3項目三 三相異步電動機的降壓啟動控制與制動控制

項目三三相異步電動機降壓啟動控制接線與調(diào)試降壓起動適用于容量大于或等于20kW并帶輕載的工況。由于輕載，故電動機起動時電磁轉(zhuǎn)矩很容易滿足負載要求。主要問題是起動電流大，電網(wǎng)難以承受過大的沖擊電流，因此必須降低啟動電流。學習目標學習目標掌握定子串電阻降壓啟動控制線路、延邊三角啟動、Y/Δ啟動控制線路以及自耦變壓器降壓啟動控制線路。三相繞線式異步電動機的啟動控制的設計和原理能正確識別、選用、安裝和調(diào)節(jié)時間繼電器。能正確安裝和操作Y-△形降壓啟動控制電路。相關知識相關知識一、三相異步電動機的啟動1、三相異步電動機對啟動的要求（1）電動機有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩。（2）一定大小啟動轉(zhuǎn)矩前提下，啟動電流越小越好。（3）啟動所需設備簡單，操作方便。（4）啟動過程中功率損耗越小越好。2、鼠籠式異步電動機的啟動（1）直接啟動（全壓啟動）啟動時加在電動機定子繞組上的電壓為額定電壓。三相異步電動機直接啟動的條件（滿足一條即可），如圖3-1所示。①容量在7.5KW以下的電動機均可采用。②由專用變壓器供電時，電動機的容量小于變壓器容量的20%。③可用經(jīng)驗公式粗估電動機是否可直接啟動

優(yōu)點：所需啟動設備簡單，啟動時間短，啟動方式簡單、可靠，所需成本低。缺點：啟動電流很大，對電動機及電網(wǎng)有一定沖擊。（2）降壓啟動在電動機啟動時降低定子繞組上的電壓，啟動結(jié)束后加額定電壓的啟動方式。降壓啟動能起到降低電動機啟動電流的目的，但由于轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此降壓啟動時電動機的轉(zhuǎn)矩減小較多，故只適用于空載或輕載啟動。①電阻（或電抗）降壓啟動降壓啟動方式是指在啟動過程中降低其定子繞組端的外施電壓，啟動結(jié)束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復到額定值。這種方法雖然能達到降低啟動電流的目的，但啟動轉(zhuǎn)矩也減小很多，故此法一般只適用于電動機的空載或輕載啟動，具體方法：圖3-2定子串電阻降壓起動三相籠形異步電動機啟動時，在電動機定子電路串入電阻或電抗器，使加到電動機定子繞組端電壓降低，減少了電動機上的啟動電流。如圖3-2定子串電阻降壓起動，是三相籠形電動機定子繞組串電阻降壓啟動的原理圖，其工作情況為：先合上刀開關S1，在開始起動時，將S2打到啟動端，電路串入電阻Ra電動機經(jīng)電阻接入電源，電動機在低壓狀態(tài)下開始啟動。當電動機的轉(zhuǎn)速接近額定值時，使S2打到運行端，切除了電阻，電源電壓直接加在電動機上，啟動過程結(jié)束。這種啟動方法不受電動機定子繞組接法形式的限制，但由于啟動電阻的存在，將使設備體積增大，電能損耗大，目前已較少采用。②Y/△降壓啟動中、大功率電動機啟動時把定子繞組接成Y形，運行時把定子繞組接成△形，使電動機全壓運行，這種啟動方法稱為Y-△降壓啟動。電動機采用Y-△降壓啟動可使啟動電源線電流減少為△形接法的1/3，有效避免了過大電流對供電電路的影響。在控制電路中，常利用時間繼電器完成Y-△形自動切換。三相籠形異步電動機的Y/△降壓啟動簡單，運行可靠，應用廣泛。但只適用于正常運轉(zhuǎn)時定子繞組為△接法的電動機。③定子串自耦變壓器降壓啟動這種方法是利用自耦變壓器將電源電壓降低后再加到電動機定子繞組端，達到減小啟動電流的目的，如圖3-3定子串自耦變壓器降壓啟動所示。設自耦變壓器的一次側(cè)電壓U1（即電源電壓），電流為I1，二次側(cè)電壓為U2，電流為I2，變壓比為ka，則：（3-1）圖3-3定子串自耦變壓器降壓啟動電路的控制原理是：合上電源后，電動機定子繞組經(jīng)自耦變壓器實現(xiàn)減壓啟動。當電動機的轉(zhuǎn)速接近于額定轉(zhuǎn)速時，直接將全電壓加在電動機上，啟動過程結(jié)束，進入全壓運行狀態(tài)。自耦變壓器降壓啟動的啟動性能好，但線路相對較復雜，設備體積大，目前是三相籠形異步電動機常用的一種降壓啟動方法。二、三相異步電動機的調(diào)速異步電機結(jié)構簡單、成本低、維修方便、工作可靠，因此得到了廣泛的使用。在生產(chǎn)實際中需要對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)以滿足工藝設備的要求，因此三相異步電機的調(diào)速具有重要的意義。根據(jù)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為（3-2）式中：f1為異步電動機的定子電壓供電頻率；p為異步電動機的極對數(shù)；s為異步電動機的轉(zhuǎn)差率。所以調(diào)節(jié)三相異步電動機的轉(zhuǎn)速有三種方案。1、變極調(diào)速（改變電動機的極對數(shù)）通過改變定子繞組的連接方式來實現(xiàn)。變極調(diào)速是改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速（3-3）所以一般稱變極調(diào)速的電動機為多速異步電動機。（1）變極原理由式（3-2）知：改變異步電動機的定子繞組的極對數(shù)p，可以改變磁通勢的同步轉(zhuǎn)速n1，由于轉(zhuǎn)差率s不變，則轉(zhuǎn)速得到了調(diào)節(jié)。圖3-4三相異步電動機的變極調(diào)速繞組接線方式三相鼠籠式異步電動機定子繞組極對數(shù)的改變，是通過改變繞組的接線方式實現(xiàn)的。如上圖3-4所示的一個四極電機A相定子繞組的兩個線圈頭尾相連時（正向串聯(lián)），具有四個磁極(2p=4)；如果將定子繞組的聯(lián)接方式改成后面圖的形式，根據(jù)每相繞組中，一半線圈的電流方向，用右手螺旋定則確定出磁通方向，此時定子繞組具有兩個磁極(2p=2).由此可見，讓半相繞組的電流方向，就能使極對數(shù)減半，從而使同步轉(zhuǎn)速增加一倍，運行的轉(zhuǎn)速也接近成倍變化。變極調(diào)速中，當定子繞組的接線方式改變的同時，還需要改變定子繞組的相序；即倒換定子電流的相序，以保證變極調(diào)速前后電動機的轉(zhuǎn)向不變，即要求磁通旋轉(zhuǎn)方向不變。（2）變極調(diào)速的特點和性能①變極調(diào)速設備簡單，體積小，重量輕，運行可靠，操作方便；②變極調(diào)速的機械特性較硬，可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和接近恒功率調(diào)速，且轉(zhuǎn)差功率損耗基本不變，效率較高；③變極調(diào)速方法為有級調(diào)速，且調(diào)速的級數(shù)不多，一般最多為四級。普遍應用于各種機床、起重機和輸送機等設備上；④變極調(diào)速的平滑性較差。為了改進調(diào)速的平滑性，可采用變極調(diào)速與降壓調(diào)速相結(jié)合的方法。從而擴大了調(diào)速范圍，又減小了低速損耗。2、變頻調(diào)速（改變電源的頻率f1）通過改變定子繞組的電壓供電頻率f1來實現(xiàn)。當轉(zhuǎn)差率s一定時，電動機的轉(zhuǎn)速n基本上正比于f1。很明顯只要有輸出頻率可平滑調(diào)節(jié)的變頻電源，就能平滑、無極地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。異步電動機的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率不變，在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中效率最高，同時性能最好，是交流調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。（1）變頻調(diào)速原理改變異步電動機定子繞組供電電源的頻率f1，可以改變同步轉(zhuǎn)速n，從而改變轉(zhuǎn)速。如果頻率f1連續(xù)可調(diào)，則可平滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此為變頻調(diào)速原理。三相異步電動機運行時，忽略定子阻抗壓降時定子每相電壓為：(3-4)式中E1為氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢；f1為定子電源頻率；N1為定子每相繞組匝數(shù)；kw1為基波繞組系數(shù)，φm為每極氣隙磁通量。如果改變頻率f1，且保持定子電源電壓U1不變，則氣隙每極磁通φm將增大，會引起電動機鐵芯磁路飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機，這是不允許的。因此，降低電源頻率f1時，必須同時降低電源電壓，已達到控制磁通φm的目的。（2）其特點和性能為：①變頻調(diào)速設備（簡稱變頻器）結(jié)構復雜，價格昂貴，容量有限。但隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器向著簡單可靠、性能優(yōu)異、價格便宜、操作方便等趨勢發(fā)展；②變頻器具有機械特性較硬，靜差率小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍廣（可達10：1），平滑性高等特點；可實現(xiàn)無級調(diào)速；③變頻調(diào)速時，轉(zhuǎn)差率s較小，則轉(zhuǎn)差功率損耗較小，效率較高；④可以證明：變頻調(diào)速時，基頻下的調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；基頻調(diào)速以上時，近似為恒功率調(diào)速方式；⑤變頻調(diào)速器已廣泛用于生產(chǎn)機械等很多領域內(nèi)。3、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法很多，常用的方案有改變異步電動機的定子電壓變轉(zhuǎn)差調(diào)速；采用電磁轉(zhuǎn)差（或滑差）離合器調(diào)速；轉(zhuǎn)子回路串電阻變轉(zhuǎn)差調(diào)速以及串極調(diào)速等。前兩種方法適用于鼠籠式異步電動機，后者適合于繞線式異步電動機。這些方案都能使異步電動機實現(xiàn)平滑調(diào)速，但共同的缺點是在調(diào)速過程中存在轉(zhuǎn)差損耗，即在調(diào)節(jié)過程中轉(zhuǎn)子繞組均產(chǎn)生大量的鋼損耗(又稱轉(zhuǎn)差功率)，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，系統(tǒng)效率降低。因此使用受到限制。二、時間繼電器在生產(chǎn)中經(jīng)常需要按一定的時間間隔來對生產(chǎn)機械進行控制，時間控制通常是利用時間繼電器來實現(xiàn)的。時間繼電器（Time-delayRelay）是指自得到動作信號起至觸頭動作或輸出電路產(chǎn)生跳躍式改變有一定延時，該延時又符合其準確度要求的繼電器。時間繼電器的種類很多，如圖3-5所示。按照工作原理可分為電磁式、空氣阻尼式、晶體管式和電動式。按照延時方式可分為通電延時型和斷電延時型。圖3-5時間繼電器

1—線圈2—反力彈簧3—銜鐵4—鐵芯5—彈簧片6—瞬時觸頭

7—杠桿8—延時觸頭9—調(diào)節(jié)螺釘10—推桿11—空氣室12—寶塔形彈簧圖3-5（a）、（b）、（c）所示分別為JS14—A系列晶體管式時間繼電器的外形、內(nèi)部構件和操作面板，圖3-5（d）、（e）所示為JS7—A系列空氣阻尼式時間繼電器的外形與內(nèi)部結(jié)構。圖3-5（f）所示結(jié)構為斷電延時型空氣阻尼式時間繼電器，將電磁鐵反轉(zhuǎn)180°安裝后，即成為通電延時型。1.通電延時型時間繼電器通電延時型時間繼電器的電路符號如圖3-6所示。圖3-6通電延時型時間繼電器的電路符號2.斷電延時型時間繼電器斷電延時型時間繼電器的電路符號如圖3-7所示。圖3-7斷電延時型時間繼電器的電路符號3．時間繼電器的功能時間繼電器是一種利用電磁原理、機械動作原理、電子技術或計算機技術實現(xiàn)觸頭延時接通或斷開的自動控制電器。當它的感測部分接收輸入信號后，必須經(jīng)過一定的時間延時，它的執(zhí)行部分才會動作并輸出信號以操縱控制電路。4.時間繼電器的型號規(guī)格時間繼電器型號規(guī)格如圖3-8所示。圖3-8時間繼電器的型號規(guī)格5．晶體管式時間繼電器晶體管式時間繼電器延時精度高，時間長，調(diào)節(jié)方便。例如圖3-5（c）所示的晶體管式時間繼電器的延時規(guī)格為30s，刻度調(diào)節(jié)范圍0~10，圖3-5（c）所示調(diào)節(jié)旋鈕指向刻度5，則延時時間為15s。JS20-D是斷電延時型晶體管式時間繼電器的型號。主要技術數(shù)據(jù)為：（1）供電電壓：交流（36V、110V、220V、380V）；直流（24V、27V、30V、36V、110V、220V）。（2）延時規(guī)格：5s、10s、30s、60s、120s、180s；5min、10min、20min、30min、60min。6．空氣阻尼式時間繼電器JS7-A系列空氣阻尼式時間繼電器主要由電磁系統(tǒng)、工作觸點和氣室三部分組成。工作觸點包括2對瞬時觸點（1常開1常閉）和2對延時觸點（1常開1常閉）?？諝庾枘崾綍r間繼電器是利用氣室內(nèi)的空氣通過小孔節(jié)流的原理來獲得延時動作的。通電延時型的工作原理是：當電磁線圈通電后，動鐵芯吸合，瞬時觸點立即動作，而與氣室相緊貼的橡皮膜隨進入氣室的空氣量而開始移動，通過推桿使延時觸點延時一定時間后才動作，調(diào)節(jié)進氣孔的大小即可獲得所需要的延時量。斷電延時型的工作原理與通電延時型相似。主要技術數(shù)據(jù)為：（1）供電電壓：交流（24V、36V、110V、220V、380V）；（2）延時規(guī)格：0.4～60s、0.4～180s。7.時間繼電器的選用時間繼電器種類繁多，選擇時應綜合考慮適用性、功能特點、額定工作電壓、額定工作電流、使用環(huán)境等因素，做到選擇恰當，使用合理。（1）經(jīng)濟技術指標。在選擇時間繼電器時，應考慮控制系統(tǒng)對延時時間和精度的要求。若對時間精度的要求不高，且延時時間較短，宜選用價格低、維修方便的電磁式時間繼電器；若控制簡單且操作頻率很低，如Y-△啟動，可選用熱雙金屬片時間繼電器；若對時間控制要求精度高，應選用晶體管式時間繼電器。（2）控制方式。被控制對象如需要周期性的重復動作或要求多功能、高精度時，可選用晶體管式或數(shù)字式時間繼電器?！纠?-1】有一個晶體管時間繼電器，型號是JSZ3，其外殼上有圖3-9所示的示意圖，指出其含義，并說明如何實現(xiàn)延時30s后閉合的功能。圖3-9時間繼電器的接線圖【解】圖3-9（a）的含義是：接線端子2和7是由線圈引出的；接線端子1、3和4是“單刀雙擲”觸頭，其中，1和4是常閉觸頭端子，1和3是常開觸頭端子；同理，接線端子5、6和8是“單刀雙擲”觸頭，其中，5和8是常閉觸頭端子，6和8是常開觸頭端子。圖3-9（b）的含義是：當時間繼電器上的開關指向2和4時，量程為1s；當時間繼電器上的開關指向1和4時，量程為10s；當時間繼電器上的開關指向2和3時，量程為60s；當時間繼電器上的開關指向1和3時，量程為6min，圖中的黑色表示被開關選中。顯然，觸頭的接線端子可以選擇1和4或者5和8，線圈接線端子只能選擇2和7，撥指開關最好選擇指向2和3。項目分析項目分析Y-△形降壓啟動控制電路原理圖如圖3-10所示。該電路主要由3個接觸器、1個時間繼電器組成。接觸器KM作引入電源用，接觸器KMY和KM△分別作Y形降壓啟動和△形全壓運行用，時間繼電器KT用作控制Y形降壓啟動時間和完成Y-△形自動切換。圖3-10Y-△形降壓啟動控制線路原理圖電路工作原理分析如下：合上電源開關QF。停止時，按下SB2即可實現(xiàn)。項目項目實施1.工具及器材工具及器材見表3-1。表3-1工具及器材序號名稱型號與規(guī)格單位數(shù)量1三相交流電源~3×380V處12電工通用工具驗電筆、鋼絲鉗、螺絲刀（包括十字口螺絲刀和一字口螺絲刀）、電工刀、尖嘴鉗、活扳手等套13斷路器DZ5-20/330個14低壓熔斷器RT系列個55熱繼電器JSR系列（根據(jù)電動機自定）個16按鈕LA10-2H個17接觸器CJX1系列（線圈電壓380V）個38時間繼電器JS7-2A（線圈電壓380V，延時時間6s）個19電動機根據(jù)實習設備自定臺110導線BVR1.5mm2塑銅線若干2.操作注意事項不允許帶電安裝元器件或連接導線，在有指導教師現(xiàn)場監(jiān)護的情況下才能接通電源。停止時必須先按下停止按鈕，不允許帶負荷分斷電源開關。3.操作步驟（1）仔細觀察各種不同類型、規(guī)格的行程開關，熟悉它們的動作原理。（2）檢測時間繼電器質(zhì)量好壞，調(diào)節(jié)時間繼電器的延時時間。（3）按圖3-19所示的原理圖進行接線。（4）經(jīng)指導教師檢查合格后進行通電操作。4.評分標準表3-2成績評定表學生姓名學號班級日期序號檢評項目檢評標準得分1專業(yè)知識能力（50分）線路連接是否正確，接線是否整齊美觀，檢測是否正常，儀表是否會使用；每個步驟是否符合工作進程安排，能否按時完成整個任務；應知理論考試；技術文件是否完整、正確、規(guī)范、詳細。2社會能力（20分）有沒有出現(xiàn)設備、元器件損壞以及使用材料無浪費，工作現(xiàn)場是否整齊規(guī)范，操作是否規(guī)范，勞動保護用品穿戴是否整齊；在整個工作過程中能否互相協(xié)調(diào)，積極主動配合，完成整個任務；能否遵守實訓室管理制度和作息制度，有無違紀行為3總結(jié)報告（10分）綜合評價報告中詳細說明在任務實施過程中掌握了什么知識、學會了什么技能、發(fā)現(xiàn)了什么技巧、出現(xiàn)了什么問題、如何解決問題，遇到了不能解決的問題，進行了怎樣的改進、嘗試了什么創(chuàng)新、創(chuàng)新的結(jié)果如何等4總體評價意見（20分）教師通過現(xiàn)場抽查、答辯、布置臨時作業(yè)、成員自評、成員互評等多種方式評價，根據(jù)考核情況確定等級教師簽名總成績知識拓展知識拓展雙速電動機的調(diào)速控制調(diào)速是指在同一負載下得到不同的傳遞，以滿足生產(chǎn)過程的要求。改變電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法：改變p、f、s；改變f、s調(diào)速的技術和控制方法比較復雜，因此未普遍采用。1、變極調(diào)速圖3-11雙速電機繞組接線圖（1）雙速電機的變極方法U1、V1、W1端接電源，U2、V2、W2開路，電動機為△接法（低速）U1、V1、W1端短接，U2、V2、W2端接電源為YY接法（高速）注意，變極時，調(diào)換相序，以保證變極調(diào)速以后，電動機轉(zhuǎn)動方向不變。SHAPE圖3-12雙速電動機的電氣控制電路圖（2）主電路：KM1主觸點構成△接的低速接法。KM2、KM3用于將U1V1W1端短接，并在U２V２W２端通入三相交流電源，構成YY接的高速接法。（3）控制電路圖3-12（a）電路中，按鈕SB1實現(xiàn)低速起動和運行。按鈕SB2使KM2、KM3線圈通電自鎖，用于實現(xiàn)YY變速起動和運行。圖3-12（b）電路在高速運行時，先低速起動，后高速（YY）運行，以減少啟動電流。選擇開關SA合向高速→時間繼電器KT線圈通電延時→KM1線圈通電，電動機M作低速啟動。KT延時時間到→KM1線圈斷電復位→KM2、KM3線圈通電→電動機M作YY接法高速運行。選擇開關SA合向低速→KM1線圈通電，電動機M作低速轉(zhuǎn)動。選擇開關SA合向0位時，電動機停止運行。思考與練習1、機床上常用的多速電機是通過改變來改變轉(zhuǎn)速的。2、繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻，可以限制，并且增大起動轉(zhuǎn)矩。3、三相異步電動機在電動機運行時，轉(zhuǎn)差率的范圍是。4、把三相鼠籠式異步電動機接到三相對稱電源上，現(xiàn)任意對調(diào)兩相，電動機的轉(zhuǎn)向?qū)?、三相50Hz異步電動機，額定運行時的轉(zhuǎn)差率為s=0.04，則轉(zhuǎn)子繞組中的感應電動勢和電流的頻率為Hz。6、鼠籠式異步電動機降壓起動的方法有定子回路串電抗器起動、星-三角換接起動和起動。7、任何三相異步電動機均可采用星-三角起動。（）8、三相交流異步電動機變極調(diào)速時只需改變定子繞組端部接線，電機電源相序不變。（）9、電動工具上標出的額定功率為該電動工具電機的額定輸入功率。（）10、三相異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不可能大于其同步轉(zhuǎn)速。（）11、變極調(diào)速只適用于三相鼠籠式異步電動機。（）12、三相異步電動機的轉(zhuǎn)速取決于電源頻率和極對數(shù)，而與轉(zhuǎn)差率無關。（）率亦為零。13、三相異步電動機機械負載加重時,其定子電流將(

)。A.增大

B.減小

C.不變

D.不一定14、三相異步電動機啟動轉(zhuǎn)矩不大的主要原因是()。A.啟動時電壓低

B.啟動時電流不大

C.啟動時磁通少

D.啟動時功率因數(shù)低15、三相異步電動機增大轉(zhuǎn)子電阻,則其啟動轉(zhuǎn)矩()。A.增大

B.減小

C.不變

D.不一定16、改變?nèi)喈惒诫妱訖C轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的方法是()。A.改變?nèi)喈惒诫妱訖C的起動方式B.改變定子繞組電流相序。C.改變電源電壓D.改變電源頻率17、三相異步電動機的額定功率是指()。A.輸入的視在功率B.輸入的有功功率C.產(chǎn)生的電磁功率D.輸出的機械功率18、變極對數(shù)調(diào)速的多速電動機的結(jié)構屬于()三相異步電動機。A.繞線式B.罩極式C.鼠籠式D.以上都不是19、三相鼠籠式異步電動機的轉(zhuǎn)速與下列量關系正確的是()A.轉(zhuǎn)速與軸上的負載成正比B.轉(zhuǎn)速與電源電壓成正比C.轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比D.轉(zhuǎn)速與三相勵磁電流成正比20、三相異步電動機的理想空載時轉(zhuǎn)差率S1和堵轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)差率S2分別為()A.S1=0,S2=0B.S1>0,S2=1C.S1=0,S2=1D.S1=1,S2>021、機床上常用的雙速電機是如何改變其轉(zhuǎn)速的()A改變轉(zhuǎn)子繞組的接法B.改變定子繞組的磁極對數(shù)C.轉(zhuǎn)子繞組串兩極電阻D.定子繞組串兩