三相异步电动机的启动分析与保护

摘  要：本文首先对三相异步电动机做了简单的介绍，分析了三相异步电动机的工作原理和启动过程，其次分析了三相异步电动机两种启动方式，直接启动和Y-△（星型-三角形）降压启动，通过分析两种启动方式的控制电路来解释两种启动方式的原理。后通过MATLAB软件进行了仿真，直观的观测出三相异步电动机两种启动方式的电流、转速以及转矩的变化波形图。

关键词：三相异步电动机；直接启动；降压启动

      三相异步电动机是一种非常常见的感应电动机，它具有非常简单的结构，而且价格比较合理，具有良好的经济性，应用起来非常方便，而且维修比较方便，运行可靠。基于这些优点，据相关数据显示，从刚开始发展至今，三相异步电动机得到了非常广泛的应用，已经成为工业上应用多的电机类型。近几年，随着汽车产业朝着节能环保的方向发展，越来越多的电动汽车出现在我们的生活中，表现出了良好的发展前景。电动汽车的供电来自电源，电动机将电源提供的电能转化为机械能驱动车轮行驶[1]，三相异步电动机由于其优良的特性，在电动汽车的使用上发挥着关键的作用。本文主要研究的是三相异步电动机的启动特性。

      三相异步电动机主要是由定子和转子两部分构成的。其中，定子主要有定子铁心、定子三相绕组和机座构成，是三相异步电动机固定不动的部分；转子包括转子铁心、转子三相绕组和转轴几个部分，转子是三相异步电动机进行转动的部分。当三相异步电动机的定子绕组中，通入三相对称的交流电的时候[2]，就会产生一个圆形的旋转磁场，旋转磁场会切割转子导体，从而产生感应电动势以及感应电流，这也就是“电生磁"和“磁生电"的过程。由于转子导体已经产生了电流，因而会在磁场中受到电磁力的作用，形成电磁转矩驱动电动机进行转动[3]。三相异步电动机的启动，也就是从三相异步电动机通入三相电，转子开始进行转动，一直到转速达到额定转速这一工作过程。

      对于三相异步电动机的启动有几点要求：

      ①尽可能大的启动转矩。

      ②一定启动转矩下，尽可能小的启动电流。

      ③操作方便。通常三相异步电动机的启动方式常见的有直接启动和降压启动，下文将不同启动方式的特点进行分析。

3.1直接启动

      直接启动是三相异步电动机简单方便的一种启动方式，也就是通过电源开关将电动机直接接入电网的方式。直接启动操作非常简单，而且启动的时间比较短，可以实现快速启动，启动过程比较可靠，而且不需要接入复杂的设备，因此满足一定的经济性。然而直接启动也有其缺点，即启动电流比较大。启动电流过大，对电动机会产生一定的危害，比如使得绕组发热，绝缘老化，影响电动机的使用寿命。通常，直接启动通常用于容量比较小的电动机。通常7.5kW以下的电动机采用直接启动的方式。直接启动的电路图如图1所示。在图1中，左半部分连着电动机的电路为主电路，右半部分为控制电路。本电路采用的是利用KM接触器的自锁控制。当电动机进行启动的时候，按下电源开关QS，然后按下控制电路中的SB2按钮，则控制电路中的接触器KM线圈就会导通得电，那么和SB2按钮并联的KM辅助触点就会闭合，自锁，主电路中的KM常开触点就会闭合，三相异步电动机就会通电进行启动。这就是直接启动的控制过程。若想让电动机停止转动，只需按下控制电路中的SB1按钮，使M线圈断电，同时主电路中的KM主触点断开，电动机断电停止转动。

3.2Y-△降压启动

      降压启动也就是把三相异步电动机的输入电压降低到额定电压以下进行启动，目的就是使三相异步电动机的启动电流得到降低。典型的降压启动有星三角启动、串接电抗器启动、自耦变压器启动等等。本文主要介绍的是Y-△降压启动。Y-△启动方式也就是三相异步电动机刚开始启动的时候，将定子三相绕组接成星型，等三相异步电动机达到一定的转速之后，再将三相绕组接为三角形。这样，便可以限制了启动电流。图2是时间继电器控制的星三角降压启动的电路图。图2中，电路图同样是分为两部分，其中左边电动机的部分为主电路，右边带有接触器线圈的电路为控制电路。当闭合电源开关QS时，接入三相交流电，按下按钮SB1，此时KM接触器线圈、控制星型连接的KMY接触器线圈以及时间继电器线圈得电，因而控制电路中的KMY辅助动断触点断开，互锁，控制电路中的KM辅助触点也闭合，自锁，主电路中的KM主触点与KMY主触点闭合。这个时候，主电路中的控制星型连接的KMY主触点处于闭合状态，而控制电动机三角形连接的KM△线圈没有得电，所以主电路中控制电动机三角形连接的KM△主触点仍然保持断开状态，此时，三相异步电动机进行星型启动。

      本电路图中，采用时间继电器去控制星型和三角形切换连接的时间。星型连接启动之后，时间继电器开始进行计时，假设时间为t秒，当计时结束之后，控制电路中的时间继电器的动断触点断开，动合触点闭合。因此，与时间继电器动断触点相连接的KMY线圈失电KMY控制电路中的动断触点闭合，主电路中的KMY动合触点断开。与此同时，与时间继电器动合触点相连接的KM△线圈得电，而控制电路中的KM△动合触点闭合，主电路中，KM△主触点得电闭合。此时，也就是星型启动t秒之后，三相异步电动机切换成了三角形连接进行全压启动。

      为了更直观的观察到三相异步电动机启动时候的各个参数的变化，本文采用MATLAB软件中的simulink工具进行仿真。图3为三相异步电动机两种启动方式的模型图。为了方便两种启动方式的对比，将直接启动和Y-△启动搭建同一个模型，采用断路器的通断时间来控制星型和三角形的连接。本次仿真采用的电机参数为：额定电压Pn=380V，额定频率fn=50Hz，定子电阻Rs=0.435Ω，定子电感Ls=0.002H，转子电阻Rr=0.816Ω，转子电感Ls=0.002H，励磁互感Lm=0.069H，转动惯量J=0.018kg·m2，摩擦系数为0，极对数p=2。选择异步电动机类型为鼠笼式squirrel-cage。在模型中，断路器①控制着电动机的三角形连接，而断路器②控制着电动机星型连接。当三相异步电动机直接启动的时候，断路器①设置为closed闭合状态，断路器②设置为open断开状态，动作时间为2秒，然后点击右面输出端示波器观察波形；当三相异步电动机Y-△启动的时候，断路器①设置为open断开状态，断路器②设置为closed闭合状态，同样点击输出端示波器观察波形。图4和图5为所观测的波形。通过三相异步电动机直接启动和Y-△启动定子电流的对比，我们可以看到Y-△启动方式，通过降低启动电压，直接限制了启动电流。除了定子电流，我们还可以从仿真模上观察到转子电流、启动转矩以及转速，对后面几个参数便不再具体阐述。

 

5.1产品简介

      ARD该系列低压电动机保护器，具有过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转等保护功能。可与接触器、电动机起动器等电器元件构成电动机控制保护单元，具有远程自动控制、现场直接控制、面板指示、信号报警、现场总线通信等功能。应用范围：可广泛应用于煤矿、石化、冶炼、电力、建筑等行业的配电领域。

5.2产品选型

      产品功能

说明：“√"表示具备“■"表示可选

      本文主要介绍了三相异步电动机两种不同的启动方式，分析了两种启动方式的控制电路，并搭建了两种启动方式的模型。通过这两种启动方式的仿真模型，我们可以比较直观的观察到两种启动方式的各个参数。直接启动速度比较快，然而启动电流比较大，而Y-△降压启动电流很明显的降低了，但启动速度不如直接启动。通常在实际应用中，我们应该更注意采用降压启动的方式，以降低启动大电流对电网的冲击，然而具体应该采用哪种启动方式，应该具体问题具体分析，根据电机的容量等参数而定。

[1]姜雪菲,曾政霖.三相异步电动机的启动分析[J].内燃机与配件，2021.12.029.

[2]李庆武，刘子林.电机与拖动基础[M].武汉理工大学出版社，2009，5.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.