机床控制电路的基本环节

项目三机床控制电路的基本环节3.1

三相异步电动机基本控制线路

3.2

三相笼型异步电动机的启动控制

3.3

三相绕线式异步电动机的启动控制

3.4

三相异步电动机的调速控制

3.5

三相异步电动机的制动控制

3.1

三相异步电动机基本控制线路

3.1.1点动控制

机械设备手动控制间断工作，即按下启动按钮，电动机转动，松开按钮，电动机停转，这种控制方式称为点动。电动机的点动控制线路是最简单的控制线路，

如图3-1所示

。图中SB为启动按钮，主电路刀开关QS起隔离作用，熔断器FU起短路保护作用，接触器KM的主触点控制电动机启动、运行和停车。

图3-1

电动机的点动控制线路

3.1.2自锁控制为使机械设备长时间运转，即保持持续工作，需采用电动机的自锁控制方式。图3-2所示为电动机的自锁控制线路，也是最简单的电动机起、停控制线路。图中热继电器FR用作过载保护。

图3-2

电动机的自锁控制线路

合上电源开关QS，当按下启动按钮SB2时，接触器KM线圈通电吸合，接触器KM主触点闭合，电动机M启动运转。松开按钮SB2时，SB2自动复位，接触器KM仍可通过其动合辅助触点继续供电，从而保证电动机的连续运行。这种依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现象，称为自锁或自保持，也叫做电动机的长动控制。这个起自锁作用的辅助触点，称为自锁触点。当机械设备要求既能正常持续工作，又能点动控制时，电路必须同时具有自锁和点动的控制功能。具有自锁与点动控制功能的线路如图3-3所示。

图3-3具有自锁与点动控制功能的线路(a)点动控制一;(b)点动控制二;(c)点动控制三

3.1.3互锁控制在同一时间里两个接触器只允许一个工作的控制称为互锁控制。图3-7所示为具有互锁控制功能的线路。

图3-4

具有互锁控制功能的线路

3.1.4正反转控制

1．按钮控制的电动机正反转控制线路

图3-7所以即为按钮控制的正反转控制线路，正反转的控制靠手动操作按钮实现。主电路中接触器KM1和KM2构成正反转相序接线，图3-4控制线路中，按下正向启动按钮SB2，正向控制接触器KM1线圈得电动作，其主触点闭合，电动机正向转动，按下停止按钮SB1，电动机停转;按下反向启动按钮SB3，反向接触器KM2线圈得电动作，其主触点闭合，主电路定子绕组变正转相序为反转相序，电动机反转。图3-4控制线路中，当变换电动机转向时，必须先按下停止按钮，停止正转，再按下反向启动按钮，方可反向启动，操作不便。若主电路不变，采用图3-8中所示控制电路，利用复合按钮SB2、SB3可直接实现由正转变为反转的控制（反之亦然）。

图3-5

复合按钮控制的电动机正反转控制线路

复合按钮具有互锁功能，但工作不可靠，因为在实际使用中，由于短路或大电流的长期作用，接触器主触点会被强烈的电弧“烧焊”在一起，或者当接触器的机构失灵，使主触点不能断开，这时若另一接触器动作，将会造成电源短路故障。如果采用接触器的动断触点进行互锁，则不论什么原因，当一个接触器处于吸合状态，它的互锁动断触点必将另一接触器的线圈电路切断，

从而避免故障的发生。

2．行程开关控制的电动机正反转控制线路

行程开关控制的电动机正反转是机动控制，是由机床的运动部件在工作过程中压动行程开关，实现电动机正反转自动切换的。图3-6所示是机床工作台往返循环的控制线路。电动机的正反转可通过SB1、SB2、SB3手动控制，也可用行程开关实现机动控制。

图3-6

行程开关控制的电动机正反转控制线路

3.1.5多地控制

在大型设备上，为了操作方便，常要求多个地点进行控制操作；在某些机械设备上，为保证操作安全，需要多个条件满足，设备才能开始工作，这样的控制要求可通过在电路中串联或并联电器的动断触点和动合触点来实现。图3-7（a）所示为多地点操作控制线路。SB2、SB3、SB4的动合触点任一个闭合，可接通KM线圈；SB1、SB5、SB6的动断触点任一个打开，即可切断电路。图3-7（b）所示为多条件操作控制线路。SB4、SB5、SB6的动合触点全部闭合，才能接通KM线圈；SB1、SB2、SB3的动断触点全部打开，才可切断电路。

图3-7多地点和多条件控制线路(a)多地点控制线路;(b)多条件控制线路

3.1.6联锁控制1．顺序联锁

实际生产中，有些设备常要求电动机按一定的顺序启动或停止，如铣床工作台的进给电动机必须在主轴电动机已启动工作的条件下才能启动工作，自动加工设备必须在前一工步已完成或转换控制条件已具备，方可进入新的工步。控制设备完成这样顺序起停控制电动机的电路，称为顺序联锁控制电路，顺序联锁控制也叫条件控制。图3-8所示为两台电动机顺序启动的控制线路。

图3-8两台电动机顺序启动控制线路(a)方案一;(b)方案二

2．操作手柄和行程开关组合构成的联锁

在运动复杂的设备上，为防止不同运动之间的干涉，常用操作手柄和行程开关组合构成的联锁控制。这里以某机床工作台进给运动控制为例，说明这种联锁关系。机床工作台由一台电动机驱动，通过机械传动链传动，可完成纵向（左、右两个方向）和横向（前、后两个方向）的进给移动。工作时，工作台只允许沿一个方向进给移动，因此各方向的进给运动之间必须联锁。工作台由纵向手柄和行程开关SQ1、SQ2控制纵向进给，由横向手柄和行程开关SQ3、SQ4控制横向进给。

图3-9

工作台进给联锁控制线路

3.2

三相笼型异步电动机的启动控制

电源容量是否允许电动机在额定电压下直接启动，可根据式(3-1)判断，若不等式成立，

则可直接启动，

否则应降压启动。

（3-1）

3.2.1直接启动

1．采用开关直接启动控制线路

采用闸刀开关、转换开关或铁壳开关控制电动机直接启动和停止的控制线路如图3-10

所示。

图3-10

开关直接启动控制线路

2．采用接触器直接启动控制线路

对于容量稍大或启动频繁的电动机，接通与断开电路应采用接触器。图3-11所示是采用接触器直接启动电动机的线路。

图3-11

接触器直接启动控制线路

3.2.2定子串电阻（或电抗器）降压启动

电动机启动时在三相定子电路中串入电阻，使电动机定子绕组电压降低，限制了启动电流，待电动机转速上升到一定值时，将电阻切除，使电动机在额定电压下稳定运行。图3-12所示是定子串电阻降压启动控制线路，图中主电路由KM1、KM2两组接触器主触点构成串电阻接线和短接电阻接线。在控制电路中，由时间继电器按时间原则实现从启动状态到正常工作状态的自动切换，这种控制方式叫做时间控制原则。

图3-12

定子串电阻降压启动控制线路

这种启动方式不受电动机接线方式的限制，设备简单，常用于中、小型设备，也用于限制机床点动调整时的启动电流。但是，串电阻降压启动时，一般允许启动电流为额定电流的2～3倍，加在定子绕组上的电压为全电压的1/2，启动转矩为额定转矩的1/4，启动转矩小。因此，串电阻降压启动仅适用于对启动转矩要求不高的生产机械上。另外，由于存在启动电阻，将使控制柜体积增大，电能损耗大。对于大容量电动机，往往采用串接电抗器来实现降压启动。

3.2.3星形-三角形(Ｙ-△)降压启动

额定运行为三角形接法且容量较大的电动机可以采用星形-三角形降压启动，即电动机启动时，定子绕组按星形连接，每相绕组的电压降为三角形连接时的，启动电流为三角形接法时启动电流的1/3，在启动即将结束时再换接成三角形。图3-13所示是星形-三角形降压启动控制线路。图3-13

星形-三角形降压启动控制线路

3.2.4自耦变压器降压启动

自耦变压器按星形接线，启动时将电动机定子绕组接到自耦变压器二次侧。电动机定子绕组得到的电压即为自耦变压器的二次电压，改变自耦变压器抽头的位置可以获得不同的启动电压。在实际应用中，自耦变压器一般有65%、85%等抽头。当启动即将结束时将自耦变压器切除，额定电压（即自耦变压器的一次电压）直接加到电动机定子绕组上，电动机全压正常运行。

图3-14所示是自耦变压器降压启动控制线路。图中接触器KM1主触点闭合时，将自耦变压器接入，电动机定子绕组经自耦变压器供电实现降压启动。当时间继电器KT延时时间到时，启动过程结束，KM1线圈断电，而KM2线圈得电，其主触点闭合，将自耦变压器切除，电动机全压运行。

图3-14

自耦变压器降压启动控制线路

3.2.5延边三角形降压启动

延边三角形降压启动是一种既不增加启动设备，又能适当增加启动转矩的一种降压启动方法，它适用于定子绕组特别设计的异步电动机，这种电动机的定子绕组共有9个出线端，如图3-15所示。电动机定子绕组作延边三角形接线时，每相绕组承受的电压比三角形接法时低，又比星形接法高，介于二者之间。这样既可实现降压启动，又可提高启动转矩。实际应用中可根据启动电流和启动转矩的要求，选用不同的抽头比，但电动机定子绕组制成后抽头就不能随意变动。

图3-15延边三角形定子绕组接线(a)原始状态;(b)启动时;(c)正常运转

延边三角形降压启动控制线路如图3-16所示。启动时，按下启动按钮SB2后，KM1及KM3通电且自锁，把电动机定子绕组接成延边三角形启动，同时KT通电延时，经过一段延时后，KT动作使KM3断电，电动机接成三角形正常运转。图3-16延边三角形降压启动控制线路

3.3

三相绕线式异步电动机的启动控制

3.3.1转子绕组串电阻降压启动

转子回路串电阻启动控制是在三相转子绕组中分别串接几级电阻，并按星形方式接线。启动前，启动电阻全部接入电路限流；启动过程中，随转速升高，启动电流下降，

启动电阻逐级短接；至启动完成时，全部电阻短接，电动机全压运行。

绕线式异步电动机转子串电阻启动控制可以采用时间继电器控制，也可以采用电流继电器控制。图3-17所示是时间继电器控制的启动线路。图中转子回路中的三组启动电阻由接触器KM2、KM3、KM4在时间继电器KT1、KT2、KT3的控制下顺序被短接，

正常工作时，只有KM1和KM4两个接触器的主触点闭合。

图3-17

时间继电器控制的启动线路

图3-18所示是由电动机转子电流大小的变化来控制电阻短接的启动控制线路，这种依据电流实现自动切换的控制方式叫做电流控制原则。图中转子绕组中除串接启动电阻外，还串接有电流继电器KA2、KA3、KA4的线圈。三个电流继电器的吸合电流都一样，但是释放电流不同，KA2释放电流最大，KA3次之，KA4最小。刚启动时，启动电流很大，电流继电器全部吸合，因此全部启动电阻接入。随着电动机转速升高，电流变小，电流继电器根据释放电流的大小等级依次释放，使接触器线圈依次得电，主触点闭合，逐级短接电阻，直到全部电阻都被短接，

电动机启动完毕，进入正常运行。

图3-18

电流继电器控制的启动线路

3.3.2转子绕组串频敏变阻器启动

频敏变阻器的结构类似于只有原绕组没有副绕组的三相变压器，绕组通常接成Y形，其铁心是由30～50mm厚的铸铁片或钢板叠成。因此，频敏变阻器实际上是一个铁损很大的三相电抗器。它的阻值随着流过绕组的电流频率的变化而变化，电流频率越高，阻抗值越高。转子回路串接频敏变阻器刚启动时，转子电流频率最高，变阻器的阻抗值最大，限制了电动机的启动电流。随着电动机转速升高，转子电流频率逐渐降低，变阻器的阻抗也逐渐减少，正常转速时，其阻抗值接近于零。所以，频敏变阻器相当于无级变化的变阻器，控制线路如图3-22所示。

图3-19

转子串频敏变阻器启动线路

3.4

三相异步电动机的调速控制

3.4.1变极调速1．电动机磁极对数的产生与变化

笼型异步电动机有两种改变磁极对数的方法：一是改变定子绕组的连接，即改变定子绕组中电流流动的方向，形成不同的磁极对数；二是在定子绕组上设置具有不同磁极对数的两套互相独立的绕组。当一台电动机需要较多级数的速度输出时，也可两种方法同时采用。

双速电动机的定子绕组由两个线圈连接而成，线圈之间有导线引出，如图3-20所示。常见的定子绕组接线有两种：一种是由单星形改为双星形，即将（b）图连接方式换成（c）图连接方式；另一种是由三角形改为双星形，即将（a）图连接方式换成（c）图连接方式。当每相绕组的两个线圈串联后接入三相电源，电流流动方向及电流分布如（d）图所示，形成四极低速运行。每相定子绕组的两个线圈并联时，由中间导线端子接入三相电源，其他两端汇集一点构成双星形连接，电流流动方向及电流分布改变如（e）图所示，形成二极高速运行。两种接线方式变换使磁极对数减少一半，其转速增加一倍。单星形-双星形切换适用于拖动恒转矩性质的负载；三角形-双星形切换适用于拖动恒功率性质的负载。图3-20双速电动机定子绕组接线(a)三角形；(b)星形；(c)双星形；(d)四极接线电流图；(e)二极接线电流图

图3-21双速电动机变速控制线路(a)方案一;(b)方案二;(c)方案三

3.3.2变频调速

变频调速是通过改变电源频率从而使电动机的同步转速发生变化以达到调速的目的。变频调速是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过二极管整流成直流，再由电力电子器件逆变为频率可调的交流电源，整个变频装置称为变频器。变频器作为一种智能调速“元件”，它的功能是将频率、电压都固定的交流电变换成频率、电压都连续可调的三相交流电源。目前广泛采用的通用变频器是指能与鼠笼电动机配套使用，能适用于各种不同性质的负载并具有多种可供选择的功能的一类变频器。通用变频器是组成调速控制系统的主要部件，

如图3-22所示。

图3-22

典型调速控制系统示意图

由于把直流电逆变成交流电的环节比较容易控制，并且在电动机变频后的特性等方面比其他方法具有明显的优势，所以通用变频器采用了先把频率、电压都固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率、电压都连续可调的三相交流电，即交—直—交方式，其基本构成及工作原理如图3-23所示。

图3-23

变频器原理图

变频器由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。（1）整流器：它的作用是把三相交流电源整流成直流。（2）逆变器：作用与整流器相反，是将直流电逆变为电压和频率可变的交流电，实现交流电机变频调速。（3）控制电路：由运算电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成，均采用大规模集成电路。

3.3.3改变转差率调速

改变转差率调速的方法有改变电压和改变定子、转子参数等。转子回路串电阻调速就是通过改变电动机转差率来调速的方法之一，它只适用于绕线转子异步电动机。在一定的负载转矩下，

异步电动机的转差率与转子电阻成正比。

图3-24所示是绕线转子异步电动机转子外接三相电阻进行调速的控制线路，它由主令控制器和磁力控制盘组成，主要应用在起重设备控制线路中。图中接触器KM2用于使电动机正转；接触器KM1用于使电动机反转；接触器KM3用于接通电磁铁YA，实现制动。电动机转子回路中共串有七段电阻，即R1～R7，其中R7为常串电阻，用于软化机械特性，其余各段电阻的接入与切除分别由接触器KM4～KM9来控制。

图3-24

转子回路串电阻调速的控制线路

3.5

三相异步电动机的制动控制3.5.1机械制动

电动机切断电源之后，利用机械装置使电动机迅速停止转动的方法称为机械制动。常用的机械制动装置有电磁抱闸和电磁离合器两种，它们的制动原理基本相同。机械制动又分为断电制动和通电制动，这里仅介绍电磁抱闸断电制动。图3-25所示是电磁抱闸的外形图，电磁抱闸主要由电磁铁和闸瓦制动器组成。当电磁抱闸线圈通电时，衔铁吸合动作，克服弹簧力推动杠杆，使闸瓦松开闸轮，电动机能正常运转。反之，当电磁抱闸线圈断电时，衔铁与铁心分离，在弹簧的作用下，闸瓦与闸轮紧紧抱住，电动机被迅速制动而停转。

图3-25

电磁抱闸的外形结构图

图3-26所示为电磁抱闸断电制动的控制线路。图中YA为电磁抱闸电磁铁的线圈。按下SB2，KM线圈通电吸合，YA得电，闸瓦松开闸轮，电动机启动。按下停止按钮SB1，KM断电释放，电动机和YA同时断电，电磁抱闸在弹簧作用下，使闸瓦与闸轮紧紧抱住，电动机被迅速制动而停转。图3-26

电磁抱闸断电制动控制线路图

3.6.2电气制动1．能耗制动

能耗制动是在三相电动机停车切断三相电源的同时，将一直流电源接入定子绕组产生恒定磁场，使电动机迅速停转的一种制动方法。图3-27