第3章 交流电动机实用控制电路
3.1 电动机启动电路
3.1.1 单相电动机离心开关启动电路
（1）电路原理图 离心开关外形及控制电路如图3-1、图3-2所示：在单相异步电动机中，在启动过程中，当转子转速达到同步转速的70％左右时，常借助于离心开关，切除单相电阻启动异步电动机和电容启动异步电动机的启动绕组，或切除电容启动及运转异步电动机的启动电容器。离心开关一般安装在轴伸端盖的内侧。
图3-1 离心开关外形及安装位点
图3-2 单相电阻启动异步电动机接线原理图
（2）工作过程 离心开关包括静止部分和旋转部分。静止部分装在前端盖内，旋转部分则装在转轴上，它利用转子转速的变化，引起旋转部分的重块所产生离心力大小的改变，通过滑动机构来闭合或断开触头，达到在启动时接通启动绕组的目的；电动机运转时重块飞离，触点断开，切断电源；电动机静止时，重块因有弹簧拉力而复位，触头闭合以备启动时接通电源。离心开关的结构比较复杂，电动机接通电源后，如触头氧化或被电火花烧蚀，接触不良，则电动机不能启动；如电动机启动后，重块不能飞离，则副绕组也参加了运行，不久副绕组就会因高温而烧毁。若离心开关损坏，则必须更换；若触头接触不良，则可以用小锉或细纱布修好。
单相电阻启动式异步电动机新型号代号为BQ、JZ。定子线槽绕组嵌有主绕组和副绕组，主绕组负责工作占三分之二槽数，副绕组占三分之一槽数。此类电动机一般采用正弦绕组，则主绕组占的槽数只是略多，甚至主、副绕组各占三分之一的槽数，不过副绕组的线径比主绕组的线径细得多，以增大副绕组的电阻。主绕组和副绕组的轴线在空间中相差90°的电角度。电阻略大的副绕组经离心开关将副绕组接自电源，当电动机启动后，转速达到75％～80％的额定转速时，通过离心开关将副绕组切离电源，由主绕组单独工作。如图3-2所示为单相电阻启动式异步电动机接线原理。
单相电阻式启动异步电动机是具有中等启动转矩和过载能力，功率为40W～3kW的电动机。
3.1.2 单相电动机继电器控制电路
（1）电路原理图 启动继电器控制电路如图3-3所示。有些电动机，如气泵电动机，由于它与压缩机组装在一起，并放在密封的罐子里，不便于安装离心开关，就用启动继电器代替。继电器的吸铁线圈串联在主绕组回路中，启动时，主绕组电流很大，衔铁动作，使串联在副绕组回路中的动合触点闭合。于是副绕组接通，电动机处于两相绕组运行状态。随着转子转速上升，主绕组电流不断下降，吸引线圈的吸力下降。当到达一定的转速，电磁铁的吸力小于触点的反作用弹簧的拉力，触点被打开，副绕组就脱离电源。
图3-3 启动器构造与接线图
（2）工作过程 重力式启动器主要由励磁线圈、衔铁、电触点和电绝缘壳体等构成，其接线如图3-3所示。励磁线圈与电动机的运行绕组串联，当电机启动时，通过运行绕组的电流比正常运行电流大4～6倍。因为电流通过励磁线圈所产生的磁场强度与电流成正比，所以启动时磁场吸引大于衔铁组件的重力，衔铁带着动触点被吸向上，与静触点闭合；接通启动绕组电源，电动机随机启动运转，启动后随着转速迅速增加，通过绕组的电流也迅速减小。当电动机转速达到额定转速的75％以上时，励磁线圈磁场吸力已小于衔铁组件的重力，衔铁和动触点迅速落下，切断启动绕组电源，电动机进入正常运行状态。重力式启动器的优点是结构紧凑，体积较小，可靠性好；缺点是可调性差，如果电源电压波动较大时，就会出现触点不能释放或接触不良而造成触点烧损的现象。
能使启动器触点吸合的最小电流称为吸合电流，能使启动器触点下落断开的最大电流称为释放电流。吸合电流和释放电流是启动器的两个主要技术参数，对电动机的正常启动有重要作用。如果电动机的压缩机和电动机无故障，则启动器的吸合或释放主要受电源电压的影响，因此，对电动机的电源电压，要求其不能超出允许的最大波动范围。吸合电流与释放电流之差越小，则感应的电压范围越广，但对灵敏度的要求越高。启动器灵敏度一定时，提高电动机的启动电流和降低运行电流可扩大电动机工作电压的适应范围，但要涉及电机的经济性和其他性能指标，因此，必须综合考虑，不能只追求单项指标。启动器的吸合电流与释放电流之差一般要求不高于0.5A。
3.1.3 单相异步电动机电容器启动电动机控制电路
（1）电路原理图 电容器启动电动机控制电路如图3-4所示。电容启动式单相异步电动机新型号代号为CO2，老型号代号为CO、JY。
图3-4 单相电容启动异步电动机接线原理图
单相电容启动式异步电动机的启动性能较好，且具有较高的启动转矩，最初的启动电流倍数为4.5～6.5倍，因此适用于启动转矩要求较高的场合，功率为120W～3kW，如小型空压机等满载启动机械。
（2）工作过程 定子线槽主绕组、副绕组分布与电阻启动式电动机相同，但副绕组线径较细，电阻大，主副绕组为并联电路。副绕组和一个容量较大的启动电容串联，再串联离心开关。副绕组只参与启动不参与运行。当电动机启动后转速达到75％～80％的额定转速时，通过离心开关将副绕组和启动电容切断电源，由主绕组单独工作。
3.1.4 单相异步电动机电容器运行控制电路
（1）电路原理图 电容器运行控制电路如图3-5所示。电容运行式异步电动机新型号代号为DO2，老型号代号为DO、JX，定子线槽主绕组、副绕组分布各占二分之一，主绕组和副绕组的轴线在空间相差90°的电角度，主、副绕组为并联电路。
图3-5 单相电容运行式异步电动机接线原理图
（2）工作过程 副绕组串接一个电容后与主绕组并接于电源，副绕组和电容不仅参与启动还长期参与运行，如图3-5所示为单相电容运行式异步电动机接线原理。单相电容运行式异步电动机的电容长期接入电源工作，因此不能采用电解电容，通常一般采用纸介电容或油浸纸介电容。该电容的容量主要是根据电动机运行性能来选取的，一般比电容启动式的电动机的电容容量要小一些。
电容运行式异步电动机的启动转矩较低，一般为额定转矩的零点几倍，但效率因数和效率较高、体积小、重量轻，功率为8～500W，适用于轻载启动要求长期运行的场合。
3.1.5 单相异步电动机电容器启动运行控制电路
（1）电路原理图 电容器启动运行控制电路如图3-6所示。
图3-6 单相电容启动和运转式电动机接线图
（2）工作过程 单相电容启动和运转式异步电动机型号代号为F，又称为双值电容电动机。定子线槽主绕组、副绕组分布各占二分之一，但副绕组与两个电容并联（启动电容、运转电容），其中启动电容串接离心开关并接于主绕组端。当电动机启动后转速达到75％～80％的额定转速时，通过离心开关将启动电容切离电源，而副绕组和工作电容继续参与运行（工作电容容量要比启动电容容量小）。
单相电容启动和运转式电动机具有较高的启动性能、过载能力和效率，功率为8W～3kW，适用于性能要求较高的日用电器、特殊压缩泵、小型机床等。
3.1.6 三相异步电动机刀开关直接启动控制电路
（1）电路原理图 刀开关直接启动控制电路如图3-7所示。
图3-7 铁壳开关启动控制线路
电动机直接启动，其启动电流通常为额定电流的2～8倍，一般应用于小功率电动机。常用的启动电路有开关直接启动和接触器点动直接启动两种。
（2）工作原理 接通开关Q，三相电源经开关Q和熔断器FU给电动机供电，电动机即可运转。
3.1.7 三相异步电动机接触器点动控制直接启动控制电路
（1）电路原理图 接触器点动控制直接启动控制电路如图3-8所示。
图3-8 直接启动控制电路
（2）工作原理 当合上开关QS时，电动机不会启动运转，因为KM线圈未通电，只有按下SB，使线圈KM通电，主电路中的主触头KM闭合，电动机M才可启动。这种只有按下按钮电动机才会运转、松开按钮即停转的线路，称为点动控制线路，利用接触器来控制电机的优点是减轻劳动强度，操作小电流的控制电路就可以控制大电流主电路，能实现远距离控制与自动化控制。
工作过程：当按下启动按钮SB1，线圈KM通电，主触头闭合，电动机M启动运转，当松开按钮，电动机M不会停转，因为这时，接触器线圈KM可以通过并联SB两端已闭合的辅助触头KM继续维持通电，电动机M不会失电，也不会停转。这种松开按钮而能自行保持线圈通电的控制线路叫做具有自锁的接触器控制线路，简称自锁控制线路。
3.1.8 三相异步电动机具有过载保护功能的启动电路
（1）电路组成 图3-9所示是由一只接触器构成的具有保护功能的正转电路，该电路具有自锁功能，是一种最基本的控制电路，在工厂应用广泛。可实现对电动机的启动、停止的自动控制及远距离控制和频繁操作，并具有必要的保护，如短路、过载、零电压（又称失电压）等保护功能。
图3-9 由一只接触器构成的具有过载保护功能的正转电路
（2）工作原理
①启动控制过程 启动电动机时，合上开关QS，按下启动按钮开关SB2后，交流接触器KM的吸引线圈得电吸合，其主常开触点KM2～KM4闭合，使电动机得到三相电压而启动工作。同时KM的常开触点KM1闭合后并接在SB2两端，因此当松手断开SB2后，控制电路仍维持正常的工作。
②停止控制过程 如需要停机时，按下停止按钮开关SB1，交流接触器KM的吸引线圈断电释放，其主触点KM2～KM4断开，电动机因断电而停止工作。
③短路保护 当电动机出现短路故障时，短路电流就会使熔断器FU1～FU3中的熔体熔断，从而切断主回路，使电动机的供电中断。
④过载保护 当电动机过载或单相运行时，FT动作，其常闭触点断开，将控制电路切断，吸引线圈KM断电释放，切断电动机的主电路。
⑤失电压（零电压）保护 当电网电压消失（如停电）而又重新恢复时，要求电动机及其拖动的生产机械不能自动启动，以确保操作人员和设备的安全。由于自锁触头KM的存在，故当电网停电后，不重新按启动按钮开关SB2电动机就不能启动。
3.1.9 三相异步电动机自耦变压器降压启动控制电路
（1）电路原理图 自耦变压器降压启动控制电路如图3-10所示。对正常运行时为Y形接线及要求启动容量较大的电动机，不能采用Y-△启动法，而常采用自耦变压器启动方法。自耦变压器启动法是利用自耦变压器来实现降压启动的。用来降压启动的三相自耦变压器又称为启动补偿器，其原理和外形如图3-10所示。
图3-10 自耦变压器启动控制电路
（2）工作原理 用自耦变压器降压启动时，先合上电源开关Q1，再把转速开关Q2的操作手柄推向“启动”位置，这时电源电压接在三相自耦变压器的全部绕组上（高压侧），而电动机在较低电压下启动。当电动机转速上升到接近于额定转速时，将转换开关Q2的操作手柄迅速从“启动”位置投向“运行”位置，这时自耦变压器从电网中切除。
为获得不同的启动转矩，自耦变压器的次级绕组常备有不同的电压抽头，例如次级绕组电压为初级绕组电压的60％、80％等，以供具有不同启动转矩的机械使用。
这种启动方法不受电动机定子绕组接线方式的限制，可按照容许的启动电流和所需的启动转矩选择不同的抽头，因此适用于启动容量较大的电动机，其缺点是设备造价较高，不能用在频繁启动的场合。
3.1.10 三相异步电动机由时间继电器构成的电阻降压启动电路
图3-11所示是由一只时间继电器构成的电阻降压启动电路。该电路适用于要求启动平稳的中等容量的鼠笼式异步电动机。
图3-11 由一只时间继电器构成的电阻降压启动电路
（1）电路组成 图3-11所示电路中，FU1～FU4为4只保险元件；SB1为停机按钮开关；SB2为启动按钮开关；KM1为交流接触器，其KM1-4常开触点用于自锁，KM1-1～KM1-3三组常开触点用于控制电动机的三相供电；KM2为交流接触器，其三组常开触点KM2-1～KM2-3用于切换三只降压电阻的接入与断开；KT为时间继电器，有一组常开延时闭合触点KT1；FT为热保护继电器。
（2）工作原理 当要启动电动机时，合上开关QS，按下启动按钮SB2后，交流接触器KM1与时间继电器KT的线圈同时得电工作：
①当KM1线圈得电吸合以后，其常开触点KM1-4闭合后自锁，KM1-1～KM1-3三组常开触点闭合后，通过R1～R3启动电阻为电动机定子绕组提供三相电源，使电动机得电启动。
②当KT时间继电器线圈得电以后进入延时状态，到达预定时间后，其延时闭合触点KT1闭合接通了KM2交流接触器线圈的供电，使常开触点KM2-4闭合自锁，KM2-1～KM2-3常开主触点闭合使R1～R3电阻被短接，电动机进入全压正常工作状态。
3.1.11 三相异步电动机频敏变阻器构成的启动电路
图3-12所示是由频敏变阻器构成的电动机启动控制电路，是利用频敏变阻器的阻抗随着转子电流频率的变化而自动变化的特点来实现的。
图3-12 由频敏变阻器构成的启动电路
（1）电路组成 图3-12所示电路中的频敏变阻器实质上是一个铁芯损耗非常大的三相电抗器，相当于一个等值阻抗。在电动机启动过程中，由于等值阻抗随转子启动电流中高频成分的减小而下降以达到自动变阻，为了使单台频敏变阻器的体积、质量不要过大，当电动机容量大到一定程度时，就由多组频敏变阻器连接使用。连接种类有单组、两组串联、两组并联、二串联二并联等，如图3-13所示。
图3-13 频敏变阻器启动电路的几种连接方法
频敏变阻器在启动完毕后应切除短接，如电动机本身有短路装置，则可直接利用。如没有短路装置时，则可用外装刀开关短路，如图3-13（e）所示。
图3-12所示电路正是利用频敏变阻器的上述特点来实现电动机启动的。RF即为频敏电阻，是一种单组连接方式。SB1为停止按钮开关；SB2为启动按钮开关。KM1为交流接触器线圈，其KM1-1为自锁触点，KM1-2～KM1-4三组常开触点用于控制三相电动机的供电；KM2为切换频敏变阻器的交流接触器，其KM2-1用于控制时间继电器KT线圈的供电，KM2-2～KM2-3两组常开触点用于控制频敏变阻器的切断或接通。KA为继电器，有两组常开触点和两组常闭触点，两组常开触点KA1和KA2用于控制KM2和KA线圈的供电，两组常闭触点KA3和KM4在启动时，将热继电器FT的发热元件短接，以免因启动时间过长而造成热继电器误动作；启动结束后，KA又动作，将热继电器发热元件接入电路中。KT为时间继电器，有一组延迟闭合触点KT1。
（2）工作原理 当启动时，按下启动按钮开关SB2，KM1交流接触器线圈得电吸合，其KM1-1常开触点闭合后自锁；KM1-2～KM1-4三组常开触点闭合后为三相电动机提供三相电源，电动机转子电路串入了频敏变阻器并启动。
当按下SB2后，KT时间继电器线圈也同时得电工作，经延迟一段时间后，其KT1触点闭合，使KA继电器线圈也得电吸合，其KA1常开触点闭合后自锁，常闭触点KA3和KA4断开使热继电器发热元件投入运行；常开触点KA2闭合后，又接通了KM2交流接触器线圈的供电，使KM2得电吸合，其常闭触点KM2-1断开，切断对时间继电器KT线圈的供电，常开触点KM2-2和KM2-3闭合，使频敏变阻器RF被短接，启动过程结束，电动机进入正常运行状态。
提示：在使用过程中，如果出现以下情况，则应及时调整频敏电阻器的匝数和气隙。
①启动电流过大，启动太快 应适当增加匝数，可采用换接抽头的方法，使用100％的匝数，当匝数增加后，就会使启动电流减小，转矩减小。
②启动电流过小，启动转矩不够，启动太慢 应适当减小匝数，使用80％或更小的匝数，当匝数减小后，就会使启动电流增大，转矩增大。
③增加铁芯气隙，稳定转速 在刚启动时，启动转矩过大，有机械冲击现象；但启动结束后，稳定的转速又太低（偶尔启动用变阻器启动完毕短接时，冲击电流较大），可增加铁芯气隙。由于增加气隙会使启动电流略增，启动转矩略减，但启动结束时转矩会增大，因此就提高了稳定转速。
3.1.12 三相异步电动机一只晶体管构成的Y-△自动切换启动电路
图3-14所示是由一只晶体管构成的Y-△自动切换启动电路，具有体积小、价格低廉、使用方便等特点。
图3-14 由一只晶体管构成的Y-△自动切换启动电路
（1）电路组成 图3-14所示电路主要是由KM1～KM3交流接触器、SB2启动按钮、SB1停机按钮、KA继电器和VT1晶体三极管等为核心构成的。
（2）工作原理 图3-14所示电路中的VT1及其外围的有关元件共同构成了延时控制电路，用于进行延时全压控制。该电路的工作原理可从启动控制与全压控制两个方面来说明。
①启动控制 当要启动电动机时，按下启动按钮开关SB2后，KM1与KM2交流接触器线圈同时得电吸合，其常开触点KM1-4闭合后自锁；KA2-4常闭触点断开后防止KM3线圈误动作；KM1-1～KM1-3、KM2-1～KM2-3常开触点闭合后，使电动机定子线圈绕组连接成Y形，从而使电动机降压启动；KM1-5（常开）、KM1-6（常闭）触点动作后，使延时电路得电工作。
②全压控制 全压控制由延时电路配合KM3交流接触器来完成。当合上总开关QS后，380V的交流电压加到电源变压器T的初级后，其次级输出的36V交流低压使照明指示灯HL1点亮，以示已通电。当KM1-5、KM1-6触点动作后，36V的交流低压又经VD1～VD4桥式整流、R1降压限流，C1滤波、VDW稳压后的直流电压一路提供给继电器控制电路，另一路经RP1、R2对电容C2进行充电。由于电容上的电压不会突变，故在充电的最初阶段，VT1仍处于截止状态，延时一段时间（这段时间即为C2充电时间），一旦充电到一定值使VT1管导通后，则KA继电器线圈得电吸合，其KA1常闭触点断开后切断了KM2交流接触器线圈的供电，其所有触点均复位。KA2常开触点闭合后，使KM3交流接触器线圈得电吸合，其常开触点KM3-4闭合后自锁，KM3-1～KM3-3三组常开触点闭合使电动机定子的三相绕组连接成三角形，进入正常运行状态。
提示：适度调整电路中C2的容量值或电位器RP1的电阻值，可控制VT1管达到导通的时间，也就是可改变延时时间。
3.1.13 三相异步电动机用三个接触器控制的Y-△降压启动电路
（1）电路原理图 三个接触器控制的Y-△降压启动电路如图3-15所示。在正常运行时，电动机定子绕组是连成△形的，启动时把它连接成Y形，启动即将完毕时再恢复成△形。目前4kW以上的J02、J03系列的三相异步电机定子绕组在正常运行时，都是接成△形的，对这种电动机就可采用Y-△降压启动。
图3-15 时间继电器控制Y-△减压启动控制线路
（2）工作原理 从主回路可知，如果控制线路能使电动机接成Y形（即KM1主触点闭合），并且经过一段延时后再接成△形（即KM1主触点打开，KM2主触点闭合），则电动机就能实现降压启动，而后再自动转换到正常速度运行。控制线路的工作过程如下。
3.1.14 三相异步电动机两个接触器控制Y-△转换的降压启动电路
（1）电路原理图 图3-16所示是用两个接触器实现Y-△降压启动的控制线路。
图3-16 用两个接触器实现Y-△降压启动的控制线路
①保护元件 由熔断器FU1（主电路的短路保护）、热继电器FR（电动机的过载保护）、熔断器FU2（控制电路的短路保护）组成。
②主电路 由开关QS、熔断器FU1、线路接触器KM1、Y-△转换接触器KM2主触点、热继电器FR和电动机M组成。
③控制电路 由启动按钮SB2，停止按钮SB1，接触器KM1、KM2，减压启动时间继电器KT和热继电器FR常闭触点组成。
（2）工作原理 启动时，合上电源开关QS，按下启动按钮SB2，使接触器KM1和时间继电器KT线圈同时得电吸合并自锁，KM1主触点闭合，接入三相交流电源，由于KM1的常闭辅助触点KM1（8-9）断开，使KM2处于断电状态，电动机接成Y形连接进行降压启动并升速。当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT动作，其通电延时断开触点KT（4-7）断开，通电延时常闭触点KT（4-8）闭合。前者使KM1线圈断电释放，其主触点断开，切断电动机三相电源。而触点KM1（8-9）闭合与后者KT（4-8）一起使KM2线圈得电吸合并自锁，其主触点闭合，电动机定子绕组接成△形连接，KM2的辅助常开触点断开，使电动机定子绕组尾端脱离短接状态，另一触点KM2（4-5）断开，使KT线圈断电释放。由于KT（4-7）复原闭合，使KM1线圈重新得电吸合，于是电机在△形连接下正常运转。所以KT时间继电器延时动作的时间就是电动机连成Y形降压启动的时间。
本电路与其他Y-△转换控制线路相比，节省一个接触器，但由于电动机主电路中采用KM2常闭辅助触点来短接电动机三相绕组尾端，容量有限，故该电路仅适用于13kW以下电动机的启动控制。