交流電動機三角形-星形節(jié)能切換的動態(tài)過程仿真

引言

定子繞組為三角形連接的交流電動機，負載率低于40%時可將三角形連接切換成星形連接，以實現節(jié)能運行[1]。三角形-星形節(jié)能切換（下文簡稱“Δ-Y切換”）具有結構簡單、經濟穩(wěn)定等優(yōu)點，既適合異步電動機也適合同步電動機，具有較高的性價比，因此在工程中得到廣泛應用[2]?，F有文獻已對Δ-Y切換的硬件電路、控制算法、切換點計算、切換后運行效率等方面進行了研究[3-6]，這些研究通?；诜€(wěn)態(tài)分析，采用近似的公式進行計算。為了深入研究Δ-Y切換系統(tǒng)，需要了解切換的動態(tài)過程。本文在分析兩種切換過程的基礎上，利用MATLAB/simulink搭建交流電動機Δ-Y切換的仿真模型，通過仿真手段研究兩種Δ-Y切換的動態(tài)過程，并對仿真結果進行對比分析。

1三角形-星形節(jié)能切換的過程

Δ-Y切換過程與星形-三角形啟動（下文簡稱“星三角啟動”）過程剛好相反，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是過渡接觸器，R是過渡電阻。

眾所周知，星三角啟動有斷電式、不斷電式之分[8]，相應地，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、KM3三個接觸器，切換過程分三個階段：階段一，KM1及KM2閉合，此階段電動機是三角形運行，定子繞組接線如圖2（a）所示；階段二，當負載率低于40%時，KM2斷開，此階段電動機處于斷電狀態(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，此階段電動機是星形運行，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。切換過程分四個階段：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，當負載率低于40%時，KM2斷開，KM4閉合，此階段電動機仍是三角形運行，持續(xù)25 ms左右，定子繞組接線如圖3（b）所示，三個過渡電阻R分別與三個繞組串聯(lián)；階段三，KM3閉合，此階段電動機變成星形運行，持續(xù)25 ms左右，定子繞組接線如圖3（c）所示，三個過渡電阻R分別與三個繞組并聯(lián)；階段四，KM4斷開，此階段電動機仍是星形運行，定子繞組接線如圖3（d）所示，三個過渡電阻R被短接，退出運行。

由上述分析可知，兩種Δ—Y切換的區(qū)別是：斷電式切換過程有50 ms左右的斷電狀態(tài)，而不斷電式切換過程沒有斷電狀態(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simscape Electrial子庫里的模塊，能更好地反映實際工況。圖中voltage source模塊是三相電網；R0模塊是輸電線路；K1~K5模塊是受控開關；current sensor模塊是電流傳感器，檢測三根電源線的電流；R1~R2模塊是過渡電阻；R3模塊是無窮大電阻；PHase Permute模塊可以將三根電源線調換位置；Grounded Neutral模塊是接地中性點；AsyncHronous MacHine squirrel cage模塊是籠型異步電動機，端子~1是三個繞組的首端，端子~2是三個繞組的末端；ASM measurement模塊用來測量電動機物理量的標么值，這里將電磁轉矩、轉子轉速測量出來。

圖4中controller模塊是控制系統(tǒng)，采用Simulink標準庫里的基礎模塊搭建，有五個控制信號S1~S5，用來控制K1~K5開關的動作，實現兩種Δ—Y切換，控制信號及對應階段如表1、表2所示。

3仿真結果分析

仿真模型中電動機參數：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，轉動慣量0.128 4 kg.m2，定子電阻1.85Ω,轉子電阻2.658Ω,定子電感0.294 1 H，轉子電感0.289 8 H，定轉子互感0.283 8 H，磁極對數2。

仿真過程中，電動機額定運行，第3.5秒負載由額定值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、電磁轉矩、轉速的仿真結果如圖5所示。

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

圖5（c）和（d）是兩種切換的電磁轉矩標么值。由圖5（c）可知，斷電式切換的轉矩脈動范圍是—1.37~1.05，脈動幅度為2.42；而由圖5（d）可知，不斷電式切換的轉矩脈動范圍是—9.35~2.23，脈動幅度為11.58。

圖5（e）和（f）是兩種切換的轉速標么值。由圖5（e）可知，斷電式切換的轉速脈動范圍是0.954~0.991 5，脈動幅度為0.037 5；而由圖5（f）可知，不斷電式切換的轉速脈動范圍是0.906~0.997 3，脈動幅度為0.091 3。

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

4結論

本文利用MATLAB/simulink對交流電動機兩種Δ—Y切換的仿真做了深入研究’仿真結果表明’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’轉矩與轉速的脈動幅度更小。本文為交流電動機驅動系統(tǒng)的深入研究提供了有效模型和依據。