电机拖动课件-电动机的电气控制

第九章电动机的电气控制电气控制线路是由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等组成的控制线路。

在我国，尽管目前采用了许多新的元器件，如晶闸管、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶闸管（GTR）等组成各种直流及交流调速系统装置用以实现对复杂的生产过程的自动控制。但由于继电器、接触器控制系统具有结构简单，安装和调整方便，投资低等优点。目前仍是应用最广泛、最基本的一种控制方式。第一节

电气控制线路的绘制原则、图形及文字符号

电气控制线路是用导线将电机、电器。仪表等电气元件联接起来，并实现某种要求的电气线路。电气控制线路应该根据简明易懂的原则，用规定的方法和符号进行绘制。根据通过电流的大小，电气控制线路可分为主电路和控制电路。主电路是流过大电流的电路，如发电机的定子和转子、接触器主触点及电源转换开关、熔断器等电路；控制电路是流过较小电流的电路。如接触器、继电器的吸引线圈以及消耗能量较少的信号电路、保护电路、联锁电路等。电气控制线路的表示方法有两种，一种是安装图：它是按照电器实际位置和实际接线线路，用规定的图形符号画出来的。这种安装图便于安装，但不能直观地表示电路的性能及工作原理，不便阅读。另一种是原理图：它是根据电气系统的工作原理而绘制的。它具有结构简单，层次分明，直观易懂，便于研究、分析电路的工作原理。在设计、现场分析故障及教学中得到了广泛的应用。绘制电气控制原理图时，应遵循以下原则：1）电气控制线路原理图中的图形符号、文字符号和回路标号必须符合最新的国家标准。这些标准有：GB4728—85《电气图用图形符号》；GB6988—87《电气制图》；GB7159——87《电气技术中的文字符号制订通则》。一些常用电气图用图形符号和电工设备文字符号见本书附录A。2）电器应是未通电时的状态；二进制元件应是置零时的状态；机械开关应是循环开始前的状态。除在生产机械起始位置上已受外力作用的触点外，其余触点符号一般画成：左开右闭或者上闭下开的形式。3）主电路、控制电路和信号电路应分别绘出。主电路的电源线路绘成水平线，主电路应垂直电源电路画出。控制和信号电路应垂直地绘在两条水平电源线之间，耗能元件（如线圈、电磁铁、信号灯等）应直接连接在接地的水平电源线上，控制触点连接在上方水平线与耗能元件之间。4）同一电器的各个部件（如接触器的线圈和触头）在图中的位置，根据便于阅读和研究的原则安排，可以不画在一起，为了表明属于同一电器的部件，均编以相同的文字符号。5）原理图上应尽可能减少线条和避免线条交叉；为了看图方便，电路应按动作顺序和信号流程自上而下和自左而右的原则绘制。6）原理图上各电路的安排应便于分析、维修和寻找故障，对功能相关的电气元件应绘在一起，使它们之间关系明确。7）原理图应标出下列数据：①各个电源电路的电压值、极性或频率及相数；②某些元器件的特性（如电阻、电容的数值等）；③不常用的电器（如位置传感器、手动触点，电磁阀或气动阀、定时器等）的操作方式和功能。其它有关的要求参见教科书第二节三相异步电动机的起动控制线路机械设备的工作装置对电动机的要求可归结为起动、调速、停止。一、全压直接起动1．用开关直接起动线路图中：QS为隔离开关（又称为刀开关），M为电动机，FU为保险丝，PE表示接地保护。由于这种起动只有主电路而没有控制电路，所以无法实现遥控和自控，仅用于小型台钻、砂轮机等设备中。

2．用接触器直接起动线路图中增加了控制电路，合上电源开关QS，按起动按钮SB2时，通过接触器KM的线圈，即可接通接触器的主触点KM，电动机起动运行，并且使接触器的辅助常开触点KM闭合，松开起动按钮SB2，电动机也不会停止转动。直到按下停止按钮SB1后，电动机才会停止转动。图中左侧的FR为热继电器的驱动元件，当电动机过载时，即可自行打开右侧的常闭触点FR，继电器KM的线圈失电，接触器的主触点断开，断开电动机的电源，电动机停止运行。由于继电器的线圈失电时将继电器在右侧的常开触点断开，若不按下起动按钮SB2，电动机不会自动恢复运转。对此电路图可作如下说明：（1）热继电器FR的各部件画在了不同的位置，以便于分析其控制关系。（2）将按钮的连线加长，即可实现远程控制。若需要增加点动控制（所谓点动，即按按钮时电动机转动工作，手放开按钮时，电动机立即停止工作），则可通过增加一个复合按钮SB3来实现，其控制电路图如下。按下起动按钮SB2时，其动作过程同前所述。按下按钮SB3时，其左侧的常开触点闭合，右侧的常闭触点断开，通过接触器KM的线圈，可接通接触器的主触点KM，电动机起动运行，但由于复合按钮SB3右侧的常闭触点断开，接触器的辅助常开触点KM并不能闭合，因而，松开按钮SB3时，接触器KM的线圈失电，电动机就停转。二、降压起动控制线路1．Y－D降压起动控制线路其工作过程如下：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，主接触器KM1和起动接触器KM3的线圈得电，同时时间继电器KT也得电（这是因为KM2在C处的触点为常闭，KT在A处的触点为延时断开的动断触点）。主触点KM1和KM3闭合，电动机绕组按星形联结降压起动，与此同时右上角的辅助触点KM1闭合并自锁，以保证松开SB2时电动机不会停机，D处的常闭辅助触点KM3断开使接触器KM2线圈回路断开，实现互锁，保证接触器KM3和KM2不会同时通电，以防电源短路。经△t延时后（△t可根据电动机起动时间要求事先整定），时间继电器的延时触点动作，其A处的动断（常闭）延时触点首先断开，并使接触器KM3线圈回路断电释放，左下角的主触点KM3断开，继而E处的动合（常开）延时触点闭合，使B处的接触器KM2线圈得电，主触点KM2闭合，定子绕组接成三角形，电动机进入正常运行。与此同时，接触器KM2在C处的辅助常闭触点KM2断开，把KM3线圈和时间继电器线圈KT从电路中断开，避免了时间继电器的线圈长期通电。

2．串电阻（或电抗）降压起动下图中KM1为起动用接触器，KM2为运行用接触器，KT为起动用时间继电器，其工作过程如下：按下SB2，继电器的线圈KM1通电，主触点KM1闭合，电动机串电阻R起动，同时时间继电器的线圈（右侧）通电，经△t延时后，时间继电器的延时闭合的动合触点闭合，线圈KM2通电，继电器的主触点KM2闭合，短接电阻R，电动机正常运行。不过该线路有个毛病，即电动机进入正常运行后，KM1和KT线圈一直通电，引起发热，并影响它们的使用寿命，这是不必要的，可作必要的改正。在KT和KM1的线圈回路中接入了KM2的常闭辅助触点。因此，接触器KM2一旦得电，其中间的两个常闭触点KM2断开，使KM1和KT线圈失电，常开触点KM2闭合并自锁，使电动机正常运行。这就解决了电动机正常运行后，KM1和KT一直通电的问题。（图中右下延时闭合的动合触点的方向画错了，其开口应向左，即触点符号一般画成：左开右闭或者上闭下开的形式）。第三节三相异步电动机的正反转控制线路要使三相交流异步电动机正反转，可借助正反向接触器改变两相定子绕组相序来实现。一、电动机正反转运行的手动控制线路当按下按钮SB1，电动机正转；按下按钮SB3，电动机反转。但这个电路有一个最大的缺点，即当正转时（或反转时）若没有先按停止按钮SB1，就按反转按钮SB3（或SB2），KM1和KM2触点就会同时闭合，造成电源相间短路事故，实际上这种控制电路是不能用的。改进的方法是在各自的线圈回路中串接对方的常闭辅助触点，构成互锁，如图的右侧部分所示，此时即使按错按钮，也不会造成短路。但是这种电路也有不方便之处，如果现在电动机正在正转，想要反转，则必须先按停止按钮SB1后，再接反转按钮SB3才能实现反转，显然操作不方便。

改进的措施是采用复合按钮SB2和SB3，就可直接实现正反转了。在图示的控制线路中，按下常开按钮SB2，则与SB2联动的右上侧常闭触点在SB2按下时断开，SB2松开时闭合，由于SB3为常闭按钮，KM1的线圈得电，电动机正向旋转，KM1右下侧的常闭触点断开，防止短路；按下SB3时，KM1的线圈失电，与SB3联动的右侧常开触点在SB3按下时闭合，KM2的线圈得电，KM2右侧常开触点闭合，电动机反转，尽管SB3松开时与其联动的右侧常开触点断开，电动机仍正常反转。若先按下SB3，电动机反转，其后再按下SB2时，与SB2联动的右上侧常闭触点在SB2按下时断开，KM2的线圈失电，KM2在中间偏下部位的常闭触点闭合，KM1的线圈得电，电动机即可转换为正向旋转。二、电动机可逆运行的自动控制线路主要用在铣床、龙门刨床、组合机床等需要刀架或工作台自动往复循环一次或多次的控制线路，实质上是用行程开关来自动实现电动机的正反转控制线路。下图中SQ1、SQ2、SQ3、SQ4为行程开关，撞块压下行程开关时，其相应的动合（常开）触点闭合，动断（常闭）触点断开。按下起动按钮SB2，接触器KM1的线圈KM1得电，KM1在中部的辅助触点闭合，主触点也闭合，电动机正向旋转，工作台前进，撞块压下SQ2，控制线路左侧的动断触点SQ2打开，使线圈KM1失电，主触点KM1断开；同时右侧的动合触点SQ2闭合，使线圈KM2得电，电动机反转，使工作台后退。后退到SQ1的位置时，撞块压下SQ1，使KM2失电，KM1又得电动作，电动机又带动工作台前进，它就这样往复循环下去，直到按下停止按钮SB1才停止循环。按下SB3的动作过程与此类似。SQ3和SQ4分别安装在SQ1和SQ2外侧的极限位置，当由于某种故障，工作台到达SQ1或SQ2位置时，未能切断KM2（或KM1），工作台继续移动到极限位置压下SQ3（或SQ4），最终把控制线路断开，使电动机停止运转，起超程保护的作用。去掉正转接触器KM1线圈回路中的行程开关SQ1的常开触点或者反转接触器KM2线圈回路中的行程开关SQ2的常开触点（右上部分，只能去掉一个），就变成只能进行往复一次自动循环的控制线路。第四节三相异步电动机的制动控制线路在前面直流电机一章中曾讲述直流电动机的电气制动方法有反接制动，能耗制动和回馈转动。本节主要讲述它们的电气控制线路。一、反接制动1．单向反接制动控制线路电动机与速度继电器KR同轴相连，电动机正常运转时，速度继电器的常开触点KR是闭合的，电动机的转速接近零及等于零时，常开触点KR（在右侧中部）被断开，即为如图所示。按下起动按钮SB2时，线圈KM1得电，电动机正转，速度继电器的常开触点KR闭合（在右侧）。按下停车按钮SB1时，线圈KM1失电，电动机脱离三相交流电源，由于惯性，电动机转子的转速仍然很高，KR常开触点仍然闭合，且与停车按钮SB1联动的常开触点闭合（在右侧），所以KM2线圈通电并自锁（闭锁就是将右侧的触点KM2闭合），使定子绕组接到变相序的电源，于是电动机进入串电阻R的反接制动状态。当电动机转子的惯性转速接近于零时，KR常开触点恢复常态，则KM2线圈失电，制动过程结束。若无速度继电器且右侧的KR为一连线的结果？2．可逆运行的反接制动控制线路下图中KRZ为速度继电器的正向触点，KRF为反向触点（可通过棘轮、超越离合器等装置实现）。若按下SB2按钮，KM1线圈得电，电动机正转，则速度继电器KRZ常闭触点断开，而KRZ常开触点闭合，为KM2线圈得电做准备。看此图应注意中间的横竖两条线为交叉，中间而并无接点。当按下停止按钮SB1而KM1线圈失电，KM2线圈便得电，定于绕组的电源改变相序，故电动机进入正向反接制动状态。由于KRZ常闭触点早已断开，于是KM2线圈的自锁通道被切断，故当电动机转子的惯性速度接近于零时，KRZ的常开触点先断开（恢复），KM2线圈失电，制动结束。

因为KRF为反向触点。若按下SB3按钮，KM2线圈得电，电动机反转，则速度继电器KRF常闭触点断开，而KRF常开触点闭合，为KM1线圈得电做准备。当按下停止按钮SB1而KM2线圈失电，KM1线圈便得电，定于绕组的电源改变相序，故电动机进入反向反接制动状态。由于KRF常闭触点早已断开，于是KM1线圈的自锁通道被切断，故当电动机转子的惯性速度接近于零时，KRF的常开触点先断开（恢复），KM1线圈失电，制动结束。该控制线路有一个问题，当停车检修时，为了调整机床，检修人员需要用手转动机床主轴，通常在挂低速档时电动机到机床主轴有较大的减速比，若用手转动机床主轴使电动机的转速达到100r/min左右时KR的常开触点有可能闭合（正向旋转时右上侧的KRZ

闭合，反向旋转时KRF闭合），从而使KM线圈得电，并使电动机突然转动，这样就有可能造成机械或人身事故。控制线路可作适当改进。

控制线路中停止按钮使用了复合按钮，在按钮的常开触点上并联了中间继电器KA1和KA2的常开触点，使KA1或KA2能自锁。这样在用手转动电动机时，虽然KR的常开触点可能闭合，但只要不按停止按钮，KM1或KM2决不会得电，电动机也就不会反接于电源，造成电动机突然起动的危险，只有操作停止按钮，通过线圈KA1或KA2，使KM1或KM2通电，制动线路才能接通（反接制动时串了电阻R）。二、能耗制动1．按时间原则控制的能耗制动控制线路图中TC为控制电路电源变压器，XB为接通的连接片，因为变压器将控制线路部分与主电路部分分隔，使用连接片，可以使控制线路部分也有接地保护。按下SB2，主触点KM1闭合，系统正常运转，同时右侧的辅助常闭触点KM1打开，以确保继电器KM2不会误动作。按下停止按钮SB1时，与其联动的右上侧常开触点SB1闭合，KM1的线圈失电，主电源停止向电动机供电，继电器KM2的线圈得电后其主触点闭合，向电动机的定子绕组输送直流电源励磁，电动机进入直流电动机的能耗制动状态，放开按钮SB1时，制动结束。能耗制动就是把转子存储的机械能转化为电能，又消耗在转子电阻上。因转子电阻不大，为限制转子电流，这种转动方式的制动力不大。上图右侧为自动控制线路按SB2，KM1得电，电动机起动并运行按SB1，KM1失电，切断交流电源，同时KM2得电，接通直流电源（励磁），此时KM2也得电，延时一段时间后KM2失电，切断直流电源，制动结束第六节电气控制线路的一般设计方法

电气控制系统的设计，一般包括确定控制方案、选择电动机容量和设计电气控制线路。电气控制系统的设计主要有一般设计法和逻辑设计法。一般设计法又叫经验设计法。它根据生产工艺要求，利用各种典型的线路环节，直接设计控制线路。通常先初步设计出几个线路，再加以比较分析，甚至通过实验加以验证，才能确定比较合理的设计方案。通常先用一些典型线路环节拼凑起来实现某些基本要求，而后根据生产工艺要求逐步完善其功能，并加上适当的联锁与保护环节。特点：设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉大量的控制线路、掌握多种典型线路的设计资料，同时具有丰富的设计经验。

逻辑设计法就是利用逻辑代数的数学工具设计电气控制线路。它是根据生产工艺要求，将控制线路中的接触器、继电器线圈的得电与失电，触点的闭合与断开，以及主令元件的接通与断开等，看成逻辑函数和逻辑变量。它们之间的逻辑关系表示为逻辑函数关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数式进行化简，然后根据化简后的逻辑表达式画出对应的电气控制线路图。逻辑设计法的一般是根据给定条件列出真值表，再写出相应的逻辑表达式，通过等效变换化简，最后依据化简了的逻辑关系式画出线路图，并进行校验、完善。与采用经验设计法相比，采用逻辑设计法所设计的控制线路较为合理，能节省元件的数量，能求得某逻辑功能的最简线路。但逻辑设计法整个设计过程较复杂，还要一些新概念。因此，一般常规的电气控制设计不用此法，而仅作为经验设计法的辅助和补充。

用一般方法设计控制线路时，应注意：1．简化电路，尽量减少电器、触点，提高可靠性应减少可要可不要的电路，减少不必要的触点，以简化线路，提高线路可靠性。如右图a）中线路，改接成图b）后，可以减少一个触点。2．尽量缩短联接导线的数量和长度设计线路时，应考虑使各元件之间的实际接线方便，即注意电气柜、操作台和限位开关之间的联接线，如右图a）的接线不合理。因为按钮在操作台上，而接触器在电气柜内，这样就需要由电气柜二次引出联接线到操作台的按钮上，所以一般都将起动按钮和停止按钮直接联接，这样就可以一次引出线，如图

b）。

3．力求控制线路节约电能控制线路工作时，除必要的电器通电外，完成使命的电器均应不通电以节约电能和延长电器的使用寿命。在右图异步电动机降压起动的控制线路中，在图a）中，电动机起动后，接触器KM1和时间继电器KT就失去了作用；当接成b）所示的线路时，可以在起动后切除KM1和KT。

4．正确联接电器线圈在交流控制线路的一条支路中不能串联两个电器的线圈，即使外加电压是两个线圈额定电压之和，也不允许的。因为每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，两个电器动作总是有先有后，不可能同时吸合，如图9－18中的交流接触器KM2若先吸合，由于KM2的磁路闭合，线圈的电感显著增加，因而在该线圈上的电压降也相应增大，从而使未吸合的另一个接触器KM1的线圈电压达不到其动作电压值而不吸合，同时线路电流增加，引起线圈被烧毁。两个电器需要同时动作时，其线圈应该并联联接。

5．避免在控制电路中出现寄生回路在控制线路的动作过程中或事故情况下，意外接通的电路叫寄生电路。如右图，在正常工作时，电路能满足各种需要的动作，但当热继电器FR动作时，线路就出现了如虚线所示的寄生回路，使正向接触器KM1不能可靠释放，起不到保护作用。

6．应具有必要的保护环节，使在误操作情况下也不致造成事故

7．应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的现象下图

a）b）中的继电器

KA1得电动作后，继电器

KA2才动作，而后继电器

KA3才能接通得电。KA3的动作要通过KA1和KA2两个继电器的动作。但图c）中的继电器KA3的动作只需KA1电器动作，而且只需经过一对触点，工作可靠。设计CW6163型普通车床的电气控制线路。1．机床传动的总体方案机床主运动和进给运动由电动机M1集中传动。主轴运动的正反向（满足螺纹加工要求）是靠两组摩擦片离合器完成。主轴的制动采用液压制动器。刀架快速移动由单独的快速电动机M3拖动。冷却泵由电动机M2拖动。进给运动的纵向（左右）运动、横向（前后）运动、以及快速移动，都集中由一个手柄操纵。先进行主电路的设计，然后再设计控制电路。

2.主电路设计由接触器KM1、KM2、KM3分别控制电动机M1、M2、M3。机床的三相电源由电源开关QS引入。主电动机M1通过热继电器FR1过载保护，不设短路保护，其短路保护可由机床前一级配电箱中的熔断器充任。冷却电动机M2通过热继电器FR2过载保护。快速移动电动机M3由于短时运行，不设过载保护。电动机M2、M3的共同设短路保护为熔断器FU1。

3．控制电路设计为操作方便，主电动机M1在床头操作板上和刀架拖板上分别设起动和停止按钮SB11、SB31及SB12、SB32进行操纵。接触器KM1与控制按钮组成自锁的起停控制线路。冷却泵电动机M2由SB2和SB4进行起停操纵，装在床头板上。快速电动机M3工作时间短，为了操作灵活，由按钮SB5与接触器KM3组成点动控制线路，由SB5操纵。4．辅助电路设计及线路完善

信号指示可设电源接通指示灯HL2（绿色），电源开关QS接通后，立即发光显示，表示机床电器线路已处于供电状态。设指示灯HL1（红色）表示主电动机是否运行。此两个指示灯由接触器KM1的常开及常闭两对触点进行切换通电显示。在操作板上设有交流电流表A，串联在电动机的主回路中，用以指示机床的工作电流。安全照明用的照明灯EL。控制线路的电源应考虑安全可靠及满足照明指示灯的要求，采用控制变压器提供交流电，控制线路127V（到电器上为110V），照明36V，指示灯6.3V。最后，根据各局部线路之间的相互关系和电器保护线路，完善后的电气控制线路。图中的编号为安装时的接线编号。

5．选择电器元件（本章第八节介绍）、制订电器元件明细表（见教材P213表9－l）、绘制电气控制线路图。

第八节

常用电器元件的选择

选择电器元件时应考虑：1）根据对控制元件性能的要求，确定电器元件类型。如当元件用于通、断功率较大的主电路时，应选交流接触器；若元件用于切换功率较小的电路（如控制电路）时，则应选中间继电器；若伴有延时要求时，则应选用时间继电器。2）根据电器控制的电压、电流及功率的大小来确定元件的规格，满足元器件的承载能力的临界值及使用寿命。3）掌握元器件预期的工作环境及供应情况。如防油、防尘、货源等。4）为了保证一定的可靠性，采用相应的降额系数，并进行一些必要的计算和校核。

1．各种按钮、开关的选用1）按钮按钮通常用来短时接通或断开小电流控制电路的开关。选择按钮应满足触点数、使用场合及颜色