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。