第四節　三相交流電動機的啟動控制

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。因此，在工礦企業中異步電動機得到廣泛的應用，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。通常對于三相異步電動機的啟動有全壓直接啟動方式和降壓啟動方式。

一、鼠籠式異步電動機全壓啟動控制

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壓直接啟動，即啟動時將電動機的定子繞組直接接在交流電源上，電機在額定電壓下直接啟動。直接啟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。

1.單向長動控制線路

三相鼠籠電動機單向長動控制是一種最常用、最簡單的控制線路，能實現對電動機的啟動、停止的自動控制。單向長動控制的電路圖即前面圖2-4所示的啟、保、停電路。

2.單向點動控制線路

生產機械在正常工作時需要長動控制，但在試車或進行調整工作時，就需要點動控制，點動控制也叫短車控制或點車控制。例如橋式吊車需要經常通過點動作調整運動。在圖2-8中（a）、（b）和（c）圖就分別顯示單獨的點動控制和點動與長動的控制線路。

二、三相鼠籠式異步電動機降壓啟動

鼠籠式異步電動機采用全壓直接啟動時，控制線路簡單，但是異步電動機的全壓啟動電流一般可達額定電流的4～7倍，過大的啟動電流會降低電動機壽命，使變壓器二次電壓大幅度下降，減小電動機本身的啟動轉矩，甚至使電動機無法啟動，過大的電流還會引起電源電壓波動，影響同一供電網路中其他設備的正常工作。

判斷一臺電動機能否全壓啟動的一般規定是：電動機容量在10kW以下者，可直接啟動；10kW以上的異步電動機是否允許直接啟動，要根據電動機容量和電源變壓器容量的經驗公式來估計：

　　 （2-6）

式中　I_q——電動機全電壓啟動電流，A；

　I_e——電動機額定電流，A。

若計算結果滿足上述經驗公式，一般可以全壓啟動，否則應考慮采用降壓啟動。有時，為了限制和減少啟動轉矩對機械設備的沖擊作用，允許全壓啟動的電動機，也多采用降壓啟動方式。

1.自耦變壓器降壓啟動控制線路

自耦變壓器又稱為啟動補償器。電動機啟動時，定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次電壓，一旦啟動完畢，自耦變壓器便被切除，電動機進入全電壓運行。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，使用時可根據啟動電流和啟動轉矩的要求靈活選擇。

工作原理：自耦變壓器的控制采用時間原則控制線路，電機啟動后時間繼電器開始延時，當延時到就切除自耦變壓器結束啟動過程。自耦變壓器降壓啟動控制線路如圖2-13所示。

2. Y-△降壓啟動控制線路

Y-△降壓啟動是在啟動時將電動機定子繞組接成Y形，每相繞組承受的電壓為電源的相電壓（220V），在啟動結束時換接成三角形接法，每相繞組承受的電壓為電源線電壓（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。

Y-△降壓啟動的自動控制線路如圖2-14所示。

工作原理；Y-△降壓啟動設計思想仍是按時間原則控制。

按下啟動按鈕SB2。

①接觸器KM1線圈得電，電動機M接入電源。

②接觸器KM3線圈得電，其常開主觸點閉合，Y形啟動，輔助觸點斷開，保證了接觸器KM2不得電。

③時間繼電器KT線圈得電，經過一定時間延時，常閉觸點斷開，切斷KM3線圈電源。

④KM3主觸點斷開，KM3常閉輔助觸點閉合，KT常開觸點閉合，接觸器KM2線圈得電，KM2主觸點閉合，使電動機M由Y形啟動切換為△運行。

按下停止按鈕SB1，切斷控制線路電源，電動機M停止運轉。

三相鼠籠式異步電動機采用Y-△降壓啟動的優點是定子繞組Y形接法時，啟動電壓為直接采用△接法時的，啟動電流為三角形接法時的1/3，因而啟動電流特性好，線路較簡單，投資少。其缺點是啟動轉矩也相應下降為三角形接法的1/3，轉矩特性差。本線路適用于輕載或空載啟動的場合，應當強調指出，Y-△連接時要注意其旋轉方向的一致性。

3.降壓啟動的其他方法

降壓啟動方法還有延邊三角形降壓啟動和定子串電阻降壓啟動，這兩種方法目前已很少采用。

①延邊三角形降壓啟動方法僅適用于定子繞組特別設計的異步電動機，這種電動機共有九個出線端，改變延邊三角形連接時，根據定子繞組的抽頭比不同，就能夠改變相電壓的大小，從而改變啟動轉矩的大小。延邊三角形降壓啟動轉矩比Y-△方式大，并且可以在一定范圍內進行選擇。但是，一般來說，電動機的抽頭比已經固定，所以只能在這些抽頭比的范圍內作有限的變動；而且它的啟動裝置與電動機之間有九條連接導線，所以在生產現場為了節省導線往往將其啟動裝置和電動機安裝在同一工作室內，這在一定程度上限制了啟動裝置的使用范圍；另外，雖然延邊三角形降壓啟動的啟動轉矩比Y-△的啟動轉矩大，但與自耦變壓器啟動時最高轉矩相比仍有一定差距，而且延邊三角形接線的電動機的制造工藝復雜，故這種啟動方法難以得到廣泛的應用。

②定子串電阻降壓啟動方法是電動機啟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，啟動結束后再將電阻短接。由于定子串電阻降壓啟動，啟動電流隨定子電壓成正比下降，而啟動轉矩則按電壓下降比例的平方倍下降。顯然，這種方法會消耗大量的電能且裝置成本較高，三相鼠籠式異步電動機采用電阻降壓的啟動方法，適用于要求啟動平穩的小容量電動機以及啟動不頻繁的場合。

三、繞線式異步電動機啟動控制

在大、中容量電動機的重載啟動時，增大啟動轉矩和限制啟動電流兩者之間的矛盾十分突出。三相繞線式電動機的優點之一，是可以在轉子繞組中串接外加電阻或頻敏變阻器進行啟動，由此達到減小啟動電流，提高轉子電路的功率因數和增加啟動轉矩的目的。一般在要求啟動轉矩較高的場合，繞線式異步電動機的應用非常廣泛。例如橋式起重機吊鉤電動機、卷揚機等。

轉子繞組串接電阻后，啟動時轉子電流減小。但由于轉子加入電阻，轉子功率因數提高，只要電阻值大小選擇合適，轉子電流的有功分量增大，電動機的啟動轉矩也增大，從而具有良好的啟動特性。繞線式異步電動機轉子串接對稱電阻后，其人為特性如圖2-15所示。

從圖中的曲線可以看出，串接電阻RQ值愈大，啟動轉矩也愈大，臨界轉差率S_i也愈大，特性曲線的傾斜度愈大。因此，改變串接電阻RQ可作為改變轉差率調速的一種方法。注意，當串接電阻大于圖中所標的3RQ時，啟動轉矩反而降低。三相繞線式異步電動機可采用轉子串接電阻和轉子串接頻敏變阻器兩種啟動方法。

1.轉子串接電阻啟動控制線路

在電動機啟動過程中，串接的啟動電阻級數愈多，電動機啟動時的轉矩波動就愈小，啟動愈平滑。啟動電阻被逐段地切除，電動機轉速不斷升高，最后進入正常運行狀態。

設計思想　這種控制線路既可按時間原則組成控制線路，也可按電流原則組成控制線路。

（1）按時間原則組成的繞線式異步電動機啟動控制線路　圖2-16為按時間原則組成的繞線式異步電動機啟動控制線路，依靠時間繼電器的依次動作短接啟動電阻，實現啟動控制。

線路工作原理如下。

合上刀閘開關QS，按啟動按鈕SB2，運行過程如下。

①接觸器KM線圈得電，其主觸點閉合，將電動機轉子串入全部電阻進行啟動，KM輔助觸點閉合自鎖。

②時間繼電器KT1得電，時間繼電器KT1的常開觸點經一定延時后閉合，使接觸器KM1線圈得電吸合，切除第1級啟動電阻1RQ。同時，時間繼電器KT2得電。

③時間繼電器KT2的常開觸點經一定延時后閉合，使接觸器KM2得電吸合并自鎖，短接第2級啟動電阻2RQ。同時，時間繼電器KT3得電。

④時間繼電器KT3的常開觸點經一定延時后閉合，使接觸器KM3得電吸合并自鎖，短接第3級啟動電阻3RQ，啟動過程全部結束。

⑤接觸器KM3得電，KM3常閉觸點斷開，切斷時間繼電器KT1線圈電源，使KT1、KM1、KT2、KM2、KT3依次釋放。當電動機進入正常運行時，只有KM3和KM保持得電吸合狀態，其他電器全部復位。

按下停止按鈕SB1，KM線圈失電切斷電動機電源，電動機停轉。

（2）按電流原則組成的繞線式異步電動機啟動控制線路　按電流原則啟動控制是指通過欠電流繼電器的釋放值設定進行控制，利用電動機啟動時轉子電流的變化來控制轉子串接電阻的切除。

圖2-17為按電流原則組成的繞線式異步電動機啟動控制線路。圖中，KI1、KI2、KI3為電流繼電器。這3個繼電器線圈的吸合電流相同，但釋放電流不一樣，KI1釋放電流>KI2釋放電流>KI3釋放電流。

線路工作原理如下。

合上刀閘開關QS，按下啟動按鈕SB2，運行過程如下。

①接觸器KM和中間繼電器KA線圈相繼吸合。剛開始啟動時，沖擊電流很大，KI1、KI2和KI3的線圈都吸合，其在控制電路中的常閉觸點均斷開，接觸器KM1、KM2、KM3的線圈都不動作，其接于轉子電路中的常開觸點均斷開，全部電阻接入轉子。

②當電動機速度升高后，轉子電流逐漸減少，KI1首先釋放，其控制電路中的常閉觸點閉合，使接觸器KM1得電吸合，把第1級啟動電阻1RQ切除。

③當1RQ被切除后，隨著電動機轉速升高，轉子電流又減小，電流繼電器KI2釋放，其常閉觸點閉合，使接觸器KM2得電吸合，把第2級啟動電阻2RQ短接。

④當2RQ被切除后，轉子電流又減小，電流繼電器KI3釋放，其常閉觸點閉合，使接觸器KM3得電吸合，把第3級啟動電阻3RQ短接。啟動過程結束。

中間繼電器KA是為了保證啟動時接入全部電阻而設計的。因為剛啟動時，若無KA，電流從零開始，KI1、KI2、KI3都未動作，全部電阻都被短接，電動機處于直接啟動狀態；增加了KA，從KM線圈得電到KA的常開觸點閉合需要一段時間，這段動作時間能保證電流沖擊到最大值，使KI1、KI2、KI3全部吸合，接于控制電路中的常閉觸點全部斷開，從而保證電動機全電阻啟動。

2.轉子串接頻敏變阻器啟動控制線路

轉子串接電阻啟動控制在繞線式異步電動機啟動過程中逐段減小電阻時，電流與轉矩是成躍變狀態變化，電流與轉矩突然增大會產生一定的機械沖擊；而且分段級數越多時控制線路越復雜，工作可靠性低。因此使用頻敏變阻器（frequency sensitue rheostat）來替代啟動電阻。頻敏變阻器的阻抗能夠隨著轉子電流頻率的下降自動減小，所以它是繞線異步電動機較為理想的啟動設備，常用于較大容量的繞線式異步電動機的啟動控制中，如空氣壓縮機等。

頻敏變阻器是一個鐵心損耗很大的三相電抗器，它由數片E形硅鋼片疊成，外面再套上繞組，采用Y形接線。將其串入繞線異步電動機轉子回路中，相當于接入一個鐵損較大的電抗器。

在電動機開始啟動時，轉速n=0，轉子頻率最高，頻敏變阻器的阻抗最大；隨著轉子頻率的減小，其繞組電抗和鐵心損耗決定的等效阻抗也隨著減小，隨著電動機轉速的提高，自動平滑地減小阻抗值，從而限制啟動電流。由于頻敏變阻器的等效電阻和電抗同步變化，因此轉子電路的功率因數基本不變，從而得到大致恒定的啟動轉矩。

圖2-18為采用頻敏變阻器的啟動控制線路，可實現手動和自動兩種控制。

自動控制的線路工作原理如下。

當轉換開關SA扳到“自動”位置時，按下SB2啟動按鈕。

①接觸器KM1得電，電動機串頻敏變阻器啟動。同時，時間繼電器KT得電。

②時間繼電器KT經過一段時間延時，KT常開觸點閉合，中間斷電器KA得電閉合實現自鎖。主電路中KA常閉觸點斷開，熱繼電器FR保護。

③KA常開觸點閉合，KM2線圈得電，KM2常開觸點閉合，將頻敏變阻器短接。KM2常閉觸點斷開，KT失電，電動機在額定電壓下運行。

手動控制的線路工作原理如下。

當轉換開關SA扳到“手動”位置時，時間繼電器KT不起作用，利用按鈕SB3手動控制，使中間繼電器KA和接觸器KM2動作，從而控制電動機的啟動和正常運轉。

頻敏變阻器有四個接頭可以調整匝數，上下鐵心之間也可以調整空氣氣隙。在使用中如果遇到下列情況，可以調整匝數和氣隙。

①啟動電流過大，啟動太快，應增加匝數，使阻抗變大，減小啟動電流，同時啟動轉矩減小，啟動過程變慢。

②啟動時力矩過大，有機械沖擊，應增加氣隙，使啟動電流略增加，而啟動轉矩略減小，從而使穩定運行時的轉速有所提高。