辅助启动电机的启动特性分析范文

摘要：

液压泵站的电机在直接启动时会产生较大的峰值电流，对系统产生较大冲击，降低系统的工作性能和寿命。提出一种电机辅助启动方案，利用泵马达作为马达工作驱动电机，避免产生冲击电流。基于Simulink分析了三相异步电机启动特性，运用AMESim软件仿真分析了蓄能器关键参数对辅助启动特性的影响，结果表明：蓄能器充气压力升高，辅助启动系统加速能力不变，达到的最高转速越低；蓄能器容积增加，辅助启动系统加速能力不变，达到的最高转速越高；蓄能器充液压力升高，辅助启动系统的加速能力越强，达到的最高转速越高。

关键词：

辅助启动；电机；冲击电流；启动特性

0引言

当前，由于资源匮乏和环境污染，节能减排迫在眉睫。对于间歇工作的液压系统，当负载停止工作时，液压源仍在继续工作，此时的能量就浪费了。尤其是当负载占空比很小的时候，能量的浪费尤为严重。为了解决这个问题，当系统处于无功状态时，可通过关闭泵站实现节能；但当泵站再次启动时，电机会产生较大的冲击电流，对系统产生较大冲击，降低系统的工作性能和寿命。为了解决泵站启动时的瞬时大电流问题，日本的杉村健等人在文献[1-2]中提出了基于蓄能器的间歇工作液压泵的辅助启动系统。在汽油机重新启动时，让泵马达作为马达工况，带动汽油机加速到设定转速再启动，完成重启，这样可以避免汽油机重启时的瞬时大油耗。为了解决间歇工作的液压系统的节能，在杉村健等人提出的辅助启动系统基础上，提出了一种新的辅助启动系统，它可以根据负载的工况需求来启停驱动电机，并通过辅助启动系统来降低电机启动时的冲击电流和大功耗，达到节能和降冲击的效果。

1三相异步电机启动特性分析

三相异步电机[3]相对于直流电机具有维护简单、体积小和重量轻等优点，广泛应用于液压设备的驱动。三相异步电动机在运行时，由于转子转速低于三相定子旋转磁场的转速，因此转子绕组切割三相定子旋转磁场，从而产生感应电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，从而驱动负载工作。

1.1三相异步电动机的Simulink模型

文献[4-5]利用MATLAB工具分别通过数学建模和物理建模分析了三相异步电机在不同工况下的启动特性。在此基础上，为了探究三相异步电机在启动时的电流冲击和功率消耗，利用Simulink建立三相异步电机的启动模型如图1所示，模型采用三相正弦电压源，电机采用星型连接，负载转矩通过constant模块施加给电机，通过示波器观测定子电流、转子电流、转速、转矩等仿真曲线。

1.2仿真参数设置

选取额定功率P为4kW的三相异步电动机进行仿真，其参数如下：线电压V为380V，频率fn为50Hz，定子绕组电阻Rs为1.405Ω，绕组漏感L1s为0.005839H，转子绕组电阻Rs为1.395Ω，绕组漏感L1s为0.005839H，互感Lm为0.1722H，转动惯量J为0.0095kg•m2，摩擦系数f为0.0012，极对数p为2；电机负载转矩T为20N•m。

1.3仿真结果及分析

设定仿真时间为0.5s，在电机启动过程中有负载和无负载时的定子A相电流Is随时间t的变化如图2所示。由图2可知，无论有无负载，在电动机启动瞬间，定子A相电流Is都很大，可达到正常电流的4～7倍，在电机转速稳定后显著下降。电机启动过程中的功率P随时间t的变化见图3。由图3可知，电机在启动过程中功率P很大，达到稳定时的4～7倍，当电机达到额定转速后，下降到正常水平。电机在启动过程中产生的冲击电流对供电设备会产生很大的冲击，大功耗会浪费很多能量，所以对于需要频繁启动的间歇工作机构，辅助启动设备显得尤为重要。

2辅助启动系统工作原理

由以上分析可知，泵站电机直接启动时会产生冲击电流和大功率，会对系统产生较大的冲击，降低系统工作性能和寿命。为此，提出了一种新的辅助启动系统，它可以根据负载的工况需求来启停驱动电机，并通过辅助启动系统来降低电机启动时的冲击电流和大功耗，达到节能和降冲击的效果。辅助启动系统的工作原理如图4所示。辅助启动系统主要元件为一个定量泵马达和一个气囊式蓄能器。电磁阀4和电磁阀10安装在蓄能器的两侧，电磁阀7安装在泵马达的排油侧，且与油箱相通。当负载正常工作时，开启电机，打开电磁阀10，电磁阀4和7保持关闭状态，泵马达此时为泵工况，将油液供给负载和蓄能器。当蓄能器储存的油液达到设定压力时，关闭电磁阀10，油液全部供给负载。当负载停止工作时，关闭电机，电磁阀4、7和10均保持关闭状态，油液储存在蓄能器中。当负载重新工作时，打开电磁阀4和7，电磁阀10保持关闭状态。蓄能器中的高压油液进入泵马达，流回油箱，驱动泵马达和电机轴加速。当转速升高到预定转速时，关闭电磁阀4和7，启动电机，重启完成，负载正常工作。负载在停止工况时，关闭电机，减少了电能消耗；在重启电机时，利用蓄能器中储存的油液辅助启动，避免了电机在启动时产生的冲击电流对供电设备的冲击和以及大功耗，起到节能和降冲击的效果。

3仿真建模

文献[6-8]分析了三种具体系统中蓄能器参数对系统性能的影响以及蓄能器关键参数的选择。为了研究泵组关键元件蓄能器的关键参数对辅助启动系统的启动特性的影响，建立辅助启动系统的简化AMESim仿真模型如图5所示。在辅助启动过程中，定量泵马达为马达工况，故将其等效为液压马达；液压马达带动电机旋转，故将电机等效为旋转负载。泵马达的出口接通油箱。设定系统的压力为12MPa，其余仿真参数见表1。

4仿真结果分析

液压马达进出口的压差和液压马达的排量决定了液压马达的理论扭矩。在辅助启动系统中，液压马达的输出扭矩用来克服电机和马达的摩擦负载和惯性负载，将两者设定为恒定负载。

4.1蓄能器充气压力对辅助启动特性的影响

为了探究蓄能充气压力对辅助启动特性的影响，设定蓄能器容积为1L，充液压力为12MPa，分别设置蓄能器的充气压力为3MPa、5MPa、7MPa、9MPa，得到液压马达转速n和时间t的关系如图6所示。由图6可知，随着蓄能器充气压力升高，辅助启动时液压马达进出口之间的压差和液压马达的排量都不变，其输出扭矩不变，负载也不变，故其加速能力相同。但随着蓄能器充气压力升高，储存的高压油越少，系统加速时间越短，达到的最高转速越低。

4.2蓄能器容积对辅助启动特性的影响

为了探究蓄能器容积对辅助启动特性的影响，设定蓄能器的充气压力为6MPa，充液压力为12MPa，分别设置蓄能器容积为0.6L、1L、1.6L、2.5L，得到不同蓄能器容积下的液压马达转速n和时间t的关系如图7所示。由图7可知，随着蓄能器容积的增加，辅助启动时液压马达进出口之间的压差和液压马达的排量都不变，其输出扭矩不变，负载也不变，故其加速能力相同。但随着蓄能器容积增加，储存的高压油越多，系统加速时间越长，达到的最高转速越高。

4.3充液压力对辅助启动特性的影响

为了探究蓄能器充液压力对辅助启动特性的影响，设定蓄能器的容积为1L，充气压力为6MPa，分别设定蓄能器的充液压力为8MPa、9MPa、10MPa、11MPa，得到液压马达转速n和时间t的关系如图8所示。由图8可知，随着蓄能器充液压力升高，辅助启动时液压马达进出口之间的压差越大，液压马达排量不变，故其输出扭矩越大，负载保持恒定，系统加速能力越强。且随着蓄能器充液压力升高，储存的高压油越多，系统加速时间越长，达到的最高转速越高。

5结论

（1）三相异步电机直接启动时定子电流和功率约为正常工作时的4～7倍，当电机达到额定转速后，定子电流和电机功率降到正常水平。

（2）随着蓄能器充气压力升高，辅助启动系统加速能力不变，达到的最高转速越低。

（3）随着蓄能器容积增加，辅助启动系统加速能力不变，达到的最高转速越高。

（4）随着蓄能器充液压力升高，辅助启动系统的加速能力越强，达到的最高转速越高。

参考文献：

[2]杉村健,大田真平,铃木胜正,等.基于使用蓄能器的怠机停止方式的液压油源的节能[J].液压与气动，2013,(9)：10-14.

[3]何凯，荣军，吴管,等.三相异步电动机在MATLAB下的建模与仿真[J].电子技术，2014,(10)：5-7.

[4]张红斌.基于SimPowerSystems的三相异步电动机的仿真分析[J].科技通报，2013,29(4)：183-185.

[5]万玉晶，邱立伟，陈景荣，等.大容量异步电动机启动特性仿真分析研究[J].中国测试，2014,40(6)：132-136.

[6]续彦芳，苏铁熊，顾亮先，等.供弹动力系统蓄能器参数分析与选择[J].火炮发射与控制学报，2013,(2)：78-81.

[7]续彦芳，苏铁熊，崔俊杰.某供弹动力系统泵站容量和蓄能器参数匹配研究[J].机床与液压，2012，40(15)：128-132.

[8]裴然，沈敏俭，吴晓明.皮囊式蓄能器工作参数在多变指数和温度变化时的选择与计算[J].液压与气动，2014,(12)：96-99.

作者:许文学 刘桓龙 柯坚 于兰英 王国志 单位:西南交通大学机械工程学院