电机及电气控制技术教案：第16讲

****学院单元教学设计****学年第**学期课程名称：电机与电气控制技术授课班级：****任课教师：所在系部及教研室：研室

第16讲标题：三相笼型异步电动机减压起动控制电路（2学时）授课班级上课时间上课地点多媒体教室教学目的掌握减压启动的种类、实现的方法和电路的工作原理。教学目标能力（技能）目标知识目标能正确分析定子串电阻（电抗）起动、自耦变压器、Y-△转换及延边△－△转换减压起动电路的工作原理；能正确对定子串电阻（电抗）起动、自耦变压器、Y-△转换及延边△－△转换减压起动电路的电气故障进行分析和判断，并排除其故障。了解三相笼型异步电动机减压起动的必要条件；掌握定子串电阻减压起动与定子串电抗减压起动的不同点；掌握定子串电阻（电抗）起动、自耦变压器、Y-△转换及延边△－△转换减压起动的特点和适应场合；掌握定子串电阻（电抗）减压起动、自耦变压器、Y-△转换及延边△－△转换减压起动的电路的工作原理。重点及解决方法重点：掌握减压启动的种类、实现的方法和电路的工作原理难点：电路的工作原理解决方法：对电路工作过程进行重点分析参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：4分钟）减压启动的种类、实现的方法和电路的工作原理。【步骤二】新知识讲解（时间：78分钟）笼型异步电动机采用全电压直接起动时，控制电路简单。但并不是所有笼型异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动的，由电动机的原理可知，三相笼型异步电动机直接起动时，起动电流大约是电动机额定电流的4-7倍。在电源变压器容量不足够大的情况下，会导致变压器二次侧电压大幅度下降，这样不但会减小电动机本身的起动转矩，甚至会造成电动机根本无法起动，同时还会影响同一供电网路中其他设备的正常工作。通常情况下，容量超过10kW的笼型异步电动机，当为电动机供电的变压器容量不足够大时[编者主张按水利电力出版社出版的设计手册中的经验公式进行判断，即当SN＜5PN时要进行减压动，式中SN为变压器的额定容量，PN为电动机的额定功率；编者查阅国内大部分教科书，都按4（Ist/IN）<3+SN/PN的经验公式进行判断，式中Ist为电动机全压起动时的电流、IN为电动机的额定电流，按起动电流大约是电动机额定电流的4-7倍进行计算，SN＜（13-25）PN，显然与SN＜5PN有很大的差距，现在电网导线往往有较大的余量，按SN＜5PN估算即可]，一般都采用减压起动的方式来起动，即起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，起动后再将电压恢复到额定值，使电动机在正常电压下运行。因电枢电流和电压成正比，所以在降低电压的同时便可减小起动电流，不致在电网中产生过大的电压降，减小了对电网电压的影响。常用的减压起动方法有定子绕组串阻抗、自耦变压器、Y-△转换减压起动等。一、减压起动时的机械特性图3-17是三相笼型异步电动机的机械特性，其中曲线1是固有机械特性，曲线2、3是减压起动时的机械特性。固有特性有三个特殊点，即起动点A、临界点B（具有最大转矩）、同步点C。因转矩与定子绕组电压平方成正比，故在降低定子绕组电压时，起动点左移；同样，临界点也向左平移（临界点的转差率不变、转矩正比与定子电压的平方）；而同步点不变。三相笼型异步电动机在减压起动时，起动电流和起动电压成同样比例降低，如电压是额定电压的80%时，电流也是额定电压起动时的80%，起动转矩和临界转矩是额定电压起动的64%。为保证起动过程的顺利进行，要考虑电动机起动时所带的负载，电动机的起动转矩一定要大于负载转矩。二、定子绕组串电阻（电抗）减压起动控制电路定子绕组串电阻（或电抗）减压起动是指在电动机起动时，在三相定子电路中串接电阻（或电抗），通过电阻（或电抗）的分压作用，使电动机定子绕组上的起动电压降低，起动结束后再将电阻（或电抗）短接，使电动机在额定电压下正常运行。下面分别介绍手动切换的、时间继电器控制的和手动与自动混合控制的三种形式的串电阻减压起动控制电路。1.手动切换的定子绕组串电阻减压起动电路图3-18所示为手动切换的定子绕组串电阻减压起动电路。其工作原理如下：先合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，KM1得电吸合并自锁，电动机M串电阻R减压起动，待电动机转速上升到一定值时，再按下按钮SB2，KM2得电吸合并自锁，R被短接，电动机M在全压下运行。图3-18所示的电路，电动机从减压起动到全压运行需要工作人员操作两次方能完成，工作既不方便也不可靠。因此，实际的控制电路常采用时间继电器来自动完成短接电阻的动作，以实现自动控制。串电阻减压起动时，电阻在分压的同时将消耗较大的电能，因此会有较大的发热。因此减压电阻常选择功率较大的绕线式电阻，并将其安装在比较利于散热的地方。当把电阻换成电抗时，同样可以达到减压的目的，电抗器在电机的起动过程中并不消耗有功功率，故不会发热。但一般情况下电抗器的价格比电阻高，在频繁起动的设备上其节能效果才可以体现出来。也有少数设备采用同时串电阻和电抗的方法进行减压起动。2.时间继电器控制的定子绕组串电阻减压起动控制电路图3-19为时间继电器自动控制电路。这个电路中采用时间继电器KT代替了图3-18电路中的SB2的功能，从而实现了电动机从减压起动到全压运行的自动控制。只要调整好时间继电器KT触头的动作时间，电动机由减压起动到全压运行这个过程就可准确完成。其工作原理如下：合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，接触器KM1得电吸合并自锁，电动机定子绕组串电阻R减压起动；接触器KM1得电的同时，时间继电器KT得电吸合，其延时闭合常开触头不能立即动作，待电动机转速上升到一定值时，KT延时结束，KT延时闭合常开触头闭合。接触器KM2得电动作，主回路中电阻被R短接，电动机在全压下正常运行。从主回路看，只要KM2得电就能使电动机全压运行，但图3-19在电动机起动后，接触器KM1、KM2和时间继电器KT都处于得电状态，从而使能耗增加，并缩短了电器的使用寿命。图3-20就解决了这个问题。在KM1的线圈回路中串接了KM2的常闭触头进行联锁，当KM2得电动作后，其常闭触头就会切断KM1（及KT）线圈电路使其失电，同时KM2自锁。这样在电动机全压运行后，就会把接触器KM1和时间继电器KT全部从电路中切除，从而延长其使用寿命，节省了电能，同时也提高了电路的可靠性。3.手动与自动混合控制串电阻减压起动电路图3-21所示是手动与自动混合控制串电阻减压起动电路。电路中增设了一个组合开关SA。工作时，先合上电源开关QS。当需要手动控制时，把组合开关SA扳到1位置，起动电阻可以通过按钮SB2的手动操作来短接，其详细工作原理与图3-20所示电路类同。当需要自动控制时，把组合开关SA扳到2位置，控制电路可通过时间继电器KT和接触器KM2的配合，实现自动控制串电阻减压起动。三、自耦变压器减压起动控制电路在自耦变压器减压起动的控制电路中，电动机起动电流的限制是依靠自耦变压器的减压作用来实现的。电动机起动的时候，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次侧电压，待电动机起动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运行，这种减压起动分为手动控制和自动控制两种。图3-22是手动控制自耦变压器减压起动控制电路。其工作原理如下：先合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，接触器KM1、KM2相继得电并自锁，自耦变压器TM接入电动机M的主电路中，使电动机作减压起动。当电动机转速上升到接近额定转速时（即起动完毕），按下按钮SB2，中间继电器KA与接触器KM3相继得电动作，切除自耦变压器TM，电动机进入全电压正常运行状态。该控制电路有如下优点：①起动时若发生误操作，即直接按下按钮SB2，接触器KM3线圈也不会得电，电动机M无法起动，避免电动机全压起动；②由于接触器KM1的常开辅助触头与KM2线圈串联，所以在减压起动完毕按下SB2按钮后，只要接触器KM1线圈能够断电，接触器KM2线圈也必定会被断开，所以即使接触器KM3出现故障使触头无法闭合时，也不会使电动机在低电压下运行；③接触器KM3的闭合时间领先于接触器KM2的释放时间，所在不会出现电动机起动过程中的间隙断电，也就不会出现第二次起动电流。图3-23为自动控制自耦变压器减压起动控制电路。它与图3-22的主要区别在于利用时间继电器KT的两对延时触头，代替了中间继电器KA的常闭和常开触头，并去掉按钮SB2。其工作原理不再分析。自耦变压器减压起动方法适用于起动容量较大（14-300KW），正常工作时接成星形或三角形的电动机，起动转矩可以通过改变抽头的连接位置得到改变。但它的缺点是自耦变压器价格较贵，而且不允许频繁起动。四、星形－三角形（Y－△）转换减压起动控制电路凡是在正常运转时定子绕组作△连接的三相笼型异步电动机均可采用Ｙ－△转换减压起动方法。起动时，把定子绕组接成Y，以降低起动电压，限制起动电流，待转速上升到一定值时，将定子绕组改接成△，使电动机在全压下运行。Ｙ－△转换减压起动控制电路常采用两种形式，一是按钮控制的Ｙ－△转换减压起动控制电路；二是时间继电器控制的Ｙ－△转换减压起动控制电路。图3-24为按钮控制的Ｙ－△转换减压起动控制电路，适用于13kW以上的电动机。电路工作原理如下：先合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，接触器KM和KMY（不常用此种形式文字符号来表示不同的电器元件，但为区分不同功能的器件时也可以使用）线圈同时得电，KMY主触头闭合，把电动机绕组接成Y形，KM主触头闭合接通电动机电源，使电动机M接成Y形减压起动。当电动机转速上升到一定值时，按下起动按钮SB2，SB2常闭触头先分断，切断KMY线圈回路，SB2常开触头后闭合，使KMΔ线圈得电，电动机M被接成Δ运行，整个起动过程完成。当需要电动机停转时，按下停止按钮SB3即可。图3-25为时间继电器控制的Ｙ－△转换减压起动控制电路。其工作原理如下：先合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，接触器KMY和时间继电器KT线圈同时得电，其中KMY的主触头闭合，把电动机绕组接成“Y”形；其辅助常开触头的闭合使接触器KM线圈得电，KM主触头闭合，此时电动机M被接成“Y”形起动。当电动机转速上升到一定值时，KT延时也结束，KT的通电延时断开常闭触头分断，KMY和KT相继失电，接触器KMΔ得电，电动机被接成“Δ”运行。三相笼型异步电动机采用Y－△转换减压起动时，定子绕组Y接法时的起动电压为直接采用△接法时起动电压的1/，起动转矩Ｙ接法时为△接法时的1/3，起动电流Ｙ接法也为△接法的1/3。与自耦变压器减压起动相比，成本低、电路简单，但起动转矩较小。因此，这种起动方法，仅适用于空载或轻载状态下起动。五、软起动器软起动器的基本原理框图见图3-26所示，改变晶闸管（SCR）的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。使用软起动器起动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑起动降低起动电流，避免起动过流跳闸。通过降低有效电压，软起动器可以根据负载进行优化调整，减少对负载的冲击和限制起动电流。电动机达到额定转速时，起动过程结束，软起动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软起动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软起动器同时还提供软停车功能，软停车与软起动过程相反，电压逐渐降低，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。当电动机起动时，通过可编程控制器或键盘向软起动器发出起动命令，软起动器通过可控硅控制电动机的起动电压和电流，使电动机平滑起动。当电压达到额定值时，接触器KM吸合，短接软起动器，三相电源直接加在电动机上，软起动器起动完成，并向可编程控制器发出起动完成信号。当电动机停机时，通过可编程控制器或键盘向软起动器发停机令，在软起动器的控制下，电动机逐渐减速至完全停机。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：5分钟）电动机的容量相对于变压器的容量较大时为避免电机起动电流造成电网电压的过分降低就要采用减压起动方式，常用的有定子串电阻（电抗）起动、自耦变压器、Y-△转换及延边三角形－三角形转换减压起动几种方式。定子串电阻和电抗都可以达到减压的目的，定子串电阻时要消耗有功功率，电阻会发热；定子串电抗时由于消耗的是无功功率，所以电抗不发热（理想状态下），更符合现在节能环保的理念，但一次投资较大，对频繁起制动的电动机更为合适。由于所使用的电阻要承受较大的起动电流，所以电阻的功率较大，为绕线电阻。电阻和电抗都需要较大的安装空间，同时由于电阻的发热，其安装时要远离对温度敏感的器件。自耦变压器减压起动方法适用于起动容量较大（14-300KW），正常工作时接成星形或三角形的电动机，起动转矩可以通过改变抽头的连接位置得到改变。它的缺点是自耦变压器价格较贵