电子技工业务3 电子技工业务 第三章 第3节 电动机的起动、调速、制动及保护电路

第3章

船舶电机及拖动基础一、控制线路的保护环节第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路生产设备在使用过程中难免会出现机械或电气方面的故障,这样就会使电动机处在不正常状态,将会影响电动机的工况、使用寿命甚至在短时间内烧毁电机,所以对电动机采取有效的保护措施是非常重要的。电气控制线路中电气控制的保护环节非常多,通常设有以下保护环节。1.短路保护当电路发生短路时,短路电流会达到额定电流的数十倍,它会在短时间内引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力,使电机和电路中的各种电气设备产生机械性损坏。因此当电路出现短路电流时,必须迅速而可靠地断开电源。短路保护的作用就是在短路电流刚出现时,就立即切断电路电源,使电路和电气设备免受短路电流的损害。熔断器和空气开关是最常用的短路保护电器。第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路短路保护是电气控制线路中最基本、最常见的保护功能。1.短路保护图3-41(a)为采用熔断器作短路保护的电路。第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路当主电机容量较小,其控制电路不需另设熔断器,主电路中熔断器也作为控制电路的短路保护。当主电机容量较大,则控制电路一定要单独设置短路保护熔断器。图3-41短路保护1.短路保护图3-41(b)为采用自动开关作短路保护的电路。第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路自动开关的过流线用作短路保护,线路出现短路故障时,自动开关动作断开电路,故障排除后重新合上开关,重新工作。图3-41短路保护2.过载保护第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路电动机的负载突然增加、断相运行或电网电压降低都会引起电动机过载。电动机长期过载运行,绕组温升超过其允许值,电动机的绝缘材料就要变脆,寿命就会减少,严重时会损害电动机,所以应设过载保护环节。2.过载保护第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路过载保护一般采用热继电器作为保护元件。图3-42所示为电动机的过载保护电路,可以对电动机的过载情况进行保护。热继电器具有反时限特性,由于热惯性的关系,热继电器不会受短路电流的冲击而瞬时动作;当有8~10倍额定电流通过热继电器时,需经1~3s动作,这样,在热继电器动作前,热继电器的发热元件可能已烧坏。所以,在使用热继电器作过载保护时,还必须装有熔断器或过流继电器配合使用。图3-42过载保护2.过载保护第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路对于容量较大的电动机,过载保护可以采用电流互感器,热继电器的发热元件接在电流互感器的二次回路中。电机过载时流经电流互感器的电流增大,它的二次回路电流也按一定比例增加,这样热继电器可用小规格的产品。也有的电路里面采用温度继电器进行过载保护。

3.缺相保护第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路三相交流异步电动机运行时,任一相断线(或失电),会造成单相运行,此时三相异步电动机为了得到同样的电磁转矩,定子电流将大大超过其额定电流,导致电机发热烧坏,缺相运行的电机,还伴随着剧烈的电振动和机械振动,因此也要对电动机进行断相保护。断相保护一般是将热继电器的发热元件串接在三相主电路的任意两相之中,在任一相发生断路(缺相)故障时,必然导致另两相电流的大幅度增加,在这种情况下,热继电器起着缺相保护的作用,它将断开接触器电源,使电动机停转。热继电器一般根据被保护的电器的额定电流值选取。起货机主电路和控制电路采用三相供电,当电源的任一相断电时,都能使控制电路失电,电动机和电源断开,以防止单相运行损坏电机。

4.失压、欠压保护第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路在电机运行时,电源电压突然消失会使电机停转,当电压恢复时,电动机如果可以自行突然起动,这可能会造成生产设备损害和人身事故,如有多台电动机同时起动,还会使线路上产生很大的压降,所以必须采取措施以防止电机自行起动,即进行有效的失压保护。

当电动机正常运转时,电源电压过分地降低将引起一些电器释放,造成控制线路不正常工作,可能发生事故;电源电压过分降低也会引起电动机转速下降甚至停转。因此需要在电源电压降到一定值以下时就将电源切断,这就是欠压保护。

4.失压、欠压保护第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路在用按钮控制的线路中,通常利用按钮的自动恢复作用和接触器的自锁作用,实现失(欠)压保护。

电源失压或欠压时,接触器释放,此时接触器的主触点和辅助触点同时动作,使电动机电源切断并失去自锁。当电源电压恢复正常时,操作人员必须重新按下起动按钮,才能使电动机起动,如图3-43(a)所示。图3-43失压保护4.失压、欠压保护第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路用主令控制器控制时,则一般采用零压继电器实现失(欠)压保护,如图3-43(b)线路中的KV继电器。图3-43失压保护二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路所谓点动,即手动按下按钮时,电动机运转工作;手松开按钮时,电动机停止工作。1.点动控制它能实现电动机短时转动,整个运行过程完全由操作人员决定。生产机械中常常需要试车或调整,有些机械设备在运行过程中为确保安全必须要有人监视等,这些都需要具有点动控制功能,尽管线路简单,在船舶上仍有很多地方采用。如机舱的盘车机、行车,甲板上的舷梯、艇机等都需要有点动控制。二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-44为一个最简单的点动控制线路。1.点动控制

按下起动按钮,线圈有电,主触头吸合,电动机起动运转;手松开,线圈失电,触头恢复原状,电机停止运转。这种起动方式,起、停和运行都需操作者一直参与。点动电路采取的保护措施主要有主电路、控制电路的短路保护,由熔断器来实现。图3-44点动控制线路二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路2.连续运转控制船舶上大多数电动机如机舱的泵浦、风机等要求能够连续运转,也就是要求电动机能长时间连续运行。大多数鼠笼式电动机的连续控制线路是采用磁力起动器控制的。电动机连续运转的控制线路如图3-45所示。图3-45电动机连续运转的控制线路二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路2.连续运转控制起动电动机时,先将电源开关QS闭合。当按下起动按钮SB2时,接触器KM线圈有电,KM的常开主触头闭合,电动机接通电源而直接起动。同时它的常开辅助KM闭合,当松开SB2按钮时,控制回路可通过其辅助触头使线圈KM继续通电。这种依靠接触器自身常开触点而使其线圈保持通电的现象称为自锁(或自保)。起自锁作用的辅助触点称为自锁触点。自锁触头有两个作用,除了自锁作用外还可起到失压保护作用。图3-45电动机连续运转的控制线路二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路2.连续运转控制如果要使电动机M停止运转,只需将停止按钮SB1按下,接触器KM线圈失电,接触器释放,其常开主触头打开,电动机M停止运转,同时,自锁触头也断开。当SB1恢复到原来位置时,接触器KM不会动作。只有再操作起动按钮,电动机才能再起动。图3-45电动机连续运转的控制线路二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路3.点动及连续双重控制有些生产机械既需要连续运转,又需要在进行调整工作时采用点动控制,这就需要点动、连续双重控制电路。图3-46(a)是用选择开关选择点动控制或者连续控制;

图3-46点动及连续双重控制电路图3-46(b)是用复合按钮SB3实现的点动控制,SB2实现连续控制。

二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路3.点动及连续双重控制图3-46(c)是采用中间继电器实现连续控制的电路。图3-46点动及连续双重控制电路正常工作时,按下按钮SB2,中间继电器KA通电并自锁,同时接通接触器KM线圈,电动机连续转动;调整工作时,按下点动按钮SB3,此时KA不工作,其使KM连续通电的常开触点断开，SB3接通KM的线圈电路,电动机转动,SB3一松开,KM的线圈断电。电动机停止转动,实现点动控制。

二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路4.多地点控制多地点控制是指在两地或两个以上地点进行的控制操作。有些机械设备为了操作方便常要求能在多个地点进行操作,比如船舶上为主辅机服务的泵浦通常要求既能在机旁控制又能在集控室进行控制。图3-47为两多地点控制电路。图3-47两地点控制电路这样的控制要求可通过在电路中串联或并联电器的常闭触点和常开触点来实现。多地点控制按钮的连接原则为:常开按钮(起动按钮)均相互并联,组成“或”逻辑关系,常闭按钮(停止按钮)均相互串联,组成“与”逻辑关系。

二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路5.星形—三角形降压起动控制线路正常运行时,定子绕组为三角形连接的笼型异步电动机,可采用星形——三角形的降压起动方式来达到限制起动电流的目的。

起动时,定子绕组首先连接成星形,待转速上升到接近额定转速时,将定子绕组由星形连接改接成三角形,电动机便进入全压正常运行状态。主电路由3个接触器进行控制,KM1、KM3主触点闭合,将电动机绕组连接成星形;KM1、KM2主触点闭合,将电动机绕组连接成三角形。

二、起动控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路5.星形—三角形降压起动控制线路Y—△换接起动的控制电路的形式比较多,图3-48是其中的一种,控制电路中,用时间继电器来实现电动机绕组由星形向三角形连接的自动转换。

图3-48星形—三角形降压起动控制电路起动时按下起动按钮SB2,KM1通电并自锁,接着时间继电器KT、KM3的线圈通电,KM1与KM3的主触点闭合,将电动机绕组连接成星形,电动机降压起动。三、电动机的调速控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路实际生产中,对机械设备常有多种速度输出的要求,通常采用单速电动机时,需配有机械变速系统以满足变速要求。当设备的结构尺寸受到限制或要求速度连续可调时,常采用电气调速。目前交流电动机的电气调速已得到广泛的应用,船舶上中小型设备应用较多的是多速交流电动机。由第一章的内容知道,电动机的转速与电动机的磁极对数有关,改变电动机的磁极对数即可改变转速。采用改变极对数的变速方法一般只适合笼型异步电动机,这里以双速电动机为例分析这类电动机的控制电路。

第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-49(a)为双速异步电动机调速控制线路。图3-49双速异步电动机调速控制线路图中主电路:接触器KM1的主触点闭合,构成三角形连接;KM2和KM3的主触点闭合构成双星形连接。三、电动机的调速控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-49(b)控制电路由复合按钮SB2接通KM1的线圈电路,KM1主触点闭合,电动机低速运行。图3-49双速异步电动机调速控制线路SB3接通KM2和KM3的线圈电路,其主触点闭合,电动机高速运行。三、电动机的调速控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-49(b)控制电路由复合按钮SB2接通KM1的线圈电路,KM1主触点闭合,电动机低速运行。图3-49双速异步电动机调速控制线路SB3接通KM2和KM3的线圈电路,其主触点闭合,电动机高速运行。为防止两种接线方式同时存在,KM1和KM2的常闭触点在控制电路中构成互锁。三、电动机的调速控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-49(c)的控制电路用于大功率的电动机,用选择开关SA来选择低速运行或高速运行。图3-49双速异步电动机调速控制线路SA选择低速运行时,选择接通KM1线圈电路,直接起动低速运行;SA选择高速运行时,首先接通KM1线圈电路低速起动,然后由时间继电器KT切断KM1的线圈电路,同时接通KM2和KM3的线圈电路,电动机的转速自动由低速切换到高速。三、电动机的调速控制电路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路电气制动是指通过电路的转换或改变供电条件使其产生与实际运转方向相反的电磁转矩———制动力矩,迫使电动机迅速停止转动。

下面简单介绍几种典型的制动控制电路。四、电动机的制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路反接制动控制时是将异步电动机定子绕组中的三相电源相序改变,使定子绕组产生方向相反的旋转磁场,从而产生制动转矩,实现制动。反接制动要求在电动机转速接近零时及时切断反相序的电源,以防止电动机反向起动。当想要停车时,首先将三相电源切换,然后当电动机转速接近零时,再将三相电源切除,控制线路就是要实现这一过程。

四、电动机的制动控制线路1.反接制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路其实现电路如图3-50所示：四、电动机的制动控制线路1.反接制动控制线路主电路中接触器KM1的主触点用来提供电动机的工作电源,接触器KM2的主触点用来提供电动机停车时的制动电源。假如电动机正在正方向运行,如果把电源反接,电动机转速将由正转急速下降到零。图3-50反接制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路如果反接电源不及时切除,则电动机又要从零速反向起动运行。所以必须在电动机制动到零速时,将反接电源切断,电动机才能真正停下来。四、电动机的制动控制线路1.反接制动控制线路控制线路是用速度继电器来“判断”电动机的停与转的。电动机与速度继电器的转子是同轴连接在一起的,电动机转动时,速度继电器的常开触点闭合,电动机停止时常开触点断开。图3-50反接制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-50(a)所示控制电路的工作原理是,起动时合上电源开关QS,按下起动按钮SB2,接触器KM1线圈通电吸合且自锁,KM1主触点闭合,电动机起动运转。四、电动机的制动控制线路1.反接制动控制线路当电动机转速升高到一定数值时,速度继电器KS的常开触点闭合,为反接制动做准备。图3-50反接制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路停车时,按下停止按钮SB1，KM1线圈断电释放，KM1主触点断开电动机的工作电源。四、电动机的制动控制线路1.反接制动控制线路而接触器KM2线圈通电吸合，KM2主触点闭合,串入电阻R进行反接制动,当转速降至速度继电器KS的设定值以下时,KS的常开触点复位断开,使KM2线圈断电释放,及时切断电动机的电源,防止了电动机的反向起动。图3-50反接制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路但是这个控制电路存在着一个问题,在停车期间如果需要用手转动电动机时,速度继电器的转子也将会随着转动,其常开触点闭合,KM2通电动作,电动机接通电源发生制动作用,这样不利于工作。四、电动机的制动控制线路1.反接制动控制线路图3-50反接制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-50(b)所示的反接制动线路能够解决这个问题四、电动机的制动控制线路1.反接制动控制线路图3-50反接制动控制线路控制线路中停止按钮使用了复合按钮SB1,并在其常开触点上并联了KM2的常开触点,使KM2能自锁。这样在用手转动电动机时,虽然KS的常开触点闭合,但只要不按复合按钮SB1，KM2就不会通电,电动机也就不会反接于电源,只有按下SB1,KM2才能通电,制动电路才能接通。因电动机反接制动电流很大,故在主回路中串入电阻R可防止制动时电动机绕组过热。第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路能耗制动控制是在切断三相电动机的三相交流电源的同时,将一直流电源引入定子绕组产生静止磁场,电动机转子由于惯性仍沿原方向转动,则转子在静止磁场中切割磁力线,产生一个与惯性转动方向相反的电磁转矩,实现制动。

四、电动机的制动控制线路2.能耗制动控制线路第三节电动机的起动、调速、制动及保护电路图3-51为按时间原则的单向能耗制动控制线路。图中变压器TC、整流装置VC提供直流电源。接触器KM1的主触点闭合接通三相电源,KM2将直流电源接入电动机定子绕组。

四、电动机的制动控制线路2.能耗制动控制线路图3-51按时间原则控制的单向能耗制