交流電動(dòng)機(jī)三角形-星形節(jié)能切換的動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真

謝芳芳 鄒序武 張 萊

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

0 引言

定子繞組為三角形連接的交流電動(dòng)機(jī)，負(fù)載率低于40%時(shí)可將三角形連接切換成星形連接，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行[1]。三角形-星形節(jié)能切換（下文簡(jiǎn)稱“Δ-Y切換”）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，既適合異步電動(dòng)機(jī)也適合同步電動(dòng)機(jī)，具有較高的性價(jià)比，因此在工程中得到廣泛應(yīng)用[2]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已對(duì)Δ-Y切換的硬件電路、控制算法、切換點(diǎn)計(jì)算、切換后運(yùn)行效率等方面進(jìn)行了研究[3-6]，這些研究通?；诜€(wěn)態(tài)分析，采用近似的公式進(jìn)行計(jì)算。為了深入研究Δ-Y切換系統(tǒng)，需要了解切換的動(dòng)態(tài)過(guò)程。本文在分析兩種切換過(guò)程的基礎(chǔ)上，利用MATLAB/Simulink搭建交流電動(dòng)機(jī)Δ-Y切換的仿真模型，通過(guò)仿真手段研究?jī)煞NΔ-Y切換的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 三角形-星形節(jié)能切換的過(guò)程

Δ-Y切換過(guò)程與星形-三角形啟動(dòng)（下文簡(jiǎn)稱“星三角啟動(dòng)”）過(guò)程剛好相反，因此兩者的硬件主電路是一樣的，基于交流接觸器的硬件主電路如圖1所示[7]，圖中KM1是主接觸器，KM2是三角形接觸器，KM3是星形接觸器，KM4是過(guò)渡接觸器，R是過(guò)渡電阻。

圖1 Δ-Y切換的硬件主電路

眾所周知，星三角啟動(dòng)有斷電式、不斷電式之分[8]，相應(yīng)地，Δ-Y切換也分為斷電式、不斷電式兩種。斷電式Δ-Y切換用到KM1、KM2、KM3三個(gè)接觸器，切換過(guò)程分三個(gè)階段：階段一，KM1及KM2閉合，此階段電動(dòng)機(jī)是三角形運(yùn)行，定子繞組接線如圖2（a）所示；階段二，當(dāng)負(fù)載率低于40%時(shí)，KM2斷開(kāi)，此階段電動(dòng)機(jī)處于斷電狀態(tài)，持續(xù)50 ms左右，定子繞組接線如圖2（b）所示；階段三，KM3閉合，此階段電動(dòng)機(jī)是星形運(yùn)行，定子繞組接線如圖2（c）所示。

不斷電式Δ-Y切換除了用到KM1～KM3，還用到KM4和R。切換過(guò)程分四個(gè)階段：階段一，與斷電式Δ-Y切換的階段一相同，定子繞組接線如圖3（a）所示；階段二，當(dāng)負(fù)載率低于40%時(shí)，KM2斷開(kāi)，KM4閉合，此階段電動(dòng)機(jī)仍是三角形運(yùn)行，持續(xù)25 ms左右，定子繞組接線如圖3（b）所示，三個(gè)過(guò)渡電阻R分別與三個(gè)繞組串聯(lián)；階段三，KM3閉合，此階段電動(dòng)機(jī)變成星形運(yùn)行，持續(xù)25 ms左右，定子繞組接線如圖3（c）所示，三個(gè)過(guò)渡電阻R分別與三個(gè)繞組并聯(lián)；階段四，KM4斷開(kāi)，此階段電動(dòng)機(jī)仍是星形運(yùn)行，定子繞組接線如圖3（d）所示，三個(gè)過(guò)渡電阻R被短接，退出運(yùn)行。

圖3 不斷電式Δ-Y切換的定子繞組接線示意圖

由上述分析可知，兩種Δ-Y切換的區(qū)別是：斷電式切換過(guò)程有50 ms左右的斷電狀態(tài)，而不斷電式切換過(guò)程沒(méi)有斷電狀態(tài)。

2 三角形-星形節(jié)能切換的仿真模型

利用MATLAB R2021b軟件搭建Δ-Y切換的仿真模型，如圖4所示。主電路采用Simulink專業(yè)庫(kù)Simscape Electrial子庫(kù)里的模塊，能更好地反映實(shí)際工況。圖中Voltage Source模塊是三相電網(wǎng)；R0模塊是輸電線路；K1～K5模塊是受控開(kāi)關(guān)；Current Sensor模塊是電流傳感器，檢測(cè)三根電源線的電流；R1～R2模塊是過(guò)渡電阻；R3模塊是無(wú)窮大電阻；Phase Permute模塊可以將三根電源線調(diào)換位置；Grounded Neutral模塊是接地中性點(diǎn)；Asynchronous Machine Squirrel Cage模塊是籠型異步電動(dòng)機(jī)，端子～1是三個(gè)繞組的首端，端子～2是三個(gè)繞組的末端；ASM measurement模塊用來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)物理量的標(biāo)幺值，這里將電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)量出來(lái)。

圖4 Δ-Y切換的仿真模型

圖4中Controller模塊是控制系統(tǒng)，采用Simulink標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里的基礎(chǔ)模塊搭建，有五個(gè)控制信號(hào)S1～S5，用來(lái)控制K1～K5開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)兩種Δ-Y切換，控制信號(hào)及對(duì)應(yīng)階段如表1、表2所示。

表1 斷電式Δ-Y切換的控制信號(hào)及對(duì)應(yīng)階段

表2 不斷電式Δ-Y切換的控制信號(hào)及對(duì)應(yīng)階段

3 仿真結(jié)果分析

仿真模型中電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定功率3 kW，三角形接法，額定電壓380 V/50 Hz，額定電流6.9 A，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.1284 kg·m2，定子電阻1.85 Ω，轉(zhuǎn)子電阻2.658 Ω，定子電感0.2941 H，轉(zhuǎn)子電感0.2898 H，定轉(zhuǎn)子互感0.2838 H，磁極對(duì)數(shù)2。

仿真過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行，第3.5秒負(fù)載由額定值20 N·m下降到8 N·m，第3.6秒執(zhí)行Δ-Y切換。兩種Δ-Y切換的電源線電流iA、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種Δ-Y切換的仿真結(jié)果

圖5（a）和（b）是兩種切換的電源線電流iA。由圖5（a）可知，斷電式切換過(guò)程中電流脈動(dòng)范圍是-7.8～7.5 A，脈動(dòng)幅度為15.3 A；而由圖5（b）可知，不斷電式切換的電流脈動(dòng)范圍是-14.5～30.5 A，脈動(dòng)幅度為45 A。

圖5（c）和（d）是兩種切換的電磁轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值。由圖5（c）可知，斷電式切換的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)范圍是-1.37～1.05，脈動(dòng)幅度為2.42；而由圖5（d）可知，不斷電式切換的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)范圍是-9.35～2.23，脈動(dòng)幅度為11.58。

圖5（e）和（f）是兩種切換的轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值。由圖5（e）可知，斷電式切換的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)范圍是0.954～0.9915，脈動(dòng)幅度為0.0375；而由圖5（f）可知，不斷電式切換的轉(zhuǎn)速脈動(dòng)范圍是0.906～0.9973，脈動(dòng)幅度為0.0913。

綜上，與不斷電式切換相比，斷電式切換的線電流沖擊幅度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅度、轉(zhuǎn)速脈動(dòng)幅度分別降低了66%、79%和59%。

4 結(jié)論

本文利用MATLAB/Simulink對(duì)交流電動(dòng)機(jī)兩種Δ-Y切換的仿真做了深入研究，仿真結(jié)果表明，斷電式切換比不斷電式切換的性能更好，能有效抑制最大沖擊電流，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)幅度更小。本文為交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的深入研究提供了有效模型和依據(jù)。