三相異步電動機的啟動控制線路

三相異步電動機具有結構簡單，運行可靠，堅固耐用，價格便宜，維修方便等一系列優點。與同容量的直流電動機相比，異步電動機還具有體積小，重量輕，轉動慣量小的特點。因此，在工礦企業中異步電動機得到了廣泛的應用。三相異步電動機的控制線路大多由接觸器、繼電器、閘刀開關、按鈕等有觸點電器組合而成。三相異步電動機分為鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機，二者的構造不同，啟動方法也不同，其啟動控制線路差別很大。
一、鼠籠式異步電動機全壓啟動控制線路
在許多工礦企業中，鼠籠式異步電動機的數量占電力拖動設備總數的85%左右。在變壓器容量允許的情況下，鼠籠式異步電動機應該盡可能采用全電壓直接起動，既可以提高控制線路的可靠性，又可以減少電器的維修工作量。
電動機單向起動控制線路常用于只需要單方向運轉的小功率電動機的控制。例如小型通風機、水泵以及皮帶運輸機等機械設備。圖1是電動機單向起動控制線路的電氣原理圖。這是一種最常用、最簡單的控制線路，能實現對電動機的起動、停止的自動控制、遠距離控制、頻繁操作等。

圖1單向運行電氣控制線路
在圖1中，主電路由隔離開關QS、熔斷器FU、接觸器KM的常開主觸點，熱繼電器FR的熱元件和電動機M組成。控制電路由起動按鈕SB2、停止按鈕SB1、接觸器KM線圈和常開輔助觸點、熱繼電器FR的常閉觸頭構成。
控制線路工作原理為：
1、起動電動機 合上三相隔離開關QS，按起動按鈕SB2，按觸 器KM的吸引線圈得電，3對常開主觸點閉合，將電動機M接入電源，電動機開始起動。同時，與SB2并聯的KM的常開輔助觸點閉合，即使松手斷開SB2，吸引線圈KM通過其輔助觸點可以繼續保持通電，維持吸合狀態。凡是接觸器（或繼電器）利用自己的輔助觸點來保持其線圈帶電的，稱之為自鎖（自保）。這個觸點稱為自鎖（自保）觸點。由于KM的自鎖作用，當松開SB2后，電動機M仍能繼續起動，最后達到穩定運轉。
2、停止電動機 按停止按鈕SB1，接觸器KM的線圈失電，其主觸點和輔助觸點均斷開，電動機脫離電源，停止運轉。這時，即使松開停止按鈕，由于自鎖觸點斷開，接觸器KM線圈不會再通電，電動機不會自行起動。只有再次按下起動按鈕SB2時，電動機方能再次起動運轉。
也可以用下述方式描述：
合上開關QS
起動→KM主觸點閉點→電動機M得電起動、運行
按下SB2→KM線圈得電—→KM常開輔助觸點閉合→實現自保
停車→KM主觸點復位→電動機M斷電停車
按下SB1→KM線圈失電—→ KM常開輔助觸點復位→自保解除
3、線路保護環節
（1）短路保護
短路時通過熔斷器FU的熔體熔斷切開主電路。
（2）過載保護
通過熱繼電器FR實現。由于熱繼電器的熱慣性比較大，即使熱元件上流過幾倍額定電流的電流，熱繼電器也不會立即動作。因此在電動機起動時間不太長的情況下，熱繼電器經得起電動機起動電流的沖擊而不會動作。只有在電動機長期過載下FR才動作，斷開控制電路，接觸器KM失電，切斷電動機主電路，電動機停轉，實現過載保護。
（3）欠壓和失壓保護
當電動機正在運行時，如果電源電壓由于某種原因消失，那么在電源電壓恢復時，電動機就將自行起動，這就可能造成生產設備的損壞，甚至造成人身事故。對電網來說，同時有許多電動機及其他用電設備自行起動也會引起不允許的過電流及瞬間網絡電壓下降。為了防止電壓恢復時電動機自行起動的保護叫失壓保護或零壓保護。
當電動機正常運轉時，電源電壓過分地降低將引起一些電器釋放，造成控制線路不正常工作，可能產生事故；電源電壓過分地降低也會引起電動機轉速下降甚至停轉。因此需要在電源電壓降到一定允許值以下時將電源切斷，這就是欠電壓保護。
欠壓和失壓保護是通過接觸器KM的自鎖觸點來實現的。在電動機正常運行中，由于某種原因使電網電壓消失或降低，當電壓低于接觸器線圈的釋放電壓時，接觸器釋放，自鎖觸點斷開，同時主觸點斷開，切斷電動機電源，電動機停轉。如果電源電壓恢復正常，由于自鎖解除，電動機不會自行起動，避免了意外事故發生。只有操作人員再次按下SB2后，電動機才能起動。控制線路具備了欠壓和失壓的保護能力以后，有如下三個方面優點：
防止電壓嚴重下降時電動機在重負載情況下的低壓運行；
避免電動機同時起動而造成電壓的嚴重下降；
防止電源電壓恢復時，電動機突然起動運轉，造成設備和人身事故。
二、三相鼠籠式異步電動機降壓起動線路
鼠籠式異步電動機采用全壓直接起動時，控制線路簡單，維修工作量較少。但是，并不是所有異步電動機在任何情況下都可以采用全壓起動。這是因為異步電動機的全壓起動電流一般可達額定電流的4-7倍。過大的起動電流會降低電動機壽命，致使變壓器二次電壓大幅度下降，減少電動機本身的起動轉矩，甚至使電動機根本無法起動，還要影響同一供電網路中其它設備的正常工作。如何判斷一臺電動機能否全壓起動呢？一般規定，電動機容量在10kW以下者，可直接起動。10kW以上的異步電動機是否允許直接起動，要根據電動機容量和電源變壓器容量的比值來確定。對于給定容量的電動機，一般用下面的經驗公式來估計。
Iq/Ie≤3/4+電源變壓器容量(kVA)/[4×電動機容量(kVA)]
式中 Iq—電動機全電壓起動電流（A）；Ie—電動機額定電流（A）。
若計算結果滿足上述經驗公式，一般可以全壓起動，否則不予全壓起動,應考慮采用降壓起動。有時，為了限制和減少起動轉矩對機械設備的沖擊作用，允許全壓起動的電動機，也多采用降壓起動方式。
鼠籠式異步電動機降壓起動的方法有以下幾種：定子電路串電阻（或電抗）降壓起動、自耦變壓器降壓起動、Y-△降壓起動、△-△降壓起動等.使用這些方法都是為了限制起動電流,(一般降低電壓后的起動電流為電動機額定電流的2-3倍)，減小供電干線的電壓降落，保障各個用戶的電氣設備正常運行。
1、串電阻（或電抗）降壓起動控制線路
在電動機起動過程中，常在三相定子電路中串接電阻（或電抗）來降低定子繞組上的電壓，使電動機在降低了的電壓下起動，以達到限制起動電流的目的。一旦電動機轉速接近額定值時，切除串聯電阻（或電抗），使電動機進入全電壓正常運行。這種線路的設計思想，通常都是采用時間原則按時切除起動時串入的電阻（或電抗）以完成起動過程。在具體線路中可采用人工手動控制或時間繼電器自動控制來加以實現。

圖2定子串電阻降壓起動控制線路
圖2是定子串電阻降壓起動控制線路。電動機起動時在三相定子電路中串接電阻，使電動機定子繞組電壓降低，起動后再將電阻短路，電動機仍然在正常電壓下運行。這種起動方式由于不受電動機接線形式的限制，設備簡單，因而在中小型機床中也有應用。機床中也常用這種串接電阻的方法限制點動調整時的起動電流。
圖2（A）控制線路的工作過程如下：
按SB2 KM1得電（電動機串電阻啟動）
KT 得電 （延時） KM2得電（短接電阻，電動機正常運行）
按SB1，KM2斷電，其主觸點斷開，電動機停車。
只要KM2得電就能使電動機正常運行。但線路圖(A)在電動機起動后KM1與KT一直得電動作，這是不必要的。線路圖(B)就解決了這個問題，接觸器KM2得電后，其動斷觸點將KM1及KT斷電，KM2自鎖。這樣，在電動機起動后，只要KM2得電，電動機便能正常運行。
串電阻起動的優點是控制線路結構簡單，成本低，動作可靠，提高了功率因數，有利于保證電網質量。但是，由于定子串電阻降壓起動，起動電流隨定子電壓成正比下降，而起動轉矩則按電壓下降比例的平方倍下降。同時，每次起動都要消耗大量的電能。因此，三相鼠籠式異步電動機采用電阻降壓的起動方法，僅適用于要求起動平穩的中小容量電動機以及起動不頻繁的場合。大容量電動機多采用串電抗降壓起動。
2、串自耦變壓器降壓起動控制線路
（1）線路設計思想
在自耦變壓器降壓起動的控制線路中，限制電動機起動電流是依靠自耦變壓器的降壓作用來實現的。自耦變壓器的初級和電源相接，自耦變壓器的次級與電動機相聯。自耦變壓器的次級一般有3個抽頭，可得到3種數值不等的電壓。使用時，可根據起動電流和起動轉矩的要求靈活選擇。電動機起動時，定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次電壓，一旦起動完畢，自耦變壓器便被切除，電動機直接接至電源，即得到自耦變壓器的一次電壓，電動機進入全電壓運行。通常稱這種自耦變壓器為起動補償器。這一線路的設計思想和串電阻起動線路基本相同，都是按時間原則來完成電動機起動過程的。

圖3定子串自耦變壓器降壓起動控制線路
線路工作原理：
閉合開關QS。
起動 按下按鈕SB2，KM1和時間繼電器KT同時得電，KM1常開主觸點閉合，電動機經星形連接的自耦變壓器接至電源降壓起動。
時間繼電器KT經一定時間到達延時值，其常開延時觸點閉合，中間繼電器KA得電并自鎖，KA的常閉觸點斷開，使接觸器KM1線圈失電，KM1主觸點斷開，將自耦變壓器從電網切除,KM1常開輔助觸點斷開，KT線圈失電，KM1常閉觸點恢復閉合，在KM1失電后，使接觸器KM2線圈得電，KM2的主觸點閉合，將電動機直接接入電源，使之在全電壓下正常運行。
停止 按下按鈕SB1，KM2線圈失電，電動機停止轉動。
在自耦變壓器降壓起動過程中，起動電流與起動轉矩的比值按變比平方倍降低。在獲得同樣起動轉矩的情況下，采用自耦變壓器降壓起動從電網獲取的電流，比采用電阻降壓起動要小得多，對電網電流沖擊小，功率損耗小。所以自耦變壓器被稱之為起動補償器。換句話說，若從電網取得同樣大小的起動電流，采用自耦變壓器降壓起動會產生較大的起動轉矩。這種起動方法常用于容量較大、正常運行為星形接法的電動機。其缺點是自耦變壓器價格較貴，相對電阻結構復雜，體積龐大，且是按照非連續工作制設計制造的，故不允許頻繁操作。
3、Y—△降壓起動控制線路
（1）線路設計思想
Y—△降壓起動也稱為星形—三角形降壓起動，簡稱星三角降壓起動。這一線路的設計思想仍是按時間原則控制起動過程。所不同的是，在起動時將電動機定子繞組接成星形，每相繞組承受的電壓為電源的相電壓（220V），減小了起動電流對電網的影響。而在其起動后期則按預先整定的時間換接成三角形接法，每相繞組承受的電壓為電源的線電壓（380V），電動機進入正常運行。凡是正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠式異步電動機，均可采用這種線路。
（2）典型線路介紹
定子繞組接成Y—△降壓起動的自動控制線路如圖4所示。

圖4 Y—△降壓起動控制線路
工作原理：
按下起動按鈕SB2，接觸器KM1線圈得電，電動機M接入電源。同時，時間繼電器KT及接觸器KM2線圈得電。
接觸器KM2線圈得電，其常開主觸點閉合，電動機M定子繞組在星形連接下運行。KM2的常閉輔助觸點斷開，保證了接觸器KM3不得電。
時間繼電器KT的常開觸點延時閉合；常閉觸點延時繼開，切斷KM2線圈電源，其主觸點斷開而常閉輔助觸點閉合。
接觸器KM3線圈得電，其主觸點閉合，使電動機M由星形起動切換為三角形運行。
停車
按SB1 輔助電路斷電 各接觸器釋放` 電動機斷電停車
線路在KM2與KM3之間設有輔助觸點聯鎖，防止它們同時動作造成短路；此外，線路轉入三角接運行后，KM3的常閉觸點分斷，切除時間繼電器KT、接觸器KM2,避免KT、KM2線圈長時間運行而空耗電能，并延長其壽命。
三相鼠籠式異步電動機采用Y—△降壓起動的優點在于：定子繞組星形接法時，起動電壓為直接采用三角形接法時的1/3，起動電流為三角形接法時的1/3，因而起動電流特性好，線路較簡單，投資少。其缺點是起動轉矩也相應下降為三角形接法的1/3，轉矩特性差。所以該線路適用于輕載或空載起動的場合。另外應注意，Y—△聯接時要注意其旋轉方向的一致性。
4、△—△降壓起動控制線路
（1） 線路設計思想
如前所述，Y—△降壓起動有很多優點，但美中不足的是起動轉矩太小。能否設計一種新的降壓起動方法，既具有星形接法起動電流小，又不需要專用起動設備，同時又具有三角形接法起動轉矩大的優點，以期完成更為理想的起動過程呢？△—△降壓起動便能滿足這種要求。在起動時，將電動機定子繞組一部分接成星形，另一部分接成三角形。待起動結束后，再轉換成三角形接法，轉換過程仍按照時間原則來控制。從圖5中的繞組接線看，就是一個三角形3條邊的延長，故也稱延邊三角形。
圖5為電動機定子繞組抽頭連接方式。其中圖（a）是原始狀態。圖（b）為起動時接成延邊三角形的狀態。圖（c）為正常運行時狀態。這種電動機共有9個抽線頭，改變定子繞組抽頭比（即N1與N2之比），就能改變起動時定子繞組上電壓的大小，從而改變起動電流和起動轉矩。但一般來說，電動機的抽頭比已經固定，所以，僅在這些抽頭比的范圍內作有限的變動。例如，通過相量計算可知，若線電壓為380V，當N1/N2=1/1時，相似于自耦變壓器的抽頭百分比71℅，則相電壓為264V；當N1/N2=1/2時，相似于自耦變壓器的抽頭百分比78℅，則相電壓為290V；當N1/N2=2/1時，相似于自耦變壓器的抽頭百分比66℅；Y—△接法，相似于自耦變壓器的抽頭百分比58℅。
（2） 典型線路介紹
定子繞組呈△—△接法的線路如圖6所示。

線路工作原理：