电机及电气控制技术教案：第17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17讲标题：三相绕线型异步电动机起动控制电路（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三相绕线型异步电动机起动方法，控制电路的工作原理。教学目标能力（技能）目标知识目标能正确分析三相绕线型异步电动机转子绕组串接电阻起动、转子绕组串频敏变阻器起动电路的工作原理；能正确对三相绕线型异步电动机转子绕组串接电阻起动、转子绕组串频敏变阻器起动电路的电气故障进行分析和判断，并排除其故障。掌握三相绕线型异步电动机转子绕组串接电阻起动、转子绕组串频敏变阻器起动的特点和适应场合；掌握三相绕线型异步电动机转子绕组串接电阻起动、转子绕组串频敏变阻器起动电路的工作原理。重点及解决方法重点：时间原则和电流原则电路的工作原理难点:同上解决方法:结合电机的机械特性进行分析。参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：4分钟）掌握三相绕线型异步电动机起动方法，控制电路的工作原理。【步骤二】新知识讲解（时间：78分钟）三相绕线型异步电动机适用于一些要求起动转矩较大，且能平滑调速的场合。其优点是可以通过滑环在转子绕组中串接电阻来改善电动机的机械特性，从而达到减小起动电流，提高转子电路功率因数，增大起动转矩的目的。一、转子绕组串接电阻时的机械特性三相绕线型异步电动机转子串接电阻时，机械特性如图3-27所示（曲线1、2、3、4电阻逐渐增大），串接电阻时，其同步点仍然不变，临界转矩也不变，但临界转差率增大，即临界点向下平移。当临界点和起动点重合时，电动机具有最大的起动转矩（图中曲线3）。再增大所串电阻时，起动转矩反而减小（图中曲线4）。在起动过程中，为保持较大的起动转矩，要不断减小转子电路中电阻，以达到增大起动转矩的目的。二、转子绕组串接电阻时的控制电路串接在三相转子回路中的起动电阻，一般都接成星形。起动时，外串电阻全部接入电路，以减小电流并获得较大的起动转矩。随着电动机转速的升高，电阻被逐级短接。起动完毕，外串电阻全部切除，转子绕组被直接短接，电动机便在额定状态下运行。电动机转子绕组中串接的电阻在被短接时，有两种方式：一种是三相电阻不平衡短接法，另一种是三相电阻平衡短接法。所谓不平衡短接是每相的起动电阻轮流被短接，而平衡短接是三相的起动电阻同时被短接。图3-28是时间原则控制的绕线型异步电动机转子电路串接电阻的起动控制电路。转子回路三段起动电阻的短接是依靠三个时间继电器KT1、KT2、KT3和三个接触器KM2、KM3、KM4的相互配合来完成的。电路的工作原理是：先合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈得电，KM1主触头闭合，电动机M串接全部电阻起动；在KM1动作以后，时间继电器KT1线圈得电，经过KT1的延时时间以后，KT1的常开触头闭合，使得KM2线圈得电，KM2主触头闭合，切除第一组电阻R1，电动机串接2组电阻继续起动；KM2常开辅助触头的闭合使时间继电器KT2线圈得电，经过KT2的延时时间以后，KT2的常开触头闭合，使KM3线圈得电，KM3主触头闭合，切除第二组电阻R2，电动机串接1组电阻继续起动；KM3常闭辅助触头分断，切断KT1和KM2线圈回路，KT1和KM2断电释放；KM3常开辅助触头闭合，使时间继电器KT3线圈得电，经过KT3的延时时间以后，KT3常开触头闭合，使KM4线圈得电，KM4主触头闭合，切除第三组电阻R3，电动机M起动过程结束进入正常运行；KM4常闭辅助触头分断，时间继电器KT2、KT3和接触器KM3全部断电释放。从上述分析中可以看出，电路中只有KM1和KM4是长期通电的，而KT1、KT2、KT3以及KM2、KM3线圈的通电时间均被压缩到最低限度。这样做一方面节省了电能，更重要的是延长了它们的使用寿命。而与起动按钮SB2串接的接触器KM2、KM3和KM4的常闭辅助触头的作用是保证电动机在转子绕组中接入全部外加电阻的条件下才能起动。若接触器KM2、KM3和KM4中任何一个触头因熔焊或机械故障而没有释放时，电动机就不可能接通电源而直接起动。但图3-28控制电路也存在两个问题：一是如果时间继电器损坏时，电路将无法实现电动机的正常起动和运转；二是在电动机起动过程中逐渐减小电阻时，电流和转矩反复突然增大，频繁产生机械冲击。图3-29是电流原则控制的绕线型异步电动机转子电路串接电阻的起动控制电路。它是利用三个欠电流继电器KA1、KA2、KA3，根据电动机转子电流的变化，控制接触器KM1、KM2和KM这里应该是KM1、KM2、和KM3吧3依次得电动作，来逐级切除外加电阻的。欠电流继电器KA1、KA2和KA3的线圈串接在电动机转子回路中，这三个继电器的吸合电流都一样，但释放电流不同，其中KA1的释放电流最大，KA2次之，KA3最小。电动机刚起动时，因为起动电流很大，KA1、KA2和KA3都会吸合，它们的常闭触头都断开，接触器KM1、KM2、KM这里应该是KM1、KM2、和KM3吧3都不动作，电动机串入全部电阻起动。随着电动机转速逐渐升高，电流开始减小，KA1首先释放，它的常闭触头闭合，使接触器KMKM1吧1线圈通电，短接第一组转子电阻R1，这时转子电流又重新增加，随着转速的升高，电流又逐渐下降，使KA2这里应该是KM1、KM2、和KM3吧这里应该是KM1、KM2、和KM3吧KM1吧KM2吧中间继电器KA的作用是保证电动机在转子电路中接入全部电阻的情况下开始起动。因为电动机刚起动时，起动电流由零增大到最大值有一个时间，这样就有可能造成KA1、KA2和KA3没来得及动作，KM1、KM2和KM这里应该是KM1、KM2、和KM3吧3得电动作把电阻R1、R2、R3短接，电动机直接起动。引入KA后，无论KA1、KA2、KA3有无动作，开始起动时，可由KA的常开触头来切断这里应该是KM1、KM2、和KM3吧为达到绕线型异步电动机转子绕组中串接电阻减小起动电流，提高转子电路功率因数和增加起动转矩的目的，要求外加电阻必须具有合适的值。外加电阻各级阻值的大小，必须经过计算确定。在计算起动电阻值的大小时，要以起动电阻的级数为前提条件，电阻级数愈多，电动机起动时的转矩波动愈小，即起动愈平滑，同时，电气控制电路也会相对愈复杂。各级起动电阻的计算方法可参见其他教材。三、转子绕组串接频敏变阻器起动控制电路转子绕组串接电阻的起动方法，要获得良好的起动特性，一般需要较多级数的起动电阻，所用电器多、控制电路较复杂、设备投资大、维修不够方便，而且在逐级减小电阻的过程中，电流及转矩反复变化，会产生一定的机械冲击力。所以从二十世纪六十年代开始，我国开始推广使用频敏变阻器来控制绕线型异步电动机的起动。频敏变阻器实质上是一个铁心损耗非常大的三相电抗器。它由数片E型钢板叠成，具有线圈和铁心两部分，一般作星形接法，并制成开启式，将其串接在转子回路中，相当于转子绕组接入一个铁损很大的电抗器，这时的转子等效电路（一相）如图3-30所示（虚线框内为频敏变阻器等效电路，R为其每相绕组本身的电阻，其值较小；Rmp为反映每相铁心损耗的等效电阻；Xmp是频敏变阻器静止时的每相电抗）。L是否应该改为X请看下文加黄的部分此处有较大部分修改由于变阻器铁心是用厚钢板制成，电动机起动时，转子电路频率较高，铁心损耗很大，对应的等效电阻Rmp很大。由于起动电流的影响使频敏变阻器的铁心饱和，Xmp并不大。此时相当于在转子电路中串入一个较大的电阻Rmp，从而获得较好的起动性能。随着转速的升高，转子电路频率降低，铁耗随频率的二次方成正比下降，使Rmp减小（此时sXL是否应该改为X请看下文加黄的部分此处有较大部分修改从以上分析可以看出，在绕线型异步电动机的转子回路中串接频敏变阻器起动时，由于频敏变阻器的等值阻抗随起动过程而减小，从而得到自动变阻的目的，因此只需用一级频敏变阻器就可以平稳地把电动机起动起来了。这种起动方式在空气压缩机与桥式起重机等设备中获得了广泛应用。频敏变阻器有各种结构型式。其中BP1系列各种型号的频敏变阻器，可用应用于绕线式异步电动机的偶然起动或重复起动。重复短时工作时，常采用直接此处有修改串接方式，不必用接触器及短接设备。在偶然起动时，一般只需一台接触器，在起动结束时将变阻器短接。此处有修改图3-31为绕线型异步电动机转子绕组串接频敏变阻器起动控制电路。起动过程由转换开关SA实现自动控制和手动控制。采用自动控制时，将转换开关SA扳到“自动”位置，按下起动按钮SB2时，接触器KM1通电并自锁，电动机M串接频敏变阻器RF起动，此时，时间继电器KT线圈也通电，经过KT的延时以后，KT常开触头闭合，中间继电器KA线圈通电并自锁。KA常开触头的闭合使接触器KM2线圈通电，KM2常开触头闭合将频敏变阻器RF短接，电动机M起动结束，进入正常运行。电动机起动过程中，中间继电器KA的线圈未通电，其两对常闭触头将热继电器FR的热元件短接，以免因起动时间较长而使热继电器产生误动作。电流互感器TA的作用是将主电路中的大电流变成小电流。采用手动控制时，将转换开关SA扳到“手动”位置。时间继电器KT不起作用，利用按钮SB3手动控制中间继电器KA和接触器KM2的动作。频敏变阻器上设有四个抽头。一个抽头在绕组的背面，标号为N。另外三个抽头在绕组的正面，标号分别为1、2、3。抽头1~N之间为100%匝数，2-N之间为85%匝数，3-N之间为71%匝数。出厂时接在2~N抽头上。频敏变阻器上下铁心由两面四个拉紧螺栓固定，拧开拉紧螺栓上的螺母，可以在上下铁心之间垫非磁性垫片，以调整空气隙。出厂时上下铁心间气隙为零。如果在使用中遇到下列情况，可以调整匝数和气隙。（1）起动电流大，起动太快。可以换接抽头，使匝数增加，减小起动电流，同时起动转矩也减小。（2）起动电流小，起动太慢。应换接抽头，使匝数减少，增大起动电流，起动转矩随之增大。（3）刚起动时，起动转矩过大，机械冲击大，而起动完毕后，转速又太低。可在上下铁心之间增加气隙。增加气隙将使起动电流略为增加，起动转矩稍有减小。但起动完毕时，转矩会稍有增大，使稳定转速得到提高。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：分钟）三相绕线型异步电动机一般不采用直接起动，起动过程