基于 Matlab 的笼形异步电动机降压启动分析

CHEN Binye

Abstract — The instantaneous high current and starting torque of three-phase asynchronous motor during full voltage start-up will cause great impact on the load. The purpose of Buck start is to reduce the current and torque at startup. In this paper, the full-voltage start-up and step-down start-up system of motor is simulated and analyzed by using MATLAB software. The influence of series resistance in step-down start of stator series resistance on step-down start current, speed and other parameters is analyzed.

Index Terms — software simulation, buck start, Simulink module, asynchronous motor.

1 引言

Matlab 是一种高性能的数值计算机和可视化功能的软件。可以利用 Matlab 中 Simulink 可视化仿真工具将电机控制与模块连接起来，形成复杂的系统模型，并进行模拟和分析[1]。本文将结合Matlab/Simulink 对电机几种降压启动进行建模和模拟分析，同时为电气控制的教学研究提供新的思路。

2 笼异步电机降压启动理论分析

电机启动是指电机从静态状态加速到稳定运行状态的过程。启动模式包括直接启动（即全压启动）和降压启动[2]。

全压启动是启动模式中最简单的启动模式。当电路全压启动时，电机定子绕组在启动时会产生大电流，通常是电机的额定电流 5～7 倍。

但电机启动电流倍数 K，符合公式(1)。

(1)

式中，ISt 电机的启动电流，IN 电机的额定电流，SN 总电源容量(单位) kVA)，PN 电机的额定功率，K 电机启动电流倍数。

由于 K 该系数与电机的额定功率成反比。如果电机功率过大，则无法满足此条件。因此，需要降压启动大功率电机。

降压启动的目的是限制启动电流，在启动电机时降低定子绕组两端的电压，然后恢复定子绕组上的额定电压，使电机能够正常运行。降压启动包括串电阻（电感）降压启动、自耦合变压器降压启动、Y-△各种形式，如降压启动。

(1)启动定子串电阻(电抗)降压。定子串电阻(电抗)降压启动控制电路是通过在定子侧串联电阻或电抗来降低电机端电压，从而降低电流。主电路由 2 交流接触器 KM 控制，启动时，KM1 主触头关闭；启动后，KM2 主触头闭合，串联电阻(电抗)短， KM1 断开主触开，电机以额定电压正常运行。

假设电路中的降压系数为公式(2)，定子串电阻降压启动电流主要与串联电阻(电抗)有关。

K = U2 / Ule (2)

其中，U2 定子绕组降压后的电压，Ule 额定电压为电机。

根据电流与电压成正比的特性，我们可以推导出降压后的启动电流 IQ 全压启动时的启动电流 IQE 关系类型(3)。

IQ = K ×IQE(3)

由于启动转矩 M 与电压的平方成正比，可以推导出降压时的启动转矩 MQ 全压启动时扭矩 MQE 关系类型(4)。

MQ = K2× MQE(4)

由此可知，当采用串接电阻(电抗)降压启动时，电机的启动电流是以 K 倍数降低，转矩降低 K 平方倍数降低。

(2)自耦变压器降压启动。自耦变压器降压启动的控制是利用变压器的电压变换来降低电动机的启动电压。自耦变压器用于自耦变压器的一次绕组电源和二次绕组电机 KM 在电路中控制电压器的通断。假设自耦变压器的一次侧电压 Ule，电流为 Ile，二次侧电压为 U2，电流为 IQ，变压比为K，且 K ≤ 15)可根据变压器的特性得出。

Ile = K2 IQE MQ = K2 MQE

由此可见，自耦降压的启动电流和转矩都是以 K 平方倍数降低。

图 1 是利用 Matlab 该工具在假设两个降压启动系数时，绘制了定子串接电阻降压启动和变压器降压启动的启动电流 K 同时的情况(即两种降压启动在电网中获得相同的扭矩)，降压启动电流。I1 表示串联电阻(电抗)下的启动电流，I2 表示自耦变压器降压启动时的启动电流。曲线图显示，如果在电动机获得的启动转矩相同，并且 K 当系数较小时，自耦变压器的降压启动远小于串联电阻（电抗），这也是自耦变压器降压启动的优点。

Y-△ 降压启动是指电机启动时定子绕组采用星形连接，正常运行时仍采用三角形连接，也是一种常见的降压启动方式。根据三相电源，当负载星形连接与三角形连接时，可以推断相电压与线电压、相电流与线电流的比例关系。当星形连接时，启动电流是全压启动电流的1/3倍，大大降低了启动点流，将启动转矩转化为全压启动时的转矩 1/3 倍。

3 Matlab/Simulink 环境下笼形异步电动机降压启动的仿真

Simulink 图形仿真建模可根据电气控制原理图直接进行。本次仿真采用 Matlab R2014a绘制版本，直接使用 Simulink 中电力系统 Simpower System 模块用于绘制和模拟原理图。电源模块用于模拟模型(AC voltage source)作为定子电源，三相断路器模块(Three-Phase Breaker)、交流电动机模块(Asynchronous Machine SI Units)，总线选择器模块(Bus Selector)等组成。电机的主要参数设置为 PN =11 kW，UN= 380 V，Fn = 50 Hz，定子电阻 RS = 1.115 Ω；定子电感 L1S = 0.000594 H，转子绕组电阻 Rr = 1.083 Ω，转子电感 Lr = 0.0005974 H，磁极对数 P = 二、通过示波器测量 A 相电流、转速和电磁转矩曲线。

(1)全压启动模拟。全压启动系统模拟模型如图所示 2 通过示波器观察到所示 A 如图所示 3 所示。当全压启动时，启动电流达到。 100 A，超过启动转矩 100 N?m。

(2)电机变压器降压启动模拟。根据变压器降压启动原理图，可绘制变压器降压电路模拟模型，如图所示 4 变压器参数设置为 380:220 V 变压器。模拟变压器降压启动电路后，模拟启动电流、启动时间和启动的模拟波形如图所示 5 所示。

从模拟曲线可以看出，变压器降压启动后，启动电流和启动扭矩减小。因此，变压器降压电路可以通过改变变压比来改变启动电流和扭矩，应用范围也非常广泛。

(3)启动定子串电阻降压。根据定子串电阻降压理论分析，串联电阻可以降低启动电流。因此，根据定子串电阻降压原理图，我们得到了交流电机定子串电阻系统的模拟模型，如图所示 6 所示。

在模拟模型中增加了三相 RLC 将其模块参数设置为负载 R， 为了进一步分析定子串接电阻对启动电流、启动时间和启动扭矩的影响，串接电阻 1Ω～7 Ω电路仿真模型如图所示 7 所示。

我们可以从模拟曲线中得出结论：① 在定子上串联电阻后，启动电流和启动转矩减小，启动时间延长。② 起动电流和起动转矩的变化与串联电阻成反比。串定子串接电阻从 1Ω增加到 7Ω启动时间从 0.1 s 左右增加到 1 s 以上，启动电流是从 60 A 降低至 20 A 左右，启动转矩是从 90 N?m 降低至 10 N?m。虽然串联电阻可以降低启动电流，但当串联电阻达到一定值时，联电阻达到一定值时，电机的启动也会出现故障，因此启动电阻对电机也有一定的值范围。

4 结语

本文通过 Matlab 该软件建立了电机全压启动和几种降压启动模式的模拟模型，并进行了模拟分析。模拟分析结果接近实际情况。定子串电阻降压和变压器降压启动可降低启动电流。软件仿真结果直观方便[3、4]，也可用于电机教学过程中的建模仿真教学，弥补了实验设备的缺陷，为电机课堂教学改革提供了新的思路。

参考文献

[1] 吴平辉，倪小芳.Matlab应用于电磁学教学[J].2012年25日(02)计算机开发与应用:47-48.

[2] 孙景芝.建筑设备电气控制工程[M].北京：2010年电子工业出版社.

[3] 廖育梅.基于Matlab鼠笼异步电机自耦降压启动设计[J].2014(22)山东工业技术:168.

[4] 周渊深.基于MATLAB电气控制系统图形化仿真技术[M].北京:2017年中国电力出版社.

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