日期:

2015年3月6日,星期五

工业厂房中的电动机控制

 

介绍


电机控制器是一种或一组设备,用于以某种预定方式控制电动机的性能。

电动机控制器包括用于启动或停止电动机,选择正向或反向旋转,选择和调节速度,调节或限制转矩以及防止过载和故障的手动或自动装置。

简而言之,工业电动机控制对于电动机的运行至关重要。

控制电路和电源电路


在电动机控制中,我们处理两种类型的电路,即控制电路和电源电路。
  • 控制电路 -控制控制动作的电路 电磁接触器,按钮,过载继电器,限位开关,保护装置的辅助触点等元件。
  • 电源电路 -这是直接控制从电源到负载的电能流的电路。 
控制电路和电源电路彼此完全独立,可以将它们安装在具有不同电压的一种应用中。一些行业使用440 VAC作为其电动机的电源电压,而使用24 VDC为其控制电路供电。


图1.控制电路和电源电路

上图描述了控制电路和电源电路如何相互作用。
  • 在该图中,当开关S闭合时,它将使与该开关串联的继电器线圈通电。 
  • 实际上,由于继电器线圈的电磁作用,辅助触点M1也将闭合。
  • 显然,与480 VAC电源并联的电动机也会通电。 
给定的示例使用一种方法,其中控制电路和电源电路具有相同的电压供应,即480伏交流电。

现在想象一下,开关和继电器线圈所经过的路径是由另一个电源提供的,这可能吗?答案是肯定的,我们要做的就是将要使用的继电器线圈的规格从480 VAC更改为新的电源电压,即24 VDC或110 VAC。

图2.电源电路和控制电路具有不同的电源电压

图2中的电路描述了控制电路和电源电路具有不同电源电压的特定情况。电机控制设计人员在选择所需方法时有不同的看法。为了方便和实用起见,一些工程师选择两个电路具有相似的电源,而另一些则相反,因为它们避免了因向接触器提供交流电压而产生嗡嗡声的风险。后者使用直流电源,当然也使用直流电压接触器。

电机控制器类型


1.全电压启动


电动机启动器的最常见类型是全电压启动器,有人将此方法称为跨线或在线直接(DOL)电动机启动器。

图3.全电压电动机启动器

这用于在一个方向上控制电动机,在使用该电动机时,启动电流将达到其满载电流的600%。


例:

三相20 HP电动机,连接到220 VAC @ 80%pf的电源电压。连接到全电压启动器时查找启动电流。 (使用80%的pf和85%的效率)

解:
  • IFL  =(20 HP x 746)/ [sqrt(3)x 220 x 0.8 x 0.85)] = 58安培
  • 起动电流= IFL   *  600% = 345 Amperes
  • 该启动电流将持续  3-5 seconds
这种启动方法便宜且易于安装,但在大于10 HP的电动机中使用时,会产生不利影响。这种类型的启动器通常用于小型输送机,泵和空调装置中。


2.全电压启动器可逆


通常称为正反转,此电动机启动器类似地使用全电压启动方法,但它可以在两个方向上控制电动机。

图3.正反转(照片:www.pdhengineer.com)

  • 在这种情况下,有两个电磁接触器,正向接触器F和反向接触器R。
  • 反转电机方向的关键是 在R接触器激活的时间内交换线L1和L3。
  • 分别串联在F和R梯级中的两个常闭触点称为 电气联锁。 这是为了防止同时激活两个梯级,否则可能会严重损坏设备。
与不可逆全电压启动器相似,当用于低于10 HP的电动机时,这很实用。由于它是可逆的,因此通常用于需要逆向动作的应用中,例如笨拙的服务员,高架起重机,逆向输送机等。

如何确定接触器尺寸?


我们可以通过冷杉确定全电压启动器的接触器尺寸t 确定电动机的连续电流。连续安培额定值应始终大于额定电流或满载电流。

我们可以根据电动机的设计得出最大连续电流。某些NEMA交流电机的维修系数为1.35。这意味着(根据设计)允许电动机运行超过其满负荷容量而不会受到损坏。例如,服务系数为1.35的10 HP可提供高达13.5 HP的负载而不会损坏。因此,我们可以根据服务因素来确定接触器的额定值,以期望这样的电动机可以解决过载问题。


例:

三相20 HP电动机,连接到220 VAC @ 80%pf的电源电压。如果该电动机的维修系数为1.35,则求出最大连续安培额定值。 (使用80%的pf和85%的效率)

解:
  • IFL  =(20 HP x 746)/ [sqrt(3)x 220 x 0.8 x 0.85)] = 58安培
  • 应用服务系数= 1.35 x 58安培 = 78.3 Amperes
因此,我们可以将最大连续电流设置为78.3安培。在获得最大安培额定值之后,请检查下表,以了解用于承受该负载的接触器的正确NEMA尺寸。





NEMA接触器尺寸
每个电压类别的最大HP额定值
NEMA
尺寸
连续放大器评分
单相
三相
115 V
230 V
208 V
240 V
480 V
600 V
00
9
1/3
1
1-1/2
1-1/2
2
2
0
18
1
2
3
3
5
5
1              
27
2
7-1/2
7-1/2
7-1/2
10
10
2
45


10
15
25
25
3
90


25
30
50
50
4
135


40
50
100
100
5
270


75
100
200
200
6
540


150
200
400
400
7
810


200
300
600
600
8
1215


400
450
900
900
表1. NEMA接触器尺寸

3.降低电压:Wye-Delta


怀伊三角洲或星三角电机启动方法是一种降低电压的方法 起动方法,首先将三相电动机连接到WYE或STAR,然后在3-5秒后将其连接到DELTA。这可以通过电磁接触器中的动作来完成。

在启动期间线电压 为电动机供电的电压仍然相同,但是电动机线圈各相之间的电压降低了。从而,

  • 降低启动电压=线路电压/ sqrt(3)
  • 例如,额定值为440 V的电动机具有的跨三相电动机的每个线圈的启动电压为440 V / 1.73 = 254伏。

图4. 怀伊三角洲控制电路(照片:www.pdhengineer.com)
  • 当按下启动按钮时,主线圈M1被激活,计时器TD和启动线圈S1(WYE)被激活。
  • 辅助触点M1处于锁定状态,因此电路通电,直到按下停止按钮为止。
  • 从定时器TD被激活之时起,它将自动计数直到达到其预定值,即3-5秒。
  • 一旦达到预定时间,计时器TD的辅助触点将改变其初始状态。
  • 例如,预定时间为3秒,然后在此期间TD的常闭触点将断开,同时TD的常开触点将闭合。这是启动线圈S1(WYE)被禁用而运行线圈M2(DELTA)被激活的时间。
  • 一旦按下停止按钮,整个电路将关闭,或者由于过载情况,最右侧的过载触点将断开。



起始方法比较
方法
启动期间启动电压%
%满载启动扭矩
满载额定电流%
全电压
100
100
600
怀伊三角洲
58
33
200
表2.启动方法的比较

实际上,由于施加在线圈两端的电压也降低了,因此额定负载安培数也将降低,因此
  • 起动电流=满载电流x 200%
  • 如果我们有 FLA为52安培,则SRC = 52 x 200%= 104安培
  • 与使用全电压启动时的308安培相比,104安培要低得多。
转矩的减小大约等于电动机绕组两端电压的减小的平方,因此
  • 启动转矩降低=%V ^ 2 = .58 ^ 2 =满载转矩的33%

4.降低电压:自耦变压器 

图5.自动变压器原理图
 自耦变压器是一种只有一个绕组的变压器。 自耦变压器通过抽头将一个电路的电压电平降低到另一电路。从初级和次级的公共端测得的不同抽头具有不同的电压值。




图5.自动变压器的启动方法
汽车-变压器电动机启动器使用自耦变压器来抑制高启动电流的影响。自动变压器通常具有三种抽头设置:全电压的50%,65%和80%。下列设置的结果如下:

% 电压
%扭矩
额定电流%
50
45
300
65
76
390
80
115
480
表 3。自动变压器启动的效果(Rockwell 汽车mation)




自耦变压器的控制顺序几乎与Wye-delta相似,但是与Wye-delta相比,自耦变压器更加灵活。星形-星形标记的启动电流降低了58%,而自耦变压器则可根据要求灵活调整。


优于Wye-Delta:
  • 自动变压器仅需3条导线即可运行,建议将其安装在潜水泵中,且电机距离MCC至少100英尺。 WYE-DELTA用于潜水泵操作 这是不利的,因为它至少需要6条导线才能运行。因此,在选择星形变压器而不是星形三角形时,我们可以减少50%的导体成本。
  • 自动变压器具有灵活性,因为可以将其设置为50%,65%或80%,而将星形-三角形标记为58%。
不利于Wye-Delta:
  • 与星形三角起动器相比,自动变压器更昂贵。

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