第七章 三相異步電動機的控制和保護電路

1、第七章 三相異步電動機的控制和保護電路教學重點：三相異步電動機的降壓啟動控制電路，正、反轉(zhuǎn)控制電路及其工作原理。以及三相異步電動機的保護環(huán)節(jié)。教學難點：能熟練分析三相異步電動機的降壓啟動控制電路和正、反轉(zhuǎn)控制電路的工作過程和基本原理。教學目標：通過本章的學習能正確、熟練分析三相異步電動機的基本控制電路的構(gòu)成及其工作原理，學會安裝和調(diào)試各類三相異步電動機的基本控制電路。了解三相異步電動機常用的保護電路。在各行各業(yè)廣泛使用的電氣設(shè)備和生產(chǎn)機械中，其自動控制電路大多以各類電動機和繼電器、接觸器、按鈕、保護元件等器件組成。這些控制電路無論是簡單還是復雜，一般都是由一些基本控制環(huán)節(jié)組成，在分析電路原理和

2、判斷其故障時，一般都是從這些基本控制環(huán)節(jié)入手。因此我們本章著重介紹三相異步電動機的控制和保護電路。7.1 三相異步電動機的啟動控制電路啟動是指異步電動機接通電源后轉(zhuǎn)速從零逐漸上升到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程。異步電動機啟動時，電流為額定電流的57倍（Ist=(57)In）。將對電網(wǎng)及其他設(shè)備造成一定的影響。因此拖動系統(tǒng)要求異步電動機在滿足啟動轉(zhuǎn)速的前提下，盡量降低啟動電流。實際應用中，三相異步電動機常用的啟動方法有直接啟動和降壓啟動。7.1.1直接啟動及控制電路直接啟動指的是電動機直接電源進行啟動。這種啟動方法簡單、經(jīng)濟，啟動時間短，但是啟動電流大。一般只適用于小容量電動機。如圖71所示是三相異步電動機直

3、接啟動的控制電路圖。如圖71（a）所示為刀開關(guān)控制電路，電路中的熔斷器用作短路保護。生產(chǎn)車間中常使用這種控制電路。如圖71（b）所示為單向點動控制電路，它由主電路和控制電路兩部分組成。主電路是指電動機所在的電路，一般工作電流較大，由刀開關(guān)、熔斷器、交流接觸器的主觸點及電動機組成；控制電路工作電流較小，由按鈕和接觸器的線圈組成。（a）刀開關(guān)控制電路 （b）單向點動控制電路 （c）單向連續(xù)運行控制電路圖71 三相異步電動機單向控制電路電路工作原理為：先合上電源開關(guān)QS啟動過程：按下啟動按鈕SB2接觸器KM線圈通電KM主觸點閉合電動機M啟動運行停止過程：松開按鈕SB2接觸器KM線圈斷電KM主觸點斷開

4、電動機M失電停轉(zhuǎn)點動控制電路在工業(yè)生產(chǎn)中應用較多，電動葫蘆和機床工作臺的上、下移動等控制電路通常采用點動控制電路。如圖71(c)所示為單向連續(xù)運行控制電路。其電路工作原理為：先合上電源開關(guān)QS啟動過程：按下啟動按鈕SB2接觸器KM線圈通電KM主觸點閉合電動機M啟動運行。停止過程：松開按鈕SB2接觸器KM線圈斷電KM主觸點斷開電動機M失電停轉(zhuǎn)。如圖71(c)所示為單向連續(xù)運行控制電路。其電路工作原理為：先合上電源開關(guān)QS啟動過程：KM主觸點閉合按下啟動按鈕SB2接觸器KM線圈通電 電動機通電工作 KM常開輔助觸點閉合當松開SB2時，由于KM的常開輔助觸點閉合，控制電路仍然保持接通，所以KM線圈繼

5、續(xù)得電，電動機M實現(xiàn)連續(xù)運轉(zhuǎn)。我們把這種利用接觸器KM本身常開觸點而使線圈保持得電的控制方式叫做自鎖。與啟動按鈕SB2并聯(lián)的常開輔助觸點稱為自鎖觸點。停止過程： KM主觸點斷開按下停止按鈕SB1接觸器KM線圈斷電 電動機失電停轉(zhuǎn) KM常開輔助觸點斷開電路具有熔斷器進行的短路保護，熱繼電器進行的過載保護，接觸器兼有的欠壓、失壓保護。7.1.2 降壓啟動及控制電路所謂降壓啟動，就是利用某些設(shè)備或者采用電動機定子繞組換接的方法，啟動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，啟動后再將電壓恢復到額定值，使之全壓運行。對于較大容量（大于10KW）的電動機一般采用降壓啟動。三相異步電動機常用的降壓啟動方法有定子串

6、電阻降壓、-降壓、自耦變壓器降壓啟動幾種。雖然方法各異，但目的都是為了減小啟動電流。下面詳細介紹-降壓啟動。三相籠型異步電動機-降壓啟動控制電路如圖72所示。（a）主電路 （b）控制電路圖72 -降壓啟動控制電路圖72所示為-降壓啟動控制電路，圖中主電路由3組接觸器組成。主觸點分別將電動機的定子繞組接成形和形。即KM1、KM3主觸點閉合時，繞組接成形；KM1、KM2閉合時，繞組接成形。兩種接線方式的切換要在很短的時間內(nèi)完成。因此在控制電路中采用時間繼電器實現(xiàn)定時自動切換。電路工作原理為：先合上電源開關(guān)QS(1) 降壓啟動運行 KM1自鎖觸點閉合 KM1線圈通電吸合 KM1主觸點閉合 定子繞組接

7、成Y按下啟動按鈕SB2 電動機降壓啟動 KM3主觸點閉合 KM3線圈通電吸合 KM3聯(lián)鎖觸點斷開保證KM2線圈斷電 KT常閉觸點延時斷開保證KM3線圈斷電 KT線圈通電吸合 KT常開觸點延時閉合 KM2自鎖觸點閉合 KM2主觸點閉合 定子繞組接成， KM2線圈通電吸合 電動機全壓運行 KM1主觸點已閉合 KM2聯(lián)鎖觸點斷開（1） 停止按下停止按鈕SB2控制電路斷電KM1、KM2、KM3線圈斷電電動機M斷電停轉(zhuǎn)。（2） 電路中，如果線圈KM2、KM3同事得電，其主觸點都將閉合，造成電源短路。因此把KM2常閉觸點串入KM3線圈回路，把KM3常閉觸點串入KM2線圈回路。我們把這種聯(lián)鎖稱為互鎖。KM2

8、、KM3的常閉觸點稱為互鎖觸點。7.2 三相異步電動機的正、反轉(zhuǎn)控制電路生產(chǎn)實踐中，許多生產(chǎn)機械要求電動機能反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)可逆運行。如機床主軸的正向和反向運動，工作臺的前后運動等。由電動機原理可知，三相異步電動機的三相電源進線中任意兩相對調(diào)，電動機就可反向運轉(zhuǎn)。實際運用中，通過兩個接觸器改變定子繞組相序來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。如圖73所示。三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路如圖73所示。圖73 三相異步電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路電路工作原理為：先合上電源開關(guān)QS1、 正轉(zhuǎn)控制： SB2常閉觸點先分斷，切斷反轉(zhuǎn)控制電路，對KM2聯(lián)鎖按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB2 SB2常開觸點閉合KM1線圈得電 KM1自鎖觸點閉合自鎖

9、電動機M啟動 KM1主觸點閉合 連續(xù)正轉(zhuǎn) KM1聯(lián)鎖觸點分斷，切斷反轉(zhuǎn)控制電路，起到對KM2聯(lián)鎖作用 2、 反轉(zhuǎn)控制： KM1自鎖觸點解除自鎖 電動機M SB3常閉觸點KM1線圈失電 KM1主觸點分斷 失電停轉(zhuǎn)按下反轉(zhuǎn) 先分斷啟動按鈕SB3 KM1聯(lián)鎖觸點恢復閉合 SB3常開觸點后閉合 KM2自鎖觸點閉合 電動機M啟動連續(xù)反轉(zhuǎn)KM2線圈得電 KM2主觸點閉合 KM2聯(lián)鎖觸點分斷，切斷正轉(zhuǎn)控制電路，起到對KM1聯(lián)鎖作用3、 停止控制：停止時，按下停止按鈕SB1,控制電路失電，接觸器KM1或KM2主觸點分斷，電動機M失電停轉(zhuǎn)。此正反轉(zhuǎn)電路具有雙重聯(lián)鎖功能，集中了電氣聯(lián)鎖和機械聯(lián)鎖的兩種正反轉(zhuǎn)電路的

10、優(yōu)點。此電路可以直接實行“正反?！钡目刂啤２坏僮骱唵畏奖悖夷馨踩煽康貙崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行。是機床電氣控制中經(jīng)常采用的電路。7.3 三相異步電動機的調(diào)速控制電路調(diào)速是指用人為地方法來改變異步電動機的轉(zhuǎn)速。由轉(zhuǎn)差率的計算公式可得：nn0(1-s)=(1-s)由上式可知，改變?nèi)喈惒诫妱訖C的轉(zhuǎn)速方法有：改變磁極對數(shù)P,改變轉(zhuǎn)差率S,改變電源頻率飛f。目前廣泛使用的調(diào)速方法是變更定子繞組的極對數(shù)，因為極對數(shù)的改變必須在定子和轉(zhuǎn)子上同時進行，因此對于繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機不太適用。由于鼠籠轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子極數(shù)是隨定子極數(shù)的改變而自動改變的。變極時只需要考慮定子繞組的極數(shù)即可。因此，這種調(diào)速方法只適用

11、于鼠籠轉(zhuǎn)子異步電動機。常用的多速電動機有雙速、三速、四速電動機，下面以雙速電動機為例來分析這類電動機的變速控制。1、雙速電動機定子繞組的連接這種電動機定子繞組有6個出線端。若將電動機定子繞組三個出線端U1、V1、W1分別接三相電源，而將U2、V2、W2三個出線端懸空，如圖74（a）所示，則電動機的三相定子繞組接成三角形，此時每相得兩個繞組相互串聯(lián)，電流方中的虛線箭頭所示。磁極為4極，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min；為低速。 (a) 低速形接法 （b）高速YY形接法圖74 4/2極/YY形的雙速電動機定子繞組接線圖若將電動機電子繞組的U2、V2、W2三個出線端分別接三相電源，而將U1、V1、W1三

12、個出線端接成雙YY形，此時每相兩個繞組并聯(lián)。電流方向如圖中實線箭頭所示，磁極數(shù)為2極，同步轉(zhuǎn)速為3000r/min；為高速?？梢婋p速電動機高速運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速時低速的二倍。2、雙速電動機控制電路如圖75所示。圖75 雙速電動機控制電路電路工作原理為：低速運行時：合上電源開關(guān)QS SB2常閉觸點先分斷，對KM2、KM3聯(lián)鎖 按下低速 KM1聯(lián)鎖觸點分斷對按鈕SB2 KM2、KM3聯(lián)鎖 SB2常開觸點后閉合KM1線圈得電 KM1主觸點閉合 KM1自鎖觸點閉合 電動機M接成形低速運行高速運行時：合上電源開關(guān)QS KM1自鎖觸點解除自鎖 SB3常閉觸點先分斷KM1線圈失電 KM1主觸點分斷 按下高速按鈕S

13、B3 KM1聯(lián)鎖觸點恢復閉合 SB3常開觸點后閉合 KM2、KM3聯(lián)鎖觸點分斷解除對KM1聯(lián)鎖 KM2、KM3線圈同時得電 KM2、KM3自鎖觸點閉合自鎖KM2、KM3主觸點閉合 電動機接成YY形高速運行 停轉(zhuǎn)時，只需按下停止按鈕SB1就可。7.4 保護電路三相異步電動機控制電路除了能滿足被控設(shè)備生產(chǎn)工藝的控制要求外，還必須考慮到電路有發(fā)生故障和不正常工作情況的可靠性。因為發(fā)生這些情況時會引起電流增大，電壓和頻率降低或升高、損毀。因此，控制電路中的保護環(huán)節(jié)是電動機控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。常用的保護電路有短路保護、過載保護、過電流保護、失電壓保護和欠電壓保護等。1、短路保護在電動機控制系統(tǒng)

14、中，最常用和最危險的故障是多種形式的短路。如電器或線路絕緣遭到損壞、控制電器及線路出現(xiàn)故障、操作或接線錯誤等，都可能造成短路事故。發(fā)生短路時，線路中產(chǎn)生的瞬時故障電流可達到額定電流的十幾倍道幾十倍，過大的短路電流將會使電器設(shè)備或配電設(shè)備受到損壞，甚至因電弧而引起火災。因此，當電路出現(xiàn)短路電流時，必須迅速、可靠地斷開電源，這就要求短路保護裝置應具有瞬時動作的特性。短路保護的常用方法是采用熔斷器和低壓斷路器保護裝置。2、過電流保護過電流保護是區(qū)別于短路保護的一種電流型保護。所謂過電流是指電動機或電器元件在超過其額定電流的狀態(tài)下運行，一般比短路電流小，不超過6倍的額定電流。在電動機的運行過程中產(chǎn)生這

15、種過電流，比發(fā)生短路的可能性要大，特別是對于頻繁起動和正反轉(zhuǎn)、重復短時工作時的電動機更是如此。過電流保護常用過電流繼電器來實現(xiàn)，通常過電流繼電器與接觸器配合使用，即將過電流繼電器線圈串接在被保護電路中，當電路電流達到其整定值時，過電流繼電器動作，而過電流繼電器常閉觸點串接在接觸器線圈電路中，使接觸器線圈斷電釋放，接觸器主觸點斷開來切斷電動機電源。這種過電流保護環(huán)節(jié)常用于直流電動機和三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的控制電路中。3、過載保護過載是指電動機在大于其額定電流的情況下運行，但過載電流超過額定電流的倍數(shù)要小些。通常在額定電流的1.5倍以內(nèi)。引起電動機過載的原因很多，如負載的突然增加，缺相運行以及電

16、網(wǎng)電壓降低等。若電動機長期過載運行，其繞組的溫升將超過允許值而使絕緣材料變脆、老化、壽命縮短，嚴重時會使電動機損壞。過載保護裝置要求具有反時限特性，且不會受電動機短時過載沖擊電流或短路電流的影響而瞬時動作，所以通常用熱繼電器作過載保護。當有6倍以上額定電流通過熱繼電器時，需經(jīng)5秒后才動作，這樣在熱繼電器未動作前，可能使熱繼電器的發(fā)熱元件先燒壞，所以在使用熱繼電器作過載保護時，還必須裝有熔斷器或抵壓斷路器的短路保護裝置。由于過載保護特性與過電流保護不同，故不能用過電流保護方法來進行過載保護。4、失電壓保護當電動機正常工作時，如果由于某種原因而發(fā)生電網(wǎng)突然斷電，這時電源電壓下降為零，電動機停轉(zhuǎn)，生

17、產(chǎn)設(shè)備的運動部件也隨之停止。由于一般情況下操作人員不可能及時拉開電源開關(guān)。如不采取措施，當電源恢復供電時，電動機便會自動啟動運轉(zhuǎn)，可能造成人身及設(shè)備事故，并引起電網(wǎng)過電流和瞬間網(wǎng)絡下降。為防止電壓恢復時電動機的自行啟動或電器元件自行投入工作而設(shè)置的保護，稱為失電壓保護。采用接觸器和按鈕控制的啟動、停止，就具有失電壓保護作用。這時因為當電源電壓消失時，接觸器就會自動釋放而切斷電動機電源，當電源電壓恢復時，由于接觸器自鎖觸點已斷開，不會自行啟動。如果不是采用按鈕而是用不能自動復位的手動開關(guān)、形成開關(guān)來控制接觸器，必須采用專門的零電壓繼電器。工作過程中一旦斷電，零電壓繼電器釋放，其自鎖電路斷開，電源

18、電壓恢復時，不會自行啟動。5、欠電壓保護當電網(wǎng)電壓降低時，電動機在欠電壓下運行，在負載一定的情況下，電動機主磁通下降，電流增強。時間過長將會使電動機過熱損壞同時欠壓還會導致一些電器元件釋放，使線路不能正常工作。因此，當電源電壓降到60%80%額定電壓時，將電動機電源切除而停止工作，這種保護成為欠電壓保護。除上述采用的接觸器及按鈕控制方式，利用接觸器本身的欠電壓保護作用外，還可采用欠電壓繼電器來進行欠電壓保護。其方法是將欠電壓繼電器線圈跨接在電源上，其常開觸點串接在接觸器控制回路中。當電網(wǎng)電壓低于欠電壓繼電器整定值時，（吸合電壓通常整定值為0.80.85N,釋放電壓通常整定值為0.50.7N）欠電壓繼電器動作試接觸器釋放，接觸器主觸點斷開電動機電源實現(xiàn)欠電壓保護。6、斷相保護電動機運行時，如