罗胜华 蒋燕 陈文明
（湖南电气职业技术学院，湖南 湘潭 411101）
摘要：以鼠笼式异步电动机为研究对象，描述了异步电动机的结构和工作原理，同时分析了几种不同的启动方法，就各种启动方法各自的特点和适用情况进行了较为详细的说明。最后，在Matlab/Simulink仿真软件中建立了鼠笼式异步电动机的仿真模型，得出了仿真结果，并就仿真结果进行了深入分析，所得到的结论与理论相吻合，这说明了仿真模型的正确性，同时也为理论知识提供了感性而直观的素材，对鼠笼式异步电动机启动方法的后续研究和探索来说，具有十分重要的借鉴意义。
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关键词 ：鼠笼式异步电动机；启动方法；Matlab/Simulink
0引言
在日常生活和社会生产中，电动机几乎遍布各个方面，尤其是异步电动机，因为其在性能方面良好的表现而获得了广泛的应用。异步电动机的分类方式有很多种，按照转子结构形式的不同，异步电动机可以分为绕线式异步电动机［1］和鼠笼式异步电动机［2］。相比绕线式异步电动机，鼠笼式异步电动机在结构和制造工艺上更为简单、成本更低、运行维护更方便，所以被广泛应用于工农业生产中。作为电力拖动的原动机，我们日常接触到的异步电动机主要是鼠笼式异步电动机。
任何电动机的使用都必须经历从静止状态到稳定运行状态的中间暂态过程，即启动过程［3］，鼠笼式异步电动机当然也是如此。作为现代工农业生产中广泛使用的一种动力机械，其启动性能也是电动机性能的重要衡量指标，故对其启动过程有如下要求：其一，要具有足够大的启动转矩，以确保异步电动机可以正常启动；其二，要具有尽量小的启动电流，不至于对电动机本身造成冲击；其三，启动设备结构简单、操作方便，以减小工作人员的执行操作量及维护量；其四，启动过程中能量损失越小越好，这样才能更好地利用异步电动机提供的机械能。
本文以鼠笼式异步电动机为研究对象，对其结构进行详细描述，分析各种启动方式的应用场合和不同特点，然后选取直接启动方式进行重点研究，在Matlab/Simulink中搭建鼠笼式异步电动机直接启动的仿真模型，对仿真结果进行分析，验证直接启动方式下鼠笼式异步电动机的启动性能及特点。
1鼠笼式异步电动机结构及工作原理
鼠笼式异步电动机主要包括定子部分和转子部分。定子部分是指固定不动的部分，分为定子铁芯和定子绕组，定子铁芯属于电机磁路的一部分，一般是由几百微米厚、表面具有绝缘层的硅钢片叠压而成的，且在铁芯的内圆上冲有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕组；定子绕组是电机电路的一部分，其是由3个在空间上互差120°电角度、结构相同的绕组对称排列而成，当在定子线圈中通入三相交流电时，会产生旋转磁场。转子是指鼠笼式异步电动机的旋转部分，也分为两部分：转子铁芯和转子绕组。转子铁芯也是电机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成，硅钢片的外圆开有均匀分布的孔，用来安放转子绕组；转子绕组是由插入转子槽中的多根导条和两个闭合的端环组成的，去掉绕组时就像一个鼠笼一样，故称为鼠笼式异步电动机。小型的鼠笼式异步电动机一般采用铸铝转子绕组，而100 kW以上的电动机则采用铜条和铜端环焊接而成。
当在鼠笼式异步电动机定子绕组中通入三相交流电后，会产生旋转磁场，转子上的闭合导条切割磁感线，从而产生出电动势和电流，在磁场力的作用下转子发生旋转，这就是鼠笼式异步电动机的工作原理。
2鼠笼式异步电动机启动方式
鼠笼式异步电动机的启动方式有很多种，基本可以分为直接启动（又称全压启动）和降压启动。
直接启动可以保证电动机具有较大的启动转矩，能够拖动负载正常启动，但由于启动时所接的三相电压较大，启动瞬间电流也会变得很大，这样对鼠笼式异步电动机的定子线圈和转子线圈都会产生比较大的冲击力。
降压启动是指配备限制电机启动电流的设备达到降低启动电压，从而降低启动电流的效果，常用的降压启动方式有：定子串接电抗器或电阻启动［4］、Y-△降压启动、自耦变压器降压启动［5］和延边三角形降压启动。定子串接电抗器或电阻启动是指在定子绕组中串入电抗器或电阻，降低启动电流和电压，但同时也大大降低了启动转矩，所以定子串电抗器或电阻启动只适用于电动机轻载启动，在负载较大的情况下可能会出现启动失败；Y-△降压启动是指在异步电动机启动瞬间，定子绕组三相接线采用Y型连接，当启动结束后，定子绕组接线方式改变，此时采用△型接线，从中可以发现，这种启动方式只适用于正常运行情况下定子绕组接线为△型接线的鼠笼式异步电动机，此外，该启动方法也是只适用于电动机的轻载启动；自耦变压器降压启动也存在同样的问题，那就是在降压的同时会使得启动转矩下降得更快，从而难以实现重载启动，此外，自耦变压器自身不允许频繁启动，这在很大程度上也限制了其广泛使用；采用延边三角形方式启动的电动机存在结构难以改变，使用不够灵活的弊端，所以应用范围也受到了限制，不是十分广泛。
在以上各种启动方法中，直接启动方式产生的启动转矩大，但启动电流也大，降压启动方法在降低启动电流方面有着较好的表现，但启动转矩很难满足负载需要，所以都只能用在轻载启动的情况下，两种方法各有利弊，在实际使用中具体选用何种启动方法，需要视情况而定。
本文以直接启动方式为研究对象，通过建立仿真模型，研究启动电流和启动转矩在启动过程中的变化情况，以检验理论分析的正确性。
3鼠笼式异步电动机直接启动仿真分析
本文以鼠笼式异步电动机的直接启动方法为研究对象，在Matlab/Simulink中搭建其仿真模型，分析仿真结果得出结论。其中，鼠笼式异步电动机的仿真参数如下：定子额定功率Pn=10 kW、定子额定电压Un=380 V（△连接）、定子每相电阻r1=1.33 Ω、定子每相漏抗x1=2.45 Ω、转子每相电阻折算值r′2=1.12 Ω、转子每相漏抗折算值x′2=4.4 Ω、励磁电阻rm=7 Ω忽略、励磁漏抗xm=90 Ω、电机转动惯量J=0.074 7 kg·m2、摩擦系数F=0、负载转矩为30 N·m。
仿真图形中，三相交流电经过三相电压电流测量器连接到三相断路器的左端，其右端接鼠笼式异步电动机定子绕组，启动瞬间将断路器接通，电动机采用直接启动的方式，测量转子A相电流、定子A相电流、转子转速和转矩这4个相关变量，鼠笼式异步电动机直接启动仿真结果如图1所示。
图1自上而下4幅图分别为转子A相电流、定子A相电流、转子转速和转矩的仿真结果。由图可知，在启动过程中，转子A相电流和定子A相电流波动都较大，这说明了直接启动对转子绕组和定子绕组的冲击都很大，启动过程结束后，因为转子绕组为鼠笼型两端闭合绕组，没有电流流通，所以转子电流减小为0，但定子绕组中仍然存在波动的小幅电流；在启动过程中，转子转速上升缓慢，使电动机发热加剧，同时震动会对电动机造成机械损坏，缩短电动机寿命；而且，启动过程中转矩一直都比较大，完全可以满足负载转矩的需要。
4结语
鼠笼式异步电动机是异步电动机中受到广泛欢迎的一种类型，其在日常生活和各种工业生产过程中也是十分常见的。在实际使用过程中，启动性能的优良与否十分重要，这在很大程度上决定了使用者对异步电动机的选择。如果一个电动机的启动性能很好的话，就可以实现平滑稳定地拖动负载启动，既可以很好地保护自身机械结构的完好性，又不会对所拖动的负载造成任何的破坏，同时还减少了由于震动所产生的能量损失，有助于能量的高效利用。正是因为如此，对鼠笼式异步电动机启动方法的研究从来不曾间断。
文中提到的两类启动方式各自都有利弊。在采用直接启动方式时，启动转矩很大，但同时启动电流也比较大，从第三部分的仿真结果中可以验证其启动性能；在采用降压启动方法时，启动电流有所降低，但是启动转矩的下降幅度更大，同时，这些降压启动方法也都不是平滑调节，所以在启动结束时，会对异步电动机造成多次冲击。
为了改善传统启动过程中存在的这些不足之处，随着电力电子技术的兴起和电力电子器件性能的不断提升，有学者提出了软启动的概念，所谓软启动就是利用电力电子装置集成多种功能，限制启动电流大小，实现启动过程的连续平滑调节。无论如何，直接启动都是最简单最直接的启动方式，在某些场合仍然发挥着非常重要的作用。所以，本文通过对鼠笼式异步电动机的启动方式分析和比较，明确了各种启动方法的特点和应用场合，通过建立模型进行仿真，从仿真结果直观地展现了直接启动过程中各种参量的变化趋势，这与理论分析相吻合，也为后续的启动方法研究提供了一定的实验基础。
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参考文献］
［1］王红卫.浅谈异步电动机的结构与工作原理［J］.山西冶金，2011（2）：70-71.
［2］周景雷，王丽娜.鼠笼型电动机定子串电阻降压起动［J］.可编程控制器与工厂自动化，2012（6）：76-77.
［3］牛维扬，李祖明.电机学［M］.2版.北京：中国电力出版社，2005.
［4］苏建国.三相异步电动机的几种降压启动方式探讨［J］.天津航海，2011（2）：17-18.
［5］郭秀翠.三相鼠笼式异步电动机的启动控制［J］.中国修船，2002（5）：23-26.
收稿日期：2015-08-24
作者简介：罗胜华（1979—），男，湖南隆回人，讲师，研究方向：电机与电气控制。