嚴利芳，李墅娜，吳泱序

（中北大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院，太原 030051）

0 引言

三相異步電動機拖動系統在起動過程中要求有足夠大的起動轉矩Tst和較小的起動電流Ist，但實際情況是起動時，由于轉子轉速n=0，轉差率s=1，旋轉磁場切割轉子的相對速度最大，轉子電路的感應電動勢和感應電流最大，因此，定子電流即起動電流Ist也必然最大，其數值大約是額定電流的5 倍～7 倍［1］，同時因為s=1，轉子漏電抗最大，轉子電路的功率因數cosφ2很低，由電磁轉矩表達式T=KTΦmI2cos φ2可知，雖然起動電流很大，但起動轉矩Tst卻不大［1］。要改善起動性能，就需要減小起動電流并增大起動轉矩，鼠籠式電動機往往不能兩項指標同時滿足，繞線式電動機采用轉子繞組中串接適當電阻起動，既可減小起動電流，又可增大起動轉矩，在需要較大起動轉矩的場合（比如起重機）得到了廣泛的應用。然而要同時滿足以上兩項要求，串接電阻大小的確定在工程上是一個值得研究的問題。應用Multisim仿真，可以準確地確定轉子繞組串接多大電阻時，起動電流減小的同時起動轉矩達到最大，為工程設計提供參考。

1 繞線式電動機轉子串電阻起動

圖1 是繞線式異步電動機定子、轉子繞組的接線方式。定子、轉子都星形連結，定子繞組接在三相對稱電源上，轉子繞組的電阻用R2表示，其3 條引線分別接到3 個滑環(huán)上，用一套電刷裝置引出來，就可以把靜止的外接電阻RS串聯到轉子繞組回路里去，串接的電阻越大，起動電流越小，但起動轉矩是隨著電阻的變化非線性變化的，因此，要找到合適的阻值才能使起動轉矩達到最大。同時，串接電阻還能起到調速的作用，串接不同電阻對起動轉矩和轉速的影響如圖2 所示，轉速n 與電磁轉矩T 成非線性關系，隨著轉子串接電阻阻值的改變，轉速n與起動轉矩Tst都會發(fā)生變化，串接電阻取到一定值，可使起動轉矩達到最大。

圖1 繞線式異步電動機定子、轉子繞組的接線Fig.1 The wiring between stators of wound rotor asynchronous motor and rotor winding

圖2 R2 變化對起動轉矩的影響Fig.2 The effect of the variation of R2 on the starting torque

2 繞線式電動機轉子串電阻仿真

圖3 是繞線式電機轉子串接電阻起動的Multisim 仿真電路。V1是有效值為220 V，頻率為50 Hz的對稱三相電源，按下空格鍵，電源開關S1接通，按下B 鍵，起動按鈕S2閉合，電動機控制電路接通，交流接觸器線圈K1得電，輔助觸點K2閉合，起到自鎖作用，主觸點K3、K4、K5閉合，電動機起動運行。電動機參數設置如下：同步轉速為1 000 r/min，定子漏電感L1=1.4 mH，定子電阻R1=0.28 Ω，轉子漏電感L1=0.71mH，轉子電阻R2=0.2 Ω。定子繞組通入頻率f=50 Hz 的三相交流電，則定子漏阻抗Z1=R1+jX1=（0.28+j0.44）Ω，轉子漏阻抗Z2=R2+jX2=（0.2+j0.223）Ω。定子A1相繞組接到泰克示波器的通道1，轉子A2相繞組接到通道2，電磁轉矩Te 接到通道3，電磁轉矩以電壓形式表現。轉軸上連接恒速負載T1，為了方便得到電機起動時的電磁轉矩，設置恒速負載T1轉速為1 mrad/s，相當于使電機堵轉。按下C 鍵，使開關S4、S5、S6閉合，轉子三相繞組分別和串接的電阻RS1、RS2、RS3接通，改變電阻值得到不同的起動電流和起動轉矩。轉子串接不同電阻仿真后對應的起動電流和起動轉矩對比數據如表1 所示。

表1 轉子串接不同電阻對應的起動電流和起動轉矩Table 1 The relative starting current and starting torque while rotor winding in tandem connection with different resistance

圖3 轉子繞組串接0.5Ω 電阻的仿真結果Fig.3 The simulation results of rotor winding in tandem connection with 0.5Ω resistance

觀察表1 數據可知，隨著串接電阻Rs的增大，起動電流I1隨之減小，起動轉矩Te 先增大后減小，在RS=0.5 Ω 時達到最大，轉矩以電壓形式表現，此時電壓值為-675 V。仿真結果如圖3 所示，串接電阻總阻值設置為1 Ω，該圖顯示總值的50%即RS1=RS2=RS3=0.5Ω 時對應數據，其中, 交流電流表I1、I2、I3測量定子三相電流，此時電流值為I1= I2=I3=186.23 A，泰克示波器黃色波形為定子A1相繞組電壓，藍色波形為轉子A2相繞組電壓，紫色橫線為電磁轉矩Te 的值，此時顯示的值為-675 V，達到最大。

3 繞線式電動機轉子串電阻理論

3.1 電動機轉子不轉，轉子繞組開路

正常運行的電動機，轉子總是旋轉的，為了便于理解和分析，先從轉子不轉且轉子繞組開路時分析。仿真電路如圖4 所示，電機軸上仍然接轉速為1 mrad/s 的恒速負載，按下C 鍵，開關S4、S5、S6斷開，使轉子繞組開路。此時的電機相當于一臺副邊繞組開路的三相變壓器，其中, 定子繞組是原邊繞組，轉子繞組是副邊繞組。由于定子繞組接在三相對稱電源上，有三相對稱電流流過，在氣隙中合成旋轉磁場，其主磁通為Φm，它以同步轉速同時切割定、轉子繞組，在定、轉子每相繞組中分別感應出電動勢和，電動勢之比叫電壓變比，用ke表示，ke=E1/E2=N1kdp1/N2kdp2。式中N1、N2分別為定、轉子每相串聯匝數，kdp1、kdp2分別為定、轉子繞組系數。仿真測得的數據如下頁圖4 所示，電壓表U1測量定子繞組線電壓，讀數為381.08 V，則定子一相電動勢E1=220 V，電壓表U2測量轉子繞組線電壓，讀數為370.84 V，則轉子一相電動勢E2=214 V，所以ke=E1/E2=220/214=1.028。示波器上顯示的是定子和轉子一相的電壓值，可以觀察到兩個通道波形幾乎重疊，且讀出通道2 波形有效值為214 V，與電壓表顯示的線電壓值互相印證。

圖4 轉子繞組開路的仿真Fig.4 The simulation of the open circuit of rotor winding

3.2 電動機轉子繞組短路時的折合

圖5 轉子堵轉、轉子繞組短路時的等效電路Fig.5 The Equivalent Circuit When the Locked Rotor or the short circuit of Rotor Winding Appears

3.3 轉子回路串入三相對稱電阻的機械特性

4 結論

本文分析了繞線式電動機轉子串電阻起動的理論基礎，當串接電阻取到某值時可使起動電流降低的同時起動轉矩達到最大，從而改善起動性能，文中重點應用Multisim 軟件仿真了轉子串接不同電阻對應的起動電流和起動轉矩，且經過理論推導得到了最佳匹配電阻，經過對比，可以看到仿真和理論推導都得到了相同的阻值時可以獲得最大電磁轉矩，驗證了仿真方法的正確性。