交流电动机三角形-星形节能切换的动态过程仿真
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引言
定子绕组为三角形连接的交流电动机,负载率低于40%时可将三角形连接切换成星形连接,以实现节能运行[1]。三角形-星形节能切换(下文简称“Δ-Y切换”)具有结构简单、经济稳定等优点,既适合异步电动机也适合同步电动机,具有较高的性价比,因此在工程中得到广泛应用[2]。现有文献已对Δ-Y切换的硬件电路、控制算法、切换点计算、切换后运行效率等方面进行了研究[3-6],这些研究通常基于稳态分析,采用近似的公式进行计算。为了深入研究Δ-Y切换系统,需要了解切换的动态过程。本文在分析两种切换过程的基础上,利用MATLAB/simulink搭建交流电动机Δ-Y切换的仿真模型,通过仿真手段研究两种Δ-Y切换的动态过程,并对仿真结果进行对比分析。
1三角形-星形节能切换的过程
Δ-Y切换过程与星形-三角形启动(下文简称“星三角启动”)过程刚好相反,因此两者的硬件主电路是一样的,基于交流接触器的硬件主电路如图1所示[7],图中KM1是主接触器,KM2是三角形接触器,KM3是星形接触器,KM4是过渡接触器,R是过渡电阻。
众所周知,星三角启动有断电式、不断电式之分[8],相应地,Δ-Y切换也分为断电式、不断电式两种。断电式Δ-Y切换用到KM1、KM2、KM3三个接触器,切换过程分三个阶段:阶段一,KM1及KM2闭合,此阶段电动机是三角形运行,定子绕组接线如图2(a)所示;阶段二,当负载率低于40%时,KM2断开,此阶段电动机处于断电状态,持续50 ms左右,定子绕组接线如图2(b)所示;阶段三,KM3闭合,此阶段电动机是星形运行,定子绕组接线如图2(c)所示。
不断电式Δ-Y切换除了用到KM1~KM3,还用到KM4和R。切换过程分四个阶段:阶段一,与断电式Δ-Y切换的阶段一相同,定子绕组接线如图3(a)所示;阶段二,当负载率低于40%时,KM2断开,KM4闭合,此阶段电动机仍是三角形运行,持续25 ms左右,定子绕组接线如图3(b)所示,三个过渡电阻R分别与三个绕组串联;阶段三,KM3闭合,此阶段电动机变成星形运行,持续25 ms左右,定子绕组接线如图3(c)所示,三个过渡电阻R分别与三个绕组并联;阶段四,KM4断开,此阶段电动机仍是星形运行,定子绕组接线如图3(d)所示,三个过渡电阻R被短接,退出运行。
由上述分析可知,两种Δ—Y切换的区别是:断电式切换过程有50 ms左右的断电状态,而不断电式切换过程没有断电状态。
2三角形—星形节能切换的仿真模型
利用MATLAB R2021b软件搭建Δ—Y切换的仿真模型,如图4所示。主电路采用simulink专业库simscape Electrial子库里的模块,能更好地反映实际工况。图中voltage source模块是三相电网;R0模块是输电线路;K1~K5模块是受控开关;current sensor模块是电流传感器,检测三根电源线的电流;R1~R2模块是过渡电阻;R3模块是无穷大电阻;PHase Permute模块可以将三根电源线调换位置;Grounded Neutral模块是接地中性点;AsyncHronous MacHine squirrel cage模块是笼型异步电动机,端子~1是三个绕组的首端,端子~2是三个绕组的末端;ASM measurement模块用来测量电动机物理量的标么值,这里将电磁转矩、转子转速测量出来。
图4中controller模块是控制系统,采用Simulink标准库里的基础模块搭建,有五个控制信号S1~S5,用来控制K1~K5开关的动作,实现两种Δ—Y切换,控制信号及对应阶段如表1、表2所示。
3仿真结果分析
仿真模型中电动机参数:额定功率3 kw,三角形接法,额定电压380 V/50 Hz,额定电流6.9 A,转动惯量0.128 4 kg.m2,定子电阻1.85Ω,转子电阻2.658Ω,定子电感0.294 1 H,转子电感0.289 8 H,定转子互感0.283 8 H,磁极对数2。
仿真过程中,电动机额定运行,第3.5秒负载由额定值20 N.m下降到8 N.m,第3.6秒执行Δ—Y切换。两种Δ—Y切换的电源线电流iA、电磁转矩、转速的仿真结果如图5所示。
图5(a)和(b)是两种切换的电源线电流iA。由图5(a)可知,断电式切换过程中电流脉动范围是—7.8~7.5 A,脉动幅度为15.3 A;而由图5(b)可知,不断电式切换的电流脉动范围是—14.5~30.5 A,脉动幅度为45 A。
图5(c)和(d)是两种切换的电磁转矩标么值。由图5(c)可知,断电式切换的转矩脉动范围是—1.37~1.05,脉动幅度为2.42;而由图5(d)可知,不断电式切换的转矩脉动范围是—9.35~2.23,脉动幅度为11.58。
图5(e)和(f)是两种切换的转速标么值。由图5(e)可知,断电式切换的转速脉动范围是0.954~0.991 5,脉动幅度为0.037 5;而由图5(f)可知,不断电式切换的转速脉动范围是0.906~0.997 3,脉动幅度为0.091 3。
综上,与不断电式切换相比,断电式切换的线电流冲击幅度、转矩脉动幅度、转速脉动幅度分别降低了66%、79%和59%。
4结论
本文利用MATLAB/simulink对交流电动机两种Δ—Y切换的仿真做了深入研究’仿真结果表明’断电式切换比不断电式切换的性能更好’能有效抑制最大冲击电流’转矩与转速的脉动幅度更小。本文为交流电动机驱动系统的深入研究提供了有效模型和依据。