磁場(chǎng)力的作用下轉(zhuǎn)子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這就是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。

2鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式有很多種，基本可以分為直接啟動(dòng)（又稱(chēng)全壓?jiǎn)?dòng)）和降壓?jiǎn)?dòng)。

直接啟動(dòng)可以保證電動(dòng)機(jī)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能夠拖動(dòng)負(fù)載正常啟動(dòng)，但由于啟動(dòng)時(shí)所接的三相電壓較大，啟動(dòng)瞬間電流也會(huì)變得很大，這樣對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的定子線(xiàn)圈和轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈都會(huì)產(chǎn)生比較大的沖擊力。

降壓?jiǎn)?dòng)是指配備限制電機(jī)啟動(dòng)電流的設(shè)備達(dá)到降低啟動(dòng)電壓，從而降低啟動(dòng)電流的效果，常用的降壓?jiǎn)?dòng)方式有：定子串接電抗器或電阻啟動(dòng)［4］、Y-△降壓?jiǎn)?dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)［5］和延邊三角形降壓?jiǎn)?dòng)。定子串接電抗器或電阻啟動(dòng)是指在定子繞組中串入電抗器或電阻，降低啟動(dòng)電流和電壓，但同時(shí)也大大降低了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以定子串電抗器或電阻啟動(dòng)只適用于電動(dòng)機(jī)輕載啟動(dòng)，在負(fù)載較大的情況下可能會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)失?。籝-△降壓?jiǎn)?dòng)是指在異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，定子繞組三相接線(xiàn)采用Y型連接，當(dāng)啟動(dòng)結(jié)束后，定子繞組接線(xiàn)方式改變，此時(shí)采用△型接線(xiàn)，從中可以發(fā)現(xiàn)，這種啟動(dòng)方式只適用于正常運(yùn)行情況下定子繞組接線(xiàn)為△型接線(xiàn)的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，此外，該啟動(dòng)方法也是只適用于電動(dòng)機(jī)的輕載啟動(dòng)；自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)也存在同樣的問(wèn)題，那就是在降壓的同時(shí)會(huì)使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降得更快，從而難以實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)，此外，自耦變壓器自身不允許頻繁啟動(dòng)，這在很大程度上也限制了其廣泛使用；采用延邊三角形方式啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)存在結(jié)構(gòu)難以改變，使用不夠靈活的弊端，所以應(yīng)用范圍也受到了限制，不是十分廣泛。

在以上各種啟動(dòng)方法中，直接啟動(dòng)方式產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但啟動(dòng)電流也大，降壓?jiǎn)?dòng)方法在降低啟動(dòng)電流方面有著較好的表現(xiàn)，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很難滿(mǎn)足負(fù)載需要，所以都只能用在輕載啟動(dòng)的情況下，兩種方法各有利弊，在實(shí)際使用中具體選用何種啟動(dòng)方法，需要視情況而定。

本文以直接啟動(dòng)方式為研究對(duì)象，通過(guò)建立仿真模型，研究啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩在啟動(dòng)過(guò)程中的變化情況，以檢驗(yàn)理論分析的正確性。

3鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真分析

本文以鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng)方法為研究對(duì)象，在Matlab/Simulink中搭建其仿真模型，分析仿真結(jié)果得出結(jié)論。其中，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的仿真參數(shù)如下：定子額定功率Pn=10kW、定子額定電壓Un=380V（△連接）、定子每相電阻r1=1.33Ω、定子每相漏抗x1=2.45Ω、轉(zhuǎn)子每相電阻折算值r′2=1.12Ω、轉(zhuǎn)子每相漏抗折算值x′2=4.4Ω、勵(lì)磁電阻rm=7Ω忽略、勵(lì)磁漏抗xm=90Ω、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0747kg·m2、摩擦系數(shù)F=0、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為30N·m。

仿真圖形中，三相交流電經(jīng)過(guò)三相電壓電流測(cè)量器連接到三相斷路器的左端，其右端接鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子繞組，啟動(dòng)瞬間將斷路器接通，電動(dòng)機(jī)采用直接啟動(dòng)的方式，測(cè)量轉(zhuǎn)子A相電流、定子A相電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩這4個(gè)相關(guān)變量，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1自上而下4幅圖分別為轉(zhuǎn)子A相電流、定子A相電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果。由圖可知，在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子A相電流和定子A相電流波動(dòng)都較大，這說(shuō)明了直接啟動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組的沖擊都很大，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組為鼠籠型兩端閉合繞組，沒(méi)有電流流通，所以轉(zhuǎn)子電流減小為0，但定子繞組中仍然存在波動(dòng)的小幅電流；在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升緩慢，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱加劇，同時(shí)震動(dòng)會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成機(jī)械損壞，縮短電動(dòng)機(jī)壽命；而且，啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩一直都比較大，完全可以滿(mǎn)足負(fù)載轉(zhuǎn)矩的需要。

4結(jié)語(yǔ)

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)是異步電動(dòng)機(jī)中受到廣泛歡迎的一種類(lèi)型，其在日常生活和各種工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中也是十分常見(jiàn)的。在實(shí)際使用過(guò)程中，啟動(dòng)性能的優(yōu)良與否十分重要，這在很大程度上決定了使用者對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的選擇。如果一個(gè)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能很好的話(huà)，就可以實(shí)現(xiàn)平滑穩(wěn)定地拖動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)，既可以很好地保護(hù)自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的完好性，又不會(huì)對(duì)所拖動(dòng)的負(fù)載造成任何的破壞，同時(shí)還減少了由于震動(dòng)所產(chǎn)生的能量損失，有助于能量的高效利用。正是因?yàn)槿绱耍瑢?duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方法的研究從來(lái)不曾間斷。

文中提到的兩類(lèi)啟動(dòng)方式各自都有利弊。在采用直接啟動(dòng)方式時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大，但同時(shí)啟動(dòng)電流也比較大，從第三部分的仿真結(jié)果中可以驗(yàn)證其啟動(dòng)性能；在采用降壓?jiǎn)?dòng)方法時(shí)，啟動(dòng)電流有所降低，但是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的下降幅度更大，同時(shí)，這些降壓?jiǎn)?dòng)方法也都不是平滑調(diào)節(jié)，所以在啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，會(huì)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)造成多次沖擊。

為了改善傳統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中存在的這些不足之處，隨著電力電子技術(shù)的興起和電力電子器件性能的不斷提升，有學(xué)者提出了軟啟動(dòng)的概念，所謂軟啟動(dòng)就是利用電力電子裝置集成多種功能，限制啟動(dòng)電流大小，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。無(wú)論如何，直接啟動(dòng)都是最簡(jiǎn)單最直接的啟動(dòng)方式，在某些場(chǎng)合仍然發(fā)揮著非常重要的作用。所以，本文通過(guò)對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式分析和比較，明確了各種啟動(dòng)方法的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)建立模型進(jìn)行仿真，從仿真結(jié)果直觀(guān)地展現(xiàn)了直接啟動(dòng)過(guò)程中各種參量的變化趨勢(shì)，這與理論分析相吻合，也為后續(xù)的啟動(dòng)方法研究提供了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

［

參考文獻(xiàn)］

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