2013注评《机电设备评估基础》预习：三相异步电动机的起动

第二章 传动装置与电机

　　知识点十七、三相异步电动机的起动

　　（一）直接起动

　　电动机开始工作时，转子总是从静止状态开始转动起来，这种从静止到正常运转的加速过程叫做起动。由于起动瞬间电动机转速为0，转差率S＝1，也就是说旋转磁场和静止转子间的相对速度很大，因此转子中感应电动势很大，转子电流也就很大，定子电流也随着转子电流的增大而增大。

　　起动时的定子电流称为起动电流。电动机在额定电压下起动称为直接起动。直接起动的电流约为额定电流的5～7倍。

　　直接起到存在的问题：（1）过大的起动电流将会使供电线路产生较大的电压降，造成电网电压显著下降，从而影响在同一电网上的其他用电设备的正常工作。（2）对于正在起动的电动机本身，也会因电压下降过大，起动转矩减少，延长起动时间，甚至不能起动。

　　因此，在供电变压器容量较大，电动机容量较小的前提下，三相异步电动机可以直接起动。否则异步电动机起动时应采用适当的起动方法（如降压起动）。

　　电动机采用直接起动还是采用降压起动也可以用下面的经验公式判断：

　　式中：IQ-电动机直接起动电流（A）IN-电动机额定电流（A）

　　若计算结果符合上面的经验公式，则采用降压起动，反之，采用直接起动。

　　1.直接起动控制线路所用电器

　　（1）组合开关。小容量异步电动机的起动和停止、正反转控制常用组合开关，组合开头也常用作电源引入开关。转动转轴就可以将三个触头（彼此相差一定角度）同时接通或断开。

　　组合开关有单极、双极、三极和四极几种，其额定持续电流有10A、25A、60A和100A.

　　（2）按钮。按钮通常用来接通或断开电流很小的控制电路，从而控制电动机或其他电气设备的运行。原来就接通的触头称为常闭触头；原来断开的触头称为常开触头。电动机起、停控制电路中常用双联按钮。

　　（3）交流接触器。交流接触器常用来接通或断开电动机或其他设备的主电路，每小时可以开闭几百次。

　　接触器主要由电磁铁和触头两部分组成。当线圈通电时，吸引山字形动铁芯（上铁芯）而使常开触头闭合。

　　根据用途不同，接触器的触头分主触头和辅助触头两种。辅助触头通过电流较小，常接在电动机的控制电路中；主触头能通过较大电流，接在电动机的主回路中。

　　在选用接触器时，应注意它的额定电流、线圈电压及触头数量等。常用接触器的主触头额定电流有5、10、20、40、60、100A数种。

　　（4）中间继电器。中间继电器通常用来传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。选用中间继电器的时候，主要考虑电压等级和触头（常开和常闭）数量。

　　（5）热继电器。热继电器主要用来保护电动机，使之避免因长时间过载而损坏。热继电器是利用电流的热效应工作的。

　　由于存在热惯性，当发生短路事故时，热继电器不能立即断开，因此它不能用作短路保护。正是由于热继电器的热惯性，才使得它在电动机起动或短时过载时不会动作，从而避免了电动机的不必要的停车。

　　热继电器的主要技术数据是整定电流，就是热元件中通过的电流超过此值的20%时，热继电器应在20分钟内动作（电动机停止工作）。

　　常用的热继电器的整定电流从0.25A到40A.

　　热继电器的选用主要依据整定电流，整定电流应与电动机的额定电流相等。

　　（6）熔断器。熔断器是一种简便有效的短路保护电器。熔断器中的熔片或熔丝用电阻率较高的易熔合金制成。线路在正常工作情况下，熔断器不应熔断。一旦发生短路或严重过载，熔断器立即熔断。

　　在单台电动机的起动电路中，为了防止电动机起动时较大的电流烧断熔丝，熔丝不能按电动机的额定电流来选择，而应按下式计算：

　　

　　如果电动机起动频繁，则为

　　

　　如果几台电动机合用一个熔断器，则熔丝额定电流按下式计算：

　　 

　　2.直接起动控制线路

　　中、小容量三相异步电动机的直接起动控制线路，其中用了组合开关QC、按钮SB、交流接触器KM、热继电器KR及熔断器FU等几种电器。

　　先将组合开关QC闭合，为电动机起动作好准备。当按下起动按钮SB1时，交流接触器KM的线圈通电，动铁芯被吸合，使三个主触头闭合，电动机M起动。当松开SB1时，交流接触器本应在弹簧作用下恢复其断开位置，但由于与起动按钮并联的辅助触头和主触头同时闭合，因此接触器线圈的电路仍然接通而使接触器触头保持在闭合位置。这个辅助触头称为自锁触头。

　　上述控制电路可实现短路保护作用、过载保护作用和零电压保护等多重保护：

　　短路保护：熔断器FU起短路保护作用。

　　过载保护：热继电器KR起过载保护作用，为了可靠地保护电动机，应至少用两个热元件，分别串接在任意两相中。这样不仅在电动机过载时起保护作用，而且当任意一相的熔丝熔断后作单相运行时，仍有一个或两个热元件中通有电流而使电动机得到保护。

　　过零保护：当电源暂时停电时，电动机即自动从电源切除。因为这时接触器线圈中的电流消失，动铁芯释放而使主触头和自锁触头同时断开。当电源电压恢复后，若不重新按起动按钮，则电动机不能自行起动，因为自锁触头已经断开。如果不是采用继电接触器控制，而是直接用刀开关或组合开关进行手动控制，那么停电时未及时拉开开关，当电源电压恢复时，电动机即自行起动而可能造成事故。

　　以上的控制电路分为主电路和控制电路两部分。

　　主电路是：

　　三相电源——QC（组合开关）——FU（熔断器）——KM（交流接触器主触头）——KR（热继电器）——电动机

　　控制电路是：

　　 

　　必须学会由直接启动的控制线路图绘制相应的原理图。在绘制原理图时需要注意：

　　将控制线路和主电路分开。各种电器使用统一的符号。同一电器的各个部件是分散的，但使用同一文字符号表示；而且它们的动作是关联的。

　　所有电器的触头均以起始位置表示。

　　[强调]在起始情况下，如果触头是断开的，则称为常开触头或动合触头（因为一动就合）；如果触头是闭合的，则称为常闭触头或动断触头（因为一动就断）。所有电器的触头均以起始位置表示。

　　（二）鼠笼式异步电动机的降压起动

　　当鼠笼式异步电动机容量较大，而电源容量不够大时，为了限制起动电流，避免电网电压显著下降，一般采用降压起动。降压起动是利用起动设备，在起动时降低加在定子绕组上的电压，待起动过程结束，再给定子绕组加上全电压（正常工作的额定电压）。

　　由于电磁转矩正比于定子绕组电压的平方，所以电动机在起动时，起动转矩也大大降低了。因此，降压起动只适合于空载或轻载起动，负载不大的情况。选择起动方法时，要同时校核起动电流和起动转矩是否满足要求。

　　鼠笼式降压起动方式中经常星形-三角形（Y-△）起动、自耦变压器降压起动和使用电阻（电抗）起动等。

　　1.星形-三角形（Y-△）起动。如果电动机在工作时其定子绕组是联接成三角形的，那么在起动时可把它联成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形。这就是Y-△起动。

　　在Y-△起动过程中，Y联接需要持续一定时间才能换接成△联接，这就得用时间继电器来控制。

　　在交流电路中，常采用的空气式时间继电器，它是利用空气阻尼作用来实现动作延时的。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起至微动开关动作时为止的这段时间。通过调节螺钉10，调节进气孔的大小就可调节延时时间。

　　空气式时间继电器结构简单，但准确度较低。延时范围有0.4～60秒和0.4～180秒两种。现在也使用晶体管时间继电器。

　　在介绍降压起动控制线路之前，需要明确：

　　1.对于同一个交流接触器而言，可能分布在控制线路的不同地方，但是标注的符号是一致的，并且是联动的；

　　2.交流接触器通电，是指“线圈”通电，其他部分是否通电无所谓；

　　3.对于常开（常闭）触头，只要通电，或者发生机械动作，就会成为闭合（断开）状态，即状态发生改变；

　　4.图例中是“初始”时候各个触头的状态。

　　KM1、KM2、KM3是三个交流触器。起动时KM3工作（KM2不工作），电动机接成Y形；运行时KM2工作（KM3不工作），电动机接成△形。

　　

　　线路的动作次序如下：

　　 

　　本线路的特点是在接触器KM1断电，也就是电动机主电路断开的情况下进行Y-△换接，这样就可以避免当KM3的常开触头还未断开时KM2已吸合而造成电源短路；另外，接触器KM3的常开触头在无电情况下断开，这就避免电弧的发生，延长其使用寿命。

　　降压起动时，起动时的线电流为正常运转时的线电流的1/3.起动转矩也减小到正常运转转矩的1/3.

　　2.自耦变压器降压起动。这种起动方法用于正常运行时定子绕组组接成星形而不能采用Y-△起动或容量较大的鼠笼式异步电动机，也适用于需要较大起动转矩的场合。起动时自耦变压器高压端接电源，低压端接电动机，电动机便在低于额定电压下起动。待电动机转速上升到接近额定转速时，再将自耦变压器脱离电源和电动机，电动机直接与电源相接，进入全压运行。

　　自耦变压器降压器降压起动比Y-△起动的价格高得多，但自耦变压器有三个接头，其输出电压80%、60%、40%，可根据需要选用，使用较灵活。

　　3.电阻（电抗）降压起动。这种起动方法利用在电动机定子回路串接电阻（或电抗）来降低定子绕组电压，以达到限制起动电流的目的。一旦起动完毕，串接电阻（电抗）即被短接，电动机进入全电压正常运行。

　　（三）绕线式三相异步电动机的起动

　　1.转子回路串接电阻起动。

　　绕线式三相异步电动机可以在转子回路中串入电阻进行起动，这样就减小了起动电流。一般采用起动变阻器起动，起动时全部电阻串入转子电路中，随着电动机转速逐渐加快，利用控制器逐级切除起动电阻，最后将全部起动电阻从转子电路中切除。

　　2.转子回路串接频敏变阻器起动。

　　频敏变阻器的电阻随线圈中所通过的电流频率而变。起动时，转差率S＝1，转子电流（即频敏电阻线圈通过的电流）频率最高，等于电源频率。因此，频敏变阻器的电阻最大，这就相当于起动时在转子回路中串接一个较大电阻，从而使起动电流减小。随着电动机转速的加快转差率S逐渐减小，转子电流频率逐渐降低，频敏变阻器电阻也逐渐减小，最后把电动机的转子绕组短接，频敏变阻器从转子电路中切除。

　　采用频敏变阻器起动，具有起动平滑、操作简便、运行可靠、成本低廉等优点，因此在绕线式电动机中应用较广。