2013注評《機電設(shè)備評估基礎(chǔ)》預(yù)習(xí)：三相異步電動機的起動

第二章 傳動裝置與電機

　　知識點十七、三相異步電動機的起動

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　　電動機開始工作時，轉(zhuǎn)子總是從靜止狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動起來，這種從靜止到正常運轉(zhuǎn)的加速過程叫做起動。由于起動瞬間電動機轉(zhuǎn)速為0，轉(zhuǎn)差率S＝1，也就是說旋轉(zhuǎn)磁場和靜止轉(zhuǎn)子間的相對速度很大，因此轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢很大，轉(zhuǎn)子電流也就很大，定子電流也隨著轉(zhuǎn)子電流的增大而增大。

　　起動時的定子電流稱為起動電流。電動機在額定電壓下起動稱為直接起動。直接起動的電流約為額定電流的5～7倍。

　　直接起到存在的問題：（1）過大的起動電流將會使供電線路產(chǎn)生較大的電壓降，造成電網(wǎng)電壓顯著下降，從而影響在同一電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備的正常工作。（2）對于正在起動的電動機本身，也會因電壓下降過大，起動轉(zhuǎn)矩減少，延長起動時間，甚至不能起動。

　　因此，在供電變壓器容量較大，電動機容量較小的前提下，三相異步電動機可以直接起動。否則異步電動機起動時應(yīng)采用適當?shù)钠饎臃椒ǎㄈ缃祲浩饎樱?

　　電動機采用直接起動還是采用降壓起動也可以用下面的經(jīng)驗公式判斷：

　　式中：IQ-電動機直接起動電流（A）IN-電動機額定電流（A）

　　若計算結(jié)果符合上面的經(jīng)驗公式，則采用降壓起動，反之，采用直接起動。

　　1.直接起動控制線路所用電器

　　（1）組合開關(guān)。小容量異步電動機的起動和停止、正反轉(zhuǎn)控制常用組合開關(guān)，組合開頭也常用作電源引入開關(guān)。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸就可以將三個觸頭（彼此相差一定角度）同時接通或斷開。

　　組合開關(guān)有單極、雙極、三極和四極幾種，其額定持續(xù)電流有10A、25A、60A和100A.

　　（2）按鈕。按鈕通常用來接通或斷開電流很小的控制電路，從而控制電動機或其他電氣設(shè)備的運行。原來就接通的觸頭稱為常閉觸頭；原來斷開的觸頭稱為常開觸頭。電動機起、?？刂齐娐分谐Ｓ秒p聯(lián)按鈕。

　?。?）交流接觸器。交流接觸器常用來接通或斷開電動機或其他設(shè)備的主電路，每小時可以開閉幾百次。

　　接觸器主要由電磁鐵和觸頭兩部分組成。當線圈通電時，吸引山字形動鐵芯（上鐵芯）而使常開觸頭閉合。

　　根據(jù)用途不同，接觸器的觸頭分主觸頭和輔助觸頭兩種。輔助觸頭通過電流較小，常接在電動機的控制電路中；主觸頭能通過較大電流，接在電動機的主回路中。

　　在選用接觸器時，應(yīng)注意它的額定電流、線圈電壓及觸頭數(shù)量等。常用接觸器的主觸頭額定電流有5、10、20、40、60、100A數(shù)種。

　　（4）中間繼電器。中間繼電器通常用來傳遞信號和同時控制多個電路，也可直接用它來控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件。選用中間繼電器的時候，主要考慮電壓等級和觸頭（常開和常閉）數(shù)量。

　?。?）熱繼電器。熱繼電器主要用來保護電動機，使之避免因長時間過載而損壞。熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)工作的。

　　由于存在熱慣性，當發(fā)生短路事故時，熱繼電器不能立即斷開，因此它不能用作短路保護。正是由于熱繼電器的熱慣性，才使得它在電動機起動或短時過載時不會動作，從而避免了電動機的不必要的停車。

　　熱繼電器的主要技術(shù)數(shù)據(jù)是整定電流，就是熱元件中通過的電流超過此值的20%時，熱繼電器應(yīng)在20分鐘內(nèi)動作（電動機停止工作）。

　　常用的熱繼電器的整定電流從0.25A到40A.

　　熱繼電器的選用主要依據(jù)整定電流，整定電流應(yīng)與電動機的額定電流相等。

　?。?）熔斷器。熔斷器是一種簡便有效的短路保護電器。熔斷器中的熔片或熔絲用電阻率較高的易熔合金制成。線路在正常工作情況下，熔斷器不應(yīng)熔斷。一旦發(fā)生短路或嚴重過載，熔斷器立即熔斷。

　　在單臺電動機的起動電路中，為了防止電動機起動時較大的電流燒斷熔絲，熔絲不能按電動機的額定電流來選擇，而應(yīng)按下式計算：

　　

　　如果電動機起動頻繁，則為

　　

　　如果幾臺電動機合用一個熔斷器，則熔絲額定電流按下式計算：

　　 

　　2.直接起動控制線路

　　中、小容量三相異步電動機的直接起動控制線路，其中用了組合開關(guān)QC、按鈕SB、交流接觸器KM、熱繼電器KR及熔斷器FU等幾種電器。

　　先將組合開關(guān)QC閉合，為電動機起動作好準備。當按下起動按鈕SB1時，交流接觸器KM的線圈通電，動鐵芯被吸合，使三個主觸頭閉合，電動機M起動。當松開SB1時，交流接觸器本應(yīng)在彈簧作用下恢復(fù)其斷開位置，但由于與起動按鈕并聯(lián)的輔助觸頭和主觸頭同時閉合，因此接觸器線圈的電路仍然接通而使接觸器觸頭保持在閉合位置。這個輔助觸頭稱為自鎖觸頭。

　　上述控制電路可實現(xiàn)短路保護作用、過載保護作用和零電壓保護等多重保護：

　　短路保護：熔斷器FU起短路保護作用。

　　過載保護：熱繼電器KR起過載保護作用，為了可靠地保護電動機，應(yīng)至少用兩個熱元件，分別串接在任意兩相中。這樣不僅在電動機過載時起保護作用，而且當任意一相的熔絲熔斷后作單相運行時，仍有一個或兩個熱元件中通有電流而使電動機得到保護。

　　過零保護：當電源暫時停電時，電動機即自動從電源切除。因為這時接觸器線圈中的電流消失，動鐵芯釋放而使主觸頭和自鎖觸頭同時斷開。當電源電壓恢復(fù)后，若不重新按起動按鈕，則電動機不能自行起動，因為自鎖觸頭已經(jīng)斷開。如果不是采用繼電接觸器控制，而是直接用刀開關(guān)或組合開關(guān)進行手動控制，那么停電時未及時拉開開關(guān)，當電源電壓恢復(fù)時，電動機即自行起動而可能造成事故。

　　以上的控制電路分為主電路和控制電路兩部分。

　　主電路是：

　　三相電源——QC（組合開關(guān)）——FU（熔斷器）——KM（交流接觸器主觸頭）——KR（熱繼電器）——電動機

　　控制電路是：

　　 

　　必須學(xué)會由直接啟動的控制線路圖繪制相應(yīng)的原理圖。在繪制原理圖時需要注意：

　　將控制線路和主電路分開。各種電器使用統(tǒng)一的符號。同一電器的各個部件是分散的，但使用同一文字符號表示；而且它們的動作是關(guān)聯(lián)的。

　　所有電器的觸頭均以起始位置表示。

　　[強調(diào)]在起始情況下，如果觸頭是斷開的，則稱為常開觸頭或動合觸頭（因為一動就合）；如果觸頭是閉合的，則稱為常閉觸頭或動斷觸頭（因為一動就斷）。所有電器的觸頭均以起始位置表示。

　?。ǘ┦蠡\式異步電動機的降壓起動

　　當鼠籠式異步電動機容量較大，而電源容量不夠大時，為了限制起動電流，避免電網(wǎng)電壓顯著下降，一般采用降壓起動。降壓起動是利用起動設(shè)備，在起動時降低加在定子繞組上的電壓，待起動過程結(jié)束，再給定子繞組加上全電壓（正常工作的額定電壓）。

　　由于電磁轉(zhuǎn)矩正比于定子繞組電壓的平方，所以電動機在起動時，起動轉(zhuǎn)矩也大大降低了。因此，降壓起動只適合于空載或輕載起動，負載不大的情況。選擇起動方法時，要同時校核起動電流和起動轉(zhuǎn)矩是否滿足要求。

　　鼠籠式降壓起動方式中經(jīng)常星形-三角形（Y-△）起動、自耦變壓器降壓起動和使用電阻（電抗）起動等。

　　1.星形-三角形（Y-△）起動。如果電動機在工作時其定子繞組是聯(lián)接成三角形的，那么在起動時可把它聯(lián)成星形，等到轉(zhuǎn)速接近額定值時再換接成三角形。這就是Y-△起動。

　　在Y-△起動過程中，Y聯(lián)接需要持續(xù)一定時間才能換接成△聯(lián)接，這就得用時間繼電器來控制。

　　在交流電路中，常采用的空氣式時間繼電器，它是利用空氣阻尼作用來實現(xiàn)動作延時的。延時時間即為自電磁鐵吸引線圈通電時刻起至微動開關(guān)動作時為止的這段時間。通過調(diào)節(jié)螺釘10，調(diào)節(jié)進氣孔的大小就可調(diào)節(jié)延時時間。

　　空氣式時間繼電器結(jié)構(gòu)簡單，但準確度較低。延時范圍有0.4～60秒和0.4～180秒兩種。現(xiàn)在也使用晶體管時間繼電器。

　　在介紹降壓起動控制線路之前，需要明確：

　　1.對于同一個交流接觸器而言，可能分布在控制線路的不同地方，但是標注的符號是一致的，并且是聯(lián)動的；

　　2.交流接觸器通電，是指“線圈”通電，其他部分是否通電無所謂；

　　3.對于常開（常閉）觸頭，只要通電，或者發(fā)生機械動作，就會成為閉合（斷開）狀態(tài)，即狀態(tài)發(fā)生改變；

　　4.圖例中是“初始”時候各個觸頭的狀態(tài)。

　　KM1、KM2、KM3是三個交流觸器。起動時KM3工作（KM2不工作），電動機接成Y形；運行時KM2工作（KM3不工作），電動機接成△形。

　　

　　線路的動作次序如下：

　　 

　　本線路的特點是在接觸器KM1斷電，也就是電動機主電路斷開的情況下進行Y-△換接，這樣就可以避免當KM3的常開觸頭還未斷開時KM2已吸合而造成電源短路；另外，接觸器KM3的常開觸頭在無電情況下斷開，這就避免電弧的發(fā)生，延長其使用壽命。

　　降壓起動時，起動時的線電流為正常運轉(zhuǎn)時的線電流的1/3.起動轉(zhuǎn)矩也減小到正常運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的1/3.

　　2.自耦變壓器降壓起動。這種起動方法用于正常運行時定子繞組組接成星形而不能采用Y-△起動或容量較大的鼠籠式異步電動機，也適用于需要較大起動轉(zhuǎn)矩的場合。起動時自耦變壓器高壓端接電源，低壓端接電動機，電動機便在低于額定電壓下起動。待電動機轉(zhuǎn)速上升到接近額定轉(zhuǎn)速時，再將自耦變壓器脫離電源和電動機，電動機直接與電源相接，進入全壓運行。

　　自耦變壓器降壓器降壓起動比Y-△起動的價格高得多，但自耦變壓器有三個接頭，其輸出電壓80%、60%、40%，可根據(jù)需要選用，使用較靈活。

　　3.電阻（電抗）降壓起動。這種起動方法利用在電動機定子回路串接電阻（或電抗）來降低定子繞組電壓，以達到限制起動電流的目的。一旦起動完畢，串接電阻（電抗）即被短接，電動機進入全電壓正常運行。

　　（三）繞線式三相異步電動機的起動

　　1.轉(zhuǎn)子回路串接電阻起動。

　　繞線式三相異步電動機可以在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻進行起動，這樣就減小了起動電流。一般采用起動變阻器起動，起動時全部電阻串入轉(zhuǎn)子電路中，隨著電動機轉(zhuǎn)速逐漸加快，利用控制器逐級切除起動電阻，最后將全部起動電阻從轉(zhuǎn)子電路中切除。

　　2.轉(zhuǎn)子回路串接頻敏變阻器起動。

　　頻敏變阻器的電阻隨線圈中所通過的電流頻率而變。起動時，轉(zhuǎn)差率S＝1，轉(zhuǎn)子電流（即頻敏電阻線圈通過的電流）頻率最高，等于電源頻率。因此，頻敏變阻器的電阻最大，這就相當于起動時在轉(zhuǎn)子回路中串接一個較大電阻，從而使起動電流減小。隨著電動機轉(zhuǎn)速的加快轉(zhuǎn)差率S逐漸減小，轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸降低，頻敏變阻器電阻也逐漸減小，最后把電動機的轉(zhuǎn)子繞組短接，頻敏變阻器從轉(zhuǎn)子電路中切除。

　　采用頻敏變阻器起動，具有起動平滑、操作簡便、運行可靠、成本低廉等優(yōu)點，因此在繞線式電動機中應(yīng)用較廣。