电气控制电路的基本环节.ppt

,目 录,【知识目标】1理解控制电路中常用术语的含义；2掌握电动机起动、调速、制动基本环节的控制方法 和特点；3掌握控制系统欠压、失压和电动机过载等基本保护 环节以及保护方法；4掌握继电器接触器控制系统的分析方法。【能力目标】1能够分析简单的继电器接触器控制电路；2能够按照安装图和原理图安装控制电路；3能够对继电器接触器控制系统进行简单调试。,2.1 三相异步电动机直接起动控制 三相交流电动机直接起动就是在电动机定子绕组上 加电动机的额定电压来起动。直接起动时，电动机的起动电流是额定电流的47倍，较大的起动电流会影响电网的供电质量，影响电网上其他用电设备的工作。但是，在电源、供电电网和生产机械能满足要求的条件下，允许电动机直接起动。在建筑施工现场，多数小型生产机械都能满足直接起动的条件，允许采用直接起动的控制方法。,2.1.1 三相异步电动机点动与长动控制1负荷开关直接控制的电路 三相电动机的直接起动可以使用负荷开关直接控制。图2.1为用负荷开关直接控制电动机的电路。控制电路的操作过程为：合上电源开关QS，电动机M得电运行，断开开关QS，电动机M断电停止。图2.1 负荷开关直接控制电动机,图2.1所示的控制方式简单，但存在如下问题：一是电动机容量较大时，过大的起动电流造成灭弧困难，需要配置较大容量的负荷开关；二是操作不方便，特别是对频繁起动的电动机进行合闸与分闸，手动操作困难；三是较难对电动机的过载、缺相等故障情况实现自动保护。因此，这种控制方式适合于起动与停止不频繁、容量小的电动机的运行控制中。在电气控制系统中，为了实现电动机的自动控制，通常采用接触器控制电动机的通电运行。,2点动控制电路 点动就是按照电动机运行的需要控制电动机短时间通电运行。在生产机械的控制过程中，对于只需要短时间工作的电气设备或在电动机拖动的生产机械需要准确定位的系统中，生产机械没有到达预定位置，需要生产机械做微小范围的移动时，需要点动控制。例如，混凝土搅拌机的给水控制中，需要供水时按下供水按钮，不需要供水时松开按钮。又如，塔吊的吊钩运送重物时就需要准确定位控制，当吊钩将重物送至目的地时，吊钩到达的位置可能不是准确的目的位置，此时需要通过点动操作电动机使吊钩在小范围内上升或下降。,图2.2 电动机点动控制电路,图2.2所示的电路中，开关QS用作隔离开关，熔断器FU用作短路保护，SB为点动按钮。点动的控制过程：首先合上电源开关QS，主电路和控制电路电源接通。按下按钮SB，控制电路通电，接触器KM的吸合线圈通电吸合，接触器KM串联在主电路上的常开主触头KM闭合，电动机M通电运行；松开按钮SB，控制电路断开，接触器KM的吸合线圈断电释放，接触器KM的常开主触头KM断开，电动机M断电停止。从控制过程来看，点动控制的关键是使接触器的吸合线圈短时间通电，并能很方便地断电释放。借助于按钮的常开触头在按下按钮时接通松开时断开的特点，可以方便地实现点动控制。在电动机的控制电路中，点动常常只是电动机运行控制的一个环节，它常常融合在其他起动控制的电路中。,3长动控制电路 长动就是控制电动机较长时间运行。当电动机长时间运 行时，如果采用图2.2所示电路进行控制，就需要操作人员长时间按下按钮SB不松开，显然这样操作是不合理的。为此应该设计一种在按下按钮SB以后，再松开按钮SB能自动保持按钮SB按下以后的电路状态，具有这种功能的电路通常称为自锁电路。实现自锁的方法有两种：一是采用机械自锁的按钮，当按钮按下时，依靠机械动作将按钮锁在按下状态；二是采用电气自锁。采用机械自锁方式时，必须再次按下按钮才能复位，这不利于自动控制。在电气控制系统中，常用电气自锁的方法，它可以在对电动机进行长动控制的同时，较容易地实现对电动机的各种自动保护。,电气自锁是如何实现的呢？下面通过分析图2.2点动控制的动作过程，探讨电气自锁的方法。当按钮SB按下时，按钮SB的常开触头闭合，控制电路接通，而在松开按钮SB后常开触头将恢复断开状态，控制电路也将断电。如果有一段电路能在按钮SB按下以后，将按钮SB的两端短接，就能在按钮松开后维持控制电路的通路状态。要满足这一要求，实际上只需在按钮两端并接一对接触器KM的常开辅助触头就可完成。,图2.3 电气自锁控制电路,图2.4 电动机长动控制电路,图2.3为采用电气自锁的控制电路，下面分析该电路的自锁过程。按下起动按钮SB，控制电路接通，电流从电源的一端经按钮SB、接触器KM的吸合线圈流到电源的另外一端，接触器的吸合线圈通电吸合。接触器的吸合线圈吸合时，并联在按钮SB两端的辅助常开触头闭合短接了按钮SB。在松开按钮SB后，原来通过按钮SB的电流从接触器的辅助常开触头KM流过，维持接触器的吸合线圈的吸合，接触器吸合线圈的吸合又保证了接触器辅助常开触头的闭合。由此可见，电气自锁的实现是通过接触器的吸合线圈通电吸合来保证自己的辅助常开触头闭合，接触器辅助常开触头的闭合又维持了控制电路的通路状态，使接触器的吸合线圈保持通电吸合状态，此种自锁方式被称为电气自锁。,图2.3所示的电气自锁解决了只需按一下按钮电动机就可以长期运行的问题，但是该电路存在一个严重的缺陷，即需要停止电动机时，只有通过开关QS断开电源才能使电动机停止运行。显然，采用这种方法停止电动机是不合适的。如何解决电动机停止的问题呢？从控制回路中可以看出，如果将控制电路短时断电，自锁状态将被解除。为此，可在线圈回路中串接一个常闭按钮，就可以实现电动机的停止控制。图2.4为添加一个常闭按钮以后的长动控制电路。,电动机停止的控制过程如下：在控制电路自锁电动机通电运行的情况下，按下按钮SB1，控制电路断开，接触器KM的吸合线圈断电释放。接触器KM断电释放使常开触头KM断开，控制电路解除自锁；主触头KM断开，使电动机断电停止。松开按钮SB1后，由于接触器KM的常闭触头断开，控制电路依然断电。,4长动与点动兼备的控制电路 在电动机拖动的电气设备中，有些设备既需要点动又需要长动控制。例如塔吊主钩的升降运动过程：长距离移动重物时需要采用长动控制；到达目的位置后，如果停车不准确，必须采用点动控制小范围移动重物。根据前面对控制电路的分析可知，点动时不允许控制电路自锁，长动时控制电路必须自锁。要实现既有长动又有点动的控制，关键点就在于：点动控制时，使并联在起动按钮两端的接触器的辅助常开触头所在的支路在接触器通电吸合期间保持断开状态；,长动控制时，该支路必须保持接通状态。实现的方法有两种：一是在接触器的辅助常开触头所在的支路上串联一个纽子开关，点动时断开，长动时接通；二是点动控制按钮采用复合按钮。串联纽子开关的方法会增加操作人员的操作难度，实际的点动控制通常采用第二种方法。图2.5所示为长动与点动兼备的控制电路。,图2.5 长动与点动兼备的控制电路,图2.5（a）中，点动时断开纽子开关S，长动时接通纽子开关S，按钮SB2既作为长动起动按钮，又作为点动按钮，其控制过程如前所述。图2.5（b）中，点动按钮SB3为复合按钮，其中一对常开触头并联在起动按钮SB2两端，一对常闭触头串联在接触器KM的常开辅助触头所在的支路。点动时按下按钮SB3，在SB3按下期间，其常开触头接通控制电路，使接触器吸合线圈通电吸合；其常闭触头则断开自锁支路，尽管接触器的自锁触头已经闭合，但控制电路依然不能自锁。,松开按钮SB3时，由于按钮的结构特点，其动触头首先使并联在起动按钮SB2两端的常开触头断开，控制电路断电，接触器的吸合线圈断电释放，其串联在自锁支路的辅助常开触头断开；随后，按钮SB3的动触头复位，使按钮SB3的常闭触头闭合，此时，由于接触器的吸合线圈已经断电释放使自锁触头断开，所以控制电路依然保持断电状态。显然，点动的实现是利用按钮的常开触头与常闭触头不能同时动作，在点动完成后松开按钮SB3时，接触器吸合线圈先断电断开自锁触头，按钮SB3的常闭触头后闭合的特点来实现的。,2.1.2 三相异步电动机单向 运行直接起动控制 单向运行是指电动机工作时的运行方向只有一个方向。在电动机的控制电路中，既要能够控制电动机的正常起动和停止，还要考虑对电动机在运行过程中出现的非正常情况加以保护。电动机的控制电路需要考虑短路保护、过载保护、失压保护和欠压保护。,图2.6 三相异步电动机单向运行直接起动控制电路,图2.6中，主电路由开关QS、熔断器FU、接触器KM的主触头、热继电器FR的热元件以及电动机M组成。控制电路由起动按钮SB2、停止按钮SB1、接触器KM的吸合线圈及其常开辅助触头、热继电器FR的常闭触头和熔断器FU1组成。该电路具有控制电动机正常起动、停止以及过载保护、短路保护、欠压保护、失压保护的功能。SB1为停止控制按钮；SB2为起动控制按钮；熔断器FU1负责控制电路的短路保护；熔断器FU1负责主电路的短路保护；热继电器FR起过载保护的作用；欠压保护或失压保护是通过接触器的吸合线圈与控制电路的自锁协同完成的。,1起动过程 按下SB2接触器KM吸合KM的主触头闭合电动机得电运行KM的常开辅助触头闭合控制电路自锁2停止过程 按下SB1接触器KM断电KM的主触头断开电动机M断电停止KM的常开辅助触头闭合控制电路接触自锁3电动机的各种保护过程（1）过载保护过程 在电动机拖动的负载超过额定值的情况下，电动机定子绕组的电流超过额定值，经过一段时间后，热继电器FR动作串联在控制回路的热继电器的常闭触头FR断开KM释放 KM的主触头断开电动机断电停止；,KM的辅助常开触头断开控制电路接触自锁。（2）短路保护过程 主电路发生短路故障时，串联在主电路的熔断器FU断开，由于控制电路的电源引自熔断器的下面，所以控制电路断电，接触器KM的吸合线圈断电释放，主触头KM断开，电动机断电停止，自锁触头KM断开，控制电路解除自锁。控制电路发生短路故障时，串联在控制电路中的熔断器FU1断开，控制电路断电，接触器KM的吸合线圈断电释放，主触头KM断开，电动机断电停止，自锁触头KM断开，控制电路解除自锁。,（3）欠压保护过程 在电源电压低于接触器吸合线圈额定电压的70%时，接触器因吸合线圈吸力不够而不能吸合。如果欠压发生在电动机的运行过程中，接触器KM的吸合线圈将释放，控制电路因并联在按钮SB1两端的接触器的自锁触头KM断开而解除自锁，主电路因接触器主触头KM的断开而断电，电动机断电停止，从而避免了电动机在低压下运行。如果起动电动机时电源电压较低，电动机将因为接触器KM的吸合线圈不能吸合而不能起动。,（4）失压保护过程 电动机在运行过程中出现电源突然中断供电，恢复供电后电动机如果自动起动则有可能会造成事故，因此，必须避免发生电动机在恢复供电后自动起动的情况。具有这种功能的电路称为失压保护。图2.6所示的电路中，如果电动机在运行时中断电源供电，接触器KM的吸合线圈将断电释放，控制电路因并联在按钮SB1两端的接触器的自锁触头KM断开而解除自锁，在电源恢复供电时，由于控制电路的自锁已经解除，电动机依然断电停止。,4多地控制 生产设备的控制过程中，经常要求在多个地方控制同一台电动机的起动和停止，即要求多地控制。此时，只需要在起动按钮两端并联多个常开按钮作为不同地点的起动按钮，在控制电路中串联多个常闭按钮作为不同地点的停止按钮。图2.7所示为两地控制电动机起动、停止的控制电路，其控制过程与上述控制过程类似。,图2.7 两地控制电动机起动、停止的控制电路,2.1.3 三相异步电动机双向运行直接起动控制 建筑施工现场的机械设备通常需要正反两个方向的运动。如搅拌机的搅拌桶，一个方向旋转为混凝土搅拌，另一个方向旋转为出料。当生产机械需要正转和反转时，要求拖动生产机械的电动机也必须有正转和反转的运动方向。双向运行是指电动机在控制电路的控制作用下，可以实现正转和反转两种运动方向的控制。1双向运行直接起动控制电路分析 根据三相电动机的运转原理，改变三相电动机的任意两根电源接线，就可以改变电动机的旋转方向。如何通过控制电路对电动机进行控制，使电动机从一个运行方向转,换到另外一个方向呢？显然，电动机不可能在同一时间有两种运动方向，正传和反转一定是在不同时间进行的。实现正转和反转，可以考虑采用两套单向运行的控制电路来控制电动机的正、反转，其中一套控制电路中的主电路对调两根电源接线。采用两套独立的单向运行直接起动控制电路可以实现正、反转的独立控制，但是两套系统有两个停止按钮，操作繁琐，必须对控制电路进行简化，简化后的控制电路如图2.8所示。图2.8为两套单向运行直接起动控制电路简化后的电路。,图2.8 两套单向运行直接起动控制简化后的电路,其中，SB1为停止按钮，当按下SB1时，控制电路断电，无论是正转还是反转都会停止。SB2、SB3分别为正、反转起动按钮，当电动机在停止状态下，按下SB2，接触器KM1吸合，电动机朝一个方向起动运行。同样的道理，如果电动机在停止状态下按下SB3，接触器KM2吸合，电源的U相与W相调换，电动机朝另外一个方向运转，可以实现正转和反转直接起动控制。尽管图2.8可以实现正转或反转的起动、停止控制，但是，该控制电路存在一个严重的缺陷，即：电动机在一个方向的运行过程中，按下另外一个方向运转的起动按钮，主电路会因为接触器KM1、KM2同时通电吸合而发生两相短路。,如何避免短路的发生呢？根据上述分析，发生短路的原因是两个接触器同时吸合，而要避免短路发生，就不能让两个接触器同时吸合。要避免两个接触器同时通电吸合，可以采用一个接触器通电吸合时，利用该接触器的常闭辅助触头去控制另外一个接触器所在的电路，使另外一个接触器的支路断开。在这种情况下，如果一个接触器已经通电吸合，按下另外一个接触器吸合线圈支路上的起动按钮，该接触器依然不能通电吸合，这种互相牵制的方法称为电气互锁。图2.9为采用电气互锁的三相电动机双向运行直接起动控制电路。,图2.9 电气互锁双向运转直接起动控制电路,电气互锁工作原理如下：电动机在停止状态时，按下起动按钮SB2，电流从V2经按钮SB1、SB2及接触器KM2的辅助常闭触头、接触器KM1的吸合线圈、热继电器FR的常闭触头到达电源的W2端，接触器KM1通电吸合。当接触器KM1通电吸合后，主电路中接触器KM1的主触头闭合，电动机得电运转；并联在按钮SB2两端的KM1的辅助常开触头闭合，控制电路自锁；串联在接触器KM2吸合线圈上的接触器KM1的常闭触头断开，实现电气互锁。在电气互锁的情况下，如果按下按钮SB3，则因为与接触器KM2的吸合线圈串联的接触器,KM1的辅助常闭触头断开，接触器KM2不能通电吸合，避免了两相短路的情况发生。同样的道理，在接触器KM2通电吸合的情况下，按下SB2，接触器KM1也不能吸合。在图2.9所示电气互锁的电路中，电动机在一个方向运行时，要改变运转方向，必须先按下停止按钮，再按下另外一个方向的起动按钮方能实现电动机反转，这种操作过程繁琐。电动机在一个方向运行时，能不能直接按下另外一个起动按钮就可以实现电动机的反转呢？图2.10电气互锁与机械互锁双向运行直接起动控制电路就可以实现直接操作反转。,图2.10 电气互锁与机械互锁双向运转直接起动控制电路,图2.10为电气互锁与机械互锁双向运转直接起动控制电路，它与图2.9所示电路的不同之处是：每个起动按钮都是使用的复合按钮，其中按钮的一对常闭触头串联在转向相反的起动支路中，由于一个按钮的两对触头是联动的，当按下任意一个起动按钮时，串联在另外一个起动按钮所在的支路中的常闭触头将首先断开，然后才闭合该按钮的常开触头。例如，当电动机在接触器KM1吸合的情况下运转时，按下按钮SB3，此时，串联在接触器KM1的吸合线圈所在支路中的按钮SB3的常闭触头将首先断开，接触器KM1的吸合线圈断电释放，控制电路解除自锁和互锁，主电路断电。随后，SB3的常开触头闭合，电流从V2流经,SB1、SB2的常闭触头、SB3的常开触头、KM1的辅助闭触头、KM2的吸合线圈、热继电器的常闭触头到达电源W2端，使接触器KM2吸合。当KM2吸合时，KM2的辅助常开触头闭合，控制电路自锁；KM2的辅助常闭触头断开，控制电路互锁；KM2的主触头闭合，电动机反相序接通电源运转。电动机在一个方向运转时直接按下反转按钮控制反转，其工作过程为：反相序接通电源时电动机处于反接制动状态，电动机急剧减速直到转速为零，然后向另外一个方向起动加速。,2行程限位控制 在建筑施工设备中，有些位移性运动的生产机械需要有终端限位控制或者自动往返控制。例如，塔吊的小车在吊臂上行走时不能超过两端的极限位置，否则小车会走出吊臂发生碰撞事故，因此必须进行限位控制。图2.11（a）就是利用行程开关实现终端限位控制的电路。行程开关安装在极限位置，位移性部件上安装有撞块，也可将行程开关安装在位移性部件上，撞块安装在极限位置。,图2.11 限位与行程控制(a)行程控制；（b)自动往返,图2.11（a）所示控制电路的工作过程如下：接触器KM1的吸合线圈通电时，电动机正转，生产机械的运动部件向右位移，位移到终端，撞块与行程开关SQ1相碰，行程开关SQ1的常闭触头断开，切断了接触器KM1的吸合线圈所在的支路，接触器KM1断电释放，其主触头KM1断开使电动机断电停止。此时，电动机只能反向运转。生产机械的运动部件向左位移，碰撞SQ2时，其控制过程与上述相似。利用极限位置的限位开关可以实现正、反两个方向的限位控制。,如果将SQ1的常开触头并联在反向起动按钮两端，将SQ2的常开触头并联在正向起动按钮两端，可以实现自动往返控制，其控制电路如图2.11（b）所示。如果电动机正转，运动部件移动到正向限位终端碰撞SQ1，SQ1的常闭触头切断接触器KM1的吸合线圈所在的支路，接触器KM1断电释放；同时，SQ1的常开触头闭合，短接SB2按钮，只要接触器的常闭触头KM1复位，接触器KM2的吸合线圈所在的回路就接通，电动机将直接反向起动。,2.2 三相异步电动机降压起动控制 对于大容量的电动机，采用直接起动时，过大的起动电流会影响电网的供电质量，同时将造成电动机过热，影响电动机的寿命。对于不能直接起动的电动机，为了限制电动机的起动电流，起动时必须采取措施。依据电动机的不同特点，可以采用不同的方法，降压起动是三相鼠笼式交流异步电动机通常采用的起动方法之一。通常采用的降压起动方法有星三角形降压起动、定子回路串电阻或电抗器起动和自耦变压器降压起动。无论采用哪一种降压起动，它们的共同特征是：起动电流与定子绕组所加的相,电压成正比，起动转矩与定子绕组所加的相电压的平方成正比；当采用降低电压来实现降低起动电流时，起动力矩也会下降。因此，降压起动适用于轻载或空载起动的电动机。,2.2.1 三相异步电动机Y起动 三相异步电动机Y-起动，就是电动机在起动时定子绕组接成Y形，正常运行时接成形。只有正常工作时采用三角形连接的电动机才能采用这种方法起动。1起动性能与控制要求 在三相电源电压一定的情况下，同一三相负载分别采用形和Y形两种接法，Y形接法中负载上的相电压是形接法的相电压的1/3，其线电流是后者的1/3。根据电机学的原理，电动机的电磁转矩与作用在电动机每相定子绕组上的电压的平方成正比，因此，Y形接法的起动电流是形接法的1/3，其起动转矩也是接法时的1/3。Y-起动的最大优点是起动控制设备投资少，控制简单。,图2.12 Y-起动控制电路,从图2.12（a）可以看出，Y-起动控制需要3个接触器，KM1用于连接电源，KM2用于实现Y接法，KM3用于实现接法。KM2和KM3不能同时通电吸合，否则，主电路将因为主触头同时闭合而造成短路，因此，两个接触器之间必须互锁。在电动机按照形接法起动的过程中，伴随电动机转速的上升，主电路的电流将逐渐减小，当电流减小到一定值时，应该将形接法转换成形接法。从Y形接法转换成形接法，可以通过时间继电器来控制，也可以通过电流继电器来控制。图2.12（b）是通过时间继电器来控制Y-转换的控制电路。,2控制电路工作原理分析 为了方便复杂控制电路中电器元件的动作过程的描述，现引入电器元件动作程序图。用规定的符号或箭头配以少量文字说明来表述电路的控制原理的描述方法称为电器元件动作程序图，它是分析较复杂的电气控制电路的方法之一。在控制电路图中主要有两类部件：一类是耗电元件，在继电器接触器控制系统中主要是线圈，线圈有通电和断电两种状态，电器元件动作程序图中用表示线圈通电、用表示线圈断电；另一类是触头，触头也有通、断两种状态，电器元件动作程序图中用表示触头闭合、用表示触头断开。分析时，不强调触头的原始状态如何，主要强调现在的状态。,下面对图2.12（b）的起动、停止过程和延时时间调整方法进行分析。(1)起动过程 合上负荷开关QS，主电路、控制电路电源接通。,(2)停止过程 按下SB2，控制电路断电，接触器、时间继电器的吸合线圈均断电释放，控制电路解除自锁，主电路因为接触器KM1主触头的断开而断电，电动机停止运转。(3)延时时间的调整 Y-起动的目的是限制起动电流，但是起动过程太长，不利于提高劳动生产率，而且在电动机转速升高后，不及时将Y形接法转换成形接法，电动机将运行在过电流状态，电动机绕组温度将会升高。由于Y-,起动的转换时间与电动机的容量、电动机拖动的负载的大小有关，因此，时间继电器的延时时间需要根据电动机以及负载的具体情况进行调整。调整的原则：以起动过程的电流为依据，即电动机由Y形接法转换成形接法时，其转换到接法时的电流不大于Y接法时的初始起动电流，又接近于初始起动电流时的时间为最佳延时时间，此时，起动过程最短。特别要强调的是，其他降压起动方法的延时时间的调整原则也应如此。,调整的方法：在设备安装调试时，用钳型电流表监视初始起动电流和转换到形接法时的电流，并调整时间继电器的延时，经过几次起动过程的调整就能确定该设备的延时时间了。以后正常运行时不必再去调整它。从时间继电器的调整过程可以看出，用时间继电器来控制起动过程的转换较适合于拖动恒定负载的电动机。当电动机拖动的负载变化较大时，若按重载调整时间继电器，则轻载状态下起动时间过长；若按轻载调整时间继电器，则重载状态下起动时间又过短。,2.2.2 三相异步电动机自耦变压器降压起动 Y-形起动方法的起动转矩仅为直接起动时的1/3，而且不能调整，当电动机拖动的负载大于形连接起动时的起动力矩时，电动机将不能起动，因此，Y-形起动不适合于重载起动的场合。如果既要满足设备的力矩要求，同时又需要限制起动电流在允许的范围以内，必须能调整加在电动机定子绕组上的电压，使起动过程中电动机的起动转矩与负载转矩相适应。自耦变压器的副边有几组抽头，可以输出几种不同的电压。当负载不同时，可以选择不同的起动电压，从而满足不同的负载对起动转矩的要求。因此，采用自耦变压器降压起动广泛运用在电动机的起动控制中。,1起动性能与控制原理 当采用自耦变压器降压起动时，若电源电压为Ue，自耦变压器副边电压为Uq，K为变压比，则Uq=KUe，起动电流为K2Iq，起动转矩为K2Tq。若选择合适的K，则可以在自耦变压器副边获得需要的电压。自耦变压器的变压比可以根据电动机起动的具体需要进行调整，从自耦变压器副边可以获得任意的起动电压，因此，自耦变压器降压起动既可应用于对起动电流限制要求较小的情况，也可应用于对起动电流要求较大的情况，它的起动电流与起动力矩介于Y-起动和直接起动之间。在实际应用中，当Y-起动不能满足设备的起动转矩要求的情况下，通常采用自耦变压器降压起动。由于需要增加自耦变压器，所以这种起动方法会增加设备投资。,自耦变压器降压起动的控制方法：当电动机起动时，自耦变压器原边接电源，电动机绕组连接在自耦变压器副边。当电动机转速升高后，切除自耦变压器，将电动机绕组直接接入电源。因此，电动机绕组接电源需要一个接触器控制；电动机绕组接自耦变压器时，可以使用两个接触器控制，一个用于自耦变压器与电源的连接，另一个将自耦变压器副边接成Y形；也可以将接触器的主触头串联在电动机绕组与自耦变压器副边之间，然后将自耦变压器副边直接接成Y形。容量较小的自耦变压器副边可以用接触器的辅助常闭触头接成Y形，也可以选择5个主触头的接触器，这样可以减少一个接触器。,自耦变压器起动方法一般采用定型产品，根据控制的电动机的容量不同，产品型号也不同。XJ01型补偿降压起动器适用于1428 kW的电动机，其控制电路如图2.13所示。(1)起动过程 合上电源开关QS，电源接通，控制电路变压器TC通 电，TC副边的信号灯HL3亮，表示电源已经接通，电动机未起动。,图2.13 XJ01型补偿降压起动器原理电路,(2)停止过程 按下停止按钮SB1，控制电路断电，接触器KM1、KM2及中间继电器KA、时间继电器KT的吸合线圈均断电释放，控制电路解除自锁，连接在主电路上的接触器的主触头断开，电动机断电停止。XJ01型补偿降压起动器有如下特点：电动机容量只能在28 kW以下，使用的接触器数量少，电动机正常运行时没有从电路中将自耦变压器完全切除，自耦变压器始终带电，控制电路中使用了两组起动、停止按钮，可以应用于两地控制。,2.2.3 三相异步电动机定子串电阻（电抗器）降压起动 起动时，定子绕组串入起动电阻，其电压降低，运行时切除起动电阻，电动机在全压下运行，这种方法称为三相交流异步电动机定子绕组串电阻起动。由于起动过程中所串电阻存在能量损耗，为了节能，也可以用起动电抗器来代替起动电阻，此种方式称为定子绕组串电抗器起动。电抗器造价远高于电阻，采用串电抗器起动将增加初期投资。,1起动性能与控制要求 根据串联电路的特点，在电源电压一定的情况下，将电阻串联到电动机定子绕组中，会降低定子绕组上的电压。定子绕组电压的大小与串联的电阻的大小有关。通过调整电阻的大小，可以使电动机定子绕组获得起动需要的电压值和起动力矩，并达到降低起动电流的目的。与自耦变压器降压起动的方法相比较，此种起动方法设备投资少，控制简单，起动方式不受电动机绕组接线形式的限制。如果是采用串电阻起动，该起动电阻还可以作为制动电阻使用，因而适用于要求起动平稳又有制动的情况。在低速电梯的控制系统中，定子回路串电阻起动应用比较广泛。,根据电工理论，定子绕组串电阻降压起动时，定子绕组的电压为:式中K小于1的降压系数;Ue电源电压;Uq定子绕组的端电压。由于定子绕组的端电压降低，所以定子绕组的起动电流也会降低，起动电流Iq是直接起动时起动电流Iq的K倍，即:,当定子绕组端电压降低时，起动转矩也会下降，其值为：式中Tq降压起动的转矩;Tq直接起动时的电磁转矩。选择合适的降压系数K，就可以得到需要的起动转矩和较小的起动电流。,定子串电阻降压起动的控制最少需要两个接触器，一个用于连接电源，另一个用于起动完成后短接起动电阻。也可以将串接的电阻分为几段，分几次将其短接。电阻分段的好处是可以在满足最大限制电流的情况下快速起动电动机，但是，每短接一段电阻就需要一个接触器进行控制，分段越多，控制电路将越复杂。在电动机的控制中，起动电阻常常被应用于制动过程，作为制动电阻来限制制动电流。图2.14所示为三相异步电动机定子绕组串电阻降压起动。,图2.14 三相异步电动机定子串电阻降压起动,2控制电路工作原理分析(1)起动过程 合上开关QS，控制电路和主电路电源接通。,(2)停止过程 按下停止按钮SB2，控制电路断电，接触器KM1、KM2及时间继电器KT的吸合线圈均断电，控制电路解除自锁，连接在主电路的接触器主触头均断开，电动机断电停止。,2.3 绕线式三相异步电动机的起动控制 降压起动可以减小起动电流，同时也会降低起动力矩。如果设备需要较大的起动力矩，降压起动就不能满足要求。三相绕线式异步电动机除了可以采用降压起动的方法之外，还可以通过滑环在转子绕组中串接合适的电阻或频敏变阻器来限制起动电流。当串入合适电阻时，还可以获得较大的起动转矩，缩短起动过程。绕线式电动机常常应用在既要求起动电流比较小，又要求起动转矩比较大的设备中，例如起重机的提升机构使用的电动机。,2.3.1 绕线式三相异步电动机转子回路串电阻起动 转子回路串电阻起动，就是在绕线式电动机起动时，通过电动机转轴上的滑环将外部电阻串接在电动机的转子绕组上，从而达到降低起动电流的目的。1起动性能与控制要求 从电机学理论可知，绕线式异步电动机转子绕组串接电阻以后，电动机的机械特性变软，线性区斜率加大。因此，串联合适的外加电阻后，既可限制起动电流，也可以增加起动转矩。但是串联电阻后，随着转速的升高，定子电流将减小，其电磁转矩也将减小，电磁转矩的减小必然会使起动过程延长。为了达到起动时间尽可能短和起动电流冲击尽可能小的目的，可采用在起动过程中将起动电阻,逐段切除的方法。起动电阻的级数越多就越接近于恒转矩起动，起动过程越短，起动越平稳。但级数越多，控制电器也越多，所以一般设置3级为宜。逐段切除起动电阻的控制方法有三种：一是用主令控制器或凸轮控制器手动切换，这种方法在起重机的控制电路中常常使用；二是用电流继电器检测转子电流大小的变化来控制电阻的切除，通过对转子电流进行检测，当转子电流减小到设定值时，切除一段电阻，使电流重新增大，这样就可以使起动电流控制在一定的范围内；三是使用时间继电器自动控制电阻的切除，这种方法的起动时间是固定的。图2.15为利用电动机转子电流大小的变化来切除起动电阻，图2.16为采用时间控制方法切除起动电阻。,图2.15 利用电动机转子电流大小的变化来控制起动电阻的切除,(1)利用电动机转子电流大小的变化来控制电阻的切除 图2.15中，FA1、FA2、FA3是电流继电器，电流线圈串接在电动机转子电路中，它们的吸合电流相同，一般为额定电流的22.5倍，释放电流却不相同，FA3的释放电流调整得最大，FA2次之，FA1最小。起动过程分析如下：合上开关QS，主电路、控制电路电源通电。按下起动按钮SB1，接触器KM吸合，KM的主触头闭合，电动机接通电源，电动机转子在串全部起动电阻的情况下运行；辅助触头KM闭合，控制电路自锁；另一辅助触头KM闭合，中间继电器KA吸合，为电流继电器依次闭合KM3、KM2、KM1做准备。电动机开始,起动时，转子回路串接的电流继电器KA1、KA2、KA3全部通电吸合，KA1的常闭触头断开接触器KM1、KM2、KM3吸合线圈的支路，KA2的常闭触头断开接触器KM2、KM3吸合线圈的支路，KA3的常闭触头断开接触器KM3吸合线圈的支路，电动机串全部电阻起动。随着电动机转速的升高，电动机转子回路的电流逐渐减小，转子电流下降到FA3的动作整定值时，FA3首先释放，FA3的常闭触头复位，接触器KM3通电，KM3的主触头闭合将电阻R3短接；电阻R3被短接瞬间，转子回路总电阻减小，转子电流立即增大，但随着转速的逐渐上升，转子电流又逐渐减小，当减小到FA2的整定值时FA2释放，FA2的常闭触头使接触器KM2通电，KM2的主触头将电阻R2短接；,电阻R2被短接瞬间，转子回路总电阻继续减小，转子电流又立即增大，随着转速继续上升，转子回路电流继续减小，当电流下降到FA1的整定值时FA1释放，FA1的常闭触头使KM1通电，KM1主触头将电阻R1短接，电机切除全部电阻进入稳定运行状态。(2)采用时间控制方法切除起动电阻 图2.16中，KT1、KT2、KT3是时间继电器，分别控制三个接触器KM1、KM2、KM3，其动作顺序为KT3、KT2、KT1。起动过程如下：合上电源开关QS。,图2.16 采用时间控制方法切除起动电阻,按下起动按钮SB1，接触器KM吸合，KM的主触头闭合，电动机接通电源，电动机转子在串全部起动电阻的情况下运行；辅助触头KM闭合，控制电路自锁；另一辅助触头KM闭合，中间继电器KA吸合，为电流继电器依次闭合KM3、KM2、KM1做准备。电动机开始起动时，转子回路串接的电流继电器KA1、KA2、KA3全部通电吸合，KA1的常闭触头断开接触器KM1、KM2、KM3吸合线圈的支路，KA2的常闭触头断开接触器KM2、KM3吸合线圈的支路，KA3的常闭触头断开接触器KM3吸合线圈的支路，电动机串全部电阻起动。随着电动机转速的升高，电动机转子回路的电流逐渐减小，转子电流下降到FA3的动作整定值时，FA3首先释放，FA3的常闭触头复位，接触器KM3,通电，KM3的主触头闭合将电阻R3短接；电阻R3被短接瞬间，转子回路总电阻减小，转子电流立即增大，但随着转速的逐渐上升，转子电流又逐渐减小，当减小到FA2的整定值时FA2释放，FA2的常闭触头使接触器KM2通电，KM2的主触头将电阻R2短接；电阻R2被短接瞬间，转子回路总电阻继续减小，转子电流又立即增大，随着转速继续上升，转子回路电流继续减小，当电流下降到FA1的整定值时FA1释放，FA1的常闭触头使KM1通电，KM1主触头将电阻R1短接，电机切除全部电阻进入稳定运行状态。,(2)采用时间控制方法切除起动电 图2.16中，KT1、KT2、KT3是时间继电器，分别控制三个接触器KM1、KM2、KM3，其动作顺序为KT3、KT2、KT1。起动过程如下：,2.3.2 绕线式三相异步电动机转子回路串频敏变抗器起动 在绕线式异步电动机转子绕组串电阻的起动方法中，由于转子电阻的切除是分段进行的，在切除电阻的瞬间定子电流及电磁转矩将突然增大，会产生一定的机械冲击力。如果希望减小冲击，必须增加电阻的级数，使每级电阻值减少，而增加级数将使控制电器的数量增多、起动电阻的体积加大，控制电路将变得复杂，并且会降低控制系统的可靠性。在实际应用中，如果电动机没有调速要求，常采用转子回路串频敏变阻器起动。,频敏变阻器是一种阻抗随频率变化的电器元件。由于转子回路电流的频率为f2=sf1，在电动机的起动过程中，转子回路的频率将随转速的逐渐升高而逐渐降低，频敏变阻器的阻抗能够随着电动机转速的上升、转子电流频率的减小而自动减小。采用转子绕组串频敏变阻器起动可以在增加系统平稳起动的情况下，减少控制电器的使用数量，提高系统的可靠性。1频敏变阻器简介 频敏变阻器是由几片或十几片较厚的钢板或铁板再绕上三组线圈构成的。为了增大阻抗，铁芯为开启式，三个绕组按星形连接后串联在转子电路中，如图2.17（a）所示。图2.17（b）为每一相转子回路的等效电路。,图2.17 频敏变阻器,图2.17中，r2为电动机转子绕组的电阻，rp为频敏变阻器绕组的电阻，Rmp为频敏变阻器铁损的等值电阻，Xmp为电动机静态时的电抗，s为转差率，sXmp为运转时的电抗。当电动机起动时，频敏变阻器通过转子电路得到交变电动势，产生交变磁通，转子绕组的电抗为sXmp，频敏变阻器铁芯由较厚的钢板制成，在交变磁通作用下会产生很大的涡流损耗和较小的磁滞损耗(涡流损耗占总损耗的80以上)，此涡流损耗在电路中以一个等效电阻Rmp表示。频敏变阻器的电抗sXmp和电阻Rmp与转子绕组内通过的电流的频率有关。,在电动机运转过程中，转子电流频率f2与电源频率f1的关系为：f2=sf1，其中s为转差率。当电动机转速为零时，转差率s=1，即f2=f1；当s随着转速上升而减小时，f2便下降，频敏变阻器的Rmp与sXmp也相应下降。由此可见，起动开始，频敏变阻器的等效阻抗很大，限制了电动机的起动电流。随着电动机转速的升高，转子电流频率降低，等效阻抗自动减小，从而达到了自动改变电动机转子阻抗的目的，实现了平滑无级起动。当电动机正常运行时，f2很低（为f1的510），其阻抗很小。另外，在起动过程中，转子等效阻抗及转子回路感应电动势都是由大到小，实现了近似恒转矩的起动特性。,2转子绕组串频敏变阻器起动控制电路分析 图2.18为转子绕组串频敏变阻器起动控制电路。图中RF为频敏变阻器，KM1为连接电源的接触器，KM2为短接切除频敏变阻器的接触器，KT为控制起动时间的通电延时型时间继电器，KA为中间继电器。由于是大电流系统，所以热继电器FR接在电流互感器TA的二次侧。图2.18转子绕组串频敏变阻器起动控制电路,起动过程分析如下：合上电源开关QS,图2.18 转子绕组串频敏变阻器起动控制电路,图2.18中，热继电器的热元件安装在电流互感器的二次侧有两个原因，一是大容量电动机的主电路电流比较大，要求热继电器热元件的额定电流也要大，如果应用电流互感器，其副边的额定电流为5 A，热继电器热元件的额定电流就可以按5 A及以