大功率電動機星三角降壓起動控制電路分析＊

魏國蓮，李文明

（青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 海東 810799）

三相籠型異步電動機因其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、可靠性高等優(yōu)點被廣泛使用在各類機械設(shè)備中，如水泵、鼓風(fēng)機、機床、礦山機械等。三相籠型異步電動機在起動過程中定子繞組中會產(chǎn)生額定工作電流5～7倍的起動電流，起動電流過大會對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備造成沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低，減少電動機本身的起動轉(zhuǎn)矩，而且影響其他用電設(shè)備的正常運行，所以必須采取一定的措施以減小起動電流。

常見的降壓起動方式有定子繞組串電阻、延邊三角形、自耦變壓器、星三角降壓起動等方式。其中，星三角降壓起動是一種經(jīng)濟方便的減壓起動方式，常用于輕載和空載起動場合。

1 星三角降壓起動的選用原則

降壓起動，是借助起動設(shè)備將電源電壓適當(dāng)降低后加在定子繞組上進行起動，待電動機轉(zhuǎn)速升高到接近穩(wěn)定時，再使電壓恢復(fù)到額定值，轉(zhuǎn)入正常運行。降壓起動也稱減壓起動。在三相異步電動機控制系統(tǒng)中，因電動機起動電流與電源電壓成正比，為了降低電動機起動瞬間對電網(wǎng)的沖擊和對其他用電設(shè)備的影響，當(dāng)三相籠型異步電動機功率為7.5 kW以上或由于其他原因不允許直接起動時，如定子繞組接線方式為三角形接線，在空載和輕載時或?qū)ζ饎愚D(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率要求不高時，通常采用星三角降壓起動。

2 常用星三角降壓起動控制電路分析

Y-△降壓起動控制電路采用時間繼電器和交流接觸器實現(xiàn)控制。常用星三角降壓起動控制電路原理如圖1所示。起動時交流接觸器KM1、KM3工作，將電動機定子繞組接成星形連接，進行降壓起動，時間繼電器延時時間到電動機起動完成時，KM3斷開，KM1、KM2工作，將電動機定子繞組接成三角形連接，在額定電壓下運行。該電路的工作過程包括起動和停止運行。

圖1 星三角降壓起動控制電路原理圖

起動運行：按下起動按鈕SB2，KM1、KT、KM3線圈同時得電并自鎖。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，時間繼電器KT常閉觸頭斷開,接觸器KM3線圈斷電，同時時間繼電器KT常開觸頭閉合,接觸器KM2線圈得電并自鎖，電動機繞組接成三角形全壓運行。2種接線方式的切換要在很短的時間內(nèi)完成，在控制電路中采用時間繼電器定時自動切換。接觸器KM2、KM3常閉輔助觸頭為互鎖觸頭，以防同時接成星形和三角形造成電源短路。

停止運行：按下停止按鈕SB1，接觸器KM1、KM2線圈失電，電動機停止運轉(zhuǎn)。

圖1中KM1接觸器主觸頭流過的電流大于KM2和KM3這2個接觸器主觸頭中流過的電流。星形和三角形切換時，KM2和KM3這2個接觸器主觸頭同時不通電的時間間隔由星形接觸器KM3常開主觸點斷開到與角形接觸器KM2常開主觸點閉合的時間決定，切換時間不超過20 ms。如果星形接觸器KM3分斷時電弧來不及熄滅，而角形接觸器接通，就會造成電源短路或觸頭被燒毀。為改善上述問題，目前市場上普遍采用改型設(shè)計的星三角降壓起動控制器，其電路原理如圖2所示。

圖2 星三角降壓起動控制器電路原理圖

圖2中星三角降壓起動控制器中3個接觸器主觸頭都流過相電流，控制電路中星形和三角形運行的運行時間由時間繼電器控制。KM2為電源接觸器，KM1為星形接觸器，KM3為角形接觸器，延時觸頭KM2掛接在接觸器KM2的觸頭支架上，由接觸器KM2帶動延時觸頭動作，用于控制星形和三角形的切換時間，延時觸頭相當(dāng)于時間繼電器，其延時時間是可調(diào)的，最大為30 s。組合的星三角降壓起動器一般采用空氣延時頭。實際工程應(yīng)用中也可以根據(jù)需要將空氣延時觸頭用時間繼電器代替，控制電路接線原理按圖1中的控制電路。

圖2中星三角降壓起動控制器控制電路中常開、常閉遠程控制按鈕是外接的起動和停止按鈕。星形起動時，首先星形接觸器KM1接通，并自鎖，緊接著電源接觸器KM2接通自鎖，電動機星形起動運行。同時掛接在接觸器KM2觸頭支架上的延時觸頭開始工作，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的時間延時后，延時斷開常閉觸頭（55、56端子）先斷開，星形接觸器KM1線圈失電，主觸頭斷開；延時接通常開觸頭（55、56端子）后閉合，三角形接觸器KM3線圈得電，主觸頭接通，此時電動機繞組接成三角形接法，實現(xiàn)了星形和三角形接法的切換。

3 星三角降壓起動器降壓原理分析

為了分析星三角降壓起動器電路中的電壓與電流，將圖2中的主電路形象地表示在圖3中。

圖3 三相繞組星三角接線原理

圖3中三角形接法是將各繞組依次首尾相連，并將每個相連的點引出，作為三相電的3個相線。設(shè)線電壓為Ue，三角形接法時線電流為Ie，根據(jù)向量關(guān)系，三角形接法時相電流為可見，電動機三角形接法穩(wěn)定運行時接觸器KM2、KM3主觸頭流過的電流為即：

式（1）—（3）中：UAB為相電壓；Ue為線電壓，即額定工作電壓；IAB為相電流；IAΔ為線電流。

星形接法是將各繞組的一端都接在一點上，另一端作為引出線，分別為3個相線。定子繞組端電壓為相電壓。星形接法時，相電壓為每相繞組的阻抗Z與三角形接法時相同，即：

式（4）（5）中：UAN為相電壓；IAN為相電流。

由上可知，電動機定子繞組星形接法時，線路電流只有三角形接法的1/3倍，可見電動機星形運行時線電流為三角形運行的1/3，所以如果電動機三角形起動時產(chǎn)生6Ie的起動電流，則星形起動只產(chǎn)生2Ie的起動電流。

星三角降壓起動時電動機定子三相繞組接成星形，加于繞組的電壓約為起動力矩與起動電流均減少到約為直接起動時的1/3。電動機運行處在轉(zhuǎn)速較低的非額定轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)。電動機起動升速，待轉(zhuǎn)速達到或大于0.8～0.9額定值時，將電動機定子繞組接成正常的三角形連接，繞組中電壓為線電壓Ue。此時，電動機在額定電壓Ue下，運行狀態(tài)為正常額定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。此時電網(wǎng)提供的啟動電流只有全電壓起動電流的1/3，起動力矩也只有全電壓起動力矩的1/3。星三角降壓起動解決了電動機起動瞬間對電網(wǎng)的沖擊和對其他用電設(shè)備的影響,實現(xiàn)了電動機控制的軟起動方式。

4 星三角起動器中接觸器容量的選擇

電動機繞組星形接法起動時星形接觸器KM2無負載接通，電源接觸器KM1在相電壓下接通2Ie電流。在起動完成切換到三角形運行時為額定負載，電源接觸器KM2和三角形接觸器流過的相電流額定分斷時，在線電壓Ue的情況下，KM2和KM3同時分斷的電流。根據(jù)以上結(jié)論，根據(jù)電動機負載的額定工作電流選擇接觸器的容量。以11 kW、380Ⅴ三相異步電動機為例選擇接觸器的容量。11 kW三相異步電動機YE2-160M-4的銘牌參數(shù)如表1所示。

表1 11 kW三相異步電動機YE2-160M-4的銘牌參數(shù)

根據(jù)表1得出11 kW三相異步電動機額定工作電流Ie=22.5 A，則星三角起動時電動機相電流為22.5 A=12.9 A。由于接觸器設(shè)計接通分斷容量較大，所以接觸器KM2、KM3可以選取Ie=12A的接觸器。星形接法接觸器KM1只在起動時工作，流過的電流為1/3Ie=1/3×22.5 A=7.5 A，所以KM1可以選擇Ie=9 A的接觸器。在星三角切換過程中，只有接觸器KM1可靠分斷，才能保證KM2和KM3接觸器不會發(fā)生短路和觸頭燒毀的故障。

根據(jù)機床電器接觸器的容量范圍配套開發(fā)的QJX4系列星三角起動器，規(guī)格如表2所示。

表2 QJX4系列星三角降壓起動器

QJX4系列星三角起動器由3臺交流接觸器、1臺空氣延時頭、1只輔助觸頭組（僅QJX4-40d以下規(guī)格）組成，安裝在一塊底板上，配以適當(dāng)導(dǎo)線。星三角起動器選型時可根據(jù)控制電動機功率或額定工作電流高配選用，但熱繼電器需按表中對應(yīng)的電動機額定工作電路選用，不能選太大或太小。根據(jù)表2，11 kW、380Ⅴ三相異步電動機可選用QJX4-12d規(guī)格的星三角起動器。QJX4-12d星三角起動器外形和安裝尺寸如圖4所示。

圖4 QJX4-12d星三角起動器外形和安裝尺寸（單位：mm）

5 結(jié)束語

星三角降壓起動控制根據(jù)實際需要按照電動機的功率或電流選擇組合的星三角降壓起動器，配以適當(dāng)?shù)臒徇^載繼電器，可以簡單、方便地實現(xiàn)對設(shè)備的降壓起動控制?；蛲ㄟ^選擇適當(dāng)?shù)慕佑|器、時間繼電器等，根據(jù)星三角控制電路自主接線實現(xiàn)降壓起動控制。