2013注評(píng)《機(jī)電設(shè)備評(píng)估基礎(chǔ)》預(yù)習(xí)：三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

第二章 傳動(dòng)裝置與電機(jī)

　　知識(shí)點(diǎn)十七、三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

　?。ㄒ唬┲苯悠饎?dòng)

　　電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，轉(zhuǎn)子總是從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這種從靜止到正常運(yùn)轉(zhuǎn)的加速過(guò)程叫做起動(dòng)。由于起動(dòng)瞬間電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0，轉(zhuǎn)差率S＝1，也就是說(shuō)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和靜止轉(zhuǎn)子間的相對(duì)速度很大，因此轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)時(shí)的定子電流稱(chēng)為起動(dòng)電流。電動(dòng)機(jī)在額定電壓下起動(dòng)稱(chēng)為直接起動(dòng)。直接起動(dòng)的電流約為額定電流的5～7倍。

　　直接起到存在的問(wèn)題：（1）過(guò)大的起動(dòng)電流將會(huì)使供電線(xiàn)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(duì)于正在起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)本身，也會(huì)因電壓下降過(guò)大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減少，延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間，甚至不能起動(dòng)。

　　因此，在供電變壓器容量較大，電動(dòng)機(jī)容量較小的前提下，三相異步電動(dòng)機(jī)可以直接起動(dòng)。否則異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)應(yīng)采用適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)方法（如降壓起動(dòng)）。

　　電動(dòng)機(jī)采用直接起動(dòng)還是采用降壓起動(dòng)也可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式判斷：

　　式中：IQ-電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)電流（A）IN-電動(dòng)機(jī)額定電流（A）

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

　　1.直接起動(dòng)控制線(xiàn)路所用電器

　?。?）組合開(kāi)關(guān)。小容量異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止、正反轉(zhuǎn)控制常用組合開(kāi)關(guān)，組合開(kāi)頭也常用作電源引入開(kāi)關(guān)。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸就可以將三個(gè)觸頭（彼此相差一定角度）同時(shí)接通或斷開(kāi)。

　　組合開(kāi)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.

　?。?）按鈕。按鈕通常用來(lái)接通或斷開(kāi)電流很小的控制電路，從而控制電動(dòng)機(jī)或其他電氣設(shè)備的運(yùn)行。原來(lái)就接通的觸頭稱(chēng)為常閉觸頭；原來(lái)斷開(kāi)的觸頭稱(chēng)為常開(kāi)觸頭。電動(dòng)機(jī)起、停控制電路中常用雙聯(lián)按鈕。

　　（3）交流接觸器。交流接觸器常用來(lái)接通或斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)或其他設(shè)備的主電路，每小時(shí)可以開(kāi)閉幾百次。

　　接觸器主要由電磁鐵和觸頭兩部分組成。當(dāng)線(xiàn)圈通電時(shí)，吸引山字形動(dòng)鐵芯（上鐵芯）而使常開(kāi)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(guò)電流較小，常接在電動(dòng)機(jī)的控制電路中；主觸頭能通過(guò)較大電流，接在電動(dòng)機(jī)的主回路中。

　　在選用接觸器時(shí)，應(yīng)注意它的額定電流、線(xiàn)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。

　?。?）中間繼電器。中間繼電器通常用來(lái)傳遞信號(hào)和同時(shí)控制多個(gè)電路，也可直接用它來(lái)控制小容量電動(dòng)機(jī)或其他電氣執(zhí)行元件。選用中間繼電器的時(shí)候，主要考慮電壓等級(jí)和觸頭（常開(kāi)和常閉）數(shù)量。

　　（5）熱繼電器。熱繼電器主要用來(lái)保護(hù)電動(dòng)機(jī)，使之避免因長(zhǎng)時(shí)間過(guò)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(dāng)發(fā)生短路事故時(shí)，熱繼電器不能立即斷開(kāi)，因此它不能用作短路保護(hù)。正是由于熱繼電器的熱慣性，才使得它在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或短時(shí)過(guò)載時(shí)不會(huì)動(dòng)作，從而避免了電動(dòng)機(jī)的不必要的停車(chē)。

　　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(guò)的電流超過(guò)此值的20%時(shí)，熱繼電器應(yīng)在20分鐘內(nèi)動(dòng)作（電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的額定電流相等。

　?。?）熔斷器。熔斷器是一種簡(jiǎn)便有效的短路保護(hù)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(xiàn)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(yán)重過(guò)載，熔斷器立即熔斷。

　　在單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電路中，為了防止電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)較大的電流燒斷熔絲，熔絲不能按電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)選擇，而應(yīng)按下式計(jì)算：

　　

　　如果電動(dòng)機(jī)起動(dòng)頻繁，則為

　　

　　如果幾臺(tái)電動(dòng)機(jī)合用一個(gè)熔斷器，則熔絲額定電流按下式計(jì)算：

　　 

　　2.直接起動(dòng)控制線(xiàn)路

　　中、小容量三相異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)控制線(xiàn)路，其中用了組合開(kāi)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(kāi)關(guān)QC閉合，為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)作好準(zhǔn)備。當(dāng)按下起動(dòng)按鈕SB1時(shí)，交流接觸器KM的線(xiàn)圈通電，動(dòng)鐵芯被吸合，使三個(gè)主觸頭閉合，電動(dòng)機(jī)M起動(dòng)。當(dāng)松開(kāi)SB1時(shí)，交流接觸器本應(yīng)在彈簧作用下恢復(fù)其斷開(kāi)位置，但由于與起動(dòng)按鈕并聯(lián)的輔助觸頭和主觸頭同時(shí)閉合，因此接觸器線(xiàn)圈的電路仍然接通而使接觸器觸頭保持在閉合位置。這個(gè)輔助觸頭稱(chēng)為自鎖觸頭。

　　上述控制電路可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)作用、過(guò)載保護(hù)作用和零電壓保護(hù)等多重保護(hù)：

　　短路保護(hù)：熔斷器FU起短路保護(hù)作用。

　　過(guò)載保護(hù)：熱繼電器KR起過(guò)載保護(hù)作用，為了可靠地保護(hù)電動(dòng)機(jī)，應(yīng)至少用兩個(gè)熱元件，分別串接在任意兩相中。這樣不僅在電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)起保護(hù)作用，而且當(dāng)任意一相的熔絲熔斷后作單相運(yùn)行時(shí)，仍有一個(gè)或兩個(gè)熱元件中通有電流而使電動(dòng)機(jī)得到保護(hù)。

　　過(guò)零保護(hù)：當(dāng)電源暫時(shí)停電時(shí)，電動(dòng)機(jī)即自動(dòng)從電源切除。因?yàn)檫@時(shí)接觸器線(xiàn)圈中的電流消失，動(dòng)鐵芯釋放而使主觸頭和自鎖觸頭同時(shí)斷開(kāi)。當(dāng)電源電壓恢復(fù)后，若不重新按起動(dòng)按鈕，則電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)，因?yàn)樽枣i觸頭已經(jīng)斷開(kāi)。如果不是采用繼電接觸器控制，而是直接用刀開(kāi)關(guān)或組合開(kāi)關(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制，那么停電時(shí)未及時(shí)拉開(kāi)開(kāi)關(guān)，當(dāng)電源電壓恢復(fù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)即自行起動(dòng)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(kāi)關(guān)）——FU（熔斷器）——KM（交流接觸器主觸頭）——KR（熱繼電器）——電動(dòng)機(jī)

　　控制電路是：

　　 

　　必須學(xué)會(huì)由直接啟動(dòng)的控制線(xiàn)路圖繪制相應(yīng)的原理圖。在繪制原理圖時(shí)需要注意：

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

　　所有電器的觸頭均以起始位置表示。

　　[強(qiáng)調(diào)]在起始情況下，如果觸頭是斷開(kāi)的，則稱(chēng)為常開(kāi)觸頭或動(dòng)合觸頭（因?yàn)橐粍?dòng)就合）；如果觸頭是閉合的，則稱(chēng)為常閉觸頭或動(dòng)斷觸頭（因?yàn)橐粍?dòng)就斷）。所有電器的觸頭均以起始位置表示。

　　（二）鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)

　　當(dāng)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)容量較大，而電源容量不夠大時(shí)，為了限制起動(dòng)電流，避免電網(wǎng)電壓顯著下降，一般采用降壓起動(dòng)。降壓起動(dòng)是利用起動(dòng)設(shè)備，在起動(dòng)時(shí)降低加在定子繞組上的電壓，待起動(dòng)過(guò)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(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大大降低了。因此，降壓起動(dòng)只適合于空載或輕載起動(dòng)，負(fù)載不大的情況。選擇起動(dòng)方法時(shí)，要同時(shí)校核起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是否滿(mǎn)足要求。

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

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

　　在Y-△起動(dòng)過(guò)程中，Y聯(lián)接需要持續(xù)一定時(shí)間才能換接成△聯(lián)接，這就得用時(shí)間繼電器來(lái)控制。

　　在交流電路中，常采用的空氣式時(shí)間繼電器，它是利用空氣阻尼作用來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作延時(shí)的。延時(shí)時(shí)間即為自電磁鐵吸引線(xiàn)圈通電時(shí)刻起至微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)為止的這段時(shí)間。通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘10，調(diào)節(jié)進(jìn)氣孔的大小就可調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間。

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

　　在介紹降壓起動(dòng)控制線(xiàn)路之前，需要明確：

　　1.對(duì)于同一個(gè)交流接觸器而言，可能分布在控制線(xiàn)路的不同地方，但是標(biāo)注的符號(hào)是一致的，并且是聯(lián)動(dòng)的；

　　2.交流接觸器通電，是指“線(xiàn)圈”通電，其他部分是否通電無(wú)所謂；

　　3.對(duì)于常開(kāi)（常閉）觸頭，只要通電，或者發(fā)生機(jī)械動(dòng)作，就會(huì)成為閉合（斷開(kāi)）狀態(tài)，即狀態(tài)發(fā)生改變；

　　4.圖例中是“初始”時(shí)候各個(gè)觸頭的狀態(tài)。

　　KM1、KM2、KM3是三個(gè)交流觸器。起動(dòng)時(shí)KM3工作（KM2不工作），電動(dòng)機(jī)接成Y形；運(yùn)行時(shí)KM2工作（KM3不工作），電動(dòng)機(jī)接成△形。

　　

　　線(xiàn)路的動(dòng)作次序如下：

　　 

　　本線(xiàn)路的特點(diǎn)是在接觸器KM1斷電，也就是電動(dòng)機(jī)主電路斷開(kāi)的情況下進(jìn)行Y-△換接，這樣就可以避免當(dāng)KM3的常開(kāi)觸頭還未斷開(kāi)時(shí)KM2已吸合而造成電源短路；另外，接觸器KM3的常開(kāi)觸頭在無(wú)電情況下斷開(kāi)，這就避免電弧的發(fā)生，延長(zhǎng)其使用壽命。

　　降壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)時(shí)的線(xiàn)電流為正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的線(xiàn)電流的1/3.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小到正常運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的1/3.

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

　　自耦變壓器降壓器降壓起動(dòng)比Y-△起動(dòng)的價(jià)格高得多，但自耦變壓器有三個(gè)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(dòng)。這種起動(dòng)方法利用在電動(dòng)機(jī)定子回路串接電阻（或電抗）來(lái)降低定子繞組電壓，以達(dá)到限制起動(dòng)電流的目的。一旦起動(dòng)完畢，串接電阻（電抗）即被短接，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入全電壓正常運(yùn)行。

　?。ㄈ├@線(xiàn)式三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

　　1.轉(zhuǎn)子回路串接電阻起動(dòng)。

　　繞線(xiàn)式三相異步電動(dòng)機(jī)可以在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻進(jìn)行起動(dòng)，這樣就減小了起動(dòng)電流。一般采用起動(dòng)變阻器起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)全部電阻串入轉(zhuǎn)子電路中，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸加快，利用控制器逐級(jí)切除起動(dòng)電阻，最后將全部起動(dòng)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(dòng)。

　　頻敏變阻器的電阻隨線(xiàn)圈中所通過(guò)的電流頻率而變。起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)差率S＝1，轉(zhuǎn)子電流（即頻敏電阻線(xiàn)圈通過(guò)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(dāng)于起動(dòng)時(shí)在轉(zhuǎn)子回路中串接一個(gè)較大電阻，從而使起動(dòng)電流減小。隨著電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)，具有起動(dòng)平滑、操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用較廣。