電機及電氣控制技術教案：第16講

****學院單元教學設計****學年第**學期課程名稱：電機與電氣控制技術授課班級：****任課教師：所在系部及教研室：研室

第16講標題：三相籠型異步電動機減壓起動控制電路（2學時）授課班級上課時間上課地點多媒體教室教學目的掌握減壓啟動的種類、實現(xiàn)的方法和電路的工作原理。教學目標能力（技能）目標知識目標能正確分析定子串電阻（電抗）起動、自耦變壓器、Y-△轉換及延邊△－△轉換減壓起動電路的工作原理；能正確對定子串電阻（電抗）起動、自耦變壓器、Y-△轉換及延邊△－△轉換減壓起動電路的電氣故障進行分析和判斷，并排除其故障。了解三相籠型異步電動機減壓起動的必要條件；掌握定子串電阻減壓起動與定子串電抗減壓起動的不同點；掌握定子串電阻（電抗）起動、自耦變壓器、Y-△轉換及延邊△－△轉換減壓起動的特點和適應場合；掌握定子串電阻（電抗）減壓起動、自耦變壓器、Y-△轉換及延邊△－△轉換減壓起動的電路的工作原理。重點及解決方法重點：掌握減壓啟動的種類、實現(xiàn)的方法和電路的工作原理難點：電路的工作原理解決方法：對電路工作過程進行重點分析參考資料【步驟一】說明主要教學內(nèi)容、目的（時間：4分鐘）減壓啟動的種類、實現(xiàn)的方法和電路的工作原理?！静襟E二】新知識講解（時間：78分鐘）籠型異步電動機采用全電壓直接起動時，控制電路簡單。但并不是所有籠型異步電動機在任何情況下都可以采用全壓起動的，由電動機的原理可知，三相籠型異步電動機直接起動時，起動電流大約是電動機額定電流的4-7倍。在電源變壓器容量不足夠大的情況下，會導致變壓器二次側電壓大幅度下降，這樣不但會減小電動機本身的起動轉矩，甚至會造成電動機根本無法起動，同時還會影響同一供電網(wǎng)路中其他設備的正常工作。通常情況下，容量超過10kW的籠型異步電動機，當為電動機供電的變壓器容量不足夠大時[編者主張按水利電力出版社出版的設計手冊中的經(jīng)驗公式進行判斷，即當SN＜5PN時要進行減壓動，式中SN為變壓器的額定容量，PN為電動機的額定功率；編者查閱國內(nèi)大部分教科書，都按4（Ist/IN）<3+SN/PN的經(jīng)驗公式進行判斷，式中Ist為電動機全壓起動時的電流、IN為電動機的額定電流，按起動電流大約是電動機額定電流的4-7倍進行計算，SN＜（13-25）PN，顯然與SN＜5PN有很大的差距，現(xiàn)在電網(wǎng)導線往往有較大的余量，按SN＜5PN估算即可]，一般都采用減壓起動的方式來起動，即起動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，起動后再將電壓恢復到額定值，使電動機在正常電壓下運行。因電樞電流和電壓成正比，所以在降低電壓的同時便可減小起動電流，不致在電網(wǎng)中產(chǎn)生過大的電壓降，減小了對電網(wǎng)電壓的影響。常用的減壓起動方法有定子繞組串阻抗、自耦變壓器、Y-△轉換減壓起動等。一、減壓起動時的機械特性圖3-17是三相籠型異步電動機的機械特性，其中曲線1是固有機械特性，曲線2、3是減壓起動時的機械特性。固有特性有三個特殊點，即起動點A、臨界點B（具有最大轉矩）、同步點C。因轉矩與定子繞組電壓平方成正比，故在降低定子繞組電壓時，起動點左移；同樣，臨界點也向左平移（臨界點的轉差率不變、轉矩正比與定子電壓的平方）；而同步點不變。三相籠型異步電動機在減壓起動時，起動電流和起動電壓成同樣比例降低，如電壓是額定電壓的80%時，電流也是額定電壓起動時的80%，起動轉矩和臨界轉矩是額定電壓起動的64%。為保證起動過程的順利進行，要考慮電動機起動時所帶的負載，電動機的起動轉矩一定要大于負載轉矩。二、定子繞組串電阻（電抗）減壓起動控制電路定子繞組串電阻（或電抗）減壓起動是指在電動機起動時，在三相定子電路中串接電阻（或電抗），通過電阻（或電抗）的分壓作用，使電動機定子繞組上的起動電壓降低，起動結束后再將電阻（或電抗）短接，使電動機在額定電壓下正常運行。下面分別介紹手動切換的、時間繼電器控制的和手動與自動混合控制的三種形式的串電阻減壓起動控制電路。1.手動切換的定子繞組串電阻減壓起動電路圖3-18所示為手動切換的定子繞組串電阻減壓起動電路。其工作原理如下：先合上電源開關QS，按下起動按鈕SB1，KM1得電吸合并自鎖，電動機M串電阻R減壓起動，待電動機轉速上升到一定值時，再按下按鈕SB2，KM2得電吸合并自鎖，R被短接，電動機M在全壓下運行。圖3-18所示的電路，電動機從減壓起動到全壓運行需要工作人員操作兩次方能完成，工作既不方便也不可靠。因此，實際的控制電路常采用時間繼電器來自動完成短接電阻的動作，以實現(xiàn)自動控制。串電阻減壓起動時，電阻在分壓的同時將消耗較大的電能，因此會有較大的發(fā)熱。因此減壓電阻常選擇功率較大的繞線式電阻，并將其安裝在比較利于散熱的地方。當把電阻換成電抗時，同樣可以達到減壓的目的，電抗器在電機的起動過程中并不消耗有功功率，故不會發(fā)熱。但一般情況下電抗器的價格比電阻高，在頻繁起動的設備上其節(jié)能效果才可以體現(xiàn)出來。也有少數(shù)設備采用同時串電阻和電抗的方法進行減壓起動。2.時間繼電器控制的定子繞組串電阻減壓起動控制電路圖3-19為時間繼電器自動控制電路。這個電路中采用時間繼電器KT代替了圖3-18電路中的SB2的功能，從而實現(xiàn)了電動機從減壓起動到全壓運行的自動控制。只要調(diào)整好時間繼電器KT觸頭的動作時間，電動機由減壓起動到全壓運行這個過程就可準確完成。其工作原理如下：合上電源開關QS，按下起動按鈕SB1，接觸器KM1得電吸合并自鎖，電動機定子繞組串電阻R減壓起動；接觸器KM1得電的同時，時間繼電器KT得電吸合，其延時閉合常開觸頭不能立即動作，待電動機轉速上升到一定值時，KT延時結束，KT延時閉合常開觸頭閉合。接觸器KM2得電動作，主回路中電阻被R短接，電動機在全壓下正常運行。從主回路看，只要KM2得電就能使電動機全壓運行，但圖3-19在電動機起動后，接觸器KM1、KM2和時間繼電器KT都處于得電狀態(tài)，從而使能耗增加，并縮短了電器的使用壽命。圖3-20就解決了這個問題。在KM1的線圈回路中串接了KM2的常閉觸頭進行聯(lián)鎖，當KM2得電動作后，其常閉觸頭就會切斷KM1（及KT）線圈電路使其失電，同時KM2自鎖。這樣在電動機全壓運行后，就會把接觸器KM1和時間繼電器KT全部從電路中切除，從而延長其使用壽命，節(jié)省了電能，同時也提高了電路的可靠性。3.手動與自動混合控制串電阻減壓起動電路圖3-21所示是手動與自動混合控制串電阻減壓起動電路。電路中增設了一個組合開關SA。工作時，先合上電源開關QS。當需要手動控制時，把組合開關SA扳到1位置，起動電阻可以通過按鈕SB2的手動操作來短接，其詳細工作原理與圖3-20所示電路類同。當需要自動控制時，把組合開關SA扳到2位置，控制電路可通過時間繼電器KT和接觸器KM2的配合，實現(xiàn)自動控制串電阻減壓起動。三、自耦變壓器減壓起動控制電路在自耦變壓器減壓起動的控制電路中，電動機起動電流的限制是依靠自耦變壓器的減壓作用來實現(xiàn)的。電動機起動的時候，定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次側電壓，待電動機起動后，再使電動機與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運行，這種減壓起動分為手動控制和自動控制兩種。圖3-22是手動控制自耦變壓器減壓起動控制電路。其工作原理如下：先合上電源開關QS，按下起動按鈕SB1，接觸器KM1、KM2相繼得電并自鎖，自耦變壓器TM接入電動機M的主電路中，使電動機作減壓起動。當電動機轉速上升到接近額定轉速時（即起動完畢），按下按鈕SB2，中間繼電器KA與接觸器KM3相繼得電動作，切除自耦變壓器TM，電動機進入全電壓正常運行狀態(tài)。該控制電路有如下優(yōu)點：①起動時若發(fā)生誤操作，即直接按下按鈕SB2，接觸器KM3線圈也不會得電，電動機M無法起動，避免電動機全壓起動；②由于接觸器KM1的常開輔助觸頭與KM2線圈串聯(lián)，所以在減壓起動完畢按下SB2按鈕后，只要接觸器KM1線圈能夠斷電，接觸器KM2線圈也必定會被斷開，所以即使接觸器KM3出現(xiàn)故障使觸頭無法閉合時，也不會使電動機在低電壓下運行；③接觸器KM3的閉合時間領先于接觸器KM2的釋放時間，所在不會出現(xiàn)電動機起動過程中的間隙斷電，也就不會出現(xiàn)第二次起動電流。圖3-23為自動控制自耦變壓器減壓起動控制電路。它與圖3-22的主要區(qū)別在于利用時間繼電器KT的兩對延時觸頭，代替了中間繼電器KA的常閉和常開觸頭，并去掉按鈕SB2。其工作原理不再分析。自耦變壓器減壓起動方法適用于起動容量較大（14-300KW），正常工作時接成星形或三角形的電動機，起動轉矩可以通過改變抽頭的連接位置得到改變。但它的缺點是自耦變壓器價格較貴，而且不允許頻繁起動。四、星形－三角形（Y－△）轉換減壓起動控制電路凡是在正常運轉時定子繞組作△連接的三相籠型異步電動機均可采用Ｙ－△轉換減壓起動方法。起動時，把定子繞組接成Y，以降低起動電壓，限制起動電流，待轉速上升到一定值時，將定子繞組改接成△，使電動機在全壓下運行。Ｙ－△轉換減壓起動控制電路常采用兩種形式，一是按鈕控制的Ｙ－△轉換減壓起動控制電路；二是時間繼電器控制的Ｙ－△轉換減壓起動控制電路。圖3-24為按鈕控制的Ｙ－△轉換減壓起動控制電路，適用于13kW以上的電動機。電路工作原理如下：先合上電源開關QS，按下起動按鈕SB1，接觸器KM和KMY（不常用此種形式文字符號來表示不同的電器元件，但為區(qū)分不同功能的器件時也可以使用）線圈同時得電，KMY主觸頭閉合，把電動機繞組接成Y形，KM主觸頭閉合接通電動機電源，使電動機M接成Y形減壓起動。當電動機轉速上升到一定值時，按下起動按鈕SB2，SB2常閉觸頭先分斷，切斷KMY線圈回路，SB2常開觸頭后閉合，使KMΔ線圈得電，電動機M被接成Δ運行，整個起動過程完成。當需要電動機停轉時，按下停止按鈕SB3即可。圖3-25為時間繼電器控制的Ｙ－△轉換減壓起動控制電路。其工作原理如下：先合上電源開關QS，按下起動按鈕SB1，接觸器KMY和時間繼電器KT線圈同時得電，其中KMY的主觸頭閉合，把電動機繞組接成“Y”形；其輔助常開觸頭的閉合使接觸器KM線圈得電，KM主觸頭閉合，此時電動機M被接成“Y”形起動。當電動機轉速上升到一定值時，KT延時也結束，KT的通電延時斷開常閉觸頭分斷，KMY和KT相繼失電，接觸器KMΔ得電，電動機被接成“Δ”運行。三相籠型異步電動機采用Y－△轉換減壓起動時，定子繞組Y接法時的起動電壓為直接采用△接法時起動電壓的1/，起動轉矩Ｙ接法時為△接法時的1/3，起動電流Ｙ接法也為△接法的1/3。與自耦變壓器減壓起動相比，成本低、電路簡單，但起動轉矩較小。因此，這種起動方法，僅適用于空載或輕載狀態(tài)下起動。五、軟起動器軟起動器的基本原理框圖見圖3-26所示，改變晶閘管（SCR）的觸發(fā)角，就可調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓。使用軟起動器起動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑起動降低起動電流，避免起動過流跳閘。通過降低有效電壓，軟起動器可以根據(jù)負載進行優(yōu)化調(diào)整，減少對負載的沖擊和限制起動電流。電動機達到額定轉速時，起動過程結束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟起動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟起動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟起動過程相反，電壓逐漸降低，轉速逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。當電動機起動時，通過可編程控制器或鍵盤向軟起動器發(fā)出起動命令，軟起動器通過可控硅控制電動機的起動電壓和電流，使電動機平滑起動。當電壓達到額定值時，接觸器KM吸合，短接軟起動器，三相電源直接加在電動機上，軟起動器起動完成，并向可編程控制器發(fā)出起動完成信號。當電動機停機時，通過可編程控制器或鍵盤向軟起動器發(fā)停機令，在軟起動器的控制下，電動機逐漸減速至完全停機?！静襟E三】知識和能力的歸納（時間：5分鐘）電動機的容量相對于變壓器的容量較大時為避免電機起動電流造成電網(wǎng)電壓的過分降低就要采用減壓起動方式，常用的有定子串電阻（電抗）起動、自耦變壓器、Y-△轉換及延邊三角形－三角形轉換減壓起動幾種方式。定子串電阻和電抗都可以達到減壓的目的，定子串電阻時要消耗有功功率，電阻會發(fā)熱；定子串電抗時由于消耗的是無功功率，所以電抗不發(fā)熱（理想狀態(tài)下），更符合現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的理念，但一次投資較大，對頻繁起制動的電動機更為合適。由于所使用的電阻要承受較大的起動電流，所以電阻的功率較大，為繞線電阻。電阻和電抗都需要較大的安裝空間，同時由于電阻的發(fā)熱，其安裝時要遠離對溫度敏感的器件。自耦變壓器減壓起動方法適用于起動容量較大（14-300KW），正常工作時接成星形或三角形的電動機，起動轉矩可以通過改變抽頭的連接位置得到改變。它的缺點是自耦變壓器價格較貴