三相异步电动机星三角起动磁密饱和分析

周　渊

(上海交通大学 自动化系, 上海　200240)



三相异步电动机星三角起动磁密饱和分析

周渊

(上海交通大学 自动化系, 上海200240)

摘要:通过起动试验发现星三角起动降低的电流和力矩倍数与理论值有较大的差距.分析了起动电流和起动力矩公式,可知在相同的环境条件下,漏抗的大小直接影响起动电流和起动力矩.利用有限元软件,分别对两种起动方式下的定转子磁密饱和情况进行了仿真,仿真结果表明:造成差距的原因是因为电机起动时定转子漏抗在星三角和全压下不同,而理论计算中假设漏抗不变.通过进一步分析发现星三角起动时起动电流和起动力矩具体降低多少取决于磁密的饱和程度.

关键词：起动电流; 起动力矩; 星三角起动; 全压起动; 磁密饱和

在实际应用中,大功率的三相异步电动机在额定电压相对较小的情况下,如果采用全压直接起动的方式,在起动的过程中往往会产生较大的起动电流,进而产生相当大的有功功率损耗.如果电机实际工况需要频繁起动,频繁出现的短时大电流会使电机内部温度超出温升限制,影响电机绝缘和寿命.较大的起动电流还会影响供电的电网或者变压器.如果变压器的额定容量相对电动机额定功率不够大,较大的短时起动电流会使变压器输出电压波动超过正常范围,电压的短时大幅下降直接导致电机起动转矩的下降,对于需要重型负载起动的情况,电机可能无法起动.[1]而且一个电网或一台变压器往往需要同时承担多台设备的供电,短时较大的起动电流产生的降压也会影响到其他电气设备的正常运行.

星三角起动方式可以限制较大的起动电流对电机本身和变压器供电质量的影响和冲击,同时因为星三角起动器价格便宜,操作简单,在国内外已得到广泛的应用,例如ABB公司,西门子公司,WEG公司均有使用.理论上星三角起动会使起动电流和起动力矩减少为全压起动的1/3.但在实际应用中,发现起动电流和起动力矩降低的倍数与理论上的1/3有较大的差距.本文选取一台4极800 kW 6 kV的三相异步电动机进行起动测试,并且通过有限元仿真,分析其中的原因.

1星三角起动

正常运行时定子绕组为三角形接法的鼠笼式异步电动机,如果在起动时将定子绕组接成星形,待起动完毕后(即接近额定转速时),再接成三角形,就可以降低起动电流,减轻对电网的冲击.星三角起动方式中,电动机三相绕组的首尾6个端子必须全部引出来,连接在电机的接线盒里,其接线图如图1所示.[2]

图1　星三角起动接线示意

当电动机开始起动时,开关K2向下合上,即定子按星型绕组连接,然后开关K1闭合接通电源,电机起动且转速上升.当转速接近额定转速时,开关K2从下边断开,迅速向上合上,定子按三角形绕组连接,电动机进入全压正常运行.由于切换时转速已经接近正常运行的转速,因此电机冲击电流很小.

在实际应用中,线路中还会加入断路器等保护设备,进一步提高系统的可靠性.

2起动测试和结果分析

选取一台4极800 kW 6 kV的三相异步电动机进行起动测试,分别在冷态下进行全压起动和星三角起动测试,并对试验数据加以分析.

首先,在冷态下进行全压起动测试,电动机绕组按三角形连接(以下简称“角接”),测试电机的起动电流和起动力矩.测试完毕后,等待电机完全冷却,再将绕组切换成星形连接(以下简称“星接”),再次测试起动电流和起动力矩.[3]电机冷态下全压起动和星三角起动时电流力矩曲线如图2和图3所示.其具体性能测试参数如表1所示.

图2　电机冷态下全压起动时电流力矩曲线

图3　电机冷态下星三角起动时电流力矩曲线

起动方式起动电流Is/A起动力矩Ts/Nm全压起动10458354星三角起动3092169

由表1可知,星三角起动下的起动电流和起动力矩相比于全压起动分别降低了3.38倍和3.85倍,与理论上的3倍显然存在差距,其公式为:

(1)

式中:U1——相电压;

R1——定子绕组相电阻;

X1——定子绕组相漏抗;

起动力矩公式为:

(2)

式中:m1——相数;

p——极对数;

f1——频率.

3有限元仿真

通过常规试验和短路试验,分别在冷态下(起动温度为33 ℃)测得绕组角接和星接下定转子电阻和漏抗,将转子方的参数折算到定子方并换算成每相参数,全压起动和星三角起动时定转子相电阻和相漏抗分别如表2和表3所示.[4-7]

表2　全压起动时定转子相电阻和相漏抗　Ω

表3　星三角起动时定转子相电阻和相漏抗　Ω

由图4和图5可知,全压起动时的定子和转子轭部颜色相对于星三角起动时更浅,比较图4和图5中左上角颜色深浅对应的磁密,可知全压起动时的定转子轭部磁密比星三角起动时更高.同样,定子齿口、定子齿底、转子齿口、转子齿底在全压起动时磁密都高于星三角起动时的磁密.

图4　全压起动时定转子磁密分布情况

表4　全压起动和星三角起动时定转子磁密大小T

4结语

在实际应用中,电机由于磁路设计的不同,定转子齿部和轭部的磁密饱和程度也不相同,直接影响星三角起动降低的起动电流和起动力矩倍数,所以采用星三角的起动方式需考虑不同的电机容量和负载性质.

参考文献：

[1]郑新才,陈刚.电机原理及其应用[M].北京:中国水利水电出版社,2008:188-189.

[2]李发海,王岩.电机与拖动基础[M].第3版.北京:清华大学出版社,2005:260-261.

[3]辜承林,陈乔夫,熊永前.电机学[M].武汉:华中科技大学出版社,2001:224-227.

[4]王建渊,安少亮,李洁,等.考虑主磁路饱和与铁损的异步电机模型[J].电工技术学报,2010,25(10):45-46.

[5]杜肖飞,郭农生,周元钧.异步电机磁路饱和仿真研究[J].微电机,2014,47(9):2-3.

[6]汤宁平,邱培基,吴汉光.考虑主磁路饱和时感应电机的综合矢量模型[J].电机与控制学报,2002,6(1):15-16.

[7]朱东起,许德伟,姜新建.磁场定向异步电机的磁饱和影响及转矩优化分析[J].清华大学学报:自然科学版,2001,41(9):1-2.

(编辑桂金星)

Analysis of Magnetic Flux Density Saturation on Star-delta Starting of Three-phase Induction Machine

ZHOU Yuan

(Department of Automation, Shanghai Jiaotong University, Shanghai200240, China)

Abstract:Three-phase induction machine of high power always uses Star-delta starting to reduce starting current.In theory,star-delta starting can reduce starting current and starting torque as low as Full-voltage starting.But testing shows that reduced multiple has a large gap between theory and practice.By starting test and finite-element analysis on three-phase induction machine of 4 poles 800 kW/6 kV,stator and rotor leakage reactance under full-voltage and star-delta are different in practice,which is constant in theoretical calculation.Detailed reduced multiple of starting current and starting torque are dependent on the degree of magnetic flux density saturation.

Key words:starting current; starting torque; star-delta starting; full-voltage starting; magnetic flux density saturation

中图分类号：TM343+.2

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0547-04

通讯作者简介：周渊(1987- ),男,在读硕士,江苏盐城人.主要研究方向为电机电气设计和控制.E-mail:zhouyuanweiwei@sina.com.

收稿日期：2015-06-15

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.010