第四节 三相交流电动机的启动控制
三相异步电动机具有结构简单，运行可靠，坚固耐用，价格便宜，维修方便等一系列优点。因此，在工矿企业中异步电动机得到广泛的应用，三相异步电动机的控制线路大多由接触器、继电器、闸刀开关、按钮等有触点电器组合而成。通常对于三相异步电动机的启动有全压直接启动方式和降压启动方式。
一、鼠笼式异步电动机全压启动控制
在变压器容量允许的情况下，鼠笼式异步电动机应该尽可能采用全压直接启动，即启动时将电动机的定子绕组直接接在交流电源上，电机在额定电压下直接启动。直接启动既可以提高控制线路的可靠性，又可以减少电器的维修工作量。
1.单向长动控制线路
三相鼠笼电动机单向长动控制是一种最常用、最简单的控制线路，能实现对电动机的启动、停止的自动控制。单向长动控制的电路图即前面图2-4所示的启、保、停电路。
2.单向点动控制线路
生产机械在正常工作时需要长动控制，但在试车或进行调整工作时，就需要点动控制，点动控制也叫短车控制或点车控制。例如桥式吊车需要经常通过点动作调整运动。在图2-8中（a）、（b）和（c）图就分别显示单独的点动控制和点动与长动的控制线路。
二、三相鼠笼式异步电动机降压启动
鼠笼式异步电动机采用全压直接启动时，控制线路简单，但是异步电动机的全压启动电流一般可达额定电流的4～7倍，过大的启动电流会降低电动机寿命，使变压器二次电压大幅度下降，减小电动机本身的启动转矩，甚至使电动机无法启动，过大的电流还会引起电源电压波动，影响同一供电网路中其他设备的正常工作。
判断一台电动机能否全压启动的一般规定是：电动机容量在10kW以下者，可直接启动；10kW以上的异步电动机是否允许直接启动，要根据电动机容量和电源变压器容量的经验公式来估计：
（2-6）
式中 Iq——电动机全电压启动电流，A；
Ie——电动机额定电流，A。
若计算结果满足上述经验公式，一般可以全压启动，否则应考虑采用降压启动。有时，为了限制和减少启动转矩对机械设备的冲击作用，允许全压启动的电动机，也多采用降压启动方式。
1.自耦变压器降压启动控制线路
自耦变压器又称为启动补偿器。电动机启动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压，一旦启动完毕，自耦变压器便被切除，电动机进入全电压运行。自耦变压器的次级一般有3个抽头，可得到3种数值不等的电压，使用时可根据启动电流和启动转矩的要求灵活选择。
工作原理：自耦变压器的控制采用时间原则控制线路，电机启动后时间继电器开始延时，当延时到就切除自耦变压器结束启动过程。自耦变压器降压启动控制线路如图2-13所示。
图2-13 自耦变压器降压启动控制线路
2. Y-△降压启动控制线路
Y-△降压启动是在启动时将电动机定子绕组接成Y形，每相绕组承受的电压为电源的相电压（220V），在启动结束时换接成三角形接法，每相绕组承受的电压为电源线电压（380V），电动机进入正常运行。凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，均可采用这种线路。
Y-△降压启动的自动控制线路如图2-14所示。
图2-14 Y-△降压启动的自动控制线路
工作原理；Y-△降压启动设计思想仍是按时间原则控制。
按下启动按钮SB2。
①接触器KM1线圈得电，电动机M接入电源。
②接触器KM3线圈得电，其常开主触点闭合，Y形启动，辅助触点断开，保证了接触器KM2不得电。
③时间继电器KT线圈得电，经过一定时间延时，常闭触点断开，切断KM3线圈电源。
④KM3主触点断开，KM3常闭辅助触点闭合，KT常开触点闭合，接触器KM2线圈得电，KM2主触点闭合，使电动机M由Y形启动切换为△运行。
按下停止按钮SB1，切断控制线路电源，电动机M停止运转。
三相鼠笼式异步电动机采用Y-△降压启动的优点是定子绕组Y形接法时，启动电压为直接采用△接法时的
，启动电流为三角形接法时的1/3，因而启动电流特性好，线路较简单，投资少。其缺点是启动转矩也相应下降为三角形接法的1/3，转矩特性差。本线路适用于轻载或空载启动的场合，应当强调指出，Y-△连接时要注意其旋转方向的一致性。
3.降压启动的其他方法
降压启动方法还有延边三角形降压启动和定子串电阻降压启动，这两种方法目前已很少采用。
①延边三角形降压启动方法仅适用于定子绕组特别设计的异步电动机，这种电动机共有九个出线端，改变延边三角形连接时，根据定子绕组的抽头比不同，就能够改变相电压的大小，从而改变启动转矩的大小。延边三角形降压启动转矩比Y-△方式大，并且可以在一定范围内进行选择。但是，一般来说，电动机的抽头比已经固定，所以只能在这些抽头比的范围内作有限的变动；而且它的启动装置与电动机之间有九条连接导线，所以在生产现场为了节省导线往往将其启动装置和电动机安装在同一工作室内，这在一定程度上限制了启动装置的使用范围；另外，虽然延边三角形降压启动的启动转矩比Y-△的启动转矩大，但与自耦变压器启动时最高转矩相比仍有一定差距，而且延边三角形接线的电动机的制造工艺复杂，故这种启动方法难以得到广泛的应用。
②定子串电阻降压启动方法是电动机启动时在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，启动结束后再将电阻短接。由于定子串电阻降压启动，启动电流随定子电压成正比下降，而启动转矩则按电压下降比例的平方倍下降。显然，这种方法会消耗大量的电能且装置成本较高，三相鼠笼式异步电动机采用电阻降压的启动方法，适用于要求启动平稳的小容量电动机以及启动不频繁的场合。
三、绕线式异步电动机启动控制
在大、中容量电动机的重载启动时，增大启动转矩和限制启动电流两者之间的矛盾十分突出。三相绕线式电动机的优点之一，是可以在转子绕组中串接外加电阻或频敏变阻器进行启动，由此达到减小启动电流，提高转子电路的功率因数和增加启动转矩的目的。一般在要求启动转矩较高的场合，绕线式异步电动机的应用非常广泛。例如桥式起重机吊钩电动机、卷扬机等。
转子绕组串接电阻后，启动时转子电流减小。但由于转子加入电阻，转子功率因数提高，只要电阻值大小选择合适，转子电流的有功分量增大，电动机的启动转矩也增大，从而具有良好的启动特性。绕线式异步电动机转子串接对称电阻后，其人为特性如图2-15所示。
图2-15 转子串接对称电阻时的人为特性
从图中的曲线可以看出，串接电阻RQ值愈大，启动转矩也愈大，临界转差率Si也愈大，特性曲线的倾斜度愈大。因此，改变串接电阻RQ可作为改变转差率调速的一种方法。注意，当串接电阻大于图中所标的3RQ时，启动转矩反而降低。三相绕线式异步电动机可采用转子串接电阻和转子串接频敏变阻器两种启动方法。
1.转子串接电阻启动控制线路
在电动机启动过程中，串接的启动电阻级数愈多，电动机启动时的转矩波动就愈小，启动愈平滑。启动电阻被逐段地切除，电动机转速不断升高，最后进入正常运行状态。
设计思想 这种控制线路既可按时间原则组成控制线路，也可按电流原则组成控制线路。
（1）按时间原则组成的绕线式异步电动机启动控制线路 图2-16为按时间原则组成的绕线式异步电动机启动控制线路，依靠时间继电器的依次动作短接启动电阻，实现启动控制。
图2-16 按时间原则组成的绕线式异步电动机启动控制线路
线路工作原理如下。
合上刀闸开关QS，按启动按钮SB2，运行过程如下。
①接触器KM线圈得电，其主触点闭合，将电动机转子串入全部电阻进行启动，KM辅助触点闭合自锁。
②时间继电器KT1得电，时间继电器KT1的常开触点经一定延时后闭合，使接触器KM1线圈得电吸合，切除第1级启动电阻1RQ。同时，时间继电器KT2得电。
③时间继电器KT2的常开触点经一定延时后闭合，使接触器KM2得电吸合并自锁，短接第2级启动电阻2RQ。同时，时间继电器KT3得电。
④时间继电器KT3的常开触点经一定延时后闭合，使接触器KM3得电吸合并自锁，短接第3级启动电阻3RQ，启动过程全部结束。
⑤接触器KM3得电，KM3常闭触点断开，切断时间继电器KT1线圈电源，使KT1、KM1、KT2、KM2、KT3依次释放。当电动机进入正常运行时，只有KM3和KM保持得电吸合状态，其他电器全部复位。
按下停止按钮SB1，KM线圈失电切断电动机电源，电动机停转。
（2）按电流原则组成的绕线式异步电动机启动控制线路 按电流原则启动控制是指通过欠电流继电器的释放值设定进行控制，利用电动机启动时转子电流的变化来控制转子串接电阻的切除。
图2-17为按电流原则组成的绕线式异步电动机启动控制线路。图中，KI1、KI2、KI3为电流继电器。这3个继电器线圈的吸合电流相同，但释放电流不一样，KI1释放电流>KI2释放电流>KI3释放电流。
图2-17 按电流原则组成的绕线式异步电动机启动控制线路
线路工作原理如下。
合上刀闸开关QS，按下启动按钮SB2，运行过程如下。
①接触器KM和中间继电器KA线圈相继吸合。刚开始启动时，冲击电流很大，KI1、KI2和KI3的线圈都吸合，其在控制电路中的常闭触点均断开，接触器KM1、KM2、KM3的线圈都不动作，其接于转子电路中的常开触点均断开，全部电阻接入转子。
②当电动机速度升高后，转子电流逐渐减少，KI1首先释放，其控制电路中的常闭触点闭合，使接触器KM1得电吸合，把第1级启动电阻1RQ切除。
③当1RQ被切除后，随着电动机转速升高，转子电流又减小，电流继电器KI2释放，其常闭触点闭合，使接触器KM2得电吸合，把第2级启动电阻2RQ短接。
④当2RQ被切除后，转子电流又减小，电流继电器KI3释放，其常闭触点闭合，使接触器KM3得电吸合，把第3级启动电阻3RQ短接。启动过程结束。
中间继电器KA是为了保证启动时接入全部电阻而设计的。因为刚启动时，若无KA，电流从零开始，KI1、KI2、KI3都未动作，全部电阻都被短接，电动机处于直接启动状态；增加了KA，从KM线圈得电到KA的常开触点闭合需要一段时间，这段动作时间能保证电流冲击到最大值，使KI1、KI2、KI3全部吸合，接于控制电路中的常闭触点全部断开，从而保证电动机全电阻启动。
2.转子串接频敏变阻器启动控制线路
转子串接电阻启动控制在绕线式异步电动机启动过程中逐段减小电阻时，电流与转矩是成跃变状态变化，电流与转矩突然增大会产生一定的机械冲击；而且分段级数越多时控制线路越复杂，工作可靠性低。因此使用频敏变阻器（frequency sensitue rheostat）来替代启动电阻。频敏变阻器的阻抗能够随着转子电流频率的下降自动减小，所以它是绕线异步电动机较为理想的启动设备，常用于较大容量的绕线式异步电动机的启动控制中，如空气压缩机等。
频敏变阻器是一个铁心损耗很大的三相电抗器，它由数片E形硅钢片叠成，外面再套上绕组，采用Y形接线。将其串入绕线异步电动机转子回路中，相当于接入一个铁损较大的电抗器。
在电动机开始启动时，转速n=0，转子频率最高，频敏变阻器的阻抗最大；随着转子频率的减小，其绕组电抗和铁心损耗决定的等效阻抗也随着减小，随着电动机转速的提高，自动平滑地减小阻抗值，从而限制启动电流。由于频敏变阻器的等效电阻和电抗同步变化，因此转子电路的功率因数基本不变，从而得到大致恒定的启动转矩。
图2-18为采用频敏变阻器的启动控制线路，可实现手动和自动两种控制。
图2-18 采用频敏变阻器的启动控制线路
自动控制的线路工作原理如下。
当转换开关SA扳到“自动”位置时，按下SB2启动按钮。
①接触器KM1得电，电动机串频敏变阻器启动。同时，时间继电器KT得电。
②时间继电器KT经过一段时间延时，KT常开触点闭合，中间断电器KA得电闭合实现自锁。主电路中KA常闭触点断开，热继电器FR保护。
③KA常开触点闭合，KM2线圈得电，KM2常开触点闭合，将频敏变阻器短接。KM2常闭触点断开，KT失电，电动机在额定电压下运行。
手动控制的线路工作原理如下。
当转换开关SA扳到“手动”位置时，时间继电器KT不起作用，利用按钮SB3手动控制，使中间继电器KA和接触器KM2动作，从而控制电动机的启动和正常运转。
频敏变阻器有四个接头可以调整匝数，上下铁心之间也可以调整空气气隙。在使用中如果遇到下列情况，可以调整匝数和气隙。
①启动电流过大，启动太快，应增加匝数，使阻抗变大，减小启动电流，同时启动转矩减小，启动过程变慢。
②启动时力矩过大，有机械冲击，应增加气隙，使启动电流略增加，而启动转矩略减小，从而使稳定运行时的转速有所提高。