浅谈三相异步电动机起动教学
浅谈三相异步电动机启动教学
延庆县第一职业学校 郑普
摘 要：本文在三相异步电动机启动的教学中运用任务驱动教学法实施教学。把三相异步电动机启动分为三个任务，任务1三相异步电动机直接启动电路训练；任务2三相异步电动机定子串电阻启动控制电路训练；任务3三相异步电动机Y/△降压启动控制电路训练；学生通过完成任务获取知识、习得技能、学会解决问题的方法。并对启动方法的选用及优缺点加以总结分析，使学生在逻辑思维、创新精神和实践技能方面都可以得到一定的锻炼与提高。 关键词：三相异步电动机 任务驱动教学法 直接启动 Y-△降压启动
三相异步电动机的启动是指三相异步电动机从接入电网开始转动时起，到达额定转速为止这一段过程。启动要求有三点：（一）启动电流尽量小以减轻对电网的冲击。（二）启动转矩尽量大以加速启动过程缩短启动时间。（三）启动设备尽量简单。职业高中教材中启动方式有两种，第一种是直接启动，即将额定电压直接加在电动机定子绕组端。第二种是降压启动，即在电动机启动时降低定子绕组上的外加电压，从而降低启动电流。启动结束后，将外加电压升高为额定电压，进入额定运行。这部分内容在电工技术教材中至关重要，将前面所学交流电路基础知识与三相异步电动机控制电路等内容有机地结合在一起，进行一次综合性的应用。通过学习和实训使学生能基本掌握电动机的启动原理及简单的继电器—接触器控制电路的原理和装接技能，将理论知识与实践应用有机地结合起来。使学生在逻辑思维、创新精神和实践技能方面都可以得到一定的锻炼与提高。传统教材是以交流电路原理、变压器、三相异步电动机、常用低压电器元件为知识基础，在进行了电动机单向启动控制电路、可逆启动控制、可逆往返控制电路教学后，直接进入星形—三角形(Y-△)降压启动控制电路教学。这样安排教材在知识链接上有一定的欠缺，学生不明白为什么要进行降压启动，Y-△降压启动的优点缺点及条件是什么，只能以电路图讲原理，学生理解困难，理论与实践相脱离。本人通过几年在教学一线的摸索认为在教学内容安排上应本着先易后难循序渐进的原则，实施以行动过程为导向的任务驱动教学，把三相异步电动机启动教学分为三个任务分项完成，使教学与实操有机地结合起来，克服以往教学中学生对电路图、电器元件、元件功能理解相脱节的弊端。以直接起动为任务一，掌握三相异步电动机的启动要求，辐射刀开关、熔断器的应用。以定子串电阻降压启动电路为任务二，使学生掌握三相异步电动机降压启动原理，通过实操进一步巩固由继电器、接触器、按钮开关组成控制电路的装接方法，为Y/△降压启动做好铺垫。任务三以Y-△ 启动器手动降压启动电路为切入点，突破Y/△降压启动教学难点。定子串自耦变压器降压启动职业高中学生接受有一定的难度，本人认为可做选讲教材。从学以致用的角度看，这样安排有利于学生接受与记忆，这也是针对职业高中教学特点的一种尝试。
三相异步电动机减压启动控制训练
任务1三相异步电动机直接启动电路训练
任务2三相异步电动机定子串电阻启动控制电路训练
任务3三相异步电动机Y/△降压启动控制电路训练
任务1 三相异步电动机直接启动电路训练
任务目标：
了解三相异步电动机启动要求及直接启动电路的连接；
了解直接启动的条件及启动电流和额定电流的关系；
通过实操分析了解直接启动的优缺点；
相关知识
直接起动是一种简单、可靠、经济的启动方法，但电动机启动电流可达额定电流的4～7倍，而启动转矩只有额定转矩的1—2倍。虽然启动电流很大，但启动转矩并不大，因此直接启动方法只适用于小容量电机启动。过大的启动电流一方面会造成电网电压显著下降，直接影响在同一电网工作的其他电动机及用电设备正常运行；另一方面电动机频繁起动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命。
1、直接启动电路图
如图1所示电路用一个闸刀开关控制电动机的起动和停止，用三相熔断器对电动机进行短路保护。这个简单的电路具有对电动机进行控制和保护的基本功能，但只能进行手动控制。
在进行实操连接电路时教师应展示刀开关及组合开关实物，重点讲清闸刀开关的构造、接线及用法，以此为典型说明接在三相异步电动机主电路中的各类开关电器的动作程序均是断开和闭 图1
合两种工作状态。对熔断器，教师应展示插入式熔断器及螺旋式熔断器实物，重点讲清这两类熔断器的结构、接线及用法。
2 、直接启动的条件：（只需满足下述三个条件中的一条即可）
a.容量在7.5KW以下的三相异步电动机均可采用。
b.电动机在启动瞬间造成的电网电压降不大于电源电压正常值的10%，对于不经常启动的电动机可放宽到15%。
c.可用经验公式粗估电动机是否可直接启动，如果电动机的启动电流倍数（Ist/IN）小于下式右边的数值时，可直接启动。
3、直接启动的特点：
a.优点：所需启动设备简单，启动时间短，启动方式简单、可靠，所需成本低。
b.缺点：启动电流过大、适用于小容量电机启动；启动时使电网电压产生波动，进而形成影响连接在电网上的其他设备的正常运行。
任务2 三相异步电动机定子串电阻降压启动控制电路训练
任务目标
了解实现三相异步电动机降压启动的原理；
学会分析三相异步电动机定子绕组串电阻降压启动控制电路的动作过程；
掌握按照电气控制线路图装接电动机定子绕组串电阻降压启动控制线路的技能；
学会根据故障现象，使用万用表检查主电路、控制电路的常见故障，掌握处理故障技能；
相关知识
降压启动：指利用启动设备将电压适当降低后加到电动机的定子绕组上进行启动，待电动机启动运转转速接近稳定值时，再使其电压恢复到额定值正常运转，由于电流随电压的降低而减小，所以降压起动达到了减小启动电流的目的。但同时，由于电动机转矩与电压的平方成正比，所以降压启动也将导致电动机的启动转矩大大降低。因此，降压启动需要在空载或轻载下启动。常见的降压起动的方法有定子绕组串电阻(或电抗)降压启动、星形—三角形降压启动、自耦变压器降压启动。
1.定子绕组串接电阻降压启动电路
三相异步电动机启动时，在电动机定子电路串入电阻，通过电阻分压作用使加到电动机定子绕组端电压降低，减少了电动机上的启动电流。这种降压启动控制线路有手动控制、接触器控制、时间继电器控制等。图2是三相异步电动机定子绕组串电阻降压启动的原理图，其工作情况为：合上刀开关QS，按下启动按钮，KM1主触点闭合，KM2主触点断开，电动机经电阻接入电源，电动机在低压状态下开始启动。当电动机的转速接近额定值时，按下工作按钮KM2接通，使电阻短路电阻，电源电压直接加在电动机上，启动过程结束。
图2
2.电路的特点
a.优点：通过电阻分压作用减小了启动电流。熔断器、接触器、热继电器完成了短路、失压欠压、过载保护，操作简单。
b.缺点：由于启动转矩与加在电机上的电压平方成正比，因此启动转矩下降，仅适用于空载或轻载启动。电阻上有热能损耗。
任务3 三相异步电动机Y/△降压启动控制电路训练
任务目标
1、了解实现三相异步电动机Y-△降压启动控制的原理与方法；
2、学会分析异步电动机Y-△降压启动控制线路动作过程；
3、掌握按照电气控制线路图装接Y-△降压启动控制线路的技能；
4、学会根据故障现象，使用万用表检查主电路、控制电路的常见故障；
5、掌握三相异步电动机Y-△降压启动控制线路的故障处理技能；
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1.星形—三角形(Y-△)降压启动的方法
星形—三角形降压启动是指电动机启动时，把定子绕组接成星形(Y)，以降低启动电压，限制启动电流；待电动机启动后，再把定子绕组改接成三角形(△)，使电动机全压运行。只有正常运行时定子绕组作三角形(△)联接的三相异步电动机才可采用这种降压启动方法。 电动机启动时，接成星形，加在每相定子绕组上的启动电压只有三角形接法直接启动时的，启动电流为直接采用三角形接法时的1/3，启动转矩也只有三角形接法直接启动时的1/3。所以这种降压启动方法，只适用于轻载或空载下启动。星形—三角形降压启动的最大优点是设备简单，价格低，因而获得较广泛的应用。缺点是只用于正常运行时为Δ接法的电动机，降压比固定，有时不能满足启动要求。
2.Y-△ 启动器手动降压启动控制线路
一台三角形联接的电动机接在电压为380V的电源上，其每相定子绕组上的电压就是380V；当采用星形联接并接在相同电源上，此时每相定子绕组上的电压是220V。因此仅需一只星形—三角形启动器由手动控制即可实现降压启动。原理如图3电路
图3
3. 星形—三角形(Y-△)降压启动控制线路
三相异步电动机的Y—Δ降压启动主电路如下图4所示，它主要有以下元器件组成：三个接触器KM 、KM –Y、KM- 和热继电器FR组成，当接触器KM 、KM –Y主触头闭合时，电动机定子三个绕组末端W2、U2、V2接在一起，即星形启动，以降低电压限制电流。电动机启动后，，当转速上升到接近额定值时，接触器KM –Y断开KM- 主触头闭合。此时U1与W2相连,V1与U2相连,W1与V2相连,即把定子绕组改接为三角形,电动机在全电压下运行。
图4
三相异步电动机Y-△降压启动控制线路如图5所示，它主要有以下元器件组成：
a.起动按钮SB1：手动按钮开关，可控制电动机的起动运行。
b.工作按钮SB2：手动按钮开关，可控制电动机的正常运行。
c.停止按钮SB3：手动按钮开关，可控制电动机的停止运行。 d.主交流接触器KM：电动机主运行回路用接触器，起动时通过电动机起动电流。 e.Y形连接的交流接触器KMY：用于电动机起动时作Y形连接的交流接触器，起动结束后停止工作。 f.Δ形连接的交流接触器KMΔ：用于电动机起动结束后恢复Δ形连接作正常运行的接触器。
g.热继电器FR：三相电动机的过载保护。
图5
电动机在启动与运行过程中，由于过载或其它原因，使电动机电流超过额定值时，经过一定时间，串接在主回路中的的热元件使双金属片受热弯曲，推动串接在控制回路中的常闭触头断开，切开控制回路，接触器全部的线圈断电，主触头断开，电动机停转，达到了过载保护的目的。
线路工作原理及动作过程分析：
a工作过程：
当接触器KM 、KM –Y主触头闭合时，电动机定子三个绕组末端W2、U2、V2接在一起，即星形启动，以降低电压限制电流。电动机启动后，，当转速上升到接近额定值时，接触器KM –Y断开KM- 主触头闭合。此时U1与W2相连,V1与U2相连,W1与V2相连,即把定子绕组改接为三角形,电动机在全电压下运行。按下SB1，KM主、辅（自锁）触头闭合。KM-Y主触头闭合， KM-Y常闭断开，KM-线圈不通电，KM-主、辅（自锁）触头断开。电动机定子三个绕组末端W2、U2、V2接在一起，即星形启动。当转速上升到接近额定值时，按下SB2接触器KM –Y断开KM- 主、辅（自锁）触头闭合。此时U1与W2相连,V1与U2相连,W1与V2相连,即把定子绕组改接为三角形,电动机在全电压下运行。按下SB3电动机停止转动.
b、电路特点
优点：设备简单，价格低，因而获得较广泛的应用。
缺点：只用于正常运行时为Δ接法的电动机，降压比固定，有时不能满足启动要求。
4.实操内容及要求
a.在电动机控制线路安装接线板上安装电动机Y—Δ降压启动控制线路。
b.安装电路按主电路、启动控制电路、运行控制电路装接，安装完一部分电路检查无误后，经老师同意后接上电动机进行通电试运转。观察电器及电动机的动作、运转情况。遵守安全规程，注意文明操作。
c.将实操中出现的电气故障及排除方法填入下表，并分析故障原因。
操作所用时间： 实操人： 日期：
5.三相异步电动机Y-△降压启动控制线路装接与调试考核，参考下表进行成绩评定。
任务4 三相异步电动机自藕减压启动电路训练
任务目标：
了解三相异步电动机自藕减压启动要求及启动电路的连接；
了解自藕减压启动的条件及启动电流和额定电流的关系；
通过分析电路了解自藕减压启动的优缺点；
相关知识
自耦变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运动。这种降压启动分为手动控制和自动控制两种。手动控制自耦降压起动其接线如图6所示。自耦变压器备有抽头，以便得到不同的电压（例如为电源电压的80%、65%），根据对起动转矩的要求而选用。通常出厂应接65%,这样对电网的影响要小些,只有在用户起动困难时才改接80%抽头。另外跟负载也有关系：轻负载用65%,重负载用80%。自耦降压起动适用于，容量较大的或正常运行时，联成星形不能采用星三角起动的鼠笼式异步电动机。
1、自藕变压器降压起动控制电路
图6
2、自藕变压器降压起动工作原理
电动机启动时手柄板向启动端，自耦变压器的高压边投入电网，低压边接至电动机，加在电动机定子上的电压低于380V，实现了降压起动。
设自耦变压器的变比为K，原边电压为U1，副边电压U2=U1/K，副边电流I2（即通过电动机定子绕组的线电流）也按正比减小。又因为变压器原副边的电流关系I1=I2/K，可见原边的电流（即电源供给电动机的启动电流）比直接流过电动机定子绕组的要小，即此时电源供给电动机的启动电流为直接启动时1/K2倍。由于电压降低为1/K倍，所以电动机的转矩也降为1/K2倍。
3、自藕变压器降压起动优缺点
优点：可以按允许的启动电流和所需的启动转矩来选择自耦变压器的不同抽头实现降压启动，而且不论电动机的定子绕组采用Y或Δ接法都可以使用。
缺点：设备体积大，投资较贵。
这样安排教学知识结构清晰，所用的实验设备简单，给学生提供了更多的动手实践机会，学生在学中做、做中学，将理论知识与实践应用结合起来，通过完成任务获取知识、习得技能、学会解决问题的方法，激发了他们的学习兴趣，充分调动学生学习的积极性和主动性。
参考文献：
作者：杨亚平编，《电工技能与实训》，出版社城市：北京 电子工业出版社，2009年第三版
字数：5700
浅谈三相异步电动机起动教学.doc
