第二章电器控制线路的基本原则和典型控制线路分析

第二章电器控制线路的基本原则

和基本环节主要内容1电器控制线路的绘制2三相异步电动机的起动控制3三相异步电动机的调速控制4三相异步电动机的制动控制5其它典型控制环节6电器控制线路的设计方法重庆礼品公司1第一节电器控制线路的绘制

由低压控制电器所组成的控制线路叫做电气控制线路。一、电气控制线路常用的图形、文字符号

根据GB4728-1984《电气图用图形符号》；GB6988-1987《电气制图》；GB7159-1987《电气技术的文字符号制订通则》。主电路标号由文字符号和数字组成，如：电源引入线用L1、L2、L3标号；电源开关后用U、V、W标号；用下标数字，表示哪一相、哪一接点。

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控制线路由三位或三位以下的数字组成。交流控制电路负载左侧用奇数标号，右侧用偶数标号。直流控制电路正极按奇数标号，负极按偶数标号。二、电气原理图电器原理图是根据工作原理而绘制的，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析电路工作原理等优点。绘制电器原理图应遵循以下原则：1、主电路和控制电路分开画。主电路包括从电源到电动机的电路，大电流通过的部分，用粗线条画在原理图左边。控制电路通过小电流，由按钮、触头、线圈等组成，用细线条画在原理图的右边。34、全部触头都按“平常”状态画出。5、控制电路的分支线路，按动作先后顺序排列，交叉连接点用黑点标出。绘制电器原理图应遵循以下原则（续）：2、电器元件的图形、文字符号采用国家统一标准。3、同一电器元件的各部件可以不画在一起，但需用同一文字符号标出。常见原理图有：轴坐标标注法、横坐标标注法4（一）轴坐标标注法(一)轴坐标标注法首先根据线路的繁简程度以及线路中各部分线路的性质、作用和特点，将线路分为交、直流主电路，交、直流控制电路及辅助电路等。为便于标注坐标，将线路各电器元件均按纵向画法排列，每一条纵向线路为一个线路单元，而每一个线路单元给定一个轴坐标，并用数码表示。这样每一线路单元中的各电器元件具有同一轴坐标。在选定坐标系统与给定坐标后，下一步就是标注图示坐标。为了阅读，查找方便，可在线路图下方标注“正序图示坐标”和“逆序图示坐标”。1、正序图示坐标法：以线圈为据找触头。2、逆序图示坐标法：以触头为据找线圈。5M7120平面磨床轴坐标图示电气原理图交流主电路直流控制电路交流主电路轴坐标标号由100—110直流控制电路轴坐标标号由301～312正序图示坐标一般标注在含有接触器或继电器线圈的线路单元的下方。在该线路单元的下方标注该继电器或接触器各触头分布位置所在线路单元的轴坐标号。线圈、元件触头位置热保护器常闭触电的位置正序图示坐标法：以线圈为据找触头。6交流控制电路交流辅助电路交流控制电路轴坐标标号由200～211交流辅助电路轴坐标标号由402～410接触器KM5具有五对常开触头、二对常闭触头，在线路中用上了四对常开触头、一对常闭触头，它们分别位于210、308、309、409、211号线路单元中。逆序图示坐标一般标注在各线路单元的下方，用来标注该线路单元中的触头的受控线圈所在的轴坐标号。201线路单元中含有触头SBl、SB2、FR，和KA，其中FRl触头的热元件FRi在101线路单元中，KA控制线圈在307线路单元中(对于按钮SB1、SB2因不受其它单元元件的控制，故无需标注)。触头对应元件线圈的位置7（二）横坐标标注法采用横坐标标注法，线路各电器元件均按横向画法排列。并。例如接触器KM1常开触头在主电路有三对，控制回路2支路中有一对；常闭触头在控制电路3支路中有一对。此种表示法在机床电气控制线路中普遍采用。各电器元件线圈的右侧，由上到下标明各支路的序号1，2，…，在该电器元件线圈旁标明其常开触头(标在横线上方)、常闭触头(标在横线下方)在电路中所在支路的标号8三、电气安装接线图

电气接线图是按照电器元件的实际位置和实际接线绘制的，根据电器元件布置最合理、连接导线最经济等原则来安排。它为安装电器设备、电器元件之间进行配线及检修电气故障等提供了必要的依据。

9绘制电气安装接线图应遵循以下原则：1、各电器元件用规定的图形、文字符号绘制，同一电器元件各部件必须画在一起。各电器元件的位置，应与实际安装位置一致。2、不在同一控制柜或配电屏上的电器元件的电气连接必须通过端子排进行。各电器元件的文字符号及端子排的编号应与原理图一致，并按原理图的接线进行连接。3、走向相同的多根导线可用单线表示。4、画连接导线时，应标明导线的规格、型号、根数和穿线管的尺寸。10U1V1W1119912第二节三相异步电动机的起动控制

起动主要考虑起动电流，起动转矩问题。在电网容量足够大的条件下，一般30KW以下电机允许直接起动，30KW以上电机应采用降压起动等措施。一、三相笼型电动机直接起动（一）采用刀开关直接起动控制FU13（二）采用接触器直接起动控制1.点动控制2.连续控制短路保护，过载保护，欠电压，失电压保护。自锁的概念。SB2143.既能点动又能长动控制154.三相异步电动机的正反转控制(互锁的概念)

SB316二、三相笼型电动机降压起动

降压起动适用电机轻载或空载起动。SB1SB2SB3SB3SB117（一）定子绕组串电阻降压起动控制（三相笼型电动机）KM1；KT通电定子绕组串电阻降压起动（延时）KM2通电电机正常运行KM1；KT断电。按SB218按SB2KM；KMY；KT通电电机Y形降压起动（延时）KMY断电KM通电电机形正常运行KT断电。（二）星—三角降压起动控制（三相笼型电动机）19（三）自耦变压器降压起动控制（三相笼型电动机）20三、三相绕线式异步电动机启动控制（一）转子绕组串接起动电阻控制

KA1~KA3吸合电流值相同，但释放电流值不同，KA1的释放电流最大，KA2次之，KA3的释放电流最小。控制线路设置了中间继电器KA，是为了保证转子串入全部电阻后，电动机才能起动。21第三节三相异步电动机的调速控制

三相异步电动机的转速公式：n=60f1（1-s）/p改变电动机转速有三种方法：改变频率，改变磁极对数，改变转差率。一、三相笼型电动机的变极调速控制改变定子绕组极对数的方法：1、装有一套定子绕组，改变它的联结方式，得到不同的极对数。2、定子槽里装有两套极数不一样的独立绕组。3、定子槽里装有两套极数不一样的独立绕组，而每套绕组本身又可以改变它的联结方式，得到不同的极对数。22

上述利用变更定子绕组的连接来达到改变电动机极数的原理，可以利用电流产生磁场的现象来加以说明。图(a)和图(b)表示定子一相绕组两个线圈相互串联和并联时的两种不同磁场。如果电流方向如图所示，应用右螺旋定则就可以判断磁场的方向，并且得出磁极的对数。由图上看出，定子一相绕组的两个线圈相互串联时[相当于图(a)接线]，磁场具有四个极：S、N、S、N，即两对极。当定子一相绕组的两个线圈相互并联时[相当于图(b)接线]，磁场具有两个极：S、N，即一对极。23

双速电动机三角形/双星形变换、星形/双星形变换绕组联结图。1、2、3接电源，4、5、6悬空，P=2，电机低速运行。4、5、6接电源，1、2、3短接，P=1，电机高速运行。三角形/双星形变换，适用恒功率负载，星形/双星形变换适用恒转矩负载。24上图所示的另外一种常用的双速电动机绕组改接方法是星变双星，其绕组接线如图所示。单星时每相绕组两线圈串联，电动机为四极，改接双星后每相绕组两线圈并联，电动机变为二极。25KM2KM2SC在低速KM3通电电机联结，低速运行。SC在高速KT通电KM3通电电机联结，低速运行（延时）

KM3断电，KM2通电KM1通电电机双Y联结，高速运行。KM3闭合低速运行KM1，KM2闭合高速运行26第四节三相异步电动机的制动控制

主要解决迅速停车和准确定位问题。一、机械制动（电磁抱闸制动）1.（轴抱住）起动轴松开运行停止（轴抱住）2.（轴松开）起动运行停止轴抱住延时（轴松开）二、电气制动（一）三相异步电动机反接制动控制

1.控制原理27

2.单向运行的三相异步电动机反接制动控制283.可逆运行的三相异步电动机反接制动控制按起动按钮SB2KM1通电，电机正向运行n>时KSF闭合按停钮SB1KM1断电;KA通电;KM2通电电机制动n<时KSF断电KM2断电KA断电电机停正转：KSF闭合反转：KSR闭合29（二）三相异步电动机能耗制动控制

1.控制原理2.单方向能耗制动控制线路

3.正反向能耗制动控制线路优点：制动较为平稳缺点：制动时间长，增加能耗设备，电路复杂。TC：隔离、降压R：调节直流制动电流。要求：I制动＝1.5电机额定电流30第五节其它典型控制环节一、多地点控制

两开两停或三开三停控制线路。31二、多台电动机先后顺序工作的控制1.电动机顺序起动控制线路2.电动机顺序停车控制线路电动机顺序控制的接线规律是：1)要求接触器KM1动作后接触器KM2才能动作，故将接触器KM1的常开触头串接于接触器KM2的线圈电路中。2)要求接触器KM1动作后接触器KM2不能动作，故将接触器KM1的常闭辅助触头串接于接触器KM2的线圈线路中。问题：当按SB1时，KM1停车，KM2也同时停止了。冷却水刀具32改进1：改变KM2的自锁开关位置改进2：要求停止时先停KM2，再停KM1。冷却水刀具当KM1停止后，KM2不受影响，可单独控制。33线路要求电动机M1起动T(s)后，电动机M2自动起动。可利用时间继电器的延时闭合常开触头来实现。34三、自动循环控制SQ2SQ435第六节电器控制线路中的保护环节电器控制线路中常用的保护环节有短路保护、过载保护、过电流保护、零电压保护和欠电压保护等。短路保护的常用方法是采用熔断器、低压断路器或专门的短路保护装置。在对主电路采用三相四线制或对变压器采用中性点接地的三相三线制的供电电路中，必须采用三相短路保护。若主电路容量较小，电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护；若主电路容量较大，则控制电路一定要单独设置短路保护熔断器（FU2）。一、短路保护36二、过载保护过载是指电动机在大于其额定电流的情况下运行，但过载电流超过额定电流的倍数要小些，通常在额定电流的1.5倍以内。

过载保护特性与过电流保护不同，故不能采用过电流保护方法来进行过载保护。例如，负载的临时增加而引起过载，过一段时间又转入正常工作，对电动机来说，只要过载时间内绕组不超过允许温升是允许的，不需要立即切断电源。下图为三相过载保护，和两相过载保护。37三、过电流保护

过电流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。所谓过电流是指电动机或电器元件在超过其额定电流的状态下运行。引起电动机出现过电流的原因，往往是由于不正确的启动和负载转矩过大。过电流一般比短路电流小；不超过额定电流的6倍。过电流保护可以采用过电流继电器、低压断路器、电动机保护器等过电流继电器是与接触器配合使用，实现过电流保护的。将过电流继电器线圈KI串联在被保护电路中，电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，串联在控制回路中的常闭触点KI断开，断开了接触器KM线圈的控制支路，使得接触器的主触点脱开释放，以切断电源。这种控制方法，既可用于保护，也可达到一定的自动控制目的。38四、零电压(失压)保护和欠电压保护电动机或电器元件都是在一定的额定电压下才能正常工作，电压过高、过低或者工作过程中非人为因素的突然断电，都可能造成生产机械的损坏或人身事故，因此在电器控制线路设计中，应根据要求设置失压保护、过电压保护及欠电压保护。1．零电压(失压)保护如果是采用接触器和按钮控制电动机的启动和停止，其控制电路中的自锁环节就具有失压保护的作用。如果不是采用按钮，而是用不能自动复位的手动开关、行程开关等控制接触器，必须采用专门的零压继电器。主令控制器SA置于“零位”时，零电压继电器KA吸合并自锁；当SA置于“工作位置1”时，保证了对接触器KM线圈的供电。当电源断电时，零电压继电器KA释放；当电网再接通时，必须先将主令控制器SA置于“零位”，使零电压继电器KA吸合后，才可以重新启动电动机，这样就起到了失压保护的作用。392．欠电压保护当电网电压降低时，异步电动机在欠电压下运行，在负载一定情况下，电动机的主磁通下降，电流将增加。

能够保证在电网电压降到额定电压以下，如额定电压的60％～80％时，自动切除电源，而使电动机或电器元件停止工作的保护环节称为欠电压保护。通常采用欠电压继电器来实现欠电压保护。方法是将欠电压继电器线圈跨接在电源上，其常开触点(KV)串接在接触器控制回路中。当电网电压低于欠电压继电器整定值时，欠电压继电器动作使接触器释放40第七节电气控制线路的设计方法一、电气控制线路设计的一般内容（一）拟定电气设计任务书

包括以下内容：机械设备的型号，用途，工艺过程，技术性能，传动参数，现场工作条件，用户供电电网种类，电压，频率及容量等。41（二）选择电气传动形式1．传动方式：单独拖动，分立拖动。2．调速性能：齿轮变速箱，液压调速装置（进给），多速电机，无级调速。无级调速适用于重型或大型设备，精密机械设备，自动化程度较高的设备，可选用可控硅直流调速系统和交流变频调速系统。一般中小型设备选用液压调速和齿轮箱调速。42选择电气传动形式（续）3．负载特性恒功率负载，如机床的切削运动（主运动），△/YY变换，直流电机改变励磁调速适应于恒功率负载。恒转矩负载，如机床的进给运动，Y/YY变换，直流电机调压调速适应于恒转矩负载。4．起动，制动和反向要求43（三）确定电动机的容量1．电动机容量的选择（1）分析计算法P=P1/η1η2

P1─机械传动轴上的功率η1─生产机械效率η2─电动机与生产机械之间的效率往复运动机械设备η总=η1η2在0.6~0.7；回转运动机械设备0.7~0.8544确定电动机的容量（续）（2）调查统计类比法这种方法就是对拖动电动机进行实测，分析，找出电动机容量与机械设备主要数据的关系，根据这种关系作为选择电动机容量的依据。例如：车床：P=36.5D１.54（KW），D─工件最大直径（m）摇臂钻床：P=0.064D1.19(KW)，D─最大钻孔直径（mm)镗床：P=0.004D1.7(KW)，D─镗杆直径（mm）龙门铣床：P=B1.15/166（KW），B─工作台宽度（mm）2.电机转速和结构选择根据电动机使用条件不同，选用不同类型电机，如防尘式，防爆式，防水式等。45（四）选择控制方案

继电接触器控制（固定接线控制装置），可编程控制器，数字程序控制，计算机群控系统等。（五）设计电气控制原理图。（六）选择电气元件，并制定电气元件明细表。（七）设计操作台，电气柜及非标准电气元件。（八）设计设备布置总图，电气安装图，电气接线图（九）编写电气说明书和使用操作说明书。46二、电气控制线路的经验设计法（一）经验设计法原则

最大限度地满足机械设备对电气控制线路的要求。在满足上述要求的前提下，应力求使控制线路简单，经济，安全，可靠，便于操作和维修。经验设计法就是在电气控制方案确定后，根据各电动机的控制任务不同，参照典型线路逐一分别设计局部线路，然后根据各部分的相互关系综合而成完整的控制线路。47所有条件都具备时，线圈断电。4．常闭触点并联有一个条件具备时，线圈断电。3．常闭触点串联当n个条件中，一个条件满足，线圈得电动作。2．常开触点并联1．常开触点串联当要求n个条件同时具备时，才使电器线圈动作。（二）控制线路设计规律“与”“或”“或非”“与非”48（三）控制线路设计的一般问题

1．尽量减少触点数量492．尽量减少导线数量3．除必要的电器通电外，其它应不通电4．选择可靠性高的元器件选用机械和电气寿命长，结构合理，动作可靠，抗干扰性能好的电器。操作台安装启动停止按扭，接触器放在电气柜中。控制台控制台控制台设备台设备台505．正确连接电磁式继电器的线圈6．正确连接电路的触点常开和常闭触点靠的很近，当触点断开时产生电弧，如果两触点间不等电位，可能造成弧光短路。交流电路中不允许线圈串联。+－+－51减少多个电器元件依次动作后才能接通另一个电器元件的情况。线圈KM3的接通要经过KA、KAl、KA2三对常开触头。若改为图b，则每一线圈的通电只需经过一对常开触头，工作较可靠。52应考虑电器元件触头“竞争”问题。同一继电器的常开触头和常闭触头有“先断后合”型和“先合后断”型。通电时常闭触头先断开，常开触头后闭合；断电时常开触头先断开，常闭触头后闭合，属于“先断后合”型。而“先合后断”型则相反：通电时常开触头先闭合，常闭触头后断开；断电时常闭触头先闭合，常开触头后断开。如果触头动作先后发生“竞争”的话，电路工作则不可靠。若继电器KA采用“先合后断”型，则自锁环节起作用，如果KA采用“先断后合”型，则自锁不能可靠起作用。537．避免出现寄生电路当FR动作时线路就出现了寄生电路，如图中虚线所示，使KM1不能可靠释放，起不到保护作用。548．完善的保护电路过载，短路，过流，欠流，过压，欠压，失压，互锁等保护环节，必要时还应考虑设置合闸，断路，事故，安全等指示信号。55（四）电气控制线路经验设计法举例1[例1]钻削加工刀架自动循环控制（1）全手动控制按下SB2，刀架由M控制正转向左运动，到2位置，加工完，按SB1停止，再按SB3，M反转刀架由2回到初始位置1，结束。56（2）自动循环。即刀架由位置1移动到位置2进行钻削加工后自动退回位置1，实现自动循环。加上两个行程开关SQ1、SQ257（3）无进给切削。即钻头到达位置2时不再进给，但钻头继续旋转进行无进给切削以提高工件加工精度。10秒钟后,自动退回。58（4）快速停车。停车时，要求快速停车以减少辅助工时。对于异步电机而言，最简便的方法是采用反接制动。制动时使电源反相序，制动到接近零速时电动机电源自动切除。检测接近零速的信号以直接反映控制过程的转速信号最为理想，通常采用速度继电器来实现。按下起动按钮SB2→接触器KM1通电→M正转→速度继电器正向常闭触头KSF断开，正向常开触头闭合,制动时，按下停止按钮SBl→接触器KMl断电→接触器KM2通电，进行反接制动，当转速接近零时，速度继电器正向常开触头KSF断开→接触器KM2断电，反接制动结束。当电动机转速接近零时，速度继电器的常开触头KSF断开后，常闭触头KSF不是立即闭合，因而KM2有足够的断电时间使铁心释放，自锁触头断开，不会造成电动机反向起动。电动机反转时的反接制动过程与正向的反接制动过程一样，不同的是反向转动时速度继电器反向触头KFR动作。59电气控制线路经验设计法举例２小车可做左、右自动往复运行。具体控制要求如下：(1)按下启动按钮SB2，小车首先向右运动；(2)小车的撞块碰到S1时停车，并开始延时5s；(3)延时时间到，小车自动改变运行方向，改向左运行；(4)小车的撞块碰到S2时停车，并开始延时5s；(5)延时时间到，小车再次自动改变运行方向，改向右运行；(6)依此自动往复运行，直至按下停止按钮SBl，小车停止。试用电器控制线路一般设计法设计自动往复运行控制线路。解：分析过程：(1)按上述控制要求，小车具有左、右两个运动方向，即要求其拖动电动机能实现正反转控制。(2)小车的停止，跟小车运动过程中的行程位置有关系，因此需要分别设置行程开关S1和S2，引入行程作为控制参量。60(3)小车换方向运行的启动，跟时间有关系，需要引入时间作为控制参量。通常选用时间继电器KT作为提供时间参量的器件。61存在问题：当小车正好处于两端的位置处，即S1或S2处于受压的状态，这时如果按下SBl停止按钮，只要手抬起来，SBl复位，就会使KTl或KT2的线圈重新得电而开始延时，最终使KMl或KM2线圈得电，而使小车继续运行。因此，SBl停止按钮只能在小车离开两个边端位置时按下，才可以起到停止按钮的作用。要使小车处于任何位置处，都可以被停止，需对控制线船做进一步的完善。62引人了一个中间继电器KA，来作为小车停止状态的标志继电器，即按下停止按钮SBl，KA就处于得电状态，而且KA不会由于SBl的复位而失电。将KA的常闭触点分别串人时间继电器KTl、KT2的线圈控制支路，以KA的状态作为时间继电器线圈能否得电的约束条件，这样小车即使处于两个边端位置时，按下停止按钮SBl，使KA得电并自锁，KA的常闭触点脱开，尽管S1或S2处于被压状态，常开触点闭合，但由于KA常闭触点处于断开状态，故可保证KTl或KT2线圈失电，使小车无法启动。这样无论小车处于任何位置处，都可以通过停止按钮使其停下来，弥补了上一个线路存在的缺陷。存在问题：在S1处无法启动。启动按钮增加一组常闭触点，串接于KA支路中。63（四）电气控制线路经验设计法举例

某箱体需加工两侧平面，加工的方法是将箱体夹紧在滑台上，两侧平面