第8章 三相异步电动机的起动、制动和调速控制 电子课件 中职电机拖动与电控技术（第3版）.ppt

第8章 三相异步电动机的起动、制动和调速控制 电子课件 中职 高教版 电机拖动与电控技术（第3版）第第8章章 三相异步电动机的起动、制动和调速控制三相异步电动机的起动、制动和调速控制电子教案电子教案电机拖机拖动与与电控技控技术（第（第2版）版）2 8.1 三相异步电动机降压起动控制三相异步电动机降压起动控制三相交流异步电动机直接起动电流很大（约为正常工作电流的47倍），如果电源容量不比电动机容量大许多倍，则起动电流可能会明显地影响同一电网中其他电气设备的正常运行。因此，对于笼型异步电动机可采用：定子串电阻（电抗）降压起动、定子串自耦变压器降压起动、星形-三角形降压起动、延边三角形降压起动等方式；而对于绕线型异步电动机，还可采用转子串电阻起动或转子串频敏变阻器起动等方式以限制起动电流。3 8.1.1 定子串电阻降压起动控制线路定子串电阻降压起动控制线路定子串电阻（电抗）降压起动是指起动时，在电动机定子绕组上串联电阻（电抗），起动电流在电阻上产生电压降，使实际加到电动机定子绕组中的电压低于额定电压，待电动机转速上升到一定值后，再将串联电阻（电抗）短接，使电动机在额定电压下运行。4 1按钮控制线路按钮控制线路按钮控制电动机定子串电阻降压起动线路如图8.1所示。图8.1按钮控制电动机定子串电阻降压起动线路5 线路动作原理为：SB2 M+（串R降压起动）n2 SB3KM2（短接降压电阻R）M+（全压运行）式中，n2是指转子转速的上升。该控制线路优点是结构简单，存在问题是不能实现起动全过程自动化。如果过早按下SB3运行按钮，电动机还没有达到额定转速附近就加全压，会引起较大的起动电流。并且起动过程要分两次按下SB2和SB3也显得很不方便。6 8时间继电器控制线路时间继电器控制线路时间继电器控制电动机定子串电阻降压起动控制线路如图8.2所示。线路动作原理为：图8.2时间继电器控制电动机定子串电阻降压起动控制线路7图8.3为另一种定子串电阻降压起动控制线路。该线路在电动机全压运行时，KT和KM1线圈都断电，只有KM2线圈通电。线路动作请读者自行分析。图8.3定子串电阻降压起动线路由上分析可见，按下起动按钮SB2后，电动机M先串电阻R降压起动，经一定延时（由时间继电器KT确定），电动机M才全压运行。但在全压运行期间，时间继电器KT和接触器KM1线圈均通电，不仅消耗电能，而且减少了电器的使用寿命。8 8.1.2 星形星形-三角形降压起动控制线路三角形降压起动控制线路对于正常运行时电动机额定电压等于电源线电压，定子绕组为三角形连接方式的三相交流异步电动机，可以采用星形-三角形降压起动。它是指起动时，将电动机定子绕组接成星形，待电动机的转速上升到一定值时，再换成三角形连接。这样，电动机起动时每相绕组的工作电压为正常时绕组电压的1/倍，起动电流为三角形直接起动时的1/3。9 1手动控制线路手动控制线路 手动控制电动机星形-三角形降压起动控制线路如图8.4所示。图中手动控制开关SA有两个位置，分别是电动机定子绕组星形和三角形连接。线路动作原理为：起动时，将开关SA置于“起动”位置，电动机定子绕组被接成星形降压起动，当电动机转速上升到一定值后，再将开关SA置于“运行”位置，使电动机定子绕组接成三角形，电动机全压运行。图8.4手动控制星形-三角形降压起动控制线路10 2自动控制线路自动控制线路采用接触器控制星形-三角形降压起动线路如图8.5所示。图中使用了三个接触器KM1，KM2，KM3和一个通电延时型的时间继电器KT，当接触器KM1，KM3主触点闭合时，电动机M星形连接；当接触器KM1，KM2主触点闭合时，电动机M三角形连接。图8.5接触器控制星形-三角形降压起动线路11图2.5线路动作原理为：上述线路，电动机M三角形运行时，时间继电器KT和接触器KM3均断电释放，这样，不仅使已完成星形-三角形降压起动任务的时间继电器KT不再通电，而且可以确保接触器KM2通电后，KM3无电，从而避免KM3与KM2同时通电造成短路事故。12图8.6所示为另一种自动控制电动机星形-三角形降压起动的控制线路。图8.6中不仅只采用两个接触器KM1，KM2，而且电动机由星形接法转为三角形接法时是在切断电源的同时间内完成的。即按下按钮SB2，接触器KM1通电，电动机M接成星形起动，经一段时间后，KM1瞬时断电，KM2通电，电动机M接成三角形，然后KM1再重新通电，电动机M三角形全压运行。线路动作原理请读者自行分析。图8.6自动控制电动机星形-三角形降压起动线路13 8.1.3 自耦变压器降压起动控制线路自耦变压器降压起动控制线路对于容量较大的正常运行时定子绕组接成星形的笼型异步电动机，可采用自耦变压器降压起动。它是指起动时，将自耦变压器接入电动机的定子回路，待电动机的转速上升到一定值时，再切除自耦变压器，使电动机定子绕组获正常工作电压。这样，起动时电动机每相绕组电压为正常工作电压的1/k 倍（k是自耦变压器的匝数比，k=N1/N2），起动电流也为全压起动电流的1/k 2倍。1手动控制线路手动控制线路自耦变压器降压起动手动控制线路如图8.7所示。图中操作手柄有三个位置：“停止”、“起动”和“运行”。操作机构中设有机械连锁机构，它使得操作手柄未经“起动”位置就不可能扳到“运行”位置，保证了电动机必须先经过起动阶段以后才能投入运行。14线路动作原理为：当操作手柄置于“停止”位置时，所有的动、静触点都断开，电动机定子绕组断电，停止转动。当操作手柄向上推至“起动”位置时，起动触点和中性触点同时闭合，电流经起动触点流入自耦变压器，再由自耦变压器的65%（或85%）抽头处输出到电动机的定子绕组，使定子绕组降压起动。随着起动的进行，当转子转速升高到接近额定转速附近时，可将操作手柄扳到“运行”位置，此时起动工作结束，电动机定子绕组得到电网额定电压，电动机全压运行。停止时须按下SB按钮，使失压脱扣器的线圈断电而造成衔铁释放，通过机械脱扣装置将运行触点断开，切断电源。同时也使手柄自动跳回到“停止”位置，为下一次起动作准备。15自耦变压器备有65%和85%两挡电压抽头，出厂时接在65%抽头上，可根据电动机的负载情况选择不同的起动电压。自耦变压器只在起动过程中短时工作，在起动完毕后应从电源中切除。图8.7自耦变压器降压起动手动控制线路16 2自动控制线路自动控制线路自耦变压器降压起动自动控制线路如图8.8所示，它是依靠接触器和时间继电器实现自动控制的。图8.8自耦变压器降压起动自动控制线路17其中，信号指示电路由变压器和三个指示灯等组成，它们分别根据控制线路的工作状态显示“起动”、“运行”和“停机”。线路动作原理为：供电电源正常，HL1亮（指示电源正常）。18线路图中还另外设置了SB3和SB4两个按钮，它们不安装在自动补偿器箱中，可以安装在外部，以便实现远程控制。在自动起动补偿箱中一般只留下四个接线端，SB3和SB4用引线接入箱内。图8.9所示为另一种自耦变压器降压起动控制线路。图8.9中线路由三个接触器控制，主电路增加了电流互感器TA，它一般在容量为100kW以上电动机降压起动控制线路中使用，热继电器FR的发热元件上并联的KA动合触点是在起动时短接发热元件，以防止因起动电流过大而造成误动作；而运行时，KA触点断开，主电路经电流互感器串入发热元件，达到过载保护的目的。三个指示灯HL1,HL2,HL3分别表示停机且线路电压正常、降压起动和全压运行三种状态，SA为选择开关，有自动（A）和手动（M）两种位置。线路动作原理请读者自行分析。19图8.9三个接触器控制的自耦变压器降压起动控制线路20 8.1.4 三相交流绕线式异步电动机的起动控制三相交流绕线式异步电动机的起动控制三相交流绕线式异步电动机的转子中绕有三相绕组，通过滑环可以串入外加电阻（或电抗），从而减少起动电流，同时也可以增加转子功率因数和起动转矩 1转子串电阻起动控制线路绕线式异步电动机转子回路串电阻起动主要有两种：一种是按电流原则逐段切除转子外加电阻，另一种是按时间原则逐段切除转子外加电阻。（1）电流原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路。电流继电器控制绕线式异步电动机转子串电阻三级起动线路如图8.10所示。21图8.10电流原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路22图8.10中，KM1,KM2,KM3为短接电阻接触器，R1,R2,R3为转子外加电阻，KA1,KA2,KA3为电流（中间）继电器，它们的线圈串联在转子回路中，由线圈中通过的电流大小决定触点动作顺序。KA1,KA2,KA3三个电流继电器的吸合电流一致，但释放电流不一致，KA1最大，KA2次之，KA3最小。在起动瞬间，转子转速为零，转子电流最大，三个电流继电器同时全部吸合，随着转子转速的逐渐提高，转子电流逐渐减小，由于KA1整定值最大，所以最早动作，然后随转子电流进一步减小，KA2,KA3依次动作，完成逐级切除电阻的工作。23图8.10线路动作原理为：SB2M+（串R1,R2,R3起动，且KA1+,KA2+,KA3+）KA1KM1（切除电阻R1）KA2KM2（切除电阻R2）KA3KM3（切除电阻R3）M+（正常运行）式中，n2,n2,n2分别表示转子转速逐渐提高，I2,I2,I2分别表示转子电流逐渐减小。（2）时间原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路。时间继电器控制绕线式异步电动机转子串电阻三级起动线路如图8.11所示。图中，KM1，KM2，KM3为短接电阻接触器，KM4为电源接触器，KT1，KT2，KT3为通电延时型时间继电器，由其延时时间的大小决定动作顺序，以达到按时间原则逐段切除电阻的目的。24图8.11时间原则控制绕线式异步电动机转子串电阻三级起动线路线路动作原理请读者自行分析。25 2转子串频敏变阻器起动控制线路转子串频敏变阻器起动控制线路绕线式异步电动机转子回路串接电阻起动，不仅使用电器多，控制电路复杂，起动电阻发热消耗能量，而且起动过程中逐段切除电阻，电流和转矩变化较大，对生产机械造成较大的机械冲击。频敏变阻器是一种静止的、无触点的电磁元件，它由几块3050mm厚的铸铁板或钢板叠成的三柱式铁心和装在铁心上并接成星形的三个线圈组成。若将其接入电动机转子回路内，则随起动过程（转速升高或转子频率下降）的进行，阻抗值自动下降。这样不仅不要逐段切除电阻而且起动过程也能平滑进行。26图8.12电动机转子串频敏变阻器起动控制线路绕线式异步电动机转子串频敏变阻器起动控制线路如图8.12所示。线路动作原理为：27图8.13所示为绕线式异步电动机正、反转转子串频敏变阻器起动控制线路。图8.13中KM1和KM2为正、反转接触器，SA为转换开关，它有“自动（A）”和“手动（M）”两个位置，分别可以实现自动或手动切除频敏变阻器，时间继电器KT的延时量决定起动时间的长短。SB4为手动控制按钮，信号指示电路中HL1为电源指示灯，HL2为正转指示灯，HL3为反转指示灯，HL4为正常运转（短接频敏变阻器）指示灯。线路动作原理请读者自行分析。28图8.13电动机正、反转转子串频敏变阻器起动控制线路29 8.2 三相笼型异步电动机制动控制线路三相笼型异步电动机制动控制线路在生产过程中，有些生产机械往往要求电动机快速、准确地停车，而电动机在脱离电源后由于机械惯性的存在，完全停止需要一段时间，这就要求对电动机采取有效措施进行制动。电动机制动分两大类：机械制动和电气制动。机械制动是在电动机断电后利用机械装置对其转轴施加相反的作用力矩（制动力矩）来进行制动。电磁抱闸就是常用方法之一，结构上电磁抱闸由制动电磁铁和闸瓦制动器组成。断电制动型电磁抱闸在电磁线圈断电时，利用闸瓦对电动机轴进行制动；电磁铁线圈得电时，松开闸瓦，电动机可以自由转动。这种制动在起重机上被广泛采用。电气制动是使电动机停车时产生一个与转子原来的实际旋转方向相反的电磁力矩（制动力矩）来进行制动。常用的电气制动有反接制动和能耗制动等。30 8.2.1 速度继电器速度继电器速度继电器主要用做笼型异步电动机的反接制动控制，亦称反接制动继电器。1速度继电器外形结构及符号速度继电器外形结构及符号速度继电器的外形结构如图8.14(a)所示，图8.14(b)为其图形符号，其文字符号为KV。速度继电器主要由转子、定子和触点三部分组成。转子是一个圆柱形永久磁铁，定子是一个笼型空心圆环。定子由硅钢片叠成，并装有笼型绕组。图8.14速度继电器外形结构及符号31 2速度继电器的动作原理速度继电器的动作原理速度继电器的动作原理如图8.15所示。其转轴与电动机的轴相连接，而定子空套在转子上。当电动机转动时，速度继电器的转子（永久磁铁）随之转动，在空间产生旋转磁场，切割定子绕组，而在其中感应出电流。此电流又在旋转的转子磁场作用下产生转矩，使定子随转子转动方向而旋转，和定子装在一起的摆锤推动动触头动作，使动断触点断开，动合触点闭合。当电动机转速低于某一值时，定子产生的转矩减小，动触头复位。321转轴；2转子；3定子；4绕组；5摆锤；6，7静触点；8，9动触点图8.15速度继电器的动作原理图 3速度继电器的型号含义速度继电器的型号含义常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型，其型号含义如下：33 8.2.2 反接制动控制线路反接制动控制线路反接制动是在电动机的原三相电源被切断后，立即通上与原相序相反的三相交流电源，以形成与原转向相反的电磁力矩，利用这个制动力矩使电动机迅速停止转动。这种制动方式必须在电动机转速降到接近零时切除电源，否则电动机仍有反向力矩可能会反向旋转，造成事故。图8.16三相异步电动机单向运转反接制动控制线路34主电路中所串电阻R为制动限流电阻，防止反接制动瞬间过大的电流可能会损坏电动机。速度继电器KV与电动机同轴，当电动机转速上升到一定数值时，速度继电器的动合触点闭合，为制动做好准备。制动时转速迅速下降，当其转速下降到接近零时，速度继电器动合触点恢复断开，接触器KM2线圈断电，防止电动机反转。线路动作原理为：35图8.17所示为可逆运行反接制动控制线路。图8.17中，KM1，KM2为正、反转接触器，KM3为短接电阻接触器，KA1，KA2，KA3为中间继电器，KV为速度继电器，其中，KV1为正转动合触点，KV2为反转动合触点，R为起动与制动电阻。图8.17控制线路动作原理请读者自行分析。反接制动的优点是制动迅速，但制动冲击大，能量消耗也大。故常用于不经常起动和制动的大容量电动机。36图8.17可逆运行反接制动控制线路37 8.2.3 能耗制动控制线路能耗制动控制线路能耗制动是将运转的电动机脱离三相交流电源的同时，给定子绕组加一直流电源，以产生一个静止磁场，利用转子感应电流与静止磁场的作用，产生反向电磁力矩而制动的。能耗制动时制动力矩大小与转速有关，转速越高，制动力矩越大，随转速的降低制动力矩也下降，当转速为零时，制动力矩消失。381时间原则控制的能耗制动控制线路时间原则控制的能耗制动控制线路图8.18时间原则控制的能耗制动控制线路39 图8.18中主电路在进行能耗制动时所需的直流电源由四个二极管组成单相桥式整流电路通过接触器KM2引入，交流电源与直流电源的切换由KM1和KM2来完成，制动时间由时间继电器KT决定。线路动作原理为：40 2速度原则控制的能耗制动控制线路速度原则控制的能耗制动控制线路图8.19为速度原则控制的能耗制动控制线路，其动作原理与图8.16单向运转反接制动控制线路相似，请读者自行分析。能耗制动的优点是制动准确、平稳、能量消耗小，但需要整流设备。故常用于要求制动平稳、准确和起动频繁的容量较大的电动机。图8.19速度原则控制的能耗制动控制线路41 8.3 三相交流异步电动机调速控制线路三相交流异步电动机调速控制线路异步电动机调速方法主要有：变极调速、变阻调速和变频调速等几种。其中，变极调速是通过改变定子绕组的磁极对数以实现调速；变阻调速是通过改变转子电阻以实现调速；变频调速目前使用专用变频器可以实现异步电动机的变频调速控制。8.3.1 变极调速控制线路变极调速控制线路变极调速是通过改变定子空间磁极对数的方式改变同步转速，从而达到调速的目的。在恒定频率情况下，电动机的同步转速与磁极对数成反比，磁极对数增加一倍，同步转速就下降一半，从而引起异步电动机转子转速的下降。显然，这种调速方法只能一级一级地改变转速，而不能平滑地调速。42双速电动机定子绕组的结构及接线方式如图8.20所示。其中，图8.20(a)为定子绕组结构示意图，改变接线方法可获得两种接法：8.20(b)为三角形接法，磁极对数为2对极，同步转速为1500r/min，是一种低速接法；图8.20(c)为双星形接法，磁极对数为1对极，同步转速为3000r/min，是一种高速接法。图8.20双速电动机定子绕组的结构及接线方式431双速三相交流异步电动机手动控制变极调速线路双速三相交流异步电动机手动控制变极调速线路双速三相异步电动机的手动调速控制线路如图8.21所示。图8.21双速三相异步电动机的手动调速控制线路44图8.21中，KM1主触点闭合，电动机定子绕组连接成三角形接法，磁极对数为2对极，同步转速为1500r/min；KM2和KM3主触点闭合，电动机定子绕组连接成双星形接法，磁极对数为1对极，同步转速为3000r/min。线路动作原理为：45 2双速三相交流异步电动机自动控制变极调速线路双速三相交流异步电动机自动控制变极调速线路双速三相交流异步电动机自动控制变极调速线路如图8.22所示。SA有三个位置：中间位置所有接触器和时间继电器都不接通，电动机控制电路不起作用，电动机处于停止状态；低速位置接通KM1线圈电路，其触点动作的结果是电动机定子绕组接成三角形，以低速运转；高速位置接通KM2，KM3和KT线圈，电动机定子绕组接成双星形，以高速运转。但应注意的是该线路高速运转必须由低速运转过渡。控制线路动作原理请读者自行分析。46图8.22双速三相交流异步电动机自动控制变极调速线路47 3三速三相交流异步电动机调速线路三速三相交流异步电动机调速线路三速笼型异步电动机的定子槽安装有两套绕组，分别是三角形绕组和星形绕组，其结构如图8.23(a)所示。低速运行按图8.23(b)所示接线，定子绕组为三角形接法。中速运行按图8.23(c)所示接线，定子绕组为星形接法。高速运行按图8.23(d)所示接线，定子绕组为双星形接法。图8.24为三速笼型电动机控制线路，图中SB1，SB2，SB3分别为低速、中速、高速按钮，KM1，KM2，KM3分别为低速、中速、高速接触器。线路动作原理为：按下任何一个速度起动控制按钮（SB1，SB2，SB3），对应的接触器线圈得电，其自锁和互锁触点动作，完成对本线圈的自锁和对另外接触器线圈的互锁，主电路对应的主触点闭合，实现对电动机定子绕组对应的接法，使电动机工作在选定的转速下。显然，这套线路中从任何一种速度要转换到另一种速度时，必须先按下停止按钮，因为三个接触器之间是电气互锁的。48图8.23三速笼型异步电动机的定子绕组接线图49图8.24三速笼型电动机控制线路50 8.3.2 变频调速控制线路变频调速控制线路变频调速的功能是将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频的交流电，它是通过平滑改变异步电动机的供电频率f来调节异步电动机的同步转速n0，从而实现异步电动机的无级调速。这种调速方法由于调节同步转速n0，故可以由高速到低速保持有限的转差率，效率高，调速范围大，精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方法。由于电动机每极气隙主磁通要受到电源频率的影响，所以实际调速控制方式中要保持定子电压与其频率为常数这一基本原则。由于变频调速技术日趋成熟，故把实现交流电动机调速装置做成产品即变频器。按变频器的变频原理来分，它可分为：交-交变频器和交-直-交变频器。随着现代电力电子技术的发展，PMW（输出电压调宽不调幅）变频器已成为当今变频器的主流。51交-交变频器和交-直-交变频器的结构如图8.25所示。交-交变频器也称直接变频器，它没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电。交-直-交变频器也称间接变频器，它先将电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节之后，再进行逆变才能转换为变频变压的交流电。图8.25变频器的方框图52 本章小结三相交流异步电动机降压是限制起动电流过大的有效方法之一。其中定子绕组串电阻降压起动控制是在起动时串入电阻，起动完毕后短接电阻，实现全压运行。对于正常运行时电动机额定电压等于电源线电压，定子绕组为三角形连接方式的三相交流异步电动机，可以采用星形-三角形降压起动，这种控制线路中从星形起动到三角形运行可以利用通电延时型时间继电器。对于容量较大的正常运行时定子绕组接成星形的笼型异步电动机，可采用自耦变压器降压起动，一般情况下这种控制线路有手动控制和自动控制两种。53三相交流绕线式异步电动机转子串电阻降压起动可以有三种控制方式：手动控制、电流原则控制（电流继电器线圈串入转子回路）、时间原则控制（几个时间继电器依次动作、控制接触器短接转子电阻）。转子串频敏变阻器可以使控制线路简单，减少电阻能量损耗，并且随起动过程自动完成平滑地减小电阻。反接制动是一种有效的制动方法，在电动机转轴上连接速度继电器，可以使得在制动过程中转速接近零时切断电源，防止电动机反向旋转。构成反接制动控制线路与正、反转控制有类似之处。54能耗制动可以按时间原则和电流原则组成控制电路。这种制动控制需整流设备（提供直流电源），常用于要求制动平稳、准确和起动频繁容量较大的电动机。变极调速可以成倍数地改变电动机磁极对数，所以能够实现调速控制。其中三角形-双星形接法控制线路有手动控制和自动控制（利用时间继电器）；三角形-星形-双星形接法可获得低速、中速和高速不同的三速度，利用自锁和互锁，实现对电动机定子绕组不同接法达到调速目的。55思考题和习题88.1三相笼型异步电动机常用的降压起动方法有哪几种？8.2电动机在什么情况下应采用降压起动？定子绕组为星形接法的笼型异步电动机能否采用星形-三角形降压起动？为什么？8.3电动机反接制动控制与电动机正、反转运行控制的主要区别是什么？8.4电动机能耗制动与反接制动控制各有何优缺点？分别适用于什么场合？8.5设计一个控制线路，要求第一台电动机起动10s后，第二台电动机自行起动，运行5s后，第一台电动机停止并同时使第三台电动机自行起动，再运行15s电动机全部停止。56 8.6 一台电动机为Y/660/380接法，允许轻载起动，试设计满足下列要求的控制线路：（1）采用手动和自动控制降压起动；（2）实现连续运转和点动工作，且当点动工作时要求处于降压状态工作；（3）具有必要的连锁和保护环节。8.7 现有一台双速电动机，试按下述要求设计控制线路：（1）分别用两个按钮操作电动机的高速起动和低速起动，用一个总停按钮控制电动机的停止。（2）起动高速时，先接成低速后经延时再换接到高速。（3）应有短路和过载保护。57