第7章 继电器接触器控制

第7章继电器接触器控制7．1常用低压电器控制电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。低压电器是指额定电压等级在交流1

200

V、直流1

500

V以下的控制电器。低压电器其用途可分为以下三类。

机电控制系统中的继电器接触器控制是许多生产机械设备广泛采用的基本电气控制形式，它主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，具有控制简单、方便实用、价格低廉、易于维护、抗干扰能力强等优点。

（1）控制电器：用来控制电动机的启动、反转、调速、制动等动作，如接触器、继电器等。

（2）保护电器：用来保护电动机，使其安全运行，以及保护生产机械使其不受损坏，如熔断器、电流继电器等。

（3）执行电器：用来操作、带动生产机械和支撑与保持机械装置在固定位置上的一种元件，如电磁铁、电磁离合器等。

大多数低压电器既可作控制电器，亦可作保护电器，例如行程开关既可用来控制工作台的加、减速及行程长度，又可作为终端开关，保护工作台不致闯到导轨外面去。7.1.1开关电器开关电器是指低压电器中作为不频繁地手动接通和分断电路的开关，或作为机床电路中电源的引入开关。它包括刀开关、组合开关等。

刀开关又称闸刀开关或隔离开关，它是手控电器中最简单而使用又较广泛的一种低压电器。刀开关结构简单，手动操作，在低压控制柜中作为电源的引入开关。刀开关主要技术参数有额定电压、额定电流、通断能力、动稳定电流、热稳定电流等。

刀开关按触刀的极数可分为单极、双极和三极；按触刀的转换方向可分为单掷（HD）和双掷（HS）；按操作方式可分为直接手柄操作式和远距离连杆操纵式；按灭弧情况可分为有灭弧罩和无灭弧罩。

刀开关的结构如图7.1所示，由手柄、触刀、静插座、铰链支座和绝缘底板等组成，依靠手动来实现触刀插入插座与脱离插座的控制。1．刀开关图7.1HS11系列刀开关

常用的刀开关有HD型单投刀开关、HS型双投刀开关（刀形转换开关）、HR型熔断器式刀开关、HZ型组合开关、HK型闸刀开关、HY型倒顺开关和HH型铁壳开关等。图7.2所示为刀开关图形符号。图7.2刀开关图形符号

组合开关也是一种刀开关，不过它的刀片是转动式的，操作比较轻巧。组合开关有单级、双级和多级之分，多用在机床电气控制线路中作为电源的引入开关，也可用作不频繁地接通和断开电路、换接电源和负载以及控制5kW及以下的小容量异步电动机的正反转和星三角启动。其主要技术参数有额定电流、额定电压、允许操作频率、可控制电动机最大功率等。其外形及图形符号如图7.3和图7.4所示。2．组合开关图7.3组合开关

图7.4组合开关图形符号

隔离开关用来断开无负荷电流的电路，使所检修的设备与电源有明显的断开点，以保证检修人员的安全。隔离开关没有专门的灭弧装置，因此，不能切断负荷电流和短路电流，必须在断开电路的情况下才可以操作隔离开关。其中，熔断器式隔离器一般多由有填料熔断器和刀开关组合而成，如图7.5所示，广泛应用于开关柜或与终端电器配套的电器装置中，作为线路或用电设备的电源隔离开关及严重过载和短路保护之用。隔离开关的图形符号如图7.6所示。3．隔离开关图7.5熔断器式隔离开关图7.6隔离开关图形符号

低压断路器俗称自动空气开关，是低压配电网中的主要电器之一，可作为线路不频繁切换及电动机的不频繁启动之用，在配电网络中用来作为线路及电源设备的过载、短路、欠压和漏电保护。如图7.7和图7.8所示，分别为断路器外形图和图形符号。

断路器的特性主要有：额定电压Ue；额定电流IN；过载保护（Ir或Irth）和短路保护（Im）的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流。4．低压断路器（a）DZ20系列塑料外壳式断路器（b）DZ47系列小型断路器图7.8断路器图形符号图7.7断路器外形图

低压断路器应根据具体使用的条件选择使用类别，确定额定工作电压、额定工作电流、脱扣器整定电流和分励、欠压脱扣器的电压电流等参数，参照产品样本提供的保护特性曲线选用保护特性，并须对短路特性和灵敏系数进行校验。

主令电器用来闭合或断开控制电路，以发布命令或用作程序控制，它主要有控制按钮、行程开关、转换开关和主令控制器等。7.1.2主令电器

控制按钮是一种接通或分断小电流电路的主令电器，主要用于远距离控制接触器、电磁起动器、继电器线圈及其他控制线路，也可用于电气联锁线路等，其结构简单、应用广泛。控制按钮结构如图7.9所示，由按钮帽、复位弹簧、桥式动触头、桥式静触头和外壳等组成。常用的控制按钮有LA18、LA19、LA20、LAY3系列等。图7.10所示为控制按钮的图形符号。图7.9按钮结构及外形图1．控制按钮图7.10按钮图形符号

行程开关将机械信号转变为电气信号，用来控制其运动机械的运动方向、速度或行程长短的主令电器称为行程开关，如图7.11所示。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式和微动式三种。常用的行程开关型号有LX19、JLXK1、X2、LXW—11和JXP1系列等。图7.12所示为行程开关图形符号。2．行程开关图7.11JXP1系列行程开关

7.12行程开关图形符号

转换开关是由多组相同结构的开关元件叠装而成，用以控制多回路的一种主令电器。转换开关具有多触点、多位置、体积小、性能可靠、操作方便、安装灵活等优点，不仅可以作为线路中电源的引入开关，起着隔离电源作用，也可作为直接控制小容量异步电动机不频繁起动和停止的控制开关。3．转换开关

如图7.13和7.14所示，分别为LW5系列万能转换开关及万能转换开关图形符号。图7.14中显示了开关的档位、触头数目及接通状态，表中用“×”表示触点接通，否则为断开，图中虚线表示操作手柄的位置，用有无“.”表示触点的闭合和打开状态，当触点图形符号下方的虚线位置上有“．”，说明当操作手柄处于该位置时，该触点是处于闭合状态；若无“.”时，则表示该触点是处于打开状态。图7.13LW5系列万能转换开关图7.14万能转换开关图形符号

主令控制器是用来较为频繁地切换复杂的多回路控制电路的主令电器，多用于电气传动装置中，按一定顺序分合触头，达到发布命令或其他控制线路联锁、转换的目的。广泛用于各类起重机械的拖动电动机的控制系统中。

图7.15所示为凸轮非调整式主令控制器和凸轮调整式主令控制器。常用的主令控制器主要有LK4、LK14、LK15、LK16、QS、XLKT8等系列产品。

熔断器是一种利用物质过热熔化的性质制作的保护电器。主要由熔体和安装熔体的熔管或熔座两部分组成，如图7.16所示。常用熔断器包括RC1A系列瓷插式熔断器、RM10系列熔断器、RT12和RT14、RT0系列有填料封闭管式熔断器、RL6系列螺旋式熔断器及RLS2系列螺旋式快速熔断器等。4．主令控制器7.1.3熔断器

图7.15主令控制器图

7.16RT0系列有填料封闭管式熔断器

熔断器熔体材料主要为铅锡合金丝、铜丝和变截面紫铜片等，而某些快速熔断器的熔体为银丝，以实现对小容量的硅整流元件和晶闸管的短路保护。熔体具有反时限保护特性，图7.17所示为电流与熔断时间的关系曲线，称为安秒特性。图7.18为熔断器图形符号。

图7.17熔体安秒特性图7.18熔断器图形符号

接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器，如图7.19所示。常用的交流接触器有NDC2系列接触器、NDC3系列接触器、CJ10系列交流接触器、CJ20系列交流接触器等。7．1.4交流接触器（a）NCD1、NCD2系列接触器

（b）CJ20系列接触器图7.19接触器

电磁式接触器的结构如图7.20所示，包括电磁机构、主触头及灭弧系统、辅助触头、反力装置、支架和底座几部分。其工作原理如下，当接触器电磁机构的线圈通电后，在铁心中产生磁通，在衔铁气隙处产生吸力，使衔铁产生闭合动作，主触头及辅助触头在衔铁的带动下也闭合，主触头接通电路，辅助触头常开触头闭合，常闭触头打开，利用辅助触头可以构成控制回路。

当线圈断电或电压显著降低时，铁芯中的磁通消失或减小，使得衔铁吸力消失或减弱，并在释放弹簧作用下，主触头断开，辅助触头常开断开，常闭触头打开，继电器恢复到初始状态。接触器图形符号如图7.21所示。图7.20电磁式接触器的结构图7.21接触器图形符号

继电器是一种当输入量变化到某一定值时，其触头（或电路）即接通或分断交直流小容量控制回路的自动控制电器，包括电磁继电器、时间继电器、热继电器、速度继电器等。7.1.5继电器1．电磁继电器

电磁继电器的结构和原理与接触器基本相同，但是接触器的输入量只有电压，而继电器的输入可以是各种物理量，并控制各种电磁线圈，以及信号放大或传递给控制元件。

常用的继电器有JZ7系列中间继电器、JZC1系列接触式继电器、MY4N系列中间继电器等。图7.22和图7.23分别为电磁继电器外观及电磁继电器图形符号，针对信号的不同，给出了过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器及普通中间继电器的线圈及触点的图形符号。图7.22电磁继电器图7.23电磁继电器图形符号

继电器的输入—输出特性称为继电器的继电特性。继电器的参数包括额定参数、时间特性（包括动作时间和返回时间）、触点的开闭能力、灵敏度即能被吸动时所必须具有的最小功率、返回系数和整定值等。表7.1为JZ7系列中间继电器的主要技术参数。表7.1 JZ7系列中间继电器的主要技术参数

时间继电器是接受信号后，经过设定时间延时执行元件动作的继电器。可分为电气式和机械式两大类，延时类型包括通电延时型和断电延时性。常用的时间继电器有JS11S、DH48S、JS10、JS11、JS17系列时间继电器。电子式时间继电器采用集成电路和LED取代了电动式时间继电器的电动机和机械传动系统，工作稳定、可靠，精度高。图7.24和图7.25为时间继电器及型号说明。图7.24电子式时间继电器图

7.25JS11S时间继电器型号说明2．时间继电器

时间继电器的文字符号通常用KT表示，其图形符号如图7.26所示。图7.26时间继电器图形符号

热继电器通常用在电路中对三相交流电动机的进行过载及断相保护。常用的型号有JRS1、JRS2、JR29、JR20系列热继电器。图7.27、7.28所示为JR29热继电器外形及动作范围曲线图。从图中可以看到，当热继电器三极通电时，电流达到整定电流倍数越高，动作时间越短。图7.27JR29热继电器

图7.28JR29热继电器动作范围曲线3．热继电器热继电器的图形符号如图7.29所示。图7.29热继电器图形符号

速度继电器又叫反接制动继电器，主要用于三相异步电动机反接制动的控制电路中，在电机转速接近零时立即发出信号，从而切断电动机电源使电动机停止运行。常用的速度继电器有JY1型和JFZ0型，如图7.30所示，图形符号如图7.31所示。4．速度继电器图7.30速度继电器

图7.31速度继电器图形符号7.2电气原理图的画法规则7.2.1电气控制系统图中的图形符号和文字符号

在绘制电气线路图时，电气元件的图形符号和文字符号必须符合国家标准的规定。表7.2、7.3、7.4是符合国家标准GB/T4728-2005的常用电气图形符号、常用电气文字符号和常用辅助文字符号。表7.2 常用电气图形符号优选形其他形表7.2 常用电气图形符号（续1）表7.2 常用电气图形符号（续2）优选形其他形表7.2 常用电气图形符号（续3）优选形其他形表7.2 常用电气图形符号（续4）表7.2 常用电气图形符号（续5）表7.3 常用电气文字符号表7.4 常用辅助文字符号7.2.2电气原理图原理图一般分为电源电路、主电路和辅助电路。主电路是电气控制线路中强电流通过的部分，是由电机及热继电器的热元件、接触器的主触点等电器元件组成的线路，主电路流过电动机的工作电流，电流较大。辅助电路一般由主令电器触头、接触器线圈和辅助触头、继电器线圈及触头、指示灯等组成，包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路，辅助电路电流较小。绘制电气原理图应遵循以下原则。（1）电源电路画成水平线，三相交流电源相序L1、L2、L3由上而下排列，中线N和保护地线PE画在相线之下。直流电源则正端在上，负端在下画出。（2）所有电机、电器等元件的图形符号和文字符号应采用国家统一规定的符号；（3）电路图中，各电器的触头位置按照自然状态画出，即按电路未通电、电器未受外力作用时的常态位置画出。（4）主电路用粗实线绘制在图面的左侧或上方，辅助电路用细实线绘制在图面的右侧或下方。（5）在原理图中，同一电器元件的各个部分（如线圈、触点）按其在线路中所起的作用分别画在不同的电路中，为了表示动作相互关联的同一电器元件，要在电器元件的不同部分使用同一文字符号来标明。（6）原理图上应尽可能减少线条和避免线条交叉，如有直接电气连接的交叉点，要用小黑圆点表示。（7）电路图采用电路编号法，对电路中的各个接点用字母或数字编号。主电路从电源开关的出线端开始，按从上到下，从左到右的顺序，每经过一个电器元件，编号依次增加。辅助电路按“等电位”原则编号，从上到下、从左到右，每经过一个电器元件后，编号依次递增。7.2.3电气元件布置图

电气元件布置图，如图7.33所示，主要是表明机械设备上所有电气设备和电器元件的实际位置，是电气设备制造、安装和维修必不可少的技术文件。图7.32三相异步电机正反转控制电气原理图图7.33电气元件布置图7.2.4电气安装接线图

接线图主要用于电气设备安装接线、线路检查、线路维修和故障处理。接线图不仅要明确设备控制系统各单元和各元器件间的接线关系，而且要明确接线端子号、连接导线参数等。电气安装接线图如图7.34所示。绘制电气安装接线图时应注意以下原则。（1）电器元件布置合理、连接导线最经济。（2）各电器元件符号采用国家统一规定的符号。（3）与原理图绘制不同，电气安装接线图中同一电器元件的各部件必须画在一起，且元件位置、接线位置与实际一致。（4）画连接导线时，应标明导线的规格、型号、根数、穿线管径等，相同走向的多根导线可采用单线表示。（5）不在同一控制柜或安装板上的元件之间的电气连接应采用端子板连接，并注意编号的统一。图7.34电气安装接线图7.3.1启动、自锁与停止控制电路7.3基本控制电路

对于工业、农业、运输等行业各类生产设备，虽然控制要求不同，控制难易程度不同，但无论何种控制电路，均由基本控制电路组合而成，包括点动控制、连续控制、自锁控制、互锁控制、多点控制和顺序控制等。

由于接触器、继电器自身没有机械自锁，线圈一旦失电，触点即回复（恢复）初始状态，因此，需要自锁电路实现接触器、继电器状态的保持。常用的启动、自锁与停止电路如图7.35所示，按下启动按钮SB2，由于停止按钮SB1的常闭触点闭合，因此，接触器KM的线圈得电，与启动按钮SB2并联的接触器常开触点KM闭合，此时，即使放开按下启动按钮SB1，由于触点KM已经闭合，则线圈KM保持得电，并维持吸合状态。7.3.2连续工作与点动控制

接触器（或继电器）利用其辅助触点来维持线圈的得电状态，称为自锁或自保。这个触点称为自锁或自保触点。

当按下停止按钮SB1，由于SB1常闭触点断开，KM线圈失电，KM自保触点断开，由于启动按钮SB2未按下，SB2触点断开，因此，放开停止按钮SB1后，KM线圈保持失电状态。

点动控制是指操作者按下起动按钮后，接触器线圈得电，放开起动按钮，接触器线圈失电，如果接触器的主触点控制电动机，则点一下，电机动一下，如果不点则不动。

连续工作控制，也叫长动控制，采用如图7.35启动、自锁与停止控制电路。与点动控制不同的是，用手按下按钮接触器线圈得电，放开起动按钮，接触器线圈保持得电状态，如果接触器的主触点控制电动机，则点一下起动按钮，电动机得电运行，当手松开后，由于接触器常开辅助触头自锁，电动机照样得电运行，只有按下停止按钮后电动机才会失电停止运行。图7.36所示为点动控制、长动控制及点动、长动混合线路。点动控制与长动控制的区别是控制电路中控制电器通电后能否自锁，及是否有自锁触点。图7.36（a）是最基本的点动控制线路。图7.36（b）为长动控制电路，与图7.35不同，线路（b）采用中间继电器KA实现点动与长动的控制。图7.36（c）和（d）为点动长动混合控制，图7.36（c）通过手动开关Q进行长动与点动控制，图7.36（d）通过不同的按钮分别实现点动和长动，但是此种点动运行要求SB3常闭触点的闭合要滞后于KM常开触点的断开，因此，点动运行动作不够可靠。7.3.3多点控制

多点控制电路也叫多地点控制电路，该电路中设置多套起动和停止按钮，并安装于设备的多个位置，使得无论操作哪个起动按钮，均可实现电动机的起动，操作任何图7.36点动控制、长动控制线路（a）点动控制（b）长动控制（c）点动长动混合控制（d）点动长动混合控制7.3.4联锁控制一个停止按钮，均可使电动机停止运行。如图7.37所示，多点控制电路具有如下特点，停止与起动按钮成对出现，且起动按钮的常开触点并联，停止按钮的常闭触点串联。要想增加新的控制地点，只要并接常开控制按钮和串接常闭控制按钮即可。联锁控制也叫互锁控制，是通过继电器的触点，制约有相互联系动作的电路，以实现保护电器和操作者的目的。如图7.38所示，图中有三种联锁方式，第一种联锁方式如图7.38（a）所示，是将按钮的常开常闭触点分别串入KM1、KM2的控制电路中，以实现按下SB1按钮时，SB1常开触点闭合，KM1得电，同时SB2的常闭触点断开，使得KM2线圈电路断开，同样，按下SB2，KM2线圈得电，KM1线圈失电，从而确保KM1、KM2线圈只能有一个线圈得电，这种电路通过按钮的触点实现互锁的电路也叫机械联锁控制。图7.37多点控制第二种联锁方式如图7.38（b）所示，是通过两个接触器的常闭触点分别串入对方的控制电路中，实现一个接触器线圈得电时，而另一个接触器线圈不可能得电，例如图中KM2与KM1的互锁控制，这种控制方式也叫电气联锁。第三种联锁方式如图7.38（c）所示，既包含机械联锁也包含电气联锁方式。比较这三种联锁控制方式，图7.38（a）中，假如KM2线圈处于得电状态，按下SB1，则KM1得电，而KM2仅通过SB1的常闭触点断开，线路不能保证KM2失电后KM1才能得电；图7.38（b）中，假如KM2线圈处于得电状态，只有先按下SB3，使得KM2失电后，再按下SB1，接触器KM1线圈才能得电；图7.38（c）既包括机械联锁也包括电器联锁，假如KM2线圈处于得电状态，按下SB1，SB1的常闭触点断开，使得KM2线圈失电，当KM2失电后，KM2常闭触点闭合，KM1线圈才得电。图7.38联锁控制电路7.3.5顺序启动控制图7.39顺序启动控制电路

当控制设备对起动顺序有要求时，需要通过电气线路进行控制。图7.39所示为最简单的两个电器顺序起动控制基本电路。只有KM1得电，即KM1控制的设备起动，KM1常开触点闭合，KM2接触器线圈才可能得电，KM2控制的设备才能起动。7.4异步电动机的控制7.4.1异步电动机的启动电路

异步电动机具有结构简单，运行可靠，坚固耐用，价格便宜，维修方便等一系列优点，在企业生产设备中广泛引用，三相异步电动机的继电器控制通常包括启动控制、正反转控制、制动及调速控制等。

在供电变压器容量足够大时，小容量三相异步电动机可以直接启动，而当异步电动机功率大于7.5kW时，通常会采用降压启动的方式。1．采用接触器直接启动采用接触器直接启动的方式如图7.40所示，图中实现了对电动机的连续控制。对电动机实现点动控制和连续控制如图7.36所示。图7.40电动机连续运行控制线路

其中应注意，为了保护电动机，线路中设置了相应的保护环节。（1）短路保护

通过短路时熔断器FU熔芯熔断从而切断电路电源实现保护。（2）过载及缺相保护

通过热继电器实现长期过载及缺相保护。（3）欠压、失压保护

通过接触器KM的自锁触点来实现，当电源电压由于某种原因而严重欠压或失压时，接触器线圈失电，电动机停止，而当电源电压恢复正常时，电动机保持停止状态，直到操作者按下启动按钮才恢复正常运行。

由于具有欠压失压保护，使得线路具有了以下优点：①防止电压严重下降时电动机在重负载情况下的低压运行；②避免电动机同时起动而造成电压的严重下降；③防止电源电压恢复时，电动机突然起动运转，造成设备和人身事故。2．三相异步电动机降压启动三相异步电动机降压降压启动的方法有定子绕组串电阻或串电抗器启动、自耦变压器降压启动、星—三角形启动等。（1）定子绕组串电阻降压启动在电动机起动过程中，常在三相定子电路中串接电阻（电抗）来降低定子绕组上的电压，从而限制起动电流。如图7.41所示，闭合电源开关QS1、QS2，按起动按钮SB2，接触器KM1得电并自锁，电动机定子串电阻启动，同时时间继电器KT线圈得电，开始延时，延时时间到，KT时间继电器延时常开触点闭合，KM2线圈得电，KM2主触点闭合，将启动电阻R切除，电动机启动结束，电动机在额定电压下正常运行。

（2）自耦变压器降压启动在自耦变压器降压起动的控制线路中，限制电动机起动电流是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。自耦变压器降压启动方法控制线路对电网的电流冲击小，损耗功率小，但自耦变压器价格较高，因此，主要用于较大容量电动机的启动。图7.41定子串电阻降压起动控制线路图7.42电动机定子绕组串自耦变压器启动启动时电动机接到自耦变压器二次侧，定子绕组电压为自耦变压器二次电压。启动完毕后，自耦变压器切除，电动机在额定电压下正常运行。其自动控制线路如图7.42所示。（3）星—三角启动星—三角启动时，起动机绕组接成星型，则加在电动机每相绕组上的电压为额定电压的，从而减小了启动电流。经过设定时间后，电动机启动绕组切换成三角型，电动机恢复在额定电压下运行。该线路结构简单，但启动转矩随电压下降而下降为三角型连接时转矩的1/3。星—三角型启动控制电路如图7.43所示。（4）转子串电阻启动绕线式异步电动机转子回路可以通过串入三相对称电阻启动，以限制启动电流并增大电动机的启动转矩。对于绕线式异步电动机采用逐级切除启动电阻的转子串电阻分级启动方法可使电机在整个启动过程中获得较大的启动转矩。图7.44所示为通过延时继电器实现电阻分级切除的控制线路。（5）软启动传统的启动方式虽然能减小启动电流，但是在大电机启动瞬间及电压切换瞬间依然存在瞬时大电流冲击。而对于类似离心机设备，启动电流大、启动转矩大、启动时间长，传图7.43电动机星-三角启动控制线路图7.44绕线式异步电动机串电阻启动控制线路统的启动方式在降低启动电流的同时启动转矩也将降低，启动时间延长，不能满足工艺要求，同时启动设备接触器触点带载切换容易拉弧损坏，设备维护量大。随着电力电子技术的发展，一种新型的电机启动设备——软启动器（固态软启动器）以其优良的启动、保护性能得到了广泛的应用，并将成为传统启动设备的替代产品。图7.45所示为电机软启动（softstart）控制框图，主电路由六只反并联晶闸管组成，通过控制电路控制触发脉冲的触发角，从而控制晶闸管的导通角，控制软启动器输出电压，使电动机的启动电流按要求的规律变化。图7.46为西门子SIKOSTART3RW34软启动器方框图。异步电动机软启动的启动方式包括斜坡电压软启动、恒流软启动、脉冲恒流软启动、斜坡恒流软启动等，软启动与前面介绍的降压启动、转子串电阻启动等相比有以下优点：（1）启动电流小，对电网无冲击电流，减小负载的机械冲击；（2）启动电压及其上升斜率、启动时间可根据负载进行调节，实现电机平稳启动；图7.45电动机软启动控制框图（3）可实现电动机软停车、软制动以及短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护等；（4）电动机轻载或空载时，输出电压能随负载而变化，实现节能运行。而软启动的缺点则是：（1）启动过程中的谐波对电网产生影响；（2）当重载或满负荷运转时，启动转矩大于额定转矩60%的拖动系统，启动电流大，软启动器容量大，成本高。图7.46西门子SIKOSTART3RW34软启动器方框图（3）可实现电动机软停车、软制动以及短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护等；（4）电动机轻载或空载时，输出电压能随负载而变化，实现节能运行。而软启动的缺点则是：（1）启动过程中的谐波对电网产生影响；（2）当重载或满负荷运转时，启动转矩大于额定转矩60%的拖动系统，启动电流大，软启动器容量大，成本高。另外，变频器同样具有优良的软启动性能，采用调频调压方式，可实现无过流软启动，可在限流的同时得到较大的启动转矩，适用于各种类型负载的启动，并具有软停车、调速、保护等功能，但是变频器的成本比软启动器高，随着电力电子技术的发展，价格的下降，变频器将拥有非常广阔的前景。7.4.2异步电动机的正反转控制电路在实际生产中，常常要求生产机械改变运动方向，如工作台前进、后退，电梯上升、下降等，因此，要求控制异步电动机正转和反转，即电动机可逆运行。电动机可逆运行控7.4.3异步电动机的制动电路制线路，实质上是两个方向相反的单向运行电路的组合。如图7.47所示，图7.47（a）、图7.47（b）分别为“正—停—反”手动控制电路和与“正—反—停”手动控制电路。当电动机的电磁转矩T的方向与转速的方向相反时，电动机处于制动状态。其目的是使电动机转速从某一稳定转速迅速降为零（停车）或使电动机产生制动转矩与负载转矩相平衡，使电动机的下降转速保持恒定。三相异步电动机的制动方法有机械制动和电气制动。电气制动包括能耗制动、反接制动、回馈制动三种。1．异步电动机反接制动控制异步电动机反接制动是利用改变电动机电源相序，使定子绕组产生的旋转磁场与转子旋转方向相反，从而产生制动转矩。反接制动应注意，当电动机转速接近零时，须立即切断电源，否则电动机会继续反转；另外，反接制动时，电动图7.47异步电动机正反转控制线路（a）正、停、反控制电路（b）正、反、停电路机转子输入机械功率而转换成的电功率和从电源输入的电功率都消耗在转子电路的电阻上，此时反接制动电流相当于全电压直接启动时电流的2倍，因此，电机转子回路必须串入较大电阻R，以限制制动电流，防止电机转子绕组因电流过大而过热烧毁。定子电路串接限流电阻的方式有对称电阻接法和不对称电阻接法，如图7.48所示。（1）异步电动机单向运行反接制动异步电动机单向运行反接制动线路如图7.49所示，采用与电动机同轴相连的速度继电器进行控制，当速度低于100r/min时，速度继电器触点复位，在速度达到120～3000r/min时，速度继电器触点动作。（2）异步电动机可逆运行反接制动电动机可逆运行时反接制动控制线路如图7.50所示。图7.50（a）中KS-Z和KS-F为速度继电器的两组常开触点，正转时KS-Z闭合，反转时KS-F闭合。按下按钮SB2，接触器KM1得电并自锁，KM1主触点闭合，电动机正向运行，速度继电器触点KS-Z常开触点闭合、常闭触点断开，为反接制动做（a）对称电阻接法

（b）不对称电阻接法图7.48三相异步电动机反接制动电阻接法图7.49异步电动机单向运行反接制动线路准备，按下停止按钮SB1，接触器KM1失电，KM1常开触点断开，常闭触点闭合，由于惯性转子转速依然较高，速度继电器触点KS-Z常开触点闭合、常闭触点断开，接触器KM2得电，KM2主触点闭合，电动机进入反接制动状态。当转速接近于零时，KS-Z常开触点断开，然后常闭触点闭合，接触器KM2线圈失电，制动过程结束。同理，电动机反转时，通过速度继电器KS-F触点可实现电动机反接制动。实际工作中异步电动机可逆运行反接制动控制线路采用图7.50（b）线路，这是因为图（a）线路存在安全隐患，当停车检修时，如果人为转动电动机转子，只要电动机转速大于100r/min，则速度继电器触点KS-Z或KS-F可能闭合，使得KM1或KM2接触器线圈得电，KM1或KM2主触点闭合，电动机电源接入，电动机异常起动，引起事故。图7.50（b）线路增加正转按钮SB2、和反转按钮SB3的触点的机械联锁，可实现正反转的直接切换。同时，通过增加中间继电器KA，利用KA常开触点使得设备在未启动时，速度继电器触点KS-Z或KS-F的闭合不会造成接触器KM1和KM2意外得电，从而确保设备的安全。图7.50异步电动机可逆运行时反接制动控制线路2．异步电动机能耗制动控制异步电动机能耗制动时在切断定子绕组交流电源后，在定子绕组任意两相通入直流电流，形成一个固定磁场，利用转子感应电流与静止磁场的作用产生制动转矩，从而实现制动。制动结束必须及时切除直流电源。异步电动机能耗制动有电动机单向运行能耗制动和电动机可逆运行能耗制动控制，有采用时间继电器控制和采用速度继电器控制不同的形式。其中采用速度继电器控制的单向能耗制动控制线路如图7.51所示。按下启动按钮SB2，接触器KM1得电自锁，电动机运行。按下停止按钮SB1，接触器KM1线圈失电，KM1主触点断开，切断电动机三相交流电源。此时，由于惯性，电动机转子的速度依然很高，速度继电器KS常开触点闭合，接触器KM2线圈得电，KM2主触点闭合，接通整流装置，电动机定子绕组接入直流电源，开始能耗制动。当电动机转子转速接近于零时，速度继电器KS常开触点断开，接触器KM2失电，KM2常开触点断开，切除直流电源，能耗制动结束。图7.51按速度原则控制的单向能耗制动控制线路3．电磁抱闸制动控制线路电磁抱闸制动是机械制动，通过电磁制动闸紧紧抱紧与电动机同轴的制动轮来实现制动。电磁抱闸制动又分为断电电磁抱闸制动和通电电磁抱闸制动。图7.52为断电电磁抱闸制动控制线路。如图7.52所示，按下停止按钮SB2，则KM1和KM2失电，电动机电源切除，电磁铁电源切除，在弹簧作用下，制动闸压紧制动轮，从而使电动机迅速停车。7.4.4双速异步电动机的调速控制由异步电动机转速公式可知，当转差率s及电动机电源频率f1不变时，改变异步电动机的定子绕组的极对数p可以改变电动机的同步转速及在一定负载下的稳定运行转速。变极调速只适用于鼠笼式异步电动机，须采用专用变速电动机。三相鼠笼式异步电动机定子绕组极对数的改变是通过改变绕组的接线方式实现的。以单相绕组为例，如图7.53（a）所示，A相定子绕组的两个线圈头尾相连（正向串联）时，由右手定则可判断，具有四个磁极，即；如图7.53（b）所示，将两个线圈尾尾相接，即将两个线圈反向串联，再通入电流时，定子绕组具有两个磁极，即；如图7.53（c）所示，将两个线圈首尾相接，即两个线圈反向并联，再通入电流时，定子绕组也具有两个磁极，即。由此可见，三相鼠笼式异步电动机的定子绕组，若把每相绕组中一半线圈的电流改变方向，即半相绕组反向，则可成倍地改变定子极对数，同时成倍改变同步转速，实现电动机的调速。在进行变极调速时，为了保证改变定子绕组接线方式后电动机的转向不变，还须改变定子绕组（或电源）的相序。双速电动机三相定子绕组接线示意图如图7.54所示，图7.54（a）变更电动机定子绕组△/YY接线，△接线电动机四极，转速较低；YY接线电机两极，转速较高。图7.54（b）变更电动机定子绕组Y/YY接线，Y接线电动机四极，转速较低；YY接线电机两极，转速较高。图7.52断电电磁抱闸制动控制线路图7.53定子绕组变极原理图图7.54双速电动机定子绕组接线示意图（a）△/YY变换

（b）Y/YY变换双速异步电动机调速控制线路如图7.55所示。双投开关打向低速，接触器KM3得电，电动机Δ运行；双投开关打向高速，接触器KM3得电，电动机Δ低速运行，时间继电器KT开始延时，延时时间到，则KT延时闭合常开触点闭合，延时断开常闭触点断开，使得KM3失电后，KM2得电，KM2常开触点闭合，KM1得电，电动机YY连接，高速运行。图7.55双速电动机调速控制线路7.5异步电动机的调速7.5.1电气调速概述随着电力电子技术、计算机技术、微电子技术、自动控制技术的发展，交流电动机的调速也取得了很大的进展，尤其是变频调速的发展，使得三相异步电动机调速在许多领域得以广泛的应用。电气调速是指在电力拖动系统中人为地改变电动机的转速，以满足生产机械的不同转速要求。调速是通过改变电动机的参数或电源电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变它与负载机械特性的交点，使得电动机的稳定转速改变。电气调速主要包括调速范围、调速平滑性、静差率和调速的经济性几个指标。7.5.2交流调速根据三相异步电动机的转速表达式

（7.1）三相异步电动机的调速方法大致可分为以下几类。（1）改变转差率调速，包括改变定子电压调速、电磁离合器调速、转子回路串电阻调速、串级调速；（2）改变电动机定子极对数，变极调速；（3）改变定子电源频率，变频调速；1．电磁离合器调速图7.56所示为电磁离合器，也叫滑差离合器，当绕组内有电流通过时，在电枢与感应子之间便有磁通相链，如图中虚线所示。当异步电动机带动电枢旋转时，电枢便以相应的转速在感应子所建立的磁场内旋转，于是电枢的各点上磁通处在不断重复的变化之中，根据电磁感应定律可知，电枢上将出现感应电动势，在此感应电动势的作用下，电枢内将出现涡流，涡流与感应子磁场产生相互作用力，从而产生转矩。电磁离合器调速只有电枢与感应子间存在转速差，才产生转矩。电磁离合器调速线路图如图7.57所示。图7.56滑差离合器示意图图7.57电磁离合器调速控制线路图2．降低定子电压调速三相异步电动机降低定子电源电压同步转速n1不变，临界转差率sm不变，最大电磁转矩Tm与电源电压的平方成比例变化。当电动机拖动恒转矩负载时，降低电源电压可以降低转速，但是只能在机械特性的直线段调速，即0<s<sm部分。调速范围很小，没有多大实用价值。当电动机拖动泵类负载时，降压调速可获得较好的调速效果，可在机械特性的0<s<1部分调节转速。但应注意低速时功率因数低，过电流，电机发热的问题。为了既能满足静差率、调速范围的要求，又能克服硬度低和过载能力差的问题，可采用如图7.58（a）所示的转速负反馈降压调速闭环控制系统。调压装置一般由电力电子器件组成。u反映给定转速，un反映电机转速，偏差电压Δu=u-u。如图7.58（b）所示，系统稳定运行于A点，当某种原因使负载转矩增大，转速下降，如果没有闭环控制系统，系统将由A点下降并稳定运行于C点，可见，转速变化很大。采用闭环控制系统后，由于电机转速的下降使un减小，偏差电压增大，并经过速度调节器ASR、触发器GT的控制，使晶闸管的控制角减小，调压装置的输出电压增大，使电动机稳定运行于B点，可见转速下降减小了很多，电机特性的硬度得到了提高。图7.58转速负反馈降压调速闭环控制系统3．串极调速异步电动机的串级调速，就是在异步电动机转子电路内引入感应电动势，以调节异步电动机的转速。引入电动势的方向，可与转子电动势方向相同或相反，其频率则与转子频率相同。串级调速系统具有机械特性较硬、调速范围宽、平滑性好、转差功率损耗小、效率高等优点，但是控制设备复杂、成本高，一般适用于大功率绕线式异步电动机的调速，如大容量的风机、提升机等泵类负载。如图7.59所示，异步电动机转子电动势经过三相不可控整流装置整流，输出直流电压Ud，经过平波电抗器L加到逆变装置，通过逆变器将经整流装置整流后输出的电动机转差功率逆变成交流电压，经逆变变压器TI回馈至电网，同时该逆变器还提供一可调的直流输出电压Ui作为调速所需的转子附加电压。图7.59交直交变频器串级调速系统4．绕线转子串电阻的调速三相异步电动机转子回路串电阻的人为机械特性是一组同步转速n1、最大转矩Tm不变，临界转差率sm与转子回路电阻成正比的曲线，如图7.60所示。电动机拖动恒转矩负载时，转子回路串入电阻增大（R1<R2<R3）时，电机的转差率越大（sA<sB<sC），电机转速越低。串电阻调速控制电路与图7.44电路图相同，仅电阻取值不同。图7.60绕线式异步电动机转子串电阻调速7.5.3交流电动机的变频调速随着电力电子技术的发展，变频器（FrequencyConverter）的性能日趋完善，价格也越来越便宜，同时由于其在异步电动机调速系统中性能最好、效率最高、节能等突出优势，使其成为交流调速系统的主要研究以及发展的方向，并已广泛应用于化工、纺织、制造等领域。三相异步电动机转速式

（7.1）当极对数不变，转差率变化不大时，，因此，连续改变三相异步电动机电源频率可实现对三相异步电动机的平滑调速。额定频率称为基频，变频调速包括从基频向下变频调速和从基频向上变频调速两种情况。如图7.61为牵引机电气控制原理图，牵引机是生产线上常见的设备，它在各设备之间输送零件，并保证前后级设备之间合适的牵引力。其工作原理如下。图7.61牵引机电气控制原理图按下启动按钮SB1，中间继电器KA得电自保，控制箱散热风扇FS启动，同时KA常开触点闭和，启动变频器控制电机正转；按下停止按钮，继电器KA线圈失电，KA常开触点断开，电机正常停止。按下点动按纽SB2，同样控制变频器FWD端子输入信号，手动控制牵引电机的正转。按下急停按纽SB4，则KA失电，KA常开触点断开，同时X1端子的常开触点SB4闭合并自锁，电机停车。当电机发生异常情况，TA—TB常闭触点断开，同样使继电器失电，确保牵引机安全工作。SA为手动调速和自动调速转换，手动调速时通过电位器VR2进行调速，自动调速时，通过前方摆杆上的电位器进行调速，当前方的零件送出速度较快时，摆杆下降，从而带动摆杆上的电位器，使电位器中心抽头的电压升高，从而调节牵引机的速度，实现前后设备的协调。当牵引机牵引钢带类零件时，假如零件发生拱起触碰到行程开关SL，或当变频器异常时（TA、TB触点断开），则牵引机停止。7.6.1设计的基本原则、内容和程序7.6控制电路的设计在对控制电路进行设计前，应了解被控对象、生产工艺，以及安全等环节，确定控制方案，进行控制器件的选择，以及控制系统的工艺设计。设计中应注意设计原则，使得电气控制设计既要满足生产机械及生产工艺的要求，也要满足电气控制设备的制作、使用及维护的要求。电气控制的对象繁多，控制工艺要求不同，控制方案也不同，但电气控制设计的基本原则、内容和程序基本相同。1．电气控制设计基本原则（1）电气控制线路要能最大限度满足生产设备、生产工艺的要求。（2）设计方案合理。在满足要求的前提下尽量简化线路，力求简单、经济，便于操作和维护。例如图7.62（a）用了两个KA5，可以通过合并同类触点来减少触点数目，图7.62（b）只用了一个KA5，实现了同样的控制；如图7.63（a）所示，SQ位置不合理，从控制柜到外部行程开关的导线有四根，而经过调整如图7.63（b）所示的电路，从控制柜到外部行程开关的导线只需三根，从而节省了导线。图7.62合并同类触点图7.63节省连接导线（3）尽量选用标准、广泛采用并经过长期使用的控制环节，同时要注意触点的等电位布置。（4）合理选用元器件。（5）确保控制系统安全可靠。2．电气控制设计的基本内容电气控制设计的基本任务是根据控制要求设计和编制出控制设备在制造、使用和维护过程中所必须的图纸和资料。包括电气原理图、元件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板图、设备说明书等。电气控制设计的主要内容包括电路原理图设计和工艺设计两部分。以电力拖动控制系统为例，电路原理图设计内容包括：（1）拟定电气设计任务书；（2）确定电力拖动控制方案并选择电动机类型、电压等级、容量、转速及型号；（3）设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数；（3）选择电器元件，制定元件明细表；（4）编写设计说明书。工艺设计内容包括：（1）设计电气总布置图、总安装图及总接线图；（2）设计组件布置图、安装图和接线图；（3）设计电气箱、操作台和安装支架等；（4）元件清单；（5）编写使用维护说明书。3．电气控制设计的基本程序（1）拟定设计任务书。设计任务书包括设备名称、用途、结构、工艺要求、电力拖动方式及控制要求等；同时也包括对设备的安全性能如联锁和保护等，以及自动化程度、抗干扰性能、操作台、照明、信号指示等要求，并对设备的验收标准等进行明确。设计任务书是电气控制设计的依据，以及最终设备竣工验收的依据。（2）电力拖动方案的确定，包括拖动方式、调速方案的选择；（3）拖动电动机的选择，包括类型、容量、额定电压与额定转速等的选择；（4）选择控制方式，满足工艺要求；（5）设计电气控制原理图，选择元器件；（6）设计电气设备施工图纸；（7）编写设计、使用、维护说明书。7.6.2电力拖动方案确定原则和电动机的选择1．电力拖动方案确定电力拖动方案的确定是根据生产工艺要求，生产机械结构，运动部件数量、运动要求、负载特性、调速要求以及投资额等条件，确定电动机的类型、数量、拖动方式，拟定电动机的启动、运行、调速、转向、制动等控制要求。电力拖动方案是电气原理图设计及电器元件选择的依据。（1）拖动方式的选择电力拖动方式的选择应根据生产工艺要求、生产机械结构等确定电动机数量，确定电力拖动方式是独立拖动方式还是集中拖动方式，应按照缩短机械传动链、提高传动效率、简化总体结构的原则进行选择。（2）调速方案的选择调速方案的选择与具体机械设备的要求及应用场合有关，例如一般没有特殊要求的中小型设备，可以选择简单、经济的三相鼠笼异步电动机；对于加工精度要求较高的精密机械设备则采用无级调速方案。（3）适应负载特性选择电动机调速方案时，要考虑具体负载特性，例如恒功率特性或恒转矩特性，使电动机调速特性与负载特性相适应。2．电动机的选择电动机的选择包括电动机类型、容量、数量、额定电压与额定转速等的选择，并确定具体电动机型号。电动机选择的原则如下。（1）根据生产机械对调速的稳定性、调速范围、动态性能等的要求选择电动机的类型。（2）根据工作环境选择电动机的结构形式、绝缘等级等。（3）根据机械负载和设备工作方式，正确选择电动机容量，使电动机容量得到充分利用。（4）根据使用地点的电源电压确定电动机电压。1．控制线路设计控制线路的设计要综合考虑各方案的性能，设备投资、使用周期、维护检修、发展等因素。常用的控制线路设计方法有经验设计法和逻辑设计法。7.6.3控制线路的设计及元件选择（5）在满足设计要求的前提下，优先选择结构简单、价格便宜的交流异步电动机。电动机容量的计算有分析计算法、统计类比法两种方法。电动机容量的选择应考虑以下几个方面：（1）拖动长期工作制、恒定负载的电动机，电动机额定功率大于或等于负载所需功率；（2）拖动长期工作制、变动负载的电动机，电动机额定功率应在最大负载时满足负载所需功率，且电动机温升不超过允许值；（3）拖动短时工作制负载的电动机，应按照电动机过载能力来选择；（4）拖动重复短时工作制负载的电动机，电动机额定功率原则上可按一个工作循环内的平均功耗来选择。（1）经验设计法经验设计法又称为一般设计法或分析设计法。一般用于不太复杂的电气控制线路的设计。要求设计者具有丰富的实际设计经验，根据生产机械工艺要求，采用典型基本环节电路，进行合理组合、补充和修改，获得综合控制线路；或者根据实际生产机械工艺要求进行设计、分析、画图、审查和修改，得到满足要求的控制线路。（2）逻辑设计法利用逻辑代数