交流電動機三角形-星形節能切換的動態過程仿真

謝芳芳 鄒序武 張 萊

（湖南工業職業技術學院電氣工程學院，湖南 長沙 410208）

0 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，以實現節能運行[1]。三角形-星形節能切換（下文簡稱“Δ-Y切換”）具有結構簡單、經濟穩定等優點，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]。現有文獻已對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]，這些研究通常基于穩態分析，采用近似的公式進行計算。為了深入研究Δ-Y切換系統，需要了解切換的動態過程。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切換的動態過程，并對仿真結果進行對比分析。

1 三角形-星形節能切換的過程

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。

圖1 Δ-Y切換的硬件主電路

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，持續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；階段三，KM3閉合，此階段電動機變成星形運行，持續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；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。

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切換的區別是：斷電式切換過程有50 ms左右的斷電狀態，而不斷電式切換過程沒有斷電狀態。

2 三角形-星形節能切換的仿真模型

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幺值，這里將電磁轉矩、轉子轉速測量出來。

圖4 Δ-Y切換的仿真模型

圖4中Controller模塊是控制系統，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。

表1 斷電式Δ-Y切換的控制信號及對應階段

表2 不斷電式Δ-Y切換的控制信號及對應階段

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0.1284 kg·m2，定子電阻1.85 Ω，轉子電阻2.658 Ω，定子電感0.2941 H，轉子電感0.2898 H，定轉子互感0.2838 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 兩種Δ-Y切換的仿真結果

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幺值。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幺值。由圖5（e）可知，斷電式切換的轉速脈動范圍是0.954～0.9915，脈動幅度為0.0375；而由圖5（f）可知，不斷電式切換的轉速脈動范圍是0.906～0.9973，脈動幅度為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的深入研究提供了有效模型和依據。