任务3 三相异步电动机降压启动控制线路的安装与检修
一、工作任务
（一）任务要求
根据三相异步电动机Y-△自动降压启动控制线路的电气原理图进行实际控制电路安装和调试。
（二）任务目标
1.能力目标
（1）能熟练地看懂电气控制原理图，进一步掌握控制电路的分析方法。
（2）掌握时间继电器的使用方法。
（3）掌握鼠笼式三相异步电动机降压启动控制电路的安装、接线和调试方法。
2.知识目标
（1）了解三相异步电动机降压启动的基本原理和常用方法、使用场合。
（2）掌握鼠笼式三相异步电动机降压启动控制电路的工作原理、控制特点。
（3）了解时间继电器的结构、原理。
二、相关知识
三相异步电动机在直接启动时要产生较大的启动电流，过大的启动电流将会造成线路上很大的电压降落，影响线路上其他设备的正常工作，所以除了容量较小（10千瓦以下）的电动机采用直接启动以外，许多异步电动机多采用降压启动，即在启动时降低加在电动机定子绕组上的电压，当电动机的转速接近额定值时，再将定子绕组上的电压恢复到额定值，使之在全压下运行。降压启动的目的在于减小启动电流，但因启动转矩正比于电压的平方，所以启动转矩也明显减小，因此，降压启动方法仅适用于空载或轻载下启动。
鼠笼式三相异步电动机常用的降压启动的方法有三种：定子串电阻（或电抗器）降压启动、Y—△降压启动、自耦变压器降压启动。
在常用的三种降压启动方法的控制电路中，从降压启动到全压运行的切换可手动进行，也可用时间继电器来实现电路的自动切换。
（一）时间继电器
当吸引线圈通电或断电以后，其触头经过一定延时后才动作的继电器，称为时间继电器。时间继电器被广泛应用于各种自动控制系统中的定时控制。
1.时间继电器的分类
（1）按动作原理分类
时间继电器有磁电式、空气阻尼式、同步电动机式和电子式等。
（2）按延时方式分类
时间继电器有通电延时型和断电延时型。
2.常用时间继电器
（1）空气阻尼式时间继电器
空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼的原理获得延时的。它由电磁机构、延时机构和触头系统三部分组成。图1-3-1和图1-3-2分别是JS7-A系列时间继电器外形结构图和结构示意图及动作原理图。其中，电磁机构为直动式双E型铁芯，线圈电压可以是直流也可以是交流，触头系统是采用LX5微动开关，延时机构采用气囊式阻尼器。延时方式有通电延时和断电延时两种。
图1-3-1 空气阻尼式JS7-A系列时间继电器的外形结构
1—线圈；2—反作用力弹簧；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—活塞杆；12—塔形弹簧
图1-3-2 空气阻尼式JS7-A系列时间继电器的结构示意与动作原理图
1—线圈；2—铁心；3—衔铁；4—反作用力弹簧；5—推板；6—活塞杆；7—杠杆；8—塔形弹簧；9—弹簧；10—橡皮膜；11—空气室；12—活塞；13—调节螺钉；14—进气孔；15、16—微动开关
现以图1-3-2（a）通电延时的时间继电器为例介绍空气阻尼式时间继电器的工作原理。
当线圈1通电后，衔铁3连同推板5被铁芯2吸引向上吸合，上方微动开关16压下，使微动开关16触头迅速转换。同时在空气室11内与橡皮膜10相连的活塞杆6在塔形弹簧8的作用下也向上移动，由于橡皮膜向上运动时，橡皮膜下方的空气室的空气逐渐稀薄形成负压，起到空气阻尼的作用，因此活塞杆只能缓慢地向上移动，其移动的速度由进气孔14的大小而定，可通过调节螺钉13进行调整。经过一定的延时时间后，活塞12才能移到最上端，并带动活塞杆6上移，这时通过杠杆7压动微动开关15，使其动断（常闭）触点断开，动合（常开）触点闭合，起到通电延时作用。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁3在反作用力弹簧4的作用下释放，并通过活塞杆6将活塞推向下端。这时橡皮膜10下方空气室内的空气通过橡皮膜10、弹簧9和活塞12的肩部所形成的单向阀，迅速地从橡皮膜上方的空气室缝隙中排掉，使杠杆7和微动开关15、16的触头瞬时复位。
在线圈通电和断电时，微动开关16在推板5的作用下都能瞬时动作，故为时间继电器的瞬时触头。
将电磁机构翻转180o安装后，可得到图1-3-2（b）所示的断电延时型时间继电器。它的工作原理与通电延时型相似，微动开关15是在吸引线圈1断电后延时动作的。
空气阻尼式时间继电器的延时时间，是从线圈1通电到微动开关15的触头动作这段时间。通过调节螺钉11，改变进气孔的大小，调节进气的快慢，来调节延时的长短。延时范围为0.4～180s。
空气阻尼式时间继电器的优点是延时范围较大、结构简单、使用寿命长、价格低廉，还附有瞬时触点，所以应用较为广泛。缺点是延时误差大（±10%～±20%）、无调整刻度指示、难以精确地整定延时时间值，在要求延时精度高的场合不宜使用。
常用的JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的主要技术数据见表1-3-1。
表1-3-1 JS7-A系列空气阻尼式时间继电器的主要技术数据
（2）电子式时间继电器
电子式时间继电器按其结构可分为阻容式时间继电器和数字式时间继电器，按延时方式分为通电延时型和断电延时型。阻容式时间继电器（也称晶体管式时间继电器）利用RC电路充放电原理构成延时电路。它主要适用于延时时间范围在0.05s～1h的中等延时场合。数字式时间继电器采用数字脉冲计数电路。目前最先进的数字式时间继电器内部装有微处理器。它不但延时长，而且精度更高，延时过程可用数字显示，延时方法灵活，但线路复杂，价格较高，主要用于延时时间较长的场合。
常用的电子式时间继电器产品有JSJ、JS14、JS20、DH48型等。图1-3-3为几种电子式时间继电器的外形图。
图1-3-3 部分电子式时间继电器外形
电子式时间继电器具有体积小、精度高、延时范围宽、调节方便、消耗功率小和寿命长等优点，所以发展很快，使用也日益广泛。
（3）同步电动机式时间继电器
同步电动机式时间继电器（简称电动式时间继电器）是由微型同步电动机驱动减速齿轮组，并由特殊的电磁机构加以控制来获得延时的继电器。它同样有通电延时型和断电延时型两种。
同步电动机式时间继电器具有调整方便、延时范围宽（可长达数十小时）等优点，但也存在机械机构复杂、体积较大、价格高、寿命短等缺点，一般用于要求延时精度高、延时长的场合。
常用的同步电动机式时间继电器有JS11、JS17系列等。图1-3-4为JS11型同步电动机式时间继电器的外形图。
图1-3-4 JS11型同步电动机式时间继电器外形
3.时间继电器的选用
（1）延时方式的选用：时间继电器有通电延时型和断电延时型两种，应根据控制电路的要求来选择。同时，还必须满足控制电路对触头数的要求。
（2）类型的选用：凡是对延时精度要求不高的场合，可选用价格较低的空气阻尼式时间继电器；若对延时精度很高，则应选用电子式或电动式时间继电器。
（3）工作电压的选用：根据控制电路的工作电压选择时间继电器线圈电压等级。
时间继电器在电路中的图形及文字符号如图1-3-5所示。
图1-3-5 时间继电器的图形及文字符号
4.时间继电器的安装与使用
（1）时间继电器应按说明书规定的方向安装。无论通电延时型还是断电延时型，都必须使继电器在断电释放时衔铁的运动方向垂直向下。其倾斜度不得超过5度。
（2）时间继电器的整定值，应预先在不通电时整定好，并在试车时校正。
（3）通电延时型和断电延时型可在整定时间内自行调换。
（4）使用时，应经常清除灰尘及油污，否则延时误差将更大。
（二）定子串电阻（或电抗器）降压启动控制电路
1.定子串电阻启动的基本原理
电动机启动时在三相定子电路中串接电阻R，使加在电动机定子绕组上的电压低于其额定电压，待启动后，再将R切除（即短接），电动机即在额定电压下正常运行。
图1-3-6为时间继电器自动控制的鼠笼式三相异步电动机定子串电阻降压启动电路。图中KM1为启动接触器，KM2为运行（短接电阻R）接触器，KT为启动时间继电器，用作控制启动时间和完成R的自动切换，R为降压启动电阻。
图1-3-6 时间继电器自动切换定子串电阻启动控制电路
2.电路工作过程
（1）启动
合上电源开关QS，按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电，KM1动合辅助触头闭合自锁，主触头闭合，电动机的定子串入电阻R降压启动。在KM1得电的同时，时间继电器KT线圈也得电，待延时时间到，KT延时闭合的动合触头闭合，使接触器KM2线圈得电，KM2的动断辅助触头先断开，KM1、KT线圈失电，KM2动合辅助触头闭合自锁，KM2主触头闭合，将启动电阻R短接，电动机全压运行。工作流程如下：
（2）停止
按下停止按钮SB1，控制电路断电，KM2线圈断电，KM2主触头断开，电动机断电而停止运行。
时间继电器的延时时间按启动过程所需时间整定。在控制电路中，将用时间继电器来控制电路自动切换的控制方式叫做时间控制原则。
该电路在电动机正常运行时，只有KM2接触器的线圈通电，KM1、KT均处于断电状态，这不仅减少了能耗，也提高了电路的可靠性。
在满足控制要求的前提下，尽可能减少控制电路中使用元件的数量，这是提高电路工作可靠性和安全性的又一个重要的措施。
3.启动电阻的选用
定子所串电阻一般采用由电阻丝绕制的板式电阻或铸铁电阻，它的阻值小、功率大，允许通过较大的电流。每相串接的启动电阻可用以下经验公式计算。
（1）电阻值的计算公式
式中IST——电动机直启动时的启动电流，一般取IST=（4～7）IN；
I′ST——串电阻后所要求达到的启动电流（即允许的启动电流），一般取I′ST=（2～3）IN；
IN——电动机的额定电流（A）。
（2）电阻功率的计算公式
由于启动电阻只在启动时使用，而启动时间又很短，所以实际选用电阻功率可按计算值的1/3～1/4选取。
定子串电阻降压启动的方法由于不受电动机绕组的接法的限制，设备简单，常用于中小型设备，也用于限制机床点动调整时的启动电流。但是，定子串电阻启动时，一般允许启动电流为额定电流的2～3倍，加在定子绕组上的电压为额定电压的1/2，启动转矩为仅为直接启动时的1/4，即存在启动转矩小，能量损耗大等缺点。为了减少能量损耗，较大容量的电动机一般采用定子串电抗器降压启动，其控制电路与定子串电阻相同，这里不再重述。
（三）星—三角（Y—△）降压启动控制电路
1.Y—△降压启动的基本原理
电动机启动时将定子三相绕组接成星形，使电动机每相定子绕组上的电压降低到额定电压的
，启动后再自动切换接成△形运行，此时定子每相绕组上的电压为额定电压，电动机在额定电压下运行。
凡是正常运行时定子绕组为△接法的鼠笼式三相异步电动机，均可采用Y—△降压启动方法来限制启动电流。我国设计的Y系列异步电动机，4kW以上均为三角形接法。
图1-3-7为时间继电器自动控制的鼠笼式三相异步电动机Y—△降压启动电路。该电路由三个接触器、一个时间继电器、一个热继电器和两个按钮组成。时间继电器KT用作控制Y接降压启动时间和完成Y—△自动切换。
图1-3-7 时间继电器自动切换Y-△降压启动控制电路
2.电路工作过程
（1）启动
合上电源开关QS，按下SB2，接触器KMl、KM3线圈得电，KMl动合辅助触头闭合自锁，KMl、KM3的主触头闭合使定子绕组接成Y形，电动机降压启动。与此同时，时间继电器KT线圈得电，经一段延时后电动机接近额定转速，到达KT延时整定时间，其延时动断触头断开，使KM3线圈失电，而延时动合触头闭合，接触器KM2线圈得电，KM2动合辅助触头闭合自锁，KM2主触点闭合使电动机定子绕组由Y形连接切换到△形连接，电动机全电压运行。工作流程如下：
图1-3-7控制电路中KM3线圈得电后，它的动断辅助触头将KM2的线圈断开（KM2线圈失电），这样防止了KM2再动作。同样KM2线圈得电后，它的动断辅助触头将KM3的线圈断开（KM3线圈失电），可防止KM3再动作。这种一个接触器得电动作时，其动断辅助触头使另一个接触器不能得电动作的控制方式，就是前面所讲的“互锁”控制。这种互锁控制，保证了KM2和KM3的主触头不能同时闭合，防止电源短路。
（2）停止
按下停止按钮SB1即可。
Y—△降压启动方法适用于正常运行时定子绕组为△接的鼠笼式三相异步电动机，具有电路结构简单、投资少等优点。但使用时必须了解，启动时的启动电流降低为直接启动电流的三分之一，启动转矩也降低为直接启动转矩的三分之一。因此，这种方法只适用与空载启动或轻载启动的场合。
时间继电器自动控制Y—△降压启动电路的定型产品有QX3、QX4两个系列，称之为Y—△自动启动器。
（四）自耦变压器降压启动控制电路
1.自耦变压器降压启动的基本原理
自耦变压器绕组采用Y形接法，启动时，将自耦变压器的一次侧接到电源上，而电动机定子绕组与自耦变压器的二次侧连接。当启动完毕时，将自耦变压器切除，电动机定子绕组直接与电源连接，电动机在全压下正常运行。
图1-3-8为时间继电器切换的鼠笼式三相异步电动机自耦变压器降压启动控制电路。图中KM1为降压启动接触器，KM2为全压运行接触器，KA为中间继电器，KT为降压启动时间继电器，HL3为电源指示灯，HL2为起动指示灯，HL1为正常运行指示灯。
图1-3-8 自耦变压器降压启动控制电路
2.电路工作过程
（1）启动
合上电源开关QS，HL3灯亮，显示电源电压正常。按下SB2，KM1、KT线圈同时得电，KM1动合辅助触头闭合自锁，主触头闭合，自耦变压器接入，电动机降压启动，同时KM1动断辅助触头断开互锁，指示灯HL3灭，指示灯HL2亮，显示电动机正在进行降压启动，KT延时开始。当电动机转速接近额定转速时，KT延时整定时间到，KT延时动合触头闭合，使KA线圈得电，其动合触头闭合自锁，KA的动断触头断开，使KM1、KT线圈同时失电，KM1触头复位，自耦变压器被切除，KM2线圈得电，电动机在全压下正常运行，同时指示灯HL1亮，显示电动机降压启动结束。
工作流程如下：
（2）停止
按下停止按钮SB1即可。
自耦变压器降压启动时，由于用于电动机启动的自耦变压器通常有三个不同的中间抽头（匝数比一般为65%、73%和85%），使用不同的中间抽头，可以获得不同的限流效果和启动转矩，因此，有较大的选择余地。它的缺点是自耦变压器价格较贵，而且不允许频繁起动，通常用于启动大容量电动机和特殊用途的电动机。
降压启动用的自耦变压器称为补偿降压启动器，简称补偿器。定型产品分手动和自动操作两种，自动操作的补偿器有XJ01型、CT2系列等。
鼠笼式三相异步电动机降压启动的控制电路有很多种方案，上述是较为常用的几种控制电路。在具体设计使用时，一定要根据电动机的容量和被控制对象的要求等作具体分析，切不可生搬硬套。
三、任务实施
（一）工作准备
按照任务所需设备、工具、材料器件清单（见表1-3-2）准备材料和元器件。
表1-3-2 任务所需设备、工具及材料清单
（二）训练内容
1.在电路原理图上编写线号。
2.根据电路原理图画出接线图和平面布置图。
3.检查各电器元件质量及规格是否符合要求。
4.根据平面布置图安装元器件。
5.根据电路原理图或接线图的线号进行布线接线（先主后控，将剥去绝缘层的两端线头套上标有与电路图相一致编号的编码套管）。
6.调整好时间继电器的延时时间。
7.用万用表检查电路接线是否正确，排除故障和隐患。
8.申请通电试车（操作启动按钮、停止按钮，观察电动机Y—△降压启动的运转情况）。
9.设置故障和提问。
10.进行评分。
11.清理场地。
（三）实训报告要求
整理实训操作结果后按规定写出实训报告。实训报告应包含的内容如下：
1.技能训练任务名称。
2.技能训练的任务目标。
3.技能训练所用的工具、仪器和设备。
4.技能训练中所用的原理图、接线图和程序等工程资料。
5.技能训练的过程、结果和现象。
6.技能训练的小结、体会和建议。
（四）技能训练考核评分标准（见表1-3-3）
表1-3-3 考核评分标准
四、小结
通过本任务的实施，使学生更好地掌握三相异步电动机几种降压启动方法的工作原理、适用场合等，掌握电动机控制电路的工作原理和分析方法，初步掌握时间继电器的使用方法，提高实训操作技能。