大功率电动机星三角降压起动控制电路分析＊

2022-06-26魏国莲李文明

科技与创新 2022年12期

魏国莲，李文明

（青海高等职业技术学院，青海海东 810799）

三相笼型异步电动机因其结构简单、价格便宜、可靠性高等优点被广泛使用在各类机械设备中，如水泵、鼓风机、机床、矿山机械等。三相笼型异步电动机在起动过程中定子绕组中会产生额定工作电流5～7倍的起动电流，起动电流过大会对电网和其他用电设备造成冲击，导致电网电压降低，减少电动机本身的起动转矩，而且影响其他用电设备的正常运行，所以必须采取一定的措施以减小起动电流。

常见的降压起动方式有定子绕组串电阻、延边三角形、自耦变压器、星三角降压起动等方式。其中，星三角降压起动是一种经济方便的减压起动方式，常用于轻载和空载起动场合。

1 星三角降压起动的选用原则

降压起动，是借助起动设备将电源电压适当降低后加在定子绕组上进行起动，待电动机转速升高到接近稳定时，再使电压恢复到额定值，转入正常运行。降压起动也称减压起动。在三相异步电动机控制系统中，因电动机起动电流与电源电压成正比，为了降低电动机起动瞬间对电网的冲击和对其他用电设备的影响，当三相笼型异步电动机功率为7.5 kW以上或由于其他原因不允许直接起动时，如定子绕组接线方式为三角形接线，在空载和轻载时或对起动转矩和转差率要求不高时，通常采用星三角降压起动。

2 常用星三角降压起动控制电路分析

Y-△降压起动控制电路采用时间继电器和交流接触器实现控制。常用星三角降压起动控制电路原理如图1所示。起动时交流接触器KM1、KM3工作，将电动机定子绕组接成星形连接，进行降压起动，时间继电器延时时间到电动机起动完成时，KM3断开，KM1、KM2工作，将电动机定子绕组接成三角形连接，在额定电压下运行。该电路的工作过程包括起动和停止运行。

图1 星三角降压起动控制电路原理图

起动运行：按下起动按钮SB2，KM1、KT、KM3线圈同时得电并自锁。当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT常闭触头断开,接触器KM3线圈断电，同时时间继电器KT常开触头闭合,接触器KM2线圈得电并自锁，电动机绕组接成三角形全压运行。2种接线方式的切换要在很短的时间内完成，在控制电路中采用时间继电器定时自动切换。接触器KM2、KM3常闭辅助触头为互锁触头，以防同时接成星形和三角形造成电源短路。

停止运行：按下停止按钮SB1，接触器KM1、KM2线圈失电，电动机停止运转。

图1中KM1接触器主触头流过的电流大于KM2和KM3这2个接触器主触头中流过的电流。星形和三角形切换时，KM2和KM3这2个接触器主触头同时不通电的时间间隔由星形接触器KM3常开主触点断开到与角形接触器KM2常开主触点闭合的时间决定，切换时间不超过20 ms。如果星形接触器KM3分断时电弧来不及熄灭，而角形接触器接通，就会造成电源短路或触头被烧毁。为改善上述问题，目前市场上普遍采用改型设计的星三角降压起动控制器，其电路原理如图2所示。

图2 星三角降压起动控制器电路原理图

图2中星三角降压起动控制器中3个接触器主触头都流过相电流，控制电路中星形和三角形运行的运行时间由时间继电器控制。KM2为电源接触器，KM1为星形接触器，KM3为角形接触器，延时触头KM2挂接在接触器KM2的触头支架上，由接触器KM2带动延时触头动作，用于控制星形和三角形的切换时间，延时触头相当于时间继电器，其延时时间是可调的，最大为30 s。组合的星三角降压起动器一般采用空气延时头。实际工程应用中也可以根据需要将空气延时触头用时间继电器代替，控制电路接线原理按图1中的控制电路。

图2中星三角降压起动控制器控制电路中常开、常闭远程控制按钮是外接的起动和停止按钮。星形起动时，首先星形接触器KM1接通，并自锁，紧接着电源接触器KM2接通自锁，电动机星形起动运行。同时挂接在接触器KM2触头支架上的延时触头开始工作，当到达设定的时间延时后，延时断开常闭触头（55、56端子）先断开，星形接触器KM1线圈失电，主触头断开；延时接通常开触头（55、56端子）后闭合，三角形接触器KM3线圈得电，主触头接通，此时电动机绕组接成三角形接法，实现了星形和三角形接法的切换。

3 星三角降压起动器降压原理分析

为了分析星三角降压起动器电路中的电压与电流，将图2中的主电路形象地表示在图3中。

图3 三相绕组星三角接线原理

图3中三角形接法是将各绕组依次首尾相连，并将每个相连的点引出，作为三相电的3个相线。设线电压为Ue，三角形接法时线电流为Ie，根据向量关系，三角形接法时相电流为可见，电动机三角形接法稳定运行时接触器KM2、KM3主触头流过的电流为即：

式（1）—（3）中：UAB为相电压；Ue为线电压，即额定工作电压；IAB为相电流；IAΔ为线电流。

星形接法是将各绕组的一端都接在一点上，另一端作为引出线，分别为3个相线。定子绕组端电压为相电压。星形接法时，相电压为每相绕组的阻抗Z与三角形接法时相同，即：

式（4）（5）中：UAN为相电压；IAN为相电流。

由上可知，电动机定子绕组星形接法时，线路电流只有三角形接法的1/3倍，可见电动机星形运行时线电流为三角形运行的1/3，所以如果电动机三角形起动时产生6Ie的起动电流，则星形起动只产生2Ie的起动电流。

星三角降压起动时电动机定子三相绕组接成星形，加于绕组的电压约为起动力矩与起动电流均减少到约为直接起动时的1/3。电动机运行处在转速较低的非额定转速运行状态。电动机起动升速，待转速达到或大于0.8～0.9额定值时，将电动机定子绕组接成正常的三角形连接，绕组中电压为线电压Ue。此时，电动机在额定电压Ue下，运行状态为正常额定转速运转。此时电网提供的启动电流只有全电压起动电流的1/3，起动力矩也只有全电压起动力矩的1/3。星三角降压起动解决了电动机起动瞬间对电网的冲击和对其他用电设备的影响,实现了电动机控制的软起动方式。

4 星三角起动器中接触器容量的选择

电动机绕组星形接法起动时星形接触器KM2无负载接通，电源接触器KM1在相电压下接通2Ie电流。在起动完成切换到三角形运行时为额定负载，电源接触器KM2和三角形接触器流过的相电流额定分断时，在线电压Ue的情况下，KM2和KM3同时分断的电流。根据以上结论，根据电动机负载的额定工作电流选择接触器的容量。以11 kW、380Ⅴ三相异步电动机为例选择接触器的容量。11 kW三相异步电动机YE2-160M-4的铭牌参数如表1所示。

表1 11 kW三相异步电动机YE2-160M-4的铭牌参数

根据表1得出11 kW三相异步电动机额定工作电流Ie=22.5 A，则星三角起动时电动机相电流为22.5 A=12.9 A。由于接触器设计接通分断容量较大，所以接触器KM2、KM3可以选取Ie=12A的接触器。星形接法接触器KM1只在起动时工作，流过的电流为1/3Ie=1/3×22.5 A=7.5 A，所以KM1可以选择Ie=9 A的接触器。在星三角切换过程中，只有接触器KM1可靠分断，才能保证KM2和KM3接触器不会发生短路和触头烧毁的故障。

根据机床电器接触器的容量范围配套开发的QJX4系列星三角起动器，规格如表2所示。

表2 QJX4系列星三角降压起动器

QJX4系列星三角起动器由3台交流接触器、1台空气延时头、1只辅助触头组（仅QJX4-40d以下规格）组成，安装在一块底板上，配以适当导线。星三角起动器选型时可根据控制电动机功率或额定工作电流高配选用，但热继电器需按表中对应的电动机额定工作电路选用，不能选太大或太小。根据表2，11 kW、380Ⅴ三相异步电动机可选用QJX4-12d规格的星三角起动器。QJX4-12d星三角起动器外形和安装尺寸如图4所示。