交流电动机三角形-星形节能切换的动态过程仿真.pdf

图1驻-Y切换的硬件主电路0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“驻-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。现有文献已对驻-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。为了深入研究驻-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搭建交流电动机驻-Y切换的仿真模型，通过仿真手段研究两种驻-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驻-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，驻-Y切换也分为断电式、不断电式两种。断电式驻-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。不断电式驻-Y切换除了用到KM1KM3，还用到KM4和R。切换过程分四个阶段：阶段一，与断电式驻-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，此阶段电动机变交流电动机三角形-星形节能切换的动态过程仿真谢芳芳邹序武张莱（湖南工业职业技术学院电气工程学院，湖南 长沙 410208）摘要：为深入研究交流电动机三角形-星形节能切换系统，需要了解切换的动态过程。鉴于此，在分析断电式、不断电式两种切换过程的基础上，利用MATLAB/Simulink搭建交流电动机三角形-星形切换的仿真模型，通过仿真手段研究两种切换的动态过程。结果表明，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、转速脉动幅度均更小。关键词：交流电动机；三角形-星形切换；建模；仿真；MATLAB/Simulink中图分类号：TP391.9；TM34文献标志码：A文章编号：1671-0797（2023）19-0016-04DOI：10.19514/32-1628/tm.2023.19.005基金项目：湖南省教育厅科研项目“基于变绕组连接的双三相永磁同步电机驱动系统容错控制”（21C1071）电气工程与自动化Dianqi Gongcheng yu Zidonghua16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，两种驻-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软件搭建驻-Y切换的仿真模型，如图4所示。主电路采用Simulink专业库SimscapeElectrial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；K1K5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；R1R2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模块图3不断电式驻-Y切换的定子绕组接线示意图图2断电式驻-Y切换的定子绕组接线示意图Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化17S5对应阶段0阶段一0阶段三1阶段二S4100S3100S2000表1断电式驻-Y切换的控制信号及对应阶段S5对应阶段0阶段四0阶段三S400S300S2100阶段一1100010阶段二表2不断电式驻-Y切换的控制信号及对应阶段是笼型异步电动机，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幺值，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S1S5，用来控制K1K5开关的动作，实现两种驻-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1.85 赘，转子电阻2.658 赘，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秒执行驻-Y切换。两种驻-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-7.87.5 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-14.530.5 A，脉动幅度为45 A。图5（c）和（d）是两种切换的电磁转矩标幺值。由图5（c）可知，断电式切换的转矩脉动范围是-1.371.05，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-9.352.23，脉动幅度为11.58。图5（e）和（f）是两种切换的转速标幺值。由图5（e）可知，断电式切换的转速脉动范围是0.9540.991 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0.9060.997 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图4驻-Y切换的仿真模型电气工程与自动化Dianqi Gongcheng yu Zidonghua18了66%、79%和59%。4结论本文利用MATLAB/Simulink对交流电动机两种驻-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。图5两种驻-Y切换的仿真结果（下转第23页）Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化19（上接第19页）参考文献1 余龙海，廖育武，王培元，等.电动机节能控制技术及工程应用M.北京：机械工业出版社，2017.2 电动机系统节能改造规范：GB/T 293142012S.3 王世全，付忠伟.抽油机电动机重、轻载的-Y转换J.油气田地面工程，2007，26（5）：45.4 李荣华，余晓峰.Y降压运行时电动机的损耗及效率研究J.湖南理工学院学报（自然科学版），2008，21（4）：48-50.5 段成，李荣华，寻真福.低压电机Y改接降压节电的应用条件J.电工技术，2012（2）：33-34.6 李荣华，梁凯，邹顺.异步电动机Y降压运行时的转速稳定性J.电气开关，2015，53（2）：73-75.7 刘屏周，卞铠生，任元会，等.工业与民用供配电设计手册M.4版.北京：中国电力出版社，2017.8 陈冰，冯清秀，邓星钟.机电传动控制M.6版.武汉：华中科技大学出版社，2022.收稿日期：2023-06-27作者简介：谢芳芳（1978），女，湖南新田人，工学硕士，副教授，研究方向：电力电子与电力传动、控制理论与控制工程。表3调压井、调压阀方案厂房工程量及投资对比表合计/万元合计2 697.111710.67667.972646.71343.0942.2951 226.38项目混凝土 C20 浇筑球形网架屋面面积混凝土 C25 浇筑砖墙土石回填钢筋单价/元684.57755.14646.5210.339 942.64600调压阀方案工程量10 381.23 m38 564.16 m3666.56 m32 218.15 m31 233.46 t1 132.86 m2调压井方案工程量9 445 m37 119 m3555 m31 850 m31 114 t948 m2合计/万元646.58537.5835.881.911 107.6156.882 386.44车桥机，跨度为16 m，由于设调压阀后厂房跨度增加，桥机跨度由16 m增加至18 m，桥机重量增加约6 t，设备投资增加约20万元。根据以上匡算，调压阀方案共需增加投资约630.67万元。4调节保证措施对比分析结论经对两种调节保证措施方案进行对比分析，结合电站实际情况，主要结论如下：1）设置调压井为最常见的调节保证措施，有丰富的工程实践，技术成熟、可靠性高，调节效果明显，且运行、检修及维护的成本较低。但土建投资相对较高，且受地形、地质及施工条件的影响较大。2）调压阀的设置受地形、地质条件的制约较小，布置灵活，投资相对较低，虽然调节可靠性及调节品质较调压井方案差，但经复核计算满足保证电站引水发电系统及机组安全的要求。3）该电站地质条件较差，围岩极不稳定，成洞条件差，且调压井井筒直径为12 m，存在漏顶和沿裂隙涌水问题，开挖支护成洞风险高，成井条件差，经分析计算，设置调压井投资比设置调压阀高1 103.11万元，且调压井占用关键工期，使得总工期增加。经综合比较，结合电站的实际情况，该电站调节保证选择采用调压阀方案。参考文献1 李振轩.长引水道水电站以阀代井可行性研究J.东北水利水电，2020，38（12）：41-43.2 水电站调压室设计规范：NB/T 350212014S.3 小型水力发电站设计规范：GB 500712014S.4 赵金，张健，张艳华.中小型长引水式电站调节保证措施的分析研究J.中国农村水利水电，2012（6）：113-116.5 刘卓娅，漆文邦，代娇娇，等.调压阀在中小型水电站调压系统设计中的应用J.西北水电，2014（1）：66-70.收稿日期：2023-06-20作者简介：胡藤耀（1991），男，贵州凯里人，工程师，研究方向：水力机械设计。Dianqi Gongcheng yu Zidonghua电气工程与自动化23