任务3　三相异步电动机的星形-三角形降压启动控制

知识目标

（1）了解时间继电器的结构、原理、图形与文字符号及在电路中的应用；

（2）了解星形-三角形降压启动的原理及其控制电路的工作原理；

（3）了解三相异步电动机降压启动的其他方法。

能力目标

（1）能够正确选用与使用时间继电器；

（2）能够绘制星形-三角形降压启动的电气原理图、元器件布置图和接线图；

（3）能够按照规范完成电路接线并通电调试。

任务要求

某台传送带运输机的电动机为三角形运行，功率5.5kW，额定电流11.6A，由于供电变压器的容量比较小，现要求采用星形-三角形降压启动，要求实现电动机的双向启停的星形-三角形降压启动控制。传送带运输机实物外形图如图1-39所示。

任务分析

1.降压启动简介

由于电动机启动时，转子的速度还没有建立起来，转子与旋转磁场的相对速度大，转子感应电流大，耦合到定子中的电流也很大，启动电流为额定工作电流的5～7倍，对电网形成冲击，影响同一网中其他设备的正常运行，所以，中小容量的电动机可以采用直接启动，大容量的电动机（容量超过动力变压器的25％、公用变压器的5％）必须采用降压启动。

2.降压启动方法

降压启动，就是启动时，将电源电压降低（50％～80％）后送电动机绕组，以降低绕组中电流，待电动机转速上升接近额定值时，再将交流电源直接接到绕组上，让电动机全压运行。常用的降压启动方法有星形-三角形降压启动、自耦变压器降压启动、串电阻器降压启动、延边三角形降压启动、软启动等。由于电动机的电磁转矩与定子绕组电压的二次方成正比，使得启动转矩减小，所以降压启动适用于空载或轻载启动。

打开电动机的接线端盖，下面有6个接线端子，分别是电动机的三相定子绕组，有6个引出端头，U1、U2为U相绕组的出端头，V1、V2为V相绕组的出端头，W1、W2为W相绕组的出端头，如图1-40（a）所示。

图1-40（b）为电动机连成星形时的接线图，采用短接片连接三相绕组的尾U2、V2、W2，将电动机连成星形，这时电动机每相绕组上得到的是交流220V的电压；图1-40（c）为电动机连成三角形时的接线图，用短接片分别连接U1与W2、V1与U2、W1与V2，将电动机连成三角形，这时电动机得到的是交流380V的电压。

如果把短接片换成接触器，通过接触器将电动机绕组连成星形和三角形，在启动时，让星形联结的接触器得电吸合，待电动机的转速接近额定值时，切换成三角形联结的接触器吸合，从而可实现电动机星形联结与三角形联结的自动切换。

知识准备

一、电磁式继电器

前面所讲的接触器是用来接通和断开主回路的，是控制电路的最后输出器件。虽然用接触器能实现一些简单控制，但实现复杂的逻辑控制功能，还需要各种继电器对一些物理量进行比较、判断和逻辑运算，根据逻辑运算结果去控制接触器等执行器件。

继电器是一种将物理量的变化转化为开关状态阶跃变化的器件，通过阶跃变化去接通与断开同一电路或另一电路其他器件，以完成控制或保护任务。物理量可以是电学量（电压、电流等）或者是非电学量（温度、时间、转速、压力等），继电器一般由感测机构和执行机构两个基本部分组成。感测机构把感测得的电学量或非电学量与预定的整定值进行比较，当达到整定值（过量或欠量）时，执行机构动作，从而接通或断开电路。

电磁式继电器是电磁式低压电器的一种，电磁机构用来感应电流或者电压的变化，经过比较与放大后，驱动执行机构带动触头系统动作。

虽然继电器与接触器都是用来自动接通或断开电路的，但是它们仍有很多不同之处，主要区别是：继电器一般用于控制小电流的电路，触点额定电流一般不大于5A，所以不加灭弧装置；而接触器一般用于控制大电流的电路，主触点额定电流一般不小于5A，有的加有灭弧装置。接触器一般只能对电压的变化作出反应，而各种继电器可以在各种物理量（电学量或非电学量）信号作用下动作。

1.电磁式继电器的分类

（1）按动作原理分：有感应式继电器、电动式继电器、压电式继电器等。

（2）按输入激励量分：有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、速度继电器、温度继电器、压力继电器、脉冲继电器等。

2.电磁式继电器的基本结构

电磁式继电器由电磁机构、触头系统、调节装置及辅助装置组成。图1-41是电磁式继电器的外形和结构图。

（1）电磁机构：

直流电磁机构：U形拍合式，衔铁、铁芯均由电工软铁制成。

交流电磁机构：有U形拍合式、E形直动式、螺管式等结构形式。铁芯与衔铁均由硅钢片制成，并有短路环。

（2）触头系统：一般为桥式触头，没有灭弧装置。

（3）调节装置：为改变继电器的动作参数（吸合值和释放值），应设有改变继电器的调节装置。

本项目任务要用到时间继电器，实现时间延时功能，下面介绍时间继电器的基本知识，其他类型继电器的介绍请参见本任务的知识拓展。

二、时间继电器

当信号输入后，经过一定延时才有输出信号的继电器称为时间继电器。对于电磁式时间继电器来说，当线圈得电或失电后，延时触点要延时一段时间才发生状态变化。

1.时间继电器的分类

（1）按工作原理分：有电磁阻尼式、空气阻尼式、电动式、电子式等。

（2）按延时方式分：有通电延时和断电延时。

①通电延时：当接受输入信号后，延时一定的时间，输出才发生变化。

②断电延时：当输入信号消失后，延时一定的时间，输出才复位。

2.电磁阻尼式时间继电器

电磁阻尼式时间继电器结构示意图如图1-42所示。它是在电磁式继电器的基础上套上阻尼套筒，当阻尼套筒内的磁场发生变化时，阻尼套筒产生感应电流，其作用是阻碍阻尼套筒内磁场的变化。从线圈开始得电，到建立起吸合磁场，由于阻尼套筒的阻尼作用，需要延时时间为0.1～0.5s；而当继电器从吸合到释放的断电延时，由于阻尼套筒的阻尼作用，需要延时时间为0.3～5s。

3.空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式时间继电器由电磁机构、延时机构和触头系统3部分组成，它是利用空气的阻尼作用达到延时的目的。有通电延时和断电延时两种类型。常用空气阻尼式时间继电器有JS23系列、JS7系列，其实物外形及结构示意图如图1-43所示。

4.晶体管时间继电器

晶体管时间继电器是目前时间继电器中发展快、品种数量较多、应用较广的一种。它是由输入信号、延时环节、比较环节、执行环节等几个基本环节组成的。晶体管时间继电器实物外形图如图1-44所示。根据延时环节构成原理的不同，晶体管时间继电器通常分为电阻（R）、电容（C）充放电式（简称阻容式或RC式）与脉冲电路分频计数式（简称计数式）两大类。

5.时间继电器的选取

（1）根据延时精度要求选用合适延时精度的时间继电器。

（2）根据延时时间要求选用相应延时范围的时间继电器。

（3）根据控制用电流种类和电压等级选用相应的控制线圈。

（4）根据控制要求选用通电延时还是断电延时。

6.时间继电器的图形与文字符号

通电延时和断电延时时间继电器的图形与文字符号如图1-45所示。

电路分析

1.单向运行的星形-三角形降压启动电路

单向运行的星形-三角形降压启动电路如图1-46所示。

主回路中的KM2将电动机连成三角形，KM3将电动机连成星形，KM1提供三相交流电源。启动时KM1、KM3得电，电动机连成星形启动，经过几秒后，电动机的速度接近额定速度，切换成KM1、KM2得电，电动机连成三角形运行。

工作原理：合上电源开关QF，按下启动按钮SB2，KM1、KT、KM3同时得电，KM1自锁，电动机定子绕组连成星形接入三相电源进行降压启动，通电延时继电器KT得电后延时动作，其常闭触点断开15—17使KM3释放；KM3的常闭触点使11—13闭合，为KM2得电做好准备，同时KT的延时常开触点使7—11闭合，KM2得电并自锁，电动机连成三角形，全压运行。同时KT线圈失电。KM2、KM3的常闭触点为互锁触点以防止KM2、KM3同时得电，形成星形-三角形短路。

以上控制电路采用的时间延时方式，实现星形启动到三角形运行的切换，这种切换方式称为时间原则。除采用时间原则外，还可以采用速度原则和电流原则来进行连接方式的切换。

2.双向运行的星形-三角形降压启动电路

本任务要求实现传送带的双向星形-三角形降压启动控制，即要求按下正转启动按钮SB2时，正向星形启动，KT延时5s后，切换到三角形全压运行；按下反转启动按钮SB3后，反向星形启动，KT延时5s后，切换到三角形全压运行；正反向运行期间如果要切换电动机运行方向，要按下停止按钮之后切换，同时任意时刻按下停止按钮SB1，接触器线圈全部失电，电动机停止运行。

请读者按照控制规律补全图1-47所示电路图。

任务实施

1.元器件的选型

请根据任务要求，填写所要领取的材料清单，如表1-6所示。

2.电路的仿真接线

请读者绘制传送带运输机控制电路的元器件布局图和接线图。并完成图1-48所示电路的仿真接线。通电延时时间继电器的端子内部接线关系如图1-49所示。

3.电路的安装接线

在选择好元器件，设计好原理图的基础上按照接线规则完成控制板的接线。

4.电路的调试

接线完成后自查电路，确保接线无误，并在有指导教师现场监督的情况下通电试车。

知识拓展

一、电磁式电压继电器、电流继电器与中间继电器

1.电压继电器

电压继电器用来检测电路中电压的大小。其特点是线圈并联在电路中，电磁线圈的匝数多、线径小。电压继电器有过电压继电器和欠电压继电器。电压继电器的实物外形图如图1-50所示。

（1）过电压继电器：用于电路的过电压保护。当电压为额定值时，过电压继电器不动作；当电压高于额定值时，过电压继电器吸合动作。交流过电压继电器动作电压U0=（1.05～1.2）UN。当线圈电压降到释放电压时，继电器释放。过电压继电器一旦动作说明电路电压过高，处于不正常状态，需要动作保护。

直流电路一般不会出现过电压，所以没有直流过电压继电器。

（2）欠电压继电器：用于电路的欠电压保护。

直流欠电压继电器：吸合U0=（0.3～0.5）UN；释放Ur=（0.07～0.2）UN。

交流欠电压继电器：吸合U0=（0.6～0.85）UN；释放Ur=（0.1～0.35）UN。

欠电压继电器处于吸合状态时，说明所测电路电压还能维持电路正常工作。一旦欠电压继电器释放，说明所测电路电压已不能维持电路正常工作，需要停机保护。

2.电流继电器

电流继电器用来检测电路中电流的大小。其特点是线圈串联在电路中，电磁线圈的匝数少、线径大。电流继电器有过电流继电器和欠电流继电器。电流继电器的实物外形图如图1-51所示。

（1）过电流继电器：用于电路的过电流保护，当线圈中流过的电流超过额定电流一定值后，过电流继电器动作，一般I0=（1.1～3.5）IN，这时保护电路动作，切断电源电路，所以过电流继电器释放值一般没有实际意义。过电流继电器一旦吸合动作，说明被测电路处于过电流状态，需要停机保护。

（2）欠电流继电器：当电路回路电流正常时，欠电流继电器吸合；当负载电流低至释放值时，欠电流继电器释放，保护动作，起欠电流保护作用。

交流电路一盘没有欠电流保护，即没有交流欠电流继电器。

直流欠电流保护主要用在直流电动机的励磁回路，起弱磁失速保护和工作台工作吸盘的失磁保护。

直流欠电流继电器：吸合I0=（0.3～0.65）IN；释放Ir=（0.1～0.2）IN。

3.中间继电器

中间继电器实际上是一种电压继电器，在电路中起增加触点数量和中间放大作用。如某一状态信号在控制电路的多处用于逻辑运算，需要中间继电器来增加触点数量；另外当PLC的输出接口和所控制的负载在电流和电压参数不匹配时，需要用中间继电器进行放大与转换。

中间继电器按线圈电压种类不同分为交流中间继电器和直流中间继电器。中间继电器的外形图如图1-52所示。

4.继电器的图形与文字符号

继电器的图形与文字符号如图1-53所示，文字符号KC中的C表示电流；KV中的V表示电压；KA中的A表示辅助，起中间辅助作用。

二、自耦变压器降压启动控制

自耦变压器降压启动是启动时将自耦变压器的一次侧接在电网上，二次侧接到电动机定子绕组上，这样电动机获得65％（变压器抽头50％～80％）的电源电压。电动机启动转速上升，待转速接近于额定值后，再将电动机定子绕组接到电网上获得额定工作电源。图1-54为自耦变压器降压启动控制电路图，图1-54（a）所示为主电路，图1-54（b）所示为控制电路。

工作原理：合上电源开关QF，电源指示灯HL1亮，表明电源电压正常，按下SB2启动按钮，KM1、KT得电，KM1自锁，处于自耦变压器降压启动状态，HL2指示灯亮，HL1指示灯灭，表明电动机处于启动状态。当电动机接近额定转速时，通电延时时间继电器常开触点闭合，使5—11接通，中间继电器KA得电并自锁，KA的常闭触点使7—9断开，使KM1线圈失电释放，将自耦变压器从电路切除。同时KA的常开触点5—13闭合，使KM2得电吸合，电源电压经KM2主触点加在电动机绕组上，进入正常运行，这时HL3指示灯亮，HL2指示灯灭。

三、三相绕线转子异步电动机的启动控制

串联降压启动分为串电阻器启动和串频敏电阻器启动。串电阻器启动又有按时间原则和按电流原则控制两种，现以绕线转子异步电动机按时间原则控制为例加以说明，该控制适用于重载启动场合。如图1-55所示，三相绕线转子异步电动机的转子通过铜环经电刷与外接电阻器相接，并连成星形；启动时全部电阻器接入，随着电动机转速的升高、电流的下降，电阻器依次被短接；启动结束时，外接电阻器全部被短接。

工作原理：闭合电源开关QF，按下启动按钮SB2，KM1得电并自锁，电动机串入所有的电阻器启动，同时KT1、KT2得电，KT1延时到，其延时常开触点闭合，KM2线圈得电触点闭合并自锁，KM2主触点短接电阻器R1，使主电路少串电阻器R1，KM2的常闭触点断开，使KT1线圈失电。再延时一段时间后KT2延时到，KT2的延时常开触点（19—27）闭合，KM3线圈得电，KM3主触点短接R1和R2，KM3的常闭触点（19—21）断开，KT2和KM2失电。同时KM3的常开触点使KT3得电，KT3延时常开触点（17—31）闭合，使KM4得电，KM4的主触点短接R1、R2和R3，使电动机不串联电阻器连成星形。同时KM4的常闭触点（17—19）断开，使KM3、KT3失电。整个启动过程结束。动作流程图如图1-56所示。