基于Ansoft的三相异步电动机起动二维分析详解

目录
1 引言 (1)
1.1 三相异步电动机起动研究的背景及意义 (1)
1.2 三相异步电动机起动的发展与现状 (1)
1.3 本课题的主要研究内容 (2)
2. 三相异步电动机的起动方式 (3)
2.1 直接起动 (3)
2.2 降压起动 (4)
2.2.1 定子串电阻或电抗器降压起动 (4)
2.2.2 Y/△降压起动 (6)
2.2.3 定子串自耦变压器降压起动 (7)
2.3 转子串电阻起动 (9)
2.4 转子串频敏变阻器起动 (9)
2.5 软起动器起动 (10)
2.6 变频器起动 (10)
3. 分析软件的选定 (11)
3.1 Ansoft RMxprt概述 (11)
3.2 Ansoft RMxprt使用说明 (11)
3.2.1 RMxprt一般流程 (11)
3.2.2 RMxprt设计输入 (12)
3.2.3 RMxprt设计输出 (12)
4. 三相异步电动机模型的建立 (14)
4.1 三相异步电动机主要性能数据设置过程 (14)
4.2 三相异步电动机定子的设置过程 (14)
4.3 三相异步电动机转子的设置过程 (15)
4.4 运行Ansoft RMxprt (16)
4.5 冲片图形与绕组分布图 (17)
4.6 创建项目的 Maxwell 2D 二维几何模型 (19)
5. 三相异步电动机起动的二维分析 (20)
5.1 直接起动的分析 (20)
5.2 降压起动的分析 (22)
5.2.1 定子串电抗(或电抗)降压起动的分析 (22)
5.2.2 Y/△降压起动的分析 (24)
5.2.2 自耦变压器降压起动的分析 (27)
5.3 关系曲线集成图 (29)
6. 总结 (31)
附录A 三相鼠笼型异步电动机常用起动方法比较 (32)
附录B 三相绕线型异步电动机常用起动方法比较 (33)
参考文献 (34)
致谢 (36)
1 引言
1.1 三相异步电动机起动研究的背景及意义
电动机是各种机械的动力来源，用途众多，应用广泛。

其中，三相异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及应用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。

三相异步电动机又称为三相感应电动机，感应电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机，由于转子绕组电流是感应产生的，因此称为感应电动机。

感应电动机与其它电动机相比，具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠及重量轻成本低等优点。

此外感应电动机还还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性。

由于感应电动机具有上述许多优点，它是电动机领域中应用最广泛的一种电动机。

三相异步电动机是一种反电势负载，即以反电势来平衡外加电压。

电机在起动开始时反电势为零，冲击电流很大。

当电机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰，严重时甚至危害电网的安全运行，起动电流过大时将使电机本身受到过大电磁力的冲击，频繁起动，绕组会发热。

同时，由于起动应力较大，使得负载使用寿命降低。

特别是对经常需要起动的电动机影响较大。

因此，研究异步电动机起动过程中，如何力求在较小的起动电流下得到足够大的起动转矩，并且选择合适的起动方法是相当重要的。

1.2 三相异步电动机起动的发展与现状
目前，最常见的是直接起动方式，这是一种最简单的起动方法。

就是用闸刀开关或者接触器把电机的定子绕组直接接到电网上。

这种方式的优点是操作和起动设备简单，缺点是起动电流很大。

一般鼠笼式异步电机直接起动的电流是额定电流的4～7倍，某些国产电机甚至可达8～12倍，起动转矩是额定转矩的1～2倍。

虽然，起动电流很大，但起动转矩并不大。

因此，直接起动方法只适用于小容量电机起动。

为了解决直接起动带来的一系列问题，人们采用了各种降压起动技术，目前应用较为普遍的有自耦变压器起动、串电阻或串电抗起动、Y-△起动和延边三角形起动等方法。

这些传统降压起动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾，但它们只是缩短了大电流冲击的时间，并没有从本
质上解决问题。

而且这些起动设备还存在一些固有的缺点:如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维修工作量大以及浪费能源等问题。

随着自动化、机械化要求日益提高，这些矛盾变得更加突出。

为了使电机能够迅速达到额定转速正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩且起动电流不能太大。

因此，总是希望在起动电流较小的情况下，能获得较大的起动转矩。

近三十年来，随着电力电子技术的发展和现代控制理论与电力电子技术的紧密结合，为电机的起动节能提供了全新的思路从而出现了电机软起动技术。

软起动技术具有传统起动方法无法比拟的优势。

近年来，国内外都十分重视三相异步电动机软起动控制系统的研究和开发。

软起动控制旨在降压以限制电机起动电流，减小起动电流对电网的冲击，也达到了节能的目的。

目前软起动方式很多，如液阻软起动、磁控软起动、晶闸管软起动等，从起动时间、控制方式的节能效果等多方面综合比较，以晶闸管软起动方式最优，代表着软起动的发展方向。

1.3 本课题的主要研究内容
Ansoft是基于磁路法的旋转电机专业设计软件，本设计主要依据给定的原始数据，在熟悉三相异步电动机各种起动方法的基础上，掌握三相异步电动机的各种起动电路。

使用Ansoft软件对三相异步电动机起动效果进行二维分析。

通过软件提供的曲线分析了解不同起动方法时，起动电流、起动转速的变化曲线及起动时三相异步电动机的热能分析。

本课题主要是用Ansoft软件对三相鼠笼型异步电动机的直接起动与降压起动方式进行研究。

2.三相异步电动机的起动方式
三相异步电动机一般分为两类：一是鼠笼式异步电动机；二是绕线式异步电动机。

后者结构较复杂，但其起动性能较好，起动电流小，而且起动转矩大。

三相鼠笼式异步电动机的起动方法，一般有三种，即直接起动，降压起动、软起动。

三相绕线式异步电动机的起动方法，一般有两种，即转子串电阻起动，转子串频敏变阻器起动。

对于常用起动方法性能的比较详见附录A、附录B。

2.1 直接起动
直接起动方式又称为全压起动，这是一种最简单的起动方法。

三相异步电动机直接起动是指电动机直接加额定电压，定子回路不串任何电器元件时的起动。

特点：电动机定子绕组的工作电压和起动电压相等。

三相异步电动机的起动要满足生产机械对异步电动机起动性能的要求起动转矩要大，以保证生产机械的正常起动。

缩短起动时间，起动电流要小，以减小对电网的冲击。

由三相异步电动机机械特性的物理表达式知道，在额定电压下直接起动三相异步电动机，即转差率S=1，主磁通是额定磁通的1/2，功率因数cos很小，造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。

例如，对于普通鼠笼式异步电动
机，起动电流=（7
~
4）I
N （为起动电流倍数），起动转矩=T
N
（3.1
~
9.0）（对于
绕线式三相异步电动机的起动转矩T
S ＜T
N
）。

起动电流过大，对电网冲击大。

使
电网电压降低，对电机前端供电变压器影响大。

使得变压器输入电压幅度下降，超过了额定值的允许偏差△=±10%或更严重。

这样，一方面影响了异步电机本身，由于Tst与电压U的平方成正比，导致Tst下降更多，当重载时电机将不能起动；另一方面，影响由同一台供电变压器供电的其它负载，如电灯会变暗，用电设备失常，重载的异步电机可能停转等。

对于额定电压380V的电机而言，电动机容量小于7.5kw的小容量鼠笼式异步电机可以直接起动。

图2.1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。

三相交流电源经由组合开关，熔断器F1，F2，F3，交流接触器KM的主触点接到电动机定子绕组，构成了主电路。

M 3~FU 1FU 2FU3
KM
图2.1 三相异步电动机直接起动电路图
2.2 降压起动
2.2.1 定子串电阻或电抗器降压起动
三相异步电动机起动时，在电动机定子电路串入电阻或电抗器，使加到电动机定子绕组端电压降低，减少了电动机上的起动电流。

起动时电抗器接入定子电路，起动后，切除电抗器，进入正常运行。

三相异步电动机直接起动时，每相等效电路如图 2.2所示，电源额定电压U N 直接加在短路阻抗k k k jX R Z +=上，定子侧串入电抗X 起动时，每相等效电路如图2.3所示，U N 加在（j X +k Z ）上，而k Z 上的电压是U /。

定子侧串电抗起动可以理解为增大定子侧电抗值，也可以理解为降低定子侧实际所加电压，其目的是减小起动电流。

在定子侧串入电抗后，其堵转电流为I ′，则：k k N S Z U jX Z U I 1
'=+=
图2.2 直接起动 图2.3 定子串电抗起动
三相异步电动机直接起动的时候转子功率因数很低，这是由于电动机设计时，短路阻抗中K K K Z R jX =+，K K X Z »所致，一般的说，0.9K K X Z >。

因U N R k jX k I s
jX R k jX k
U 1I s
U N
此，串电抗起动时，可以近似把Z K 的模值与X 相加，而不考虑阻抗角，误差不
大。

设串电抗时电动机定子电压'1.U 与直接起动时定子的额定电压N U .
比值为u ，则： X
Z Z U U U K K N +=='
1 ''11k s s k Z I U U I U Z X
===+ ''22211()()k s s k Z T U u T U Z X
===+ 式中， '.S S I I 分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转电流；',S S T T 分别是定子串电抗与不串电抗时候的堵转转矩，当选定u 时，定子应串的电抗为：
k Z u
u X .1-= 从减小起动电流和改善电网电压品质的角度看，定子回路中串电阻或是串电抗效果是一样的。

但是串电阻将增加起动损耗，浪费电能，只有在电机容量较小时才允许使用，大中型电机仅采用串电抗起动。

定子回路串电阻或是电抗都能减小起动电流，使得电网的冲击电流减小，对改善电网的稳定性是有利的。

但是，问题的另一面是，随着起动电流的减小，电机产生的起动转矩也随着变化，有必要对起动转矩进行校验，看它是否能满足生产工艺的要求，拖动系统是否能顺利的升速到要求的转速根据图示的等值电路，起动时的电磁功率为：
1..Ω==q K s D M R I P
对于恒定的同步角速度Ω，起动转矩和起动电流的平方成正比。

利用这个重要关系式可以得出结论：不管是定子回路串电阻还是电抗，只要能将起动电流改变为直接起动时的a 倍，则起动转矩就将变成直接起动时的2a 倍。

显然，如果起动电流是直接起动时的1/2，则起动转矩将是直接起动时的1/4。

因为鼠笼异步机的直接起动转矩本来就不大，采用定子回路串电阻或是电抗后起动转矩就更小，必须对这种起动转矩的大幅度下降进行校验，看它是否能保证拖动系统顺利完成起动任务。

一般地说由于起动转矩较小，所以定子回路串阻抗的起动方法只适用于轻载起动或者是空载起动的生产机械。

图 2.4是阻抗降压起动电路图。

电动机起动时在三相定子电路中串接电阻(或电抗)，使电动机定子绕组电压降低，起动后再将电阻（或电抗）短路，电动机仍然在正常电压下运行。

图2.4三相异步电动机阻抗降压起动电路图
2.2.2 Y/△降压起动
对于正常运行为△形接法的三相异步电动机，若在起动时将其定子绕组接为Y形，则起动时其定子绕组上所加的电压仅为正常运行的，降低了起动电压。

目前生产的Y系列功率在4kV以上的中小型三相异步电动机，其定子绕组的规定接法一般为△形接法，所以在起动时，可以对其采用Y/△降压起动方法，即在电动机起动过程中，将定子绕组接成Y形接法，起动过程结束后，再接成△形接法。

在起动时将电动机定子绕组接成星形，每组绕组承受的电压为电源的相电压(220V)，减小了起动电流对电网的影响。

在其起动后期按预先整定的时间换接成三角形解法，每相绕组承受的电压为电源的线电压，电动机进入正常运行。

Y/△起动适用于正常运行时定子绕组为三角形连结的异步电动机。

接线原理图如图2.5所示，起动时使接触器触头KM 1 、KM 3闭合，定子三相绕组接成星形，这时每绕组的相电压为三角形连接(全压)时的3
1从而达到电动机降压起动的效果，Y/△起动时起动电流和起动转矩都减小为直接起动时的1/3，所以也只适合用于空载或轻载起动。

起动后，当转速达到一定程度后，使KM 3断开、KM2闭合，定子绕组改接成三角形联结，电动机全压运行。

图2.5 三相异步电动机成Y/△降压起动电路图
2.2.3 定子串自耦变压器降压起动
这种方法是利用自耦变压器将电源电压降低后再加到电动机定子绕组端，达到减小起动电流的目的。

自耦减压起动时，一相电路如图2.6所示。

图2.6 自耦减压起动一相电路
电动机起动电压下降为U ‘，与直接起动时电压U N 的关系为：
'
21
N N U U N = 电动机降压起动电流为''S I ，与直接起动时的起动电流S I 之间关系为：
'''
21
S S N I N U I U N == 自耦变压器高压边的起动电流为'S I ，与''S I 之间的关系为：
'2''1
S S I N I N =
因此，降压起动与直接起动相比，供电变压器提供的起动电流的'S I 关系 '221
()S S I N I N = 自耦变压器降压时电动机的堵转转矩为'S T ，与直接起动时的堵转转矩s T 之间的关系为：
''
2221
()()S S N T N U T U N == 由以上可以看出，采用自耦减压起动时，与直接起动相比较，电压降低到N 2/N 1倍，堵转电流与堵转转矩降低到（N 2/N 1）2倍。

换句话说：如果采用自耦减压起动，则起动电流变化的比值和转矩变化的比值相等，都是直接起动时的K A 分之一。

自耦减压起动，比起定子串阻抗起动，当限定的起动电流相同时，堵转转矩损失较少，比Y/△起动灵活，并且当N 2/N 1较大时，可以拖动较大的负载起动。

但是，自耦变压器体积大，价格高，也不能带重负载起动。

自耦减压起动在较大容量鼠笼型异步电动机上广泛应用。

在自耦变压器降压起动的控制线路中，限制电动机起动电流是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。

自耦变压器的初级和电源相接，自耦变压器的次级与电动机相联。

自耦变压器的次级一般有3个抽头，可得到3种数值不等的电压。

使用时，可根据起动电流和起动转矩的要求灵活选择。

电动机起动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压，一旦起动完毕，自耦变压器便被切除，电动机直接接至电源，即得到自耦变压器的一次电压，电动机进入全电压运行。

通常称这种自耦变压器为起动补偿器。

三相异步电动机自耦变压器起动电路如图 2.7所示，起动时，开关投向2端，三相自耦变压器T 的三个绕组接到三相电源上，达到了降压的效果。

起动后，当转速达到一定程度后，开关投向1端，使自耦变压器短接，恢复定子绕组的全压运行。

图2.7 三相异步电动机自耦变压器降压起动电路图
2.3 转子串电阻起动
三相绕线式异步电动机转子绕组通过电刷及滑环外接起动变阻器。

电动机起动时，将全部电阻接入转子回路；起动过程中，电阻逐段切除；起动完毕后，转子绕组短接运行。

中、小容量电动机一般采取分段切换变阻器起动。

图2.8（a）是绕线型异步电动机转子串电阻的示意图，为了简单，也有采用图2.8（b）不对称电阻。

图2.8（a）绕线型异步电动机转子串电阻图2.8（b）不对称电阻
2.4 转子串频敏变阻器起动
对于那些单纯为了限制起动电流增大堵转转矩的绕线型异步电动机，可以采用转子串频敏变阻器起动，如图2.9所示。

频敏变阻器是一个三相铁心线圈，它
的铁心是由实心铁板或钢板叠加而成，板的厚度为30-50mm。

图2-7中，接触器点K断开时，电动机转子串入频敏变阻器起动。

起动过程结束后，接触器点K 再闭合，切除频敏变阻器，电动机进入正常运行。

图2-9转子串频敏变阻器起动
2.5 软起动器起动
相对于传动的起动方式，软起动器的优点尤为突出：操作方便、可反馈闭环控制、平滑性好。

它的主电路一般采用三相六个晶闸管无中线交流调压电路，采用移向控制原理，利用微处理器改变晶闸管的导通角，使输出电压按照预先设计的曲线上升，从而减小起动电流值，同时获得良好的起动性能。

软起动器已经完全脱离了传统继电接触控制的范畴，迈向了数字化、多功能的发展方向。

其地位、功能特性和作用是直接起动、星-三角起动或自耦变压器起动等常规的继电接触器起动模式所无法替代的。

2.6 变频器起动
变频器种类众多，功能各不相同。

不仅有通用变频器，还有为特定部门专门研发的变频器。

最典型的一种变频器是脉宽调制变频器（即PWM变频器），它采用晶闸管变流技术，具有高效率的驱动性能和良好的控制特性。

3. 分析软件的选定
3.1 Ansoft RMxprt概述
Ansoft RMxprt是旋转电机专业设计软件，是当前世界上著名的低频电磁场有限元分析软件之一，在多个工程电磁场领域都有广泛的应用。

能快速计算各种电机（感应电机、同步电机、电子或机械换向电机等）的性能指标。

Ansoft RMxprt 还能快速地对成百上千种设计方案进行评估，并可对预选方案进行设计优化，优化设计后的方案可根据模型的对称性，自动生成合理的二维/三维电磁场有限元分析模型。

RMxprt电机模块是Ansoft软件中的重要组成部分，可以实现与2D 和3D的无缝链接，用户可以直接将RMxprt导入到有限元分析计算中。

在RMxprt 电机模块导入到2D瞬态场过程中，软件会自动加载几何模型，并自动定义各部分材料，同时给出电机的边界条件、激励源和网格剖分等。

RMxprt与Ansoft的Maxwell集成在同一设计环境中，设计者可单独使用RMxprt，用Maxwell对电机进行更精确的电磁场分析设计，实现电机解析-有限元自动设计流程。

Ansoft 软件相对于其他软件有许多新的特点和优势:一是该软件具有许多开发成熟的电机模型，多数电机都可以在库中找到，给使用者带来极大的方便；二是该软件设计的电机驱动电路部分，与电机模型连在一起进行仿真，提出了一个整体分析的思想；三是模型建立后，可以输入需要优化的参数，软件可以灵活进行优化设计。

本文采用Ansoft公司的Maxwell2D瞬态模块对三相异步电动机进行建模，对三相异步电机起动性能进行仿真研究。

3.2 Ansoft RMxprt使用说明
3.2.1 RMxprt一般流程
RMxprt的一般工作流程如图3.1所示。

进入
Maxwell控
制板
建立项目，进行项目管理。

如：查找，复制，调用，编写项目说明等
进入RMxprt主窗口，输入、修改设计数据，分析计算结果，输出特性曲线，查看冲片结构图和绕组布置图
建立 2D Maxwell有限元电磁场分析
模型
建立
Simplorer系统
仿真的电机模
型
图3.1 RMxprt一般流程
3.2.2 RMxprt设计输入
（1）主要性能设计
在相关窗口中输入额定输出功率、额定电压、极数、频率、额定转速、杂散损耗、风磨损耗、铁心长度、铁心叠压系数、硅钢片牌号与其B-H曲线、电机工作温度、绕组联结方式和负载类型。

（2）设计定子铁心和定子绕组
在定子选项中输入定子内径、定子外径、槽数、槽型、槽型尺寸、绕组类型、槽绝缘厚度、线圈伸出铁心直线部分长度、并联支路数、每槽导体数、线圈跨距、并绕根数、导线漆膜厚度、导线直径和线规代号。

（3）设计转子铁心和转子鼠笼绕组
在转子选项中输入径向气隙长度、转子内径、转子槽数、槽型与槽形尺寸、转子材料、槽型的组合变化、通风槽形式、斜槽（转子槽距的倍数）、导条伸出铁心长度、端环径向高度、端环轴向宽度、导条电阻率和端环电阻率。

3.2.3 RMxprt设计输出
点击RMxprt的Analyze All选项，观察仿真结果。

仿真结果包括：
（1）主要性能数据
（2）定子数据
（3）转子数据
（4）额定运行数据
包括定子电阻、定子漏抗、转子电阻、转子漏抗、铁损等效电阻、激磁电抗、定子相电流、铁损电流、激磁电流、转子相电流、定子绕组铜损、转子绕组铜损、铁心损耗、风摩损耗、杂散损耗、输入功率、输出功率、输出转矩、效率、功率因素、额定转差率和额定转速。

（5）空载运行数据
包括空载定子电阻、空载定子电抗、空载转子电阻、空载转子漏抗、空载定子电流、空载铁心损耗、空载输入功率、空载功率因数、空载转差率和空载转速。

（6）最大转矩点数据
包括最大转差率、最大转矩、最大转矩与额定转矩比和最大转矩点的相电流。

（7）堵转数据
包括堵转转据、堵转相电流、堵转转矩与额定转矩比、堵转电流与额定电流比、堵转定子电阻、堵转定子漏电抗、堵转转子电阻和堵转转子漏电抗。

（8）额定工况下的电机参数
包括定子槽漏抗、定子绕组端部漏抗、转子槽漏抗、转子绕组端部漏抗、转子绕组谐波漏抗、斜槽漏抗、槽满率、定子绕组系数、定子齿磁通密度、转子齿上部磁通密度、转子齿部磁通密度、转子轭部磁通密度、气隙磁通密度、定子齿安匝、转子齿部安匝、定子轭部安匝、转子轭部安匝、气隙安匝、定子轭部磁路长度修正系数、转子轭部磁路长度修正系数、齿饱和系数、感应电压系数、定子电流密度、定子线负荷、定子热负荷、转子导条电流密度、转子端环电流密度和定子绕组半匝长。

（9）性能曲线
包括转速-输入电流曲线、转速-效率曲线、转速-功率因数曲线、转速-输出功率曲线、转速-转矩曲线。

4. 三相异步电动机模型的建立
在建立电机模型的过程中，首先根据三相异步电机的基本参数在Ansoft RMxprt中生成了2D几何模型，然后利用Ansoft本身的接口将几何模型导入Maxwell 2D，再用Maxwell 2D中的瞬态模块进行分析。

利用RMxprt软件，根据给定数据可对定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子笼型绕组等进行设计与选择。

4.1 三相异步电动机主要性能数据设置过程
三相异步电动机的具体设计参数见图4.1。

图4.1 三相异步电动机的主要性能参数设计
4.2 三相异步电动机定子的设置过程
三相异步电动机的定子铁心与定子绕组的具体参数分别见于图 4.2与图4.3。

图4.2 三相异步电动机定子铁心的参数设计
图4.3 三相异步电动机定子绕组的参数设计
4.3 三相异步电动机转子的设置过程
三相异步电动机的转子铁心与转子鼠笼绕组的具体参数见于图 4.4与图4.5。

图4.4 三相异步电动机转子铁心的参数设计
图4.5 三相异步电动机转子鼠笼绕组的参数设计
4.4 运行Ansoft RMxprt
三相异步电动机模型的各项数据设置完毕之后，便可以进行仿真。

运行图如图4.6和图4.7所示。

图4.6 运行Ansoft RMxprt
图4.7 成功运行Ansoft RMxprt
4.5 冲片图形与绕组分布图
至此，有关定、转子铁心及三相绕组的设置全部完毕。

点击下拉菜单中Post Process/View Lamination，查看定子冲片及槽型和转子横截面，如图4.8所示。

亦可在View 菜单中单独选中Stator或Rotor，分别查看定子或转子冲片，如图4.9，图4.10所示。

点击下拉菜单中Post Process/View Winding Layout就可
以查看各相绕组的布置。

如图4.11所示。