第3章 交流電動機實用控制電路
3.1 電動機啟動電路
3.1.1 單相電動機離心開關啟動電路
（1）電路原理圖 離心開關外形及控制電路如圖3-1、圖3-2所示：在單相異步電動機中，在啟動過程中，當轉子轉速達到同步轉速的70％左右時，常借助于離心開關，切除單相電阻啟動異步電動機和電容啟動異步電動機的啟動繞組，或切除電容啟動及運轉異步電動機的啟動電容器。離心開關一般安裝在軸伸端蓋的內側。
圖3-1 離心開關外形及安裝位點
圖3-2 單相電阻啟動異步電動機接線原理圖
（2）工作過程 離心開關包括靜止部分和旋轉部分。靜止部分裝在前端蓋內，旋轉部分則裝在轉軸上，它利用轉子轉速的變化，引起旋轉部分的重塊所產生離心力大小的改變，通過滑動機構來閉合或斷開觸頭，達到在啟動時接通啟動繞組的目的；電動機運轉時重塊飛離，觸點斷開，切斷電源；電動機靜止時，重塊因有彈簧拉力而復位，觸頭閉合以備啟動時接通電源。離心開關的結構比較復雜，電動機接通電源后，如觸頭氧化或被電火花燒蝕，接觸不良，則電動機不能啟動；如電動機啟動后，重塊不能飛離，則副繞組也參加了運行，不久副繞組就會因高溫而燒毀。若離心開關損壞，則必須更換；若觸頭接觸不良，則可以用小銼或細紗布修好。
單相電阻啟動式異步電動機新型號代號為BQ、JZ。定子線槽繞組嵌有主繞組和副繞組，主繞組負責工作占三分之二槽數，副繞組占三分之一槽數。此類電動機一般采用正弦繞組，則主繞組占的槽數只是略多，甚至主、副繞組各占三分之一的槽數，不過副繞組的線徑比主繞組的線徑細得多，以增大副繞組的電阻。主繞組和副繞組的軸線在空間中相差90°的電角度。電阻略大的副繞組經離心開關將副繞組接自電源，當電動機啟動后，轉速達到75％～80％的額定轉速時，通過離心開關將副繞組切離電源，由主繞組單獨工作。如圖3-2所示為單相電阻啟動式異步電動機接線原理。
單相電阻式啟動異步電動機是具有中等啟動轉矩和過載能力，功率為40W～3kW的電動機。
3.1.2 單相電動機繼電器控制電路
（1）電路原理圖 啟動繼電器控制電路如圖3-3所示。有些電動機，如氣泵電動機，由于它與壓縮機組裝在一起，并放在密封的罐子里，不便于安裝離心開關，就用啟動繼電器代替。繼電器的吸鐵線圈串聯在主繞組回路中，啟動時，主繞組電流很大，銜鐵動作，使串聯在副繞組回路中的動合觸點閉合。于是副繞組接通，電動機處于兩相繞組運行狀態。隨著轉子轉速上升，主繞組電流不斷下降，吸引線圈的吸力下降。當到達一定的轉速，電磁鐵的吸力小于觸點的反作用彈簧的拉力，觸點被打開，副繞組就脫離電源。
圖3-3 啟動器構造與接線圖
（2）工作過程 重力式啟動器主要由勵磁線圈、銜鐵、電觸點和電絕緣殼體等構成，其接線如圖3-3所示。勵磁線圈與電動機的運行繞組串聯，當電機啟動時，通過運行繞組的電流比正常運行電流大4～6倍。因為電流通過勵磁線圈所產生的磁場強度與電流成正比，所以啟動時磁場吸引大于銜鐵組件的重力，銜鐵帶著動觸點被吸向上，與靜觸點閉合；接通啟動繞組電源，電動機隨機啟動運轉，啟動后隨著轉速迅速增加，通過繞組的電流也迅速減小。當電動機轉速達到額定轉速的75％以上時，勵磁線圈磁場吸力已小于銜鐵組件的重力，銜鐵和動觸點迅速落下，切斷啟動繞組電源，電動機進入正常運行狀態。重力式啟動器的優點是結構緊湊，體積較小，可靠性好；缺點是可調性差，如果電源電壓波動較大時，就會出現觸點不能釋放或接觸不良而造成觸點燒損的現象。
能使啟動器觸點吸合的最小電流稱為吸合電流，能使啟動器觸點下落斷開的最大電流稱為釋放電流。吸合電流和釋放電流是啟動器的兩個主要技術參數，對電動機的正常啟動有重要作用。如果電動機的壓縮機和電動機無故障，則啟動器的吸合或釋放主要受電源電壓的影響，因此，對電動機的電源電壓，要求其不能超出允許的最大波動范圍。吸合電流與釋放電流之差越小，則感應的電壓范圍越廣，但對靈敏度的要求越高。啟動器靈敏度一定時，提高電動機的啟動電流和降低運行電流可擴大電動機工作電壓的適應范圍，但要涉及電機的經濟性和其他性能指標，因此，必須綜合考慮，不能只追求單項指標。啟動器的吸合電流與釋放電流之差一般要求不高于0.5A。
3.1.3 單相異步電動機電容器啟動電動機控制電路
（1）電路原理圖 電容器啟動電動機控制電路如圖3-4所示。電容啟動式單相異步電動機新型號代號為CO2，老型號代號為CO、JY。
圖3-4 單相電容啟動異步電動機接線原理圖
單相電容啟動式異步電動機的啟動性能較好，且具有較高的啟動轉矩，最初的啟動電流倍數為4.5～6.5倍，因此適用于啟動轉矩要求較高的場合，功率為120W～3kW，如小型空壓機等滿載啟動機械。
（2）工作過程 定子線槽主繞組、副繞組分布與電阻啟動式電動機相同，但副繞組線徑較細，電阻大，主副繞組為并聯電路。副繞組和一個容量較大的啟動電容串聯，再串聯離心開關。副繞組只參與啟動不參與運行。當電動機啟動后轉速達到75％～80％的額定轉速時，通過離心開關將副繞組和啟動電容切斷電源，由主繞組單獨工作。
3.1.4 單相異步電動機電容器運行控制電路
（1）電路原理圖 電容器運行控制電路如圖3-5所示。電容運行式異步電動機新型號代號為DO2，老型號代號為DO、JX，定子線槽主繞組、副繞組分布各占二分之一，主繞組和副繞組的軸線在空間相差90°的電角度，主、副繞組為并聯電路。
圖3-5 單相電容運行式異步電動機接線原理圖
（2）工作過程 副繞組串接一個電容后與主繞組并接于電源，副繞組和電容不僅參與啟動還長期參與運行，如圖3-5所示為單相電容運行式異步電動機接線原理。單相電容運行式異步電動機的電容長期接入電源工作，因此不能采用電解電容，通常一般采用紙介電容或油浸紙介電容。該電容的容量主要是根據電動機運行性能來選取的，一般比電容啟動式的電動機的電容容量要小一些。
電容運行式異步電動機的啟動轉矩較低，一般為額定轉矩的零點幾倍，但效率因數和效率較高、體積小、重量輕，功率為8～500W，適用于輕載啟動要求長期運行的場合。
3.1.5 單相異步電動機電容器啟動運行控制電路
（1）電路原理圖 電容器啟動運行控制電路如圖3-6所示。
圖3-6 單相電容啟動和運轉式電動機接線圖
（2）工作過程 單相電容啟動和運轉式異步電動機型號代號為F，又稱為雙值電容電動機。定子線槽主繞組、副繞組分布各占二分之一，但副繞組與兩個電容并聯（啟動電容、運轉電容），其中啟動電容串接離心開關并接于主繞組端。當電動機啟動后轉速達到75％～80％的額定轉速時，通過離心開關將啟動電容切離電源，而副繞組和工作電容繼續參與運行（工作電容容量要比啟動電容容量小）。
單相電容啟動和運轉式電動機具有較高的啟動性能、過載能力和效率，功率為8W～3kW，適用于性能要求較高的日用電器、特殊壓縮泵、小型機床等。
3.1.6 三相異步電動機刀開關直接啟動控制電路
（1）電路原理圖 刀開關直接啟動控制電路如圖3-7所示。
圖3-7 鐵殼開關啟動控制線路
電動機直接啟動，其啟動電流通常為額定電流的2～8倍，一般應用于小功率電動機。常用的啟動電路有開關直接啟動和接觸器點動直接啟動兩種。
（2）工作原理 接通開關Q，三相電源經開關Q和熔斷器FU給電動機供電，電動機即可運轉。
3.1.7 三相異步電動機接觸器點動控制直接啟動控制電路
（1）電路原理圖 接觸器點動控制直接啟動控制電路如圖3-8所示。
圖3-8 直接啟動控制電路
（2）工作原理 當合上開關QS時，電動機不會啟動運轉，因為KM線圈未通電，只有按下SB，使線圈KM通電，主電路中的主觸頭KM閉合，電動機M才可啟動。這種只有按下按鈕電動機才會運轉、松開按鈕即停轉的線路，稱為點動控制線路，利用接觸器來控制電機的優點是減輕勞動強度，操作小電流的控制電路就可以控制大電流主電路，能實現遠距離控制與自動化控制。
工作過程：當按下啟動按鈕SB1，線圈KM通電，主觸頭閉合，電動機M啟動運轉，當松開按鈕，電動機M不會停轉，因為這時，接觸器線圈KM可以通過并聯SB兩端已閉合的輔助觸頭KM繼續維持通電，電動機M不會失電，也不會停轉。這種松開按鈕而能自行保持線圈通電的控制線路叫做具有自鎖的接觸器控制線路，簡稱自鎖控制線路。
3.1.8 三相異步電動機具有過載保護功能的啟動電路
（1）電路組成 圖3-9所示是由一只接觸器構成的具有保護功能的正轉電路，該電路具有自鎖功能，是一種最基本的控制電路，在工廠應用廣泛。可實現對電動機的啟動、停止的自動控制及遠距離控制和頻繁操作，并具有必要的保護，如短路、過載、零電壓（又稱失電壓）等保護功能。
圖3-9 由一只接觸器構成的具有過載保護功能的正轉電路
（2）工作原理
①啟動控制過程 啟動電動機時，合上開關QS，按下啟動按鈕開關SB2后，交流接觸器KM的吸引線圈得電吸合，其主常開觸點KM2～KM4閉合，使電動機得到三相電壓而啟動工作。同時KM的常開觸點KM1閉合后并接在SB2兩端，因此當松手斷開SB2后，控制電路仍維持正常的工作。
②停止控制過程 如需要停機時，按下停止按鈕開關SB1，交流接觸器KM的吸引線圈斷電釋放，其主觸點KM2～KM4斷開，電動機因斷電而停止工作。
③短路保護 當電動機出現短路故障時，短路電流就會使熔斷器FU1～FU3中的熔體熔斷，從而切斷主回路，使電動機的供電中斷。
④過載保護 當電動機過載或單相運行時，FT動作，其常閉觸點斷開，將控制電路切斷，吸引線圈KM斷電釋放，切斷電動機的主電路。
⑤失電壓（零電壓）保護 當電網電壓消失（如停電）而又重新恢復時，要求電動機及其拖動的生產機械不能自動啟動，以確保操作人員和設備的安全。由于自鎖觸頭KM的存在，故當電網停電后，不重新按啟動按鈕開關SB2電動機就不能啟動。
3.1.9 三相異步電動機自耦變壓器降壓啟動控制電路
（1）電路原理圖 自耦變壓器降壓啟動控制電路如圖3-10所示。對正常運行時為Y形接線及要求啟動容量較大的電動機，不能采用Y-△啟動法，而常采用自耦變壓器啟動方法。自耦變壓器啟動法是利用自耦變壓器來實現降壓啟動的。用來降壓啟動的三相自耦變壓器又稱為啟動補償器，其原理和外形如圖3-10所示。
圖3-10 自耦變壓器啟動控制電路
（2）工作原理 用自耦變壓器降壓啟動時，先合上電源開關Q1，再把轉速開關Q2的操作手柄推向“啟動”位置，這時電源電壓接在三相自耦變壓器的全部繞組上（高壓側），而電動機在較低電壓下啟動。當電動機轉速上升到接近于額定轉速時，將轉換開關Q2的操作手柄迅速從“啟動”位置投向“運行”位置，這時自耦變壓器從電網中切除。
為獲得不同的啟動轉矩，自耦變壓器的次級繞組常備有不同的電壓抽頭，例如次級繞組電壓為初級繞組電壓的60％、80％等，以供具有不同啟動轉矩的機械使用。
這種啟動方法不受電動機定子繞組接線方式的限制，可按照容許的啟動電流和所需的啟動轉矩選擇不同的抽頭，因此適用于啟動容量較大的電動機，其缺點是設備造價較高，不能用在頻繁啟動的場合。
3.1.10 三相異步電動機由時間繼電器構成的電阻降壓啟動電路
圖3-11所示是由一只時間繼電器構成的電阻降壓啟動電路。該電路適用于要求啟動平穩的中等容量的鼠籠式異步電動機。
圖3-11 由一只時間繼電器構成的電阻降壓啟動電路
（1）電路組成 圖3-11所示電路中，FU1～FU4為4只保險元件；SB1為停機按鈕開關；SB2為啟動按鈕開關；KM1為交流接觸器，其KM1-4常開觸點用于自鎖，KM1-1～KM1-3三組常開觸點用于控制電動機的三相供電；KM2為交流接觸器，其三組常開觸點KM2-1～KM2-3用于切換三只降壓電阻的接入與斷開；KT為時間繼電器，有一組常開延時閉合觸點KT1；FT為熱保護繼電器。
（2）工作原理 當要啟動電動機時，合上開關QS，按下啟動按鈕SB2后，交流接觸器KM1與時間繼電器KT的線圈同時得電工作：
①當KM1線圈得電吸合以后，其常開觸點KM1-4閉合后自鎖，KM1-1～KM1-3三組常開觸點閉合后，通過R1～R3啟動電阻為電動機定子繞組提供三相電源，使電動機得電啟動。
②當KT時間繼電器線圈得電以后進入延時狀態，到達預定時間后，其延時閉合觸點KT1閉合接通了KM2交流接觸器線圈的供電，使常開觸點KM2-4閉合自鎖，KM2-1～KM2-3常開主觸點閉合使R1～R3電阻被短接，電動機進入全壓正常工作狀態。
3.1.11 三相異步電動機頻敏變阻器構成的啟動電路
圖3-12所示是由頻敏變阻器構成的電動機啟動控制電路，是利用頻敏變阻器的阻抗隨著轉子電流頻率的變化而自動變化的特點來實現的。
圖3-12 由頻敏變阻器構成的啟動電路
（1）電路組成 圖3-12所示電路中的頻敏變阻器實質上是一個鐵芯損耗非常大的三相電抗器，相當于一個等值阻抗。在電動機啟動過程中，由于等值阻抗隨轉子啟動電流中高頻成分的減小而下降以達到自動變阻，為了使單臺頻敏變阻器的體積、質量不要過大，當電動機容量大到一定程度時，就由多組頻敏變阻器連接使用。連接種類有單組、兩組串聯、兩組并聯、二串聯二并聯等，如圖3-13所示。
圖3-13 頻敏變阻器啟動電路的幾種連接方法
頻敏變阻器在啟動完畢后應切除短接，如電動機本身有短路裝置，則可直接利用。如沒有短路裝置時，則可用外裝刀開關短路，如圖3-13（e）所示。
圖3-12所示電路正是利用頻敏變阻器的上述特點來實現電動機啟動的。RF即為頻敏電阻，是一種單組連接方式。SB1為停止按鈕開關；SB2為啟動按鈕開關。KM1為交流接觸器線圈，其KM1-1為自鎖觸點，KM1-2～KM1-4三組常開觸點用于控制三相電動機的供電；KM2為切換頻敏變阻器的交流接觸器，其KM2-1用于控制時間繼電器KT線圈的供電，KM2-2～KM2-3兩組常開觸點用于控制頻敏變阻器的切斷或接通。KA為繼電器，有兩組常開觸點和兩組常閉觸點，兩組常開觸點KA1和KA2用于控制KM2和KA線圈的供電，兩組常閉觸點KA3和KM4在啟動時，將熱繼電器FT的發熱元件短接，以免因啟動時間過長而造成熱繼電器誤動作；啟動結束后，KA又動作，將熱繼電器發熱元件接入電路中。KT為時間繼電器，有一組延遲閉合觸點KT1。
（2）工作原理 當啟動時，按下啟動按鈕開關SB2，KM1交流接觸器線圈得電吸合，其KM1-1常開觸點閉合后自鎖；KM1-2～KM1-4三組常開觸點閉合后為三相電動機提供三相電源，電動機轉子電路串入了頻敏變阻器并啟動。
當按下SB2后，KT時間繼電器線圈也同時得電工作，經延遲一段時間后，其KT1觸點閉合，使KA繼電器線圈也得電吸合，其KA1常開觸點閉合后自鎖，常閉觸點KA3和KA4斷開使熱繼電器發熱元件投入運行；常開觸點KA2閉合后，又接通了KM2交流接觸器線圈的供電，使KM2得電吸合，其常閉觸點KM2-1斷開，切斷對時間繼電器KT線圈的供電，常開觸點KM2-2和KM2-3閉合，使頻敏變阻器RF被短接，啟動過程結束，電動機進入正常運行狀態。
提示：在使用過程中，如果出現以下情況，則應及時調整頻敏電阻器的匝數和氣隙。
①啟動電流過大，啟動太快 應適當增加匝數，可采用換接抽頭的方法，使用100％的匝數，當匝數增加后，就會使啟動電流減小，轉矩減小。
②啟動電流過小，啟動轉矩不夠，啟動太慢 應適當減小匝數，使用80％或更小的匝數，當匝數減小后，就會使啟動電流增大，轉矩增大。
③增加鐵芯氣隙，穩定轉速 在剛啟動時，啟動轉矩過大，有機械沖擊現象；但啟動結束后，穩定的轉速又太低（偶爾啟動用變阻器啟動完畢短接時，沖擊電流較大），可增加鐵芯氣隙。由于增加氣隙會使啟動電流略增，啟動轉矩略減，但啟動結束時轉矩會增大，因此就提高了穩定轉速。
3.1.12 三相異步電動機一只晶體管構成的Y-△自動切換啟動電路
圖3-14所示是由一只晶體管構成的Y-△自動切換啟動電路，具有體積小、價格低廉、使用方便等特點。
圖3-14 由一只晶體管構成的Y-△自動切換啟動電路
（1）電路組成 圖3-14所示電路主要是由KM1～KM3交流接觸器、SB2啟動按鈕、SB1停機按鈕、KA繼電器和VT1晶體三極管等為核心構成的。
（2）工作原理 圖3-14所示電路中的VT1及其外圍的有關元件共同構成了延時控制電路，用于進行延時全壓控制。該電路的工作原理可從啟動控制與全壓控制兩個方面來說明。
①啟動控制 當要啟動電動機時，按下啟動按鈕開關SB2后，KM1與KM2交流接觸器線圈同時得電吸合，其常開觸點KM1-4閉合后自鎖；KA2-4常閉觸點斷開后防止KM3線圈誤動作；KM1-1～KM1-3、KM2-1～KM2-3常開觸點閉合后，使電動機定子線圈繞組連接成Y形，從而使電動機降壓啟動；KM1-5（常開）、KM1-6（常閉）觸點動作后，使延時電路得電工作。
②全壓控制 全壓控制由延時電路配合KM3交流接觸器來完成。當合上總開關QS后，380V的交流電壓加到電源變壓器T的初級后，其次級輸出的36V交流低壓使照明指示燈HL1點亮，以示已通電。當KM1-5、KM1-6觸點動作后，36V的交流低壓又經VD1～VD4橋式整流、R1降壓限流，C1濾波、VDW穩壓后的直流電壓一路提供給繼電器控制電路，另一路經RP1、R2對電容C2進行充電。由于電容上的電壓不會突變，故在充電的最初階段，VT1仍處于截止狀態，延時一段時間（這段時間即為C2充電時間），一旦充電到一定值使VT1管導通后，則KA繼電器線圈得電吸合，其KA1常閉觸點斷開后切斷了KM2交流接觸器線圈的供電，其所有觸點均復位。KA2常開觸點閉合后，使KM3交流接觸器線圈得電吸合，其常開觸點KM3-4閉合后自鎖，KM3-1～KM3-3三組常開觸點閉合使電動機定子的三相繞組連接成三角形，進入正常運行狀態。
提示：適度調整電路中C2的容量值或電位器RP1的電阻值，可控制VT1管達到導通的時間，也就是可改變延時時間。
3.1.13 三相異步電動機用三個接觸器控制的Y-△降壓啟動電路
（1）電路原理圖 三個接觸器控制的Y-△降壓啟動電路如圖3-15所示。在正常運行時，電動機定子繞組是連成△形的，啟動時把它連接成Y形，啟動即將完畢時再恢復成△形。目前4kW以上的J02、J03系列的三相異步電機定子繞組在正常運行時，都是接成△形的，對這種電動機就可采用Y-△降壓啟動。
圖3-15 時間繼電器控制Y-△減壓啟動控制線路
（2）工作原理 從主回路可知，如果控制線路能使電動機接成Y形（即KM1主觸點閉合），并且經過一段延時后再接成△形（即KM1主觸點打開，KM2主觸點閉合），則電動機就能實現降壓啟動，而后再自動轉換到正常速度運行。控制線路的工作過程如下。
3.1.14 三相異步電動機兩個接觸器控制Y-△轉換的降壓啟動電路
（1）電路原理圖 圖3-16所示是用兩個接觸器實現Y-△降壓啟動的控制線路。
圖3-16 用兩個接觸器實現Y-△降壓啟動的控制線路
①保護元件 由熔斷器FU1（主電路的短路保護）、熱繼電器FR（電動機的過載保護）、熔斷器FU2（控制電路的短路保護）組成。
②主電路 由開關QS、熔斷器FU1、線路接觸器KM1、Y-△轉換接觸器KM2主觸點、熱繼電器FR和電動機M組成。
③控制電路 由啟動按鈕SB2，停止按鈕SB1，接觸器KM1、KM2，減壓啟動時間繼電器KT和熱繼電器FR常閉觸點組成。
（2）工作原理 啟動時，合上電源開關QS，按下啟動按鈕SB2，使接觸器KM1和時間繼電器KT線圈同時得電吸合并自鎖，KM1主觸點閉合，接入三相交流電源，由于KM1的常閉輔助觸點KM1（8-9）斷開，使KM2處于斷電狀態，電動機接成Y形連接進行降壓啟動并升速。當電動機轉速接近額定轉速時，時間繼電器KT動作，其通電延時斷開觸點KT（4-7）斷開，通電延時常閉觸點KT（4-8）閉合。前者使KM1線圈斷電釋放，其主觸點斷開，切斷電動機三相電源。而觸點KM1（8-9）閉合與后者KT（4-8）一起使KM2線圈得電吸合并自鎖，其主觸點閉合，電動機定子繞組接成△形連接，KM2的輔助常開觸點斷開，使電動機定子繞組尾端脫離短接狀態，另一觸點KM2（4-5）斷開，使KT線圈斷電釋放。由于KT（4-7）復原閉合，使KM1線圈重新得電吸合，于是電機在△形連接下正常運轉。所以KT時間繼電器延時動作的時間就是電動機連成Y形降壓啟動的時間。
本電路與其他Y-△轉換控制線路相比，節省一個接觸器，但由于電動機主電路中采用KM2常閉輔助觸點來短接電動機三相繞組尾端，容量有限，故該電路僅適用于13kW以下電動機的啟動控制。