3项目三 三相异步电动机的降压启动控制与制动控制

项目三三相异步电动机降压启动控制接线与调试降压起动适用于容量大于或等于20kW并带轻载的工况。由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低启动电流。学习目标学习目标掌握定子串电阻降压启动控制线路、延边三角启动、Y/Δ启动控制线路以及自耦变压器降压启动控制线路。三相绕线式异步电动机的启动控制的设计和原理能正确识别、选用、安装和调节时间继电器。能正确安装和操作Y-△形降压启动控制电路。相关知识相关知识一、三相异步电动机的启动1、三相异步电动机对启动的要求（1）电动机有足够大的启动转矩。（2）一定大小启动转矩前提下，启动电流越小越好。（3）启动所需设备简单，操作方便。（4）启动过程中功率损耗越小越好。2、鼠笼式异步电动机的启动（1）直接启动（全压启动）启动时加在电动机定子绕组上的电压为额定电压。三相异步电动机直接启动的条件（满足一条即可），如图3-1所示。①容量在7.5KW以下的电动机均可采用。②由专用变压器供电时，电动机的容量小于变压器容量的20%。③可用经验公式粗估电动机是否可直接启动

优点：所需启动设备简单，启动时间短，启动方式简单、可靠，所需成本低。缺点：启动电流很大，对电动机及电网有一定冲击。（2）降压启动在电动机启动时降低定子绕组上的电压，启动结束后加额定电压的启动方式。降压启动能起到降低电动机启动电流的目的，但由于转矩与电压的平方成正比，因此降压启动时电动机的转矩减小较多，故只适用于空载或轻载启动。①电阻（或电抗）降压启动降压启动方式是指在启动过程中降低其定子绕组端的外施电压，启动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。这种方法虽然能达到降低启动电流的目的，但启动转矩也减小很多，故此法一般只适用于电动机的空载或轻载启动，具体方法：图3-2定子串电阻降压起动三相笼形异步电动机启动时，在电动机定子电路串入电阻或电抗器，使加到电动机定子绕组端电压降低，减少了电动机上的启动电流。如图3-2定子串电阻降压起动，是三相笼形电动机定子绕组串电阻降压启动的原理图，其工作情况为：先合上刀开关S1，在开始起动时，将S2打到启动端，电路串入电阻Ra电动机经电阻接入电源，电动机在低压状态下开始启动。当电动机的转速接近额定值时，使S2打到运行端，切除了电阻，电源电压直接加在电动机上，启动过程结束。这种启动方法不受电动机定子绕组接法形式的限制，但由于启动电阻的存在，将使设备体积增大，电能损耗大，目前已较少采用。②Y/△降压启动中、大功率电动机启动时把定子绕组接成Y形，运行时把定子绕组接成△形，使电动机全压运行，这种启动方法称为Y-△降压启动。电动机采用Y-△降压启动可使启动电源线电流减少为△形接法的1/3，有效避免了过大电流对供电电路的影响。在控制电路中，常利用时间继电器完成Y-△形自动切换。三相笼形异步电动机的Y/△降压启动简单，运行可靠，应用广泛。但只适用于正常运转时定子绕组为△接法的电动机。③定子串自耦变压器降压启动这种方法是利用自耦变压器将电源电压降低后再加到电动机定子绕组端，达到减小启动电流的目的，如图3-3定子串自耦变压器降压启动所示。设自耦变压器的一次侧电压U1（即电源电压），电流为I1，二次侧电压为U2，电流为I2，变压比为ka，则：（3-1）图3-3定子串自耦变压器降压启动电路的控制原理是：合上电源后，电动机定子绕组经自耦变压器实现减压启动。当电动机的转速接近于额定转速时，直接将全电压加在电动机上，启动过程结束，进入全压运行状态。自耦变压器降压启动的启动性能好，但线路相对较复杂，设备体积大，目前是三相笼形异步电动机常用的一种降压启动方法。二、三相异步电动机的调速异步电机结构简单、成本低、维修方便、工作可靠，因此得到了广泛的使用。在生产实际中需要对电机转速进行调节以满足工艺设备的要求，因此三相异步电机的调速具有重要的意义。根据三相异步电动机的转速公式为（3-2）式中：f1为异步电动机的定子电压供电频率；p为异步电动机的极对数；s为异步电动机的转差率。所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。1、变极调速（改变电动机的极对数）通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机的同步转速（3-3）所以一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。（1）变极原理由式（3-2）知：改变异步电动机的定子绕组的极对数p，可以改变磁通势的同步转速n1，由于转差率s不变，则转速得到了调节。图3-4三相异步电动机的变极调速绕组接线方式三相鼠笼式异步电动机定子绕组极对数的改变，是通过改变绕组的接线方式实现的。如上图3-4所示的一个四极电机A相定子绕组的两个线圈头尾相连时（正向串联），具有四个磁极(2p=4)；如果将定子绕组的联接方式改成后面图的形式，根据每相绕组中，一半线圈的电流方向，用右手螺旋定则确定出磁通方向，此时定子绕组具有两个磁极(2p=2).由此可见，让半相绕组的电流方向，就能使极对数减半，从而使同步转速增加一倍，运行的转速也接近成倍变化。变极调速中，当定子绕组的接线方式改变的同时，还需要改变定子绕组的相序；即倒换定子电流的相序，以保证变极调速前后电动机的转向不变，即要求磁通旋转方向不变。（2）变极调速的特点和性能①变极调速设备简单，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便；②变极调速的机械特性较硬，可实现恒转矩调速和接近恒功率调速，且转差功率损耗基本不变，效率较高；③变极调速方法为有级调速，且调速的级数不多，一般最多为四级。普遍应用于各种机床、起重机和输送机等设备上；④变极调速的平滑性较差。为了改进调速的平滑性，可采用变极调速与降压调速相结合的方法。从而扩大了调速范围，又减小了低速损耗。2、变频调速（改变电源的频率f1）通过改变定子绕组的电压供电频率f1来实现。当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f1。很明显只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就能平滑、无极地调节异步电动机的转速。异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。（1）变频调速原理改变异步电动机定子绕组供电电源的频率f1，可以改变同步转速n，从而改变转速。如果频率f1连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时定子每相电压为：(3-4)式中E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；f1为定子电源频率；N1为定子每相绕组匝数；kw1为基波绕组系数，φm为每极气隙磁通量。如果改变频率f1，且保持定子电源电压U1不变，则气隙每极磁通φm将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率f1时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通φm的目的。（2）其特点和性能为：①变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展；②变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速；③变频调速时，转差率s较小，则转差功率损耗较小，效率较高；④可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式；⑤变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。3、变转差率调速改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子电压变转差调速；采用电磁转差（或滑差）离合器调速；转子回路串电阻变转差调速以及串极调速等。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗(又称转差功率)，使转子发热，系统效率降低。因此使用受到限制。二、时间继电器在生产中经常需要按一定的时间间隔来对生产机械进行控制，时间控制通常是利用时间继电器来实现的。时间继电器（Time-delayRelay）是指自得到动作信号起至触头动作或输出电路产生跳跃式改变有一定延时，该延时又符合其准确度要求的继电器。时间继电器的种类很多，如图3-5所示。按照工作原理可分为电磁式、空气阻尼式、晶体管式和电动式。按照延时方式可分为通电延时型和断电延时型。图3-5时间继电器

1—线圈2—反力弹簧3—衔铁4—铁芯5—弹簧片6—瞬时触头

7—杠杆8—延时触头9—调节螺钉10—推杆11—空气室12—宝塔形弹簧图3-5（a）、（b）、（c）所示分别为JS14—A系列晶体管式时间继电器的外形、内部构件和操作面板，图3-5（d）、（e）所示为JS7—A系列空气阻尼式时间继电器的外形与内部结构。图3-5（f）所示结构为断电延时型空气阻尼式时间继电器，将电磁铁反转180°安装后，即成为通电延时型。1.通电延时型时间继电器通电延时型时间继电器的电路符号如图3-6所示。图3-6通电延时型时间继电器的电路符号2.断电延时型时间继电器断电延时型时间继电器的电路符号如图3-7所示。图3-7断电延时型时间继电器的电路符号3．时间继电器的功能时间继电器是一种利用电磁原理、机械动作原理、电子技术或计算机技术实现触头延时接通或断开的自动控制电器。当它的感测部分接收输入信号后，必须经过一定的时间延时，它的执行部分才会动作并输出信号以操纵控制电路。4.时间继电器的型号规格时间继电器型号规格如图3-8所示。图3-8时间继电器的型号规格5．晶体管式时间继电器晶体管式时间继电器延时精度高，时间长，调节方便。例如图3-5（c）所示的晶体管式时间继电器的延时规格为30s，刻度调节范围0~10，图3-5（c）所示调节旋钮指向刻度5，则延时时间为15s。JS20-D是断电延时型晶体管式时间继电器的型号。主要技术数据为：（1）供电电压：交流（36V、110V、220V、380V）；直流（24V、27V、30V、36V、110V、220V）。（2）延时规格：5s、10s、30s、60s、120s、180s；5min、10min、20min、30min、60min。6．空气阻尼式时间继电器JS7-A系列空气阻尼式时间继电器主要由电磁系统、工作触点和气室三部分组成。工作触点包括2对瞬时触点（1常开1常闭）和2对延时触点（1常开1常闭）。空气阻尼式时间继电器是利用气室内的空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。通电延时型的工作原理是：当电磁线圈通电后，动铁芯吸合，瞬时触点立即动作，而与气室相紧贴的橡皮膜随进入气室的空气量而开始移动，通过推杆使延时触点延时一定时间后才动作，调节进气孔的大小即可获得所需要的延时量。断电延时型的工作原理与通电延时型相似。主要技术数据为：（1）供电电压：交流（24V、36V、110V、220V、380V）；（2）延时规格：0.4～60s、0.4～180s。7.时间继电器的选用时间继电器种类繁多，选择时应综合考虑适用性、功能特点、额定工作电压、额定工作电流、使用环境等因素，做到选择恰当，使用合理。（1）经济技术指标。在选择时间继电器时，应考虑控制系统对延时时间和精度的要求。若对时间精度的要求不高，且延时时间较短，宜选用价格低、维修方便的电磁式时间继电器；若控制简单且操作频率很低，如Y-△启动，可选用热双金属片时间继电器；若对时间控制要求精度高，应选用晶体管式时间继电器。（2）控制方式。被控制对象如需要周期性的重复动作或要求多功能、高精度时，可选用晶体管式或数字式时间继电器。【例3-1】有一个晶体管时间继电器，型号是JSZ3，其外壳上有图3-9所示的示意图，指出其含义，并说明如何实现延时30s后闭合的功能。图3-9时间继电器的接线图【解】图3-9（a）的含义是：接线端子2和7是由线圈引出的；接线端子1、3和4是“单刀双掷”触头，其中，1和4是常闭触头端子，1和3是常开触头端子；同理，接线端子5、6和8是“单刀双掷”触头，其中，5和8是常闭触头端子，6和8是常开触头端子。图3-9（b）的含义是：当时间继电器上的开关指向2和4时，量程为1s；当时间继电器上的开关指向1和4时，量程为10s；当时间继电器上的开关指向2和3时，量程为60s；当时间继电器上的开关指向1和3时，量程为6min，图中的黑色表示被开关选中。显然，触头的接线端子可以选择1和4或者5和8，线圈接线端子只能选择2和7，拨指开关最好选择指向2和3。项目分析项目分析Y-△形降压启动控制电路原理图如图3-10所示。该电路主要由3个接触器、1个时间继电器组成。接触器KM作引入电源用，接触器KMY和KM△分别作Y形降压启动和△形全压运行用，时间继电器KT用作控制Y形降压启动时间和完成Y-△形自动切换。图3-10Y-△形降压启动控制线路原理图电路工作原理分析如下：合上电源开关QF。停止时，按下SB2即可实现。项目项目实施1.工具及器材工具及器材见表3-1。表3-1工具及器材序号名称型号与规格单位数量1三相交流电源~3×380V处12电工通用工具验电笔、钢丝钳、螺丝刀（包括十字口螺丝刀和一字口螺丝刀）、电工刀、尖嘴钳、活扳手等套13断路器DZ5-20/330个14低压熔断器RT系列个55热继电器JSR系列（根据电动机自定）个16按钮LA10-2H个17接触器CJX1系列（线圈电压380V）个38时间继电器JS7-2A（线圈电压380V，延时时间6s）个19电动机根据实习设备自定台110导线BVR1.5mm2塑铜线若干2.操作注意事项不允许带电安装元器件或连接导线，在有指导教师现场监护的情况下才能接通电源。停止时必须先按下停止按钮，不允许带负荷分断电源开关。3.操作步骤（1）仔细观察各种不同类型、规格的行程开关，熟悉它们的动作原理。（2）检测时间继电器质量好坏，调节时间继电器的延时时间。（3）按图3-19所示的原理图进行接线。（4）经指导教师检查合格后进行通电操作。4.评分标准表3-2成绩评定表学生姓名学号班级日期序号检评项目检评标准得分1专业知识能力（50分）线路连接是否正确，接线是否整齐美观，检测是否正常，仪表是否会使用；每个步骤是否符合工作进程安排，能否按时完成整个任务；应知理论考试；技术文件是否完整、正确、规范、详细。2社会能力（20分）有没有出现设备、元器件损坏以及使用材料无浪费，工作现场是否整齐规范，操作是否规范，劳动保护用品穿戴是否整齐；在整个工作过程中能否互相协调，积极主动配合，完成整个任务；能否遵守实训室管理制度和作息制度，有无违纪行为3总结报告（10分）综合评价报告中详细说明在任务实施过程中掌握了什么知识、学会了什么技能、发现了什么技巧、出现了什么问题、如何解决问题，遇到了不能解决的问题，进行了怎样的改进、尝试了什么创新、创新的结果如何等4总体评价意见（20分）教师通过现场抽查、答辩、布置临时作业、成员自评、成员互评等多种方式评价，根据考核情况确定等级教师签名总成绩知识拓展知识拓展双速电动机的调速控制调速是指在同一负载下得到不同的传递，以满足生产过程的要求。改变电动机的转速有三种方法：改变p、f、s；改变f、s调速的技术和控制方法比较复杂，因此未普遍采用。1、变极调速图3-11双速电机绕组接线图（1）双速电机的变极方法U1、V1、W1端接电源，U2、V2、W2开路，电动机为△接法（低速）U1、V1、W1端短接，U2、V2、W2端接电源为YY接法（高速）注意，变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变。SHAPE图3-12双速电动机的电气控制电路图（2）主电路：KM1主触点构成△接的低速接法。KM2、KM3用于将U1V1W1端短接，并在U２V２W２端通入三相交流电源，构成YY接的高速接法。（3）控制电路图3-12（a）电路中，按钮SB1实现低速起动和运行。按钮SB2使KM2、KM3线圈通电自锁，用于实现YY变速起动和运行。图3-12（b）电路在高速运行时，先低速起动，后高速（YY）运行，以减少启动电流。选择开关SA合向高速→时间继电器KT线圈通电延时→KM1线圈通电，电动机M作低速启动。KT延时时间到→KM1线圈断电复位→KM2、KM3线圈通电→电动机M作YY接法高速运行。选择开关SA合向低速→KM1线圈通电，电动机M作低速转动。选择开关SA合向0位时，电动机停止运行。思考与练习1、机床上常用的多速电机是通过改变来改变转速的。2、绕线式异步电机转子串电阻，可以限制，并且增大起动转矩。3、三相异步电动机在电动机运行时，转差率的范围是。4、把三相鼠笼式异步电动机接到三相对称电源上，现任意对调两相，电动机的转向将会。5、三相50Hz异步电动机，额定运行时的转差率为s=0.04，则转子绕组中的感应电动势和电流的频率为Hz。6、鼠笼式异步电动机降压起动的方法有定子回路串电抗器起动、星-三角换接起动和起动。7、任何三相异步电动机均可采用星-三角起动。（）8、三相交流异步电动机变极调速时只需改变定子绕组端部接线，电机电源相序不变。（）9、电动工具上标出的额定功率为该电动工具电机的额定输入功率。（）10、三相异步电动机转子转速不可能大于其同步转速。（）11、变极调速只适用于三相鼠笼式异步电动机。（）12、三相异步电动机的转速取决于电源频率和极对数，而与转差率无关。（）率亦为零。13、三相异步电动机机械负载加重时,其定子电流将(

)。A.增大

B.减小

C.不变

D.不一定14、三相异步电动机启动转矩不大的主要原因是()。A.启动时电压低

B.启动时电流不大

C.启动时磁通少

D.启动时功率因数低15、三相异步电动机增大转子电阻,则其启动转矩()。A.增大

B.减小

C.不变

D.不一定16、改变三相异步电动机转子旋转方向的方法是()。A.改变三相异步电动机的起动方式B.改变定子绕组电流相序。C.改变电源电压D.改变电源频率17、三相异步电动机的额定功率是指()。A.输入的视在功率B.输入的有功功率C.产生的电磁功率D.输出的机械功率18、变极对数调速的多速电动机的结构属于()三相异步电动机。A.绕线式B.罩极式C.鼠笼式D.以上都不是19、三相鼠笼式异步电动机的转速与下列量关系正确的是()A.转速与轴上的负载成正比B.转速与电源电压成正比C.转速与电源频率成正比D.转速与三相励磁电流成正比20、三相异步电动机的理想空载时转差率S1和堵转时转差率S2分别为()A.S1=0,S2=0B.S1>0,S2=1C.S1=0,S2=1D.S1=1,S2>021、机床上常用的双速电机是如何改变其转速的()A改变转子绕组的接法B.改变定子绕组的磁极对数C.转子绕组串两极电阻D.定子绕组串两