第二章机电传动断续控制

1、第1章 机电传动断续控制 用电动机带动生产机械运动的传动方式称为机电传动。机电传动系统一般由电动机、工作机构、传动装置、控制设备以及电源等五个部分组成 。 电动机把电能转换为机械能，用以拖动工作机构完成生产机械所规定的某一任务。传动装置用来实现电动机与工作机构的运动连接，并根据工作机构的需要完成速度和方向的变换。控制设备由各种电器元件组成，用以控制电动机的运转。 电动机自动控制方式大致可分为断续控制、连续控制和数字控制三种。 在断续控制方式中，控制系统处理的信号为断续变化的开关量，如异步电动机的继电器接触器控制系统。 在连续控制方式中，控制系统处理的信号为连续变化的模拟量，如某些设备的直流电动

2、机调速系统。 在数字控制方式中，控制系统处理的信号为离散的数字量，如机床的数控系统。 11 三相异步电动机 三相异步电动机结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便，在工业中获得广泛应用。1.1.1 三相异步电动机的工作原理 1三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图1.2所示。 定子铁心为圆桶形，由互相绝缘的硅钢片叠成，铁心内圆表面的槽中放置着对称的三相绕组UlU2、VIV2、W1W2。转子铁心为圆柱形，也用硅钢片叠成，表面的槽中有转子绕组。 转子绕组有笼型和绕线型两种型式。笼型的转子绕组做成笼状，就在转子铁心的槽中放入铜条，其两端用环联接。或者在槽中浇铸铝液，

3、铸成一笼型。 绕线型的转子绕组同定子绕组一样，也是三相，每相终端联在一起，始端通过滑环、电刷与外部电路相联。 2异步电动机的工作原理 笼型与绕线型只是在转子的结构上不同，它们的工作原理是一样的。电动机定子三相绕组U1U2、V1V2、W1W2可以联接成星形也可以联接成三角形，如图13所示。 假设将定子绕组联接成星形，并接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流iUIm Sin tivIm sin(t120) iw Im sin(t+120)其波形如图14所示。 三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋转，即形成所谓的旋转磁场，如图15所示。 旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电

4、动势和电流，如图16所示。电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F施加于导体上。电磁力量的方向可由左手定则确定。 由电磁力产生电磁转矩，从而使电动机转子转动起来。转子转动的方向与磁场旋转的方向相同，而磁场旋转的方向与通入绕组的三相电流的相序有关。 如果将联接三相电源的三相绕组端子中的任意两相对调，就可改变转子的旋转方向。 旋转磁场的转速no称为同步转速，其大小取决于电流频率f1和磁场的极对数p。当定子每相绕组只有一个线圈时，绕组的始端之间相差120空间角，如图15所示，则产生的旋转磁场具有一对极，即p1。 当电流交变一次时，磁场在空间旋转一周，旋转磁场的(每分

5、钟)转速n060 f1 若每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端相差60空间角，则产生两对极，即p2。电流交变一次时，磁场在空间旋转半周，即(每分钟)转速 no60f1 / 2 以此类推，可得 no60 f1 / p 式中：nO的单位为rmin。 在我国，工频f150Hz，电动机常见极对数p14。 由工作原理可知，转子的转速n必然小于旋转磁场的转速n。(即所谓“异步”)。二者相差的程度用转差率s来表示S =(n0-n) / n0 一般异步电动机在额定负载时的转差率约为19。1.1.2 三相异步电动机特性分析 三相异步电动机的定子绕组和转子绕组之间的电磁关系同变压器类似，其每相电路图如图17所示。

6、图中，u1为定子相电压，Rl、Xl为定子每相绕组电阻和漏磁感抗，R2、X2、为转子每相绕组电阻和漏磁感抗。 在定子电路中，旋转磁场通过每相绕组的磁通为 =m sint 其中m是通过每相绕组的磁通最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通。 定子每相绕组中由旋转磁通产生的感应电动势为感应电动势的有效值为El4.44 f1N1 式中f1是el的频率。 由于绕组电阻Rl和漏磁感抗X1较小，其上电压降与电动势El比较可忽略不计，因此 u1E1 在转子电路中，旋转磁场在每相绕组中感应出的电动势为式中：N2为转子每相绕组匝数。 电动势的有效值为 E24.44 f2 N2 式中：f2为转子电动势e2的频率。因为

7、旋转磁场和转子间的相对转速为(non)，所以将上式代人式(14)得E24.44 s f1N2 转子每相绕组漏磁感抗X2与转子频率f2有关，即X22f2L2 式中：L2为转子每相绕组漏磁电 感。 在n0，即s1时，转子绕组漏磁感抗为 X202f1L2 由式(16)和式(17)得出 X2sX20转子每相绕组的电流为由于转子绕组存在漏磁感抗X2，因此I2比E2滞后2角。转子功率因数为 异步电动机的电磁转矩T(以下简称转矩)可由转子绕组的电磁功率P2与转子相对于旋转磁场的角速度2之比求出式中：ml为定子绕组的相数，旋转磁场的角速度 o2f1Po 将式(1.3)、(1.5)、(1.8)、(1.9)代入式

8、(1.10)得 式中：比例常数 当电动机结构参数固定，电源电压不变时，可由式(111)得到转矩与转差率的关系曲线Tf(s)，称为电动机的机械特性曲线，如图18所示。 图中，与转矩最大值Tmax对应的转差率sc称为临界转差率。 可令dTds0 求出 把式(1.12)代入式(1.11)得到1固有机械特性 三相异步电动机的固有机械特性是指异步电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子电路外接电阻和电抗为零时的转速n与电磁转矩T之间的关系。 上面已找到电磁转矩T与转差率s之间的关系，考虑到n=n0(1S)，则用nf(T)表示的异步电动机的机械特性如图19所示。 为了描述三相异步电动机

9、机械特性的特点，下面重点介绍几个反映电动机工作的特殊运行点： 1)起动点A 对应这一点的转速 n0(s1)，电磁转矩T为起动转矩Tst(TTst)，起动转矩Tst反映异步电动机直接起动时的带负载能力。起动电流Ist为47倍的额定电流IN.2)额定工作点B 对应于这一点的转速nN、电磁转矩T N、电流IN都是额定值。这是电动机平稳运转时的工作点。 3)同步转速点H 在这点，电动机以同步转速no运行，(s0)，转子的感应电动势为零，I2=0，T0。在这一点电动机不输出转矩，它以no转速运转，需在外力下克服空载转矩方能实现。该点不但所带负载为零，电动机转子电流也为零，是理想空载点。 4)最大电磁转矩

10、点P 电动机在这点时能提供最大转矩，这是电动机能提供的极限转矩。这点也叫临界点，转矩为临界转矩，转差率为临界转差率。 2人为机械特性 在实际应用中，往往需要人为地改变某些参数，即可得到不同的机械特性，这样改变参数后得到的机械特性称为人为机械特性。 由式(111)可知，电动机的电磁转矩T是由某一转速n下的电压U1、电源频率f1、定子极对数p以及转子电路的参数R2、X20决定的。因此人为改变这些参数就可得到各种不同的机械特性。 下面介绍几种常用的人为机械特性。 (1) 降低定子电压 由于异步电动机受磁路饱和以及绝缘、温升等因素的限制，因而只有降低定子电压的人为特性。 将s1代入式(1.11)得电动

11、机起动转矩表达式为 由上式及式(1.13)可见，当其它参数不变只降低电压Ul时，电动机的最大转矩Tmax和起动转矩Tst与U1成正比地下降。 又由式(1.12)可知，临界转差率sc与定子电压U1无关，且电动机的同步转速no(no60 f1P)也与电压U1无关。可知降低定子电压的人为特性是一组过同步转速点no的曲线簇。见图1.10所示。 值得注意的是，若电压降低过多，使最大转矩Tmax小于负载转矩，则会造成电动机停止运转。另外，因负载转矩不变，电磁转矩也不变，降低电压将使电动机转速降低，转差率增大使得转子电流因转子电动势的增大而增大，从而引起定子电流的增大；若电流超过额定值并长时间运行将使电动机

12、寿命降低。 (2) 转子电路串接对称电阻 在绕线型异步电动机三相转子电路中分别串接阻值相等电阻后，由式(1.12)知临界转差率sc是随外串电阻Rs增大而增大，而由式(1.13)知最大转矩Tmax不随外串电阻而变，又电动机的同步转速no与转子外串电阻无关，所以人为特性是一组过同步转速no点的一簇曲线，如图1.11所示。 由式(1.14)知，起动转矩Tst随外串电阻的增大而增大。可选择适当电阻Rs接入转子电路，使Tmax发生在sc1的时刻，即最大转矩发生在起动瞬时，以改善电动机的起动性能。但如果再增大电阻，起动转矩反而要减小。这是因为过大的电阻接入将使转子电流下降过大所致。(3)改变定子电源频率

13、若保持电动机极对数p不变，改变电源频率时，同步转速no60f1P将随电源频率而变化。频率越高n。则越高，反之n。则减小。而由式(1.13)和(1.14)知，如果减小f1则最大转矩Tmax和起动转矩Tst都将随f1减小而增大，临界转差率sc将成反比地增大。不同频率的人为特性见图1.12所示。(4) 改变极对数 在保持电源频率f1不变的情况下，改变极对数p，同步转速no60f1P将随P的增大而减小。 一个普通三相异步电动机的极对数是固定不变的。但为了满足某些生产机械实现多级变速的要求，专门生产有极对数可变的多速异步电动机。变极多速异步电动机是利用改变绕组的接法来改变电动机的极对数的，下面以常用的双

14、速异步电动机为例加以说明。 双速异步电动机的定子绕组每相均由两个相同的绕组组成，这两个绕组可以并联，也可以串联。串联时极对数是并联时的两倍。如图1.13所示。图114所示为双速异步电动机的YY接法。 图中a表示电动机三相绕组呈三角形连接，运行时l、2、3接电源，4、5、6空着不接，电动机低速运行；而当1、2、3连接在一起，中间接线端4、5、6接电源时，如图b所示，电动机为高速运转。为保证电动机旋转方向不变，从一种接法变为另一种接法时，应改变电源的相序。 当电动机由变为YY接法时，极对数减少一半。相电压UYY1/3U，将这些关系式代人式(1.12)、(1.13)和(1.14)中，可得到如下关系式

15、。scYYsc；TmaxYY1/6 Tmax；Tstyy1/6 Tst 即电动机的临界转差率不变，而YY接法时的最大转矩和起动转矩均为接法时的l6，其机械特性的变化如图115所示。1.1.3.异步电动机的起动和制动1异步电动机的起动 电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程叫起动。 最简单的起动方法是将异步电动机直接接到具有额定电压的电网上使它转动起来，但这时起动电流很大；因为这时转差率s1，转子电动势和转子电流很大，对应的定子电流也必然很大。因而起动的关键在于限制起动电流。 下面分别介绍笼型和绕线型异步电动机的起动方法。 笼型异步电动机有直接起动和降压起动两种起动方法。绕线型异步电动机有转子

16、串电阻分级起动方法。(1) 直接起动 直接起动就是直接加额定电压起动，也叫全压起动。这是一种简便的起动方法，不需要复杂的起动设备，但起动电流大，一般可达额定电流的47倍。所以只适用于小容量电动机的起动。 这里所指的“小容量”，不仅取决于电动机本身容量的大小，而且还与供电电源的容量有关。电源容量越大允许直接起动的电动机容量也就越大。 电源允许的起动电流倍数可用下面的经验公式估算式中：Ist为电源允许的起动 电流； IN为电动机定子额定电流。(2) 降压起动 为了限制起动电流，可以在定子电路中串联电阻或电抗，用降低每相绕组上电压的方法来限制起动电流，这就是降压起动。 下面分析其起动电流和起动转矩。

17、 由异步电动机的工作原理可知，异步电动机定子电流近似等于转子电流的折算值，即 起动瞬时s1，此时的定子起动电流为 设全压起动时的起动电流和起动转矩分别为Ist和Tst。 串入Rst或Xst后，定子上所承受的电压减小为U1，对应的起动电流和起动转矩分别为Ist和Tst。设a为全压起动电流Ist与降压起动电流Is t之比值，从式(115)可知，起动瞬间的电流与此时定子上所加的电压成正比，即 又由式(1.14)可知，起动转矩与定子电压的平方成正比，即 从上述可知，降压起动时，起动电流降低到全压起动时的1a，起动转矩降低到全压起动时的1a。这表明，降压起动虽然可以减小起动电流，但同时使起动转矩减小的更

18、多。因此串电阻或电抗起动只适用于轻载起动。对于运行时其定子绕组是连接为三角形的异步电动机，可采用星形三角形(Y)换接的降压起动方法。起动时可先接为星形，这样定子每相绕组电压减为额定电压的1/3，从而实现了降压起动，等到转速接近额定值时再换成三角形联结。 下面分析起动电流和起动转矩。 采用三角形接法直接起动时，每相绕组的相电压UUN，UN为电源线电压；相电流I=Ist/ 3 ,Ist为电源线电流。 采用星形接法降压起动时，每相绕组相电压UYUN/3，相电流IYIst 由于相电流正比于相电压，则有两种情况下起动转矩之比为 由上两式可见，用Y降压起动时，起动电流和起动转矩都降为直接起动时的l3。所以

19、也只适用于轻载起动。(3)绕线型电动机转子串电阻起动 绕线型电动机转子串电阻分级起动，既可增大起动转矩，又可限制起动电流。可实现大中容量电动机重载起动。 图1.16所示为绕线型三相异步电动机转子串对称电阻分级起动的接线图以及相应的机械特性。 由前所述人为特性可知，转子串电阻可提高电动机起动转矩，绕线型异步电动机正是利用了这一点。当起动时，在转子电路中接入起动电阻Rs以提高起动转矩，同时也限制了起动电流。 起动电阻分成n段，在起动过程中逐步切换。在图1.16中，曲线 l对应于转子电阻RloR2+Rs3十RS2十Rsl的人为特性；曲线2对应于转子电阻为R20R2+RS3+RS2的人为特性；曲线3对

20、应于电阻R30R2+RS3；曲线4为固有机械特性。开始起动时，n0，全部电阻接入。这时的起动电阻为R1o，随转速上升，转速沿曲线 l 变化，转矩T逐渐减小，当减到T2时，接触器触点Sl闭合，Rsl被切除，电动机的运行点由曲线l(b点)跳变到曲线2(c点)，转矩由T2跃升为T1；电动机的转速和转矩又沿曲线2变化，待转矩又减到T2时，触点S2闭合电阻Rs2被切除，电动机运行点由曲线2(d点)跳变到曲线3(e点)。 电动机的转速和转矩又沿着曲线3变化，最后S3闭合，起动电阻全部切除，电动机转子绕组直接短路，电动机运行点沿固有特性变化，直到电磁转矩T与负载转矩TL相平衡，电动机稳定运行。如图1.16中

21、的h点。由于异步电动机的转矩与电压的平方成正比，考虑电源电压的允许降落，一般选最大起动转矩T1为T10.85Tmax 考虑起动时的带负载能力和快速性，选切换转矩T2为 T2(1.11.2)TL 起动级数越多，起动越平稳，而且起动过程中的平均转矩越大，起动越快。常采用3或4级。 2三相异步电动机的制动 异步电动机制动的目的是使电力拖动系统快速停车或者使拖动系统尽快减速；对于位能性负载，用制动可获得稳定的下降速度。制动运行的特点是：电磁转矩与转速n反方向，转矩T对电动机起制动作用。制动时电动机将轴上吸收的机械能转换成电能。该电能将消耗于转子电路或反馈回电网。 异步电动机制动方法有能耗制动，反接制动

22、和回馈制动三种。(1) 能耗制动 所谓能耗制动，就是在去除交流电之后，在定子绕组中通入直流电，形成恒定磁场。由于转子导体切割磁场，而产生与转向相反的制动力矩使转速急剧下降。 图1.17为能耗制动时的机械特性曲线，从图可见：1)当直流励磁一定而转子电阻增加时，产生最大制动转矩时的转速也随之增加，但是所产生的转矩最大值不变。如图中曲线1和曲线3所示。 2)转子电路电阻不变，当增大直流励磁时，则产生的最大制动转矩增大。但产生最大转矩时的转速不变。如图中曲线1和曲线2所示。能耗制动时最大转矩Tmax与定子输入的直流电流平方成正比。比较图中三条制动特性曲线可见，转子电阻较小时，在高速时的制动转矩较小。因

23、此对笼型异步电动机为了增大高速时的制动转矩，就需增大直流励磁电流；而对绕线型异步电动机，则采用转子串电阻的方法。 由机械特性曲线可分析异步电动机能耗制动的过程。设电动机原来在4点稳定运行，能耗制动时，若转子不串接附加电阻，机械特性为曲线1。电动机由于机械惯性，转速来不及变化，工作点A平移至特性曲线1上的B点，对应的转矩为制动转矩，使电动机沿曲线1减速，直到原点转速n0时，转矩T0。 如果负载是反抗性的，则电动机停转；如果负载是位能性的，则需要在制动到n0时及时地切断电源才能保证停车，否则电动机将在位能性负载转矩的拖动下反转，；特性曲线延伸到第四象限，直到电磁转矩与负载转矩相平衡时，重物获得稳定

24、的下放速度。(2) 反接制动 所谓反接制动有两种情况：一是保持定子旋转磁场不变，使转子反转，称做转子反转的反接制动；二是转子转向不变，使定子旋转磁场方向借助于定子两相电源反接而改变，称做定子两相反接的反接制动。 1) 转子反转的反接制动 异步电动机带有位能负载，如果加大转子回路电阻，使其机械特性斜率加大。如图118所示。 随着转子电阻的加大，特性斜率也越加越大。由特性曲线l变到特性曲线2，以至变到特性曲线3。电动机的起动转矩Tst小于负载转矩TL。负载转矩拖着电动机反转，使电动机转矩与转速方向相反，起到制动作用。2) 定子两相反接的反接制动 异步电动机在电动状态运行时，若将其定子两相绕组出线端

25、对调，则定子旋转磁场的方向改变，电动机转矩和转速方向相反，起到制动作用。机械特性见图1.19所示。 电动机原来工作在电动状态，工作点为A。定子两相反接后，移倒反接制动特性曲线的B点上。由于电动机转矩为制动转矩，使电动机转速下降。到n0时必须及时切断电源，否则电动机将自行反转。图119中特性曲线1是笼型异步电动机的机械特性。特性曲线2是绕线型异步电动机的特性曲线。 3) 发电反馈制动 如果用一原动机，或者其它转矩(如位能性负载)去拖动异步电动机，使电动机转速高于同步转速，即nn0，s0，这时异步电动机的电磁转矩T将和转速n的方向相反，起制动作用。 因异步电动机转速超过旋转磁场速度即同步转速时，转

26、子绕组导体的运动速度大于旋转磁场速度，转子中感应电动势方向改变，从而转子电流方向也改变。电动机转矩T的方向也随着改变，变得和转速n的方向相反而起制动作用。 这时异步电动机把轴上的机械能或系统储存的动能变成电能反馈到电网上，这既是反馈制动，也称再生发电制动。异步电动机发电回馈制动机械特性如图1.20所示。1.2 常用低压电器 用于接通和断开电路以及对电路或用电设备进行控制、调节、切换、检测和保护的电气元件称为电器。工作在交流电压1200V或直流电压1500V以下的电器属于低压电器。 机电传动断续控制系统中常用低压电器的类型有： 1)执行电器 接受控制电路发出的开关信号，接通或断开电动机主电路以及

27、直接产生生产机械所需机械动作的电器。 2)检测电器 将电的或非电的模拟量转换为开关量的电器。 3)控制电器 实现开关量逻辑运算及延时、记数的电器。 4)保护电器 在线路发生故障，或者设备的工作状况超过规定的范围时，能及时分断电路的电器。1.2.1 执行电器 执行电器以电磁式为主，常用的有接触器、电磁铁、电磁离合器等。 1电磁铁 电磁铁是将电磁能转换为机械能的电器元件。 它是电磁离合器、接触器和继电器的主要组成部分。 2接触器 接触器是一种用于接通和断开交直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器。其主要控制对象是电动机，也可用于控制电热器等电力负载，应用十分广泛。 接触器的工作原理是：当接触器线

28、圈通电后，电磁吸力克服弹簧的反力，将衔铁吸合并带动支架移动，使主触点闭合，从而接通主电路。当线圈断电时，在弹簧作用下，衔铁带动触点断开主电路。 接触器的图形及文字符号如图1.26所示。 1.2.2 检测电器 检测电器的作用是将模拟量转换为开关量。模拟量可以是电流、电压等电量，也可以是温度、行程、速度、压力等非电量。 1. 按钮开关 按钮开关是广泛用于控制电路的主令电器，用以发出接通或断开的控制信号。 按钮开关由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳等组成。 2行程开关 行程开关又称限位开关，是利用机械运动部件的碰撞将运动位置信号变换为电路的通断信号的主令电器。可实现行程控制及极限位置的保护。 图1.

29、29为直动式行程开关结构示意图。 3电流及电压继电器 电流及电压继电器属于电磁式继电器，其动作原理与接触器基本相同。主要由电磁机构和触点系统组成 。 电流继电器的作用是反映电路中电流的变化，其线圈串联在被测电路中。为了不影响电路正常工作，这类继电器的线圈匝数少，导线粗，阻抗很小。电流继电器可分为过电流继电器和欠电流继电器，过电流继电器是线圈电流高于整定值而动作，欠电流继电器是线圈电流低于整定值而动作。 电磁式继电器的典型结构如图1.31所示: 1.2.3 控制电器 在传统断续控制系统中，对开关量的逻辑运算、延时、计数等功能主要依靠各类控制继电器来完成。1中间继电器 中间继电器也是一种电压继电器

30、，只是无需调整动作参数。线圈接通额定电压，电磁机构即动作，线圈断电，电磁机构即复位。中间继电器的主要用途是进行电路的逻辑控制或实现触点转换与扩展，因而触点对数比较多。2时间继电器 在实际电气自动控制系统中，经常需要在某一开关信号出现后经过一段时间再发出下一开关信号。时间继电器就是一种能够实现触点延时通断的自动控制电器。时间继电器的种类有电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等。 空气阻尼式时间继电器 空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时的。它由电磁机构、延时机构和触点系统组成，分为通电延时和断电延时两种形式。图1.35为通电延时型时间继电器结构示意图。1.2.4 保护电器 保护电器的作

31、用就是在线路发生故障或者设备的工作状态超过一定的允许范围时，及时断开电路，保证人身安全，保护生产设备。 1热继电器 热继电器是根据电流通过发热元件所产生的热量，使双金属片受热弯曲而推动机构动作的一种电器。它主要用于电动机的过载、断相及电流不平衡的保护。 图1.38为热继电器的结构示意图。 2熔断器 熔断器是一种结构简单，却十分有效的保护电器。它串接在线路中，当电路严重过载或发生短路故障时熔体熔化，分断电路，起到保护其它电器的作用。 1.3 基本控制电路 机械设备的继电接触电气控制电路是由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关及电动机和其它电器组成的。用来实现对电力拖动系统的起动、换向、制动

32、及调速等运行性能的控制和对拖动系统的保护，以满足机电传动控制的需要。 1.3.1 电气控制原理图 电气设备图纸有三类。即电气控制原理图、电气设备位置图和电气设备接线图。 电气控制原理图是用各种电器符号连接起来描绘全部或部分电气设备工作原理的。在此图中用不同的图形符号来表示各种电气元件；用不同的文字符号表示各电气项目的种类代号。为了达到通用性，这些图形符号及文字符号必须采用国家颁布的标准。 现在采用的国家最新标准是GBT4728一1984，1985电气图用图形符号、GBT 71591987电气技术中的文字符号制定通则。 电气设备位置图表示各种电气设备在机械设备和电气控制柜中的实际安装位置，以便机

33、电设备的制造、安装及维修。 各电气元件的安装位置是由机械设备的结构和工作要求所决定的，如电动机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，操纵元件应放在操纵方便的地方，一般电气元件应放在电气控制柜中。 电气设备接线图表示各电气元件之间的实际接线情况，是用于安装接线、检查维修和施工的。 下面主要介绍电气原理图及其设计。 (1)电气原理图中应将电源电路、主电路、控制电路和信号电路分开绘制。 电源电路绘成水平线，电源相序L1、L2、L3由上而下排列，中性线N和保护地线PE放在相线下面； 主电路应垂直电源电路画出； 控制电路和信号电路应垂直画在上下两水平电源线间。 (2)电气控制原理图

34、中，同一电气元件的各个部件按其在电路中所起的作用，它的图形符号可以不画在一起，但代表同一元件的文字符号必须相同。 (3)电器的线圈、信号灯等耗能元件直接与下水平电源线联接。而控制触点应联接在上水平电源线与耗能元件之间。 (4)所有电器触点均按没有通电或没有外力作用的状态绘制，行程开关均按挡块碰撞前的状态绘制。 (5)为便于检修线路和方便阅读，原理图分为若干个图区并用阿拉伯数字编号，处在原理图下部。原理图中每个电路的功能用文字符号标明在上部的用途栏中。 (6)每个接触器线圈的文字符号下面有两条竖直线分成左、中、右三栏，栏中写有受其控制而动作的触点所处图区数字。左栏为主触点所处图区号，中栏为辅助动

35、合触点所处图区号，右栏为辅助动断触点所处图区号。每个继电器线圈的文字符号下有一竖直线。其左、右分为动合、动断触点所处图区号。对于备用触点用记号“x”标出。1.3.2 三相异步电动机起动控制电路 1全压起动控制电路 对于小容量笼型异步电动机或变压器允许的情况下，笼型异步电动机可采用全压直接起动。图145、146所示为两种全压直接起动控制电路，图145适于小型设备，图146适于中小型设备。 2减压起动控制电路 由于大容量笼型异步电动机的起动电流很大，会引起电网电压降低，使电动机转矩减小，甚至起动困难，而且还会影响同一供电网络中其它设备的正常工作，所以大容量异步电动机的起动电流应限制在一定的范围内，

36、不允许直接起动。 电动机能否直接起动，应根据起动次数、电网容量和电动机的容量末决定。一般规定是：起动时供电母线上的电压降落不得超过额定电压的1015，起动时变压器的短时过载不超过最大允许值，即电动机的最大容量不得超过变压器容量的2830。 常用的降压起动方法有定子绕组串电阻、Y降压、串自偶变压器等。1)定子绕组串电阻降压起动控制电路 此为用时间继电器控制串电阻降压起动的控制电路 。 当按下起动按钮SB2后，接触器KMl线圈获电吸合，KMl主触点闭合，电动机M串电阻及降压起动；与此同时，时间继电器KT线圈获电吸合，KT触点延时闭合，接触器KM2线圈获电吸合，KM2主触点闭合，起动电阻R被短接，电

37、动机全压运行，同时KM2的动断触点断开，时间继电器KT线圈断电释放。 起动电阻R可通过以下近似公式计算： 式中Lst为未串电阻前起动电流，A，一般Ist(47)IN；Ist为串联电阻后的起动电流，A，一般：Ist =(23)IN；IN为电动机的额定电流，A。 起动电阻的功率： 若是起动电阻仅在电动机的两相定子绕组中串联时，选用的起 动 电 阻 应 为 上 述 计 算 值 的15倍。2)Y降压起动控制线路 Y降压起动适用于正常工作时定子绕组作三角形联结的电动机。由于方法简便且经济，所以使用较普遍，但起动转矩只有全压起动的13，故只适用于空载或轻载起动。 合上电源开关QS后，按下起动按钮SB2，接

38、触器KMl和KM2线圈同时获电吸合，KMl和KM2主触点闭合，电动机Y联结降压起动，与此同时，时间继电器KT的线圈同时获电，KT动断触点延时断开，KM2线圈断电释放，KT动合触点延时闭合，KM3线圈获电吸合，电动机定子绕组由Y联结自动换接成联结，时间继电器KT的触点延时动作时间由电动机的容量及起动时间的快慢等决定。1.3.3 三相异步电动机正反向运行控制电路 生产机械往往要求运动部件可以向正反两个方向运行，这就要求电动机可以正反转控制。若将接至电动机三相电源进线中任意两相对调接线，即可达到反转的目的，常用的电动机正反转控制电路有以下几种。1接触器互锁正反转控制电路 采用了两个接触器，即正转用的

39、接触器KMl和反转用的接触器KM2。当接触器KMl的三对主触点接通时，三相电源的相序按L1、L2、L3接入电动机。 而当KM2的三个主触点接通时，三相电源的相序按L3、L2、L1接入电动机，电动机即反转。 电路要求接触器KMl和KM2不能同时通电，否则它们的主触点就会一起闭合，将造成L1和L3两相电源短路，为此在KMl和KM2线圈各自支路中相互串联一个动断辅助触点，以保证接触器KMl和KM2的线圈不会同时通电。KM1和KM2这两个动断辅助触点在线路中所起的作用称为互锁作用，这两个动断触点就叫互锁触点。见图a，正转控制时，按下按钮SB2，接触器KMl线圈获电吸合，KM1主触点闭合，电动机M启动正

40、转，同时KMl的自锁触点闭合，互锁触点断开。 反转控制时，必须先按停止按钮SBl，接触器KMl线圈断电释放，KMl触点复位，电动机M断电；然后按下反转按钮SB3，接触器KM2线圈获电吸合，KM2主触点闭合，电动机M起动反转，同时KM2自锁触点闭合，互锁触点断开。 这种线路的缺点是操作不方便，因为要改变电动机的转向，必须先按停止按钮SBl，再按反转按钮SB3才能使电动机反转。 图b可不按停止按钮而直接按反转按钮进行反向起动，当正转接触器发生熔焊故障时又不会发生相间短路故障。2自动往复循环控制电路 利用生产机械运动的行程来控制其自动往返的方法叫自动往复循环控制，它是通过位置开关来实现的。其控制线路

41、如图1.50所示。 合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈获电，KMl主触点闭合，电动机M正转起动，工作台向左移动；当工作台移动到一定位置时，挡铁l碰撞位置开关STl，使STl动断触点断开，接触器KMl线圈断电释放，电动机M断电；与此同时位置开关STl的动合触点闭合，接触器KM2线圈获电吸合，使电动机M反转，拖动工作台向右移动， 此时位置开关STl虽复位，但接触器KM2的自锁触点已闭合，故电动机M继续拖动工作台向右移动；当工作台向右移动到一定位置时，挡铁2碰撞位置开关ST2，ST2的动断触点断开，接触器KM2线圈断电释放，电动机M断电，同时ST2的动合触点闭合，接触器KMl线圈

42、又获电动作，电动机M又正转，拖动工作台向左移动。 如此周而复始，工作台在预定的距离内自动往复运动。 图中位置开关ST3和ST4安装在工作台往复运动的极限位置上，以防止位置开关STl和ST2失灵，工作台继续运动不停止而造成事故。 1.3.4 三相异步电动机制动控制电路 三相异步电动机从定子绕组断电到完全停转要一段时间，为适应某些生产机械工艺要求缩短辅助时间提高生产率，要求电动机能制动停转。三相异步电动机的制动方法一般有机械制动和电气制动两种。 电动机的电气制动就是让电动机产生一个与其实际转向相反的电磁转矩即制动转矩而迅速停转。电气制动常用的有能耗制动和反接制动。1. 反接制动控制电路 反接控制电

43、路如图151所示。合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈获电3吸合， KM1主触点吸合电动机起动运转，当电动机转速升高到一定数值时，速度继电器KS的动合触点闭合，为反接制动作准备。 停车时，按停止按钮SBl，接触器KMl线圈断电释放，而接触器KM2线圈获电吸合，KM2主触点闭合，串入电阻及进行反接制动，电动机产生1个反向电磁转矩(即制动转矩)，迫使电动机转速迅速下降，当转速降至100rmin以下时，速度继电器KS的动合触点断开，接触器KM2线圈断电释放，电动机断电，防止了反向起动。 由于反接制动时转子与定子旋转磁场的相对速度为n1十n，接近于两倍的同步转速，所以定子绕组中流过的

44、反接制动电流相当于全压直接起动时电流Ist的两倍。 为此，一般在10kW以上的电动机采用反接制动时，应在主电路中串接一定的电阻，以限制反接制动电流。这个电阻称为反接制动电阻，用R表示。反接制动电阻有三相对称和二相不对称两种接法。 当电源电压为380V时，若要限制反接制动电流I（1/2）Ist时，则三相电路每相应串人的反接制动电阻R的阻值估算如下： 若使反接制动电流IIst时，每相串接电阻R的阻值可取为 如果反接制动只在两相中串接电阻，该电阻值应略大些，分别取上述电阻值的15倍。反接制动电阻的功率为2能耗制动控制电路 能耗制动的方法就是在电动机脱离三相交流电源后，在定子绕组中加入一个直流电源，以

45、产生一个恒定磁场，惯性运转的转子绕组切割磁场而产生制动转矩使电动机迅速制动停转。能耗制动控制电路如图1.52所示。 起动控制时，合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KMl线圈获电吸合，KMl主触点闭合，电动机M起动运转。 停止能耗制动时，按下停止按钮SBl，接触器KMl线圈断电释放，KMl主触点断开，电动机M断电惯性运转；同时接触器KM2和时间继电器KT的线圈获电吸合，KM2主触点闭合，电动机M定子绕组通入全波整流脉动直流电进行能耗制动；能耗制动结束后，KT动断触点延时断开，接触器KM2线圈断电释放，KM2主触点断开直流电源。制动过程结束。 能耗制动所需的直流电压和直流电流可分别用下式

46、计算IDC(3.54)IoUDCIDCR 式中：IDC为直流电流，A；UDC为直流电压，V；I0为电动机空载电流，A；R为直流电压所加定子绕组两端的冷态(温度为15时)电阻，。 1.3.5 双速电动机控制电路 一般的电动机只有一种转速，但有些生产设备为了实现多级变速同时又不使机械变速机构过分复杂往往采用双速或三速电动机，最常用的是双速电动机。 图1.53所示为双速电动机控制电路，可实现电动机绕组三角形与双Y形联结及相互转换，即实现高低速变换。图a是由复合按钮实现，图b为由转换开关实现高低速转换，并用时间继电器KT作为三角形与双Y转换的控制。 当SA放在高速位置时，KT先接通低速，经延时后自动转

47、换成高速。使电动机低速后高速运行。这是较大容量双速电动机常采用的控制方式。1.3.6 其它基本控制电路 1点动控制 按下起动按钮再抬起后，电动机若连续运转，此即所谓长动。而按下按钮时电动机运转工作，手放开按钮后电动机即停止工作，称为点动。机床的试车调整及刀架、横梁、立柱的快速移动时是需要点动操作的。 长动与点动的主要区别在于控制电路能否自锁。2多点控制 较大型的设备，为了操作方便，常要求能在多个地点进行起停控制。方法是将分散在各操作按钮站的起动按钮引线并联，停止按钮引线串联即可。图1.55a为三处起停的控制电路。 对于大型设备，为了保证操作安全，要求几个操作者同时按下起动按钮后才能起动工作，如

48、：图1.55b所示。3互锁与联锁控制 互锁控制是设备控制中的重要环节。例如有两台电动机不准同时接通。如图1.56所示，KMl和KM2两接触器分别控制两台电动机M1和M2。KMl得电动作后，它的动断触点就将KM2接触器的线圈电路断开，这样就防止了KM2再得电动作。 图中的KMl和KM2的两个动断触点：通常叫做“互锁”触点。在电动机正反转控制电路中常用这种互锁，防止电源短路。这实际上也浸一种保护环节。 在设备控制电路中，经常要求电动机有顺序的起动，如某些机床主轴必须在油泵工作后才能工作；龙门刨床工作台移动时，导轨内也必须有足够的润滑油；在铣床的主轴旋转后，工作台方可移动，都要求有联锁关系。 如图1

49、.57所示，接触器KM2必须在接触器KMl工作后才能工作，即保证了油泵电机工作后主电机才能工作的要求。 1.3.7 电气保护电路 设备电气控制系统要长期的无故障的运行，还必须有各种保护措施，否则会造成电动机、电网、电气设备事故或危及人身安全。保护环节是所有电气控制系统不可缺少的组成部分。 电气控制系统中常用的保护环节有过载保护、短路保护，零压和欠压保护以及弱磁保护等、1短路保护 电动机绕组的绝缘、导线的绝缘损坏或线路发生故障时，造成短路现象，产生短路电流并引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力使电气设备损坏。因此在产生短路时，必须迅速地将电源切断。常用的短路保护电器有熔断器和自动开关。1) 熔

50、断器保护 熔断器比较适合于对动作准确度和自动化程度要求较差的系统中，如小容量的笼型电动机，一般的普通交流电源等。在发生短路时，很可能发生一相熔断器熔断，造成单相运行。 2) 自动开关保护 自动开关在发生短路时可将三相电路同时切断。由于自动开关结构复杂，操作频率低，因而广泛用于控制要求较高的场合。2过载保护 电动机长期超载运行，绕组温升超过其允许值，电机的绝缘材料就要变脆，寿命降低，严重时将使电机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护电器是热继电器，热继电器可以满足这样的要求；当电动机为额定电流时，电机为额定温升，热继电器不动作，在过载电流较大时，热继电器则经过较短时间就会

51、动作。 由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以在用热继电器作过载保护的同时，还必须设有短路保护。并且选作短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过4倍热继电器发热元件额定电流。3 零压与欠压保护 当电动机正常运行时，如果电源电压因某种原因消失，那么在电源电压恢复时，电动机就将自行起动，这就可能造成生产设备损坏，甚至造成人身事故。对电网来说，同时有许多电动机及其它用电设备自行起动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降。为了防止电压恢复时电动机自动起动的保护叫“零压保护”。 当电动机正常运行时，电源电压过分地降低将会引起一些电器释放，造成控制电路不正常

52、工作，可能产生事故；电源电压过分降低也会引起电动机转速下降甚至停转。因此需要在电源电压降到一定值以下时将电源切断，这就是“欠压保护”。 一般常用电磁式电压继电器实现欠压保护。而利用按钮的自动恢复作用和接触器的自锁作用，可不必另加设零压保护继电器，如图151中主电动机控制线路，当电源电压过低或断电时，接触器KM1释放，此时其主触点和辅助触点同时打开，使电动机电源切断并失去自锁。当电源恢复正常时，必须操作人员重新技下起动按钮SB2，才能使电动机Ml重新起动。所以像这样带有自锁环节的电路本身已兼备了零压保护环节。 4过流保护 过电流保护广泛用于直流电动机或绕线型异步电动机，对于三相笼型异步电动机，一

53、般不采用过流保护而采用短路保护。 过流往往是由于不正确的起动和过大的负载转矩引起的，一般比短路电流要小。在电动机运行中产生过电流要比发生短路电流的可能性更大，尤其是在频繁正反转起制动的重复短时工作制的电动机中更是如此。直流电动机和绕线型异步电动机线路中过电流继电器也起短路保护作用，一般过电流的动作值为起动电流的1.2倍左右。1.4 机电传动断续控制电路分析 电气控制系统是机械设备的重要组成部分，学会如何分析电气控制电路，提高读图能力，可进一步为掌握按控制要求设计控制电路打下基础。 任何一个复杂的电气控制电路都是由一些基本的电气控制环节组成的。因此分析电路时要首先将电路分解为基本电路环节，然后逐

54、一分析。 1.4.1 通用机械设备电路分析1. C6502型普通车床控制电路 车床在金属切削机床这类机械设备中所占比例最大，应用也最广泛，它能够车削外圆、内孔、端面、螺纹，并可用钻头、铰刀等刀具进行钻孔、镗孔等加工。(1) 主电路 该车床共有三台笼型三相异步电动机。Ml为主电动机，功率20kW。它可以由接触器KMl、KM2实现正、反转，并能停车制动。为限制制动电流，定子绕组中串有电阻R，并由KM3控制其是否接入。FUl熔断器为Ml短路保护，FRl热继电器为其过载保护、电流表PA用以监视其工作电流。 M2为冷却泵电动机，功率150W，由KM4接触器起动，FR2为其过载保护。M3为快速移动电动机，

55、功率1.7kW，拖动溜板箱快速移动，KM5为其起动接触器，M3因短时工作故不设过载保护。(2) 控制电路 1) 主电动机的正、反转控制 由图可知，按钮SB2、SB3分别为主电动机M1的正、反转控制按钮。按下正向起动按钮SB2，接触器KM3线圈首先得电，其主触点闭合将电阻R短接，另一常开辅助触点(827)闭合使中间继电器KA线圈得电，其常开触点(155)闭合，使得KM3在SB2松手后仍能保持通电，进而KA也保持通电。 又当SB2尚未松开时，由于KA的另一动合触点(137)已闭合，故使KMl线圈得电，其主触点闭合使主电动机M1在全压下起动。KMl的辅助触点(1315)闭合形成自锁，使得KMl在SB

56、2松手后保持通电。在KM3通电的同时，得电延时继电器KT线圈也通电，其并联在电流表PA的触点延时断开以保护电流表不受Ml电动机起动电流的冲击。 按下反向起动按钮SB3，反向起动过程与正向起动类似。 2)主电动机的点动控制 按下点动按钮SBl不松手，KMl线圈得电主触点闭合，M1主电动机定子绕组串入电阻R起动。此时由于中间继电器KA未通电，尽管KMl辅助触点(13一17)闭合，但并不能实现自锁，故当手抬开后KMl线圈随即断电，主电动机Ml停转。3) 主电动机的反接制动控制 该车床当主电动机正转或反转按下停止按钮时都能反接制动。若正转时停车，按下停止按钮SB，所有控制电器线圈断电。KMl、KM3的

57、主触点断开，这时电阻及接入限制了制动电流。 中间继电器KA的动断触点(517)闭合，由于此时速度继电器正转动合触点KSl(1723)闭合，当松开停止按钮SB时，KMl的常闭触头(2325)已闭合，KM2线圈通电吸合，将主电动机M1的电源反接，实现反接制动。当转速接近零(小于40rmin)时，KS的动合触点(1723)断开，KM2线圈断电制动结束。4) 刀架快速移动和冷却泵控制 转动刀架手柄，压下行程开关SQ，其常开触点(833)闭合，接触器KM5线圈通电吸合，电动机M3起动运转，刀架快速移动。 冷却泵电动机M2的起停分别由按钮SB5和SB4实现。 二、A186E型梳棉机控制电路 A186E型梳

58、棉机由5台电动机拖动，其中lM为清洁辊电动机，2M为吹风电动机，3M为吸风电动机，4M为锡林电动机，5M为道夫电动机。 1A186E梳棉机电气控制特点由于锡林直径大，惯性大起动时间长，为防止在起动过程中热继电器动作而不能起动，起动时不按入热继电器，当锡林升速到一定值后再接入。道夫拖动采用了双速电动机，慢速16极快速4极，实际速比约为1：4。利用馒速升头后，即可将道夫转向快速。 为了使梳出的条干更加均匀，必须防止道夫升速过快，为此，本机采用了以下两相缓冲措施：一是采用YA转换接线，以减小4极电动机的起动转矩；二是加一飞轮以使本系统有7s以上的升速时间。快转慢的时间约为12s。双速电动机与飞轮之间

59、采用电磁离合器连接，离合器仅在道夫慢速和变速的过程中通电运行，其他时间不予通电，所以停车时道夫将不受飞轮转动惯量的影响。 锡林转速达不到要求时，道夫不允许转动，锡林起动后，自停装置方可工作。 吸风清洁辊停转时，道夫随即停止转动，升头时，堵管，断条自停电路不允许工作。 正常停车时，道夫应先转慢速然后再停。 2A186E型梳棉机控制电路分析 (1)清桔辊、吸风、吹风机的起动和停止：从控制电路图中可以看出，1SBl、2SBl、3SBl和1SB2、2SB2、3SB2分别为清洁辊、吹风、吸风电动机lM、2M、3M的起动和停止按钮。它们均为单独控制。 (2)锡林起动：按动4SBl、4KM线圈得电并自锁，锡

60、林开始起动。在其起动过程中，热继电器4FR不接入，当锡林和刺辊速度大约达到正常速度的80时，离心开关KV方能动作，301303接通，1KA线圈得电使5KM线圈相继得电，4FR接入，同时4KM线圈断电，锡林起动完毕，并为道夫起动作准备。 (3)道夫起动：锡林起动后，按动5SBl，6KM线圈得电吸合，道夫电动机16极慢速启动，同时2KA得电，使电磁离合器得电，飞轮与道夫电动机连接，防止道夫升速过快产生条干不均。升头后按动6SBl，6KM线困断电，7KM、8KM、2KT线圈得电，使道夫电动机5M4极Y迎接升速，并且7KM自锁。当2KT延时到达时，8KM线圈断电，9KM线圈得电，将道夫电动机换接成4极