项目三 三相异步电动机降压启动控制接线与调试
降压起动适用于容量大于或等于20kW并带轻载的工况。由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低启动电流。
学习目标 掌握定子串电阻降压启动控制线路、延边三角启动、Y/Δ启动控制线路以及自耦变压器降压启动控制线路。
三相绕线式异步电动机的启动控制的设计和原理 能正确识别、选用、安装和调节时间继电器。 能正确安装和操作Y-△形降压启动控制电路。 相关知识 一、三相异步电动机的启动
1、三相异步电动机对启动的要求 （1）电动机有足够大的启动转矩。
（2）一定大小启动转矩前提下，启动电流越小越好。 （3）启动所需设备简单，操作方便。 （4）启动过程中功率损耗越小越好。 2、鼠笼式异步电动机的启动
（1）直接启动（全压启动）
启动时加在电动机定子绕组上的电压为额定电压。三相异步电动机直接启动的条件（满足一条即可），如图3-1所示。
①容量在7.5KW以下的电动机均可采用。 ②由专用变压器供电时，电动机的容量小于变压器容量的20%。
③可用经验公式粗估电动机是否可直接启动
IstIN?34?供电变压器容量?kV?A?4?启动电动机功率?kW?
优点：所需启动设备简单，启动时间短，启动方式简单、可靠，所需成本低。 缺点：启动电流很大，对电动机及电网有一定冲击。
（2）降压启动
在电动机启动时降低定子绕组上的电压，启动结束后加额定电压的启动方式。降压启动能起到降低电动机启动电流的目的，但由于转矩与电压的平方成正比，因此降压启动时电动机的转矩减小较多，故只适用于空载或轻载启动。 ①电阻（或电抗）降压启动
降压启动方式是指在启动过程中降低其定子绕组端的外施电压，启动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。这种方法虽然能达到降低启动电流的目的，但启动转矩也减小很多，故此法一般只适用于电动机的空载或轻载启动，具体方法：
图3-2 定子串电阻降压起动
三相笼形异步电动机启动时，在电动机定子电路串入电阻或电抗器，使加到电动机定子绕组端电压降低，减少了电动机上的启动电流。如图3-2 定子串电阻降压起动，是三相笼形电动机定子绕组串电阻降压启动的原理图，其工作情况为：先合上刀开关S1，在开始起动时，将S2打到启动端，电路串入电阻Ra电动机经电阻接入电源，电动机在低压状态下开始启动。当电动机的转速接近额定值时，使S2打到运行端，切除了电阻，电源电压直接加在电动机上，启动过程结束。
这种启动方法不受电动机定子绕组接法形式的限制，但由于启动电阻的存在，将使设备体积增大，电能损耗大，目前已较少采用。
②Y/△降压启动
中、大功率电动机启动时把定子绕组接成Y形，运行时把定子绕组接成△形，使电动机全压运行，这种启动方法称为Y-△降压启动。电动机采用Y-△降压启动可使启动电源线电流减少为△形接法的1/3，有效避免了过大电流对供电电路的影响。在控制电路中，常利用时间继电器完成Y-△形自动切换。 三相笼形异步电动机的Y/△降压启动简单，运行可靠，应用广泛。但只适用于正常运转时定子绕组为△接法的电动机。
③定子串自耦变压器降压启动
这种方法是利用自耦变压器将电源电压降低后再加到电动机定子绕组端，达到减小启动电流的目的，如图3-3定子串自耦变压器降压启动所示。
设自耦变压器的一次侧电压U1（即电源电压），电流为I1，二次侧电压为U2，电流为I2，变压比为ka，则：
Ist2?1kaIst1 （3-1）
图3-3定子串自耦变压器降压启动
电路的控制原理是：合上电源后，电动机定子绕组经自耦变压器实现减压启动。当电动机的转速接近于额定转速时，直接将全电压加在电动机上，启动过程结束，进入全压运行状态。
自耦变压器降压启动的启动性能好，但线路相对较复杂，设备体积大，目前是三相笼形异步电动机常用的一种降压启动方法。
二、三相异步电动机的调速
异步电机结构简单、成本低、维修方便、工作可靠，因此得到了广泛的使用。在生产实际中需要对电机转速进行调节以满足工艺设备的要求，因此三相异步电机的调速具有重要的意义。
根据三相异步电动机的转速公式为
n?60f1p(1?s)?n1(1?s) （3-2）
式中：f1为异步电动机的定子电压供电频率；p为异步电动机的极对数；s为异步电动机的转差率。所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。
1、变极调速（改变电动机的极对数）
通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机的同步转速
n1?60f1p （3-3）
所以一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。 （1）变极原理
由式（3-2）知：改变异步电动机的定子绕组的极对数p，可以改变磁通势的同步转速n1，由于转差率s不变，则转速得到了调节。
图3-4 三相异步电动机的变极调速绕组接线方式
三相鼠笼式异步电动机定子绕组极对数的改变，是通过改变绕组的接线方式实现的。如上图3-4所示的一个四极电机A相定子绕组的两个线圈头尾相连时（正向串联），具有四个磁极(2p=4)；如果将定子绕组的联接方式改成后面图的形式，根据每相绕组中，一半线圈的电流方向，用右手螺旋定则确定出磁通方向，此时定子绕组具有两个磁极(2p=2).由此可见，让半相绕组的电流方向，就能使极对数减半，从而使同步转速增加一倍，运行的转速也接近成倍变化。
变极调速中，当定子绕组的接线方式改变的同时，还需要改变定子绕组的相序；即倒换定子电流的相序，以保证变极调速前后电动机的转向不变，即要求磁通旋转方向不变。
（2）变极调速的特点和性能
①变极调速设备简单，体积小，重量轻，运行可靠，操作方便； ②变极调速的机械特性较硬，可实现恒转矩调速和接近恒功率调速，且转差功率损耗基本不变，效率较高；
③变极调速方法为有级调速，且调速的级数不多，一般最多为四级。普遍应用于各种机床、起重机和输送机等设备上；
④变极调速的平滑性较差。为了改进调速的平滑性，可采用变极调速与降压调速相结合的方法。从而扩大了调速范围，又减小了低速损耗。 2、变频调速（改变电源的频率f1）
通过改变定子绕组的电压供电频率f1来实现。当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f1。很明显只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就能平滑、无极地调节异步电动机的转速。
异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。
（1）变频调速原理
改变异步电动机定子绕组供电电源的频率f1，可以改变同步转速n，从而改变转速。如果频率f1连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。
三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时定子每相电压为：
U1?E1?4.44f1N1kW1?m (3-4)
式中E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；f1为定子电源频率；N1为定子每相绕组匝数； kw1为基波绕组系数，φm为每极气隙磁通量。
如果改变频率f1，且保持定子电源电压U1不变，则气隙每极磁通φm将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率f1时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通φm的目的。
（2）其特点和性能为：
①变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展；
②变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广（可达10：1），平滑性高等特点；可实现无级调速；
③变频调速时，转差率s较小，则转差功率损耗较小，效率较高；
④可以证明：变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式；基频调速以上时，近似为恒功率调速方式；
⑤变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。
3、变转差率调速
改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子电压变转差调速；采用电磁转差（或滑差）离合器调速；转子回路串电阻变转差调速以及串极调速等。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗 (又称转差功率)，使转子发热，系统效率降低。因此使用受到限制。
二、时间继电器
在生产中经常需要按一定的时间间隔来对生产机械进行控制，时间控制通常是利用时间继电器来实现的。时间继电器（Time-delay Relay）是指自得到动作信号起至触头动作或输出电路产生跳跃式改变有一定延时，该延时又符合其准确度要求的继电器。
时间继电器的种类很多，如图3-5所示。按照工作原理可分为电磁式、空气阻尼式、晶体管式和电动式。按照延时方式可分为通电延时型和断电延时型。
图3-5 时间继电器
1—线圈 2—反力弹簧 3—衔铁 4—铁芯 5—弹簧片 6—瞬时触头
7—杠杆 8—延时触头 9—调节螺钉 10—推杆 11—空气室 12—宝塔形弹簧 图3-5（a）、（b）、（c）所示分别为JS14—A系列晶体管式时间继电器的外形、内部构件和操作面板，图3-5（d）、（e）所示为JS7—A系列空气阻尼式时间继电器的外形与内部