第3章基本电气控制电路

第3章

基本电气控制电路3.1电气控制基础知识3.2三相笼型异步电动机的直接启动控制3.3三相笼型异步电动机的减压启动控制3.4三相笼型异步电动机的制动控制3.5三相异步电动机的调速控制*3.6直流电动机控制电路3.7

其他典型控制环节*3.8软起动器及应用3.9电气控制的保护环节第3章

基本电气控制电路3.1电气控制基础知识3.1.1电气控制系统图的图形符号和常用符号;3.1.2*基本控制逻辑;3.1.3电气图3.2三相笼型异步电动机的直接启动控制3.2.1直接起动控制电路;3.2.3正、反转控制3.3三相笼型异步电动机的减压启动控制3.3.1定子电路串电阻减压启动控制;3.3.2星形-三角形减压起动控制;3.3.3自耦变压器减压起动控制;3.3.4*延边三角形减压起动控制3.4三相笼型异步电动机的制动控制3.4.1反接制动控制;3.4.2能耗制动控制3.5三相异步电动机的调速控制第3章

基本电气控制电路3.5.1双速电动机的控制;3.5.2*三速电动机的控制;3.5.3变频调速与变频器3.6*直流电动机控制电路3.6.1直流电动机的启动控制;3.6.2直流电动机的正、反转控制电路;3.6.3并励直流电动机的能耗制动;3.6.4直流电动机调速控制电路3.7其他典型控制环节3.7.1多地点控制;3.7.2顺序控制;3.7.3自动循环控制3.8*软起动器及应用3.8.1软起动器概述;3.8.2软起动器的控制功能;3.8.3软起动器的应用3.9电气控制的保护环节3.1电气控制基础知识

电气控制电路是用导线将电动机、电器、仪表等电器元件连接起来并实现某种要求的电路。为了设计、研究分析、安装维修时阅读方便，需要用统一的工程语言即用图的形式来表示，并在图上用不同的图形符号来表示各种电器元件，用不同的文字符号来表示图形符号所代表的电器元件的名称、用途、主要特征及编号等。按照电气设备和电器的工作顺序，详细表示电路、设备或装置的全部基本组成和连接关系的图形就是电气控制系统图。

常见的电气控制系统图主要有电气原理图、电器布置图、电器安装接线图三种。在绘制电气控制系统图时，必须采用国家统一规定的图形符号、文字符号和绘图方法。在机床电气控制原理分析中最常用的是电气原理图。

3.1电气控制基础知识3.1.1电气控制系统图的图形符号和常用符号电气控制电路中的图形和文字符号必须符合国家标准。图形符号是用来表示一台设备或概念的图形、标记或字符。符号要素是一种具有确定意义的简单图形，必须同其他图形组合而构成一个设备或概念的完整符号。如电动机主电路标号由文字符号和数字组成。文字符号用以标明主电路中的元件或电路的主要特征；数字标号用以区别电路不同线段。接触器主触头的符号也是由接触器的触头功能和常开触头符号组合面成的。三相交流电源引入线采用L1、L2、L3标号，电源开关之后的三相交流电源主电路分别标U、V、W。如U11表示电动机的第一相的第一个接点代号，U21为第一相的第二个交点代号，依此类推。

对控制电路，由三位或三位以下的数字组成，交流控制电路的标号主要是以压降三件为分界，左侧用奇数标号，右侧用偶数标号。直流控制电路中正反按奇数标号，负极按偶数标号。

3.1电气控制基础知识

3.1电气控制基础知识

3.1电气控制基础知识

3.1电气控制基础知识

3.1电气控制基础知识

3.1电气控制基础知识

3.1.3电气图

1.电气原理图电气原理图也称为电路图，是根据电路的工作原理绘制的，它表示电流从电源到负载的传送情况和电器元件的动作原理，所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。通过它可以很方便地研究和分析电气控制电路，了解控制系统的工作原理。电气原理图并不表电器元件的实际安装位置、实际结构尺寸和实际配线方法的绘制，也不反映电器元件的实际大小。图3-1所示为笼型电动机正、反转控制电路的电气原理图。3.1电气控制基础知识3.1.3电气图1.电气原理图图3-1笼型电动机正、反转控制原理图3.1电气控制基础知识

2.电器布置图

电器布置图表示各种电气设备或电器元件在机械设备或控制柜中的实际安装位置，还要为机械电气控制设备的制造、安装、维护、维修提供必要的资料。电器元件要放在控制柜内，各电器元件的安装位置是由机床的结构和工作要求决定的。比如行程开关应布置在能取得信号的地方，电动机要和被拖动的机械部件在一起。

机床电器布置图主要包括机床电气设备布置图、控制柜及控制面板布置图、操作台及悬挂操纵箱电气设备布置图等。图3-3所示为某车床的电器布置图。3.1电气控制基础知识

图3-2某车床电气原理图3.1电气控制基础知识

图3-3某车床电器布置图3.1电气控制基础知识3.电器安装接线图电器安装接线图是按照各电器元件实际相对位置绘制的接线图．根据电器元件布置最合理和连接导线最经济来安排。它清楚地表明了各电器元件的相对位置和它们之间的电路连接，还为安装电气设备、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。电器安装接线图中的文字符号、数字符号应与电气原理图中的符号一致，同一电器的各个部件应画在一起，各个部件的布置应尽可能符合这个电器的实际情况，比例和尺寸应根据实际情况而定。

3.1电气控制基础知识

3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制

三相笼型异步电动机的起动控制有直接（全压）起动和减压起动两种方式。直接起动的优点是电气设备少、电路简单、可靠、经济，缺点是起动电流大，直接起动电流是其额定电流的5～7倍，过大的起动电流会引起供电系统电压波动，干扰其他用电设备的正常工作。

不同型号、不同功率和不同负载的电动机，起动方法和控制电路有所不同。小容量笼型电动机可直接起动。一般三相笼型异步电动机的容量在10kW以上时，因起动电流过大，须采用减压起动。3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制3.2.1直接起动控制电路1.手动起动控制电路

对小型三相笼型异步电动机如冷却泵、小台钻、砂轮

机和风扇等，可采用胶盖开关或转换开关和熔断器直接控制其起动和停止。但使用这种手动控制方法不方便，不能进行自动控制，也不安全，而应采用按钮、接触器等电器来控制。2.

采用接触器直接起动控制电路

对中小型普通机床的主电动机采用接触器直接控制起动和停止。

主电路由刀开关QS、熔断器FU1、交流接触器KM的主触头和笼型电动机M组成；控制电路由起动按钮SB和交流接触器线圈KM组成。主电路如图3-5a所示。3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制

(1)点动控制

点动控制电路常用在电动机短时运行控制，比如调整机床的主轴、快速进给、镗床和铣的对刀、试车等。点动控制电路如图3-5b所示。

(2)长动控制

在实际生产中需要黾动机实现长时间连续转动，即长动控制，控制电路如图3-5c所示。主电路由刀开关QS、熔断器FU1、接触器KM的主触头、热继电器FR的发热元件和电动机M组成c热继电器FR作过载保护，熔断器FU1作短路保护。

3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制

图3-5接触器控制3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制

图3-6长动和点动控制电路3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制

图3-6长动和点动控制电路3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制

3.2.3正、反转控制

在生产加工过程中，往往要求电动机能够实现正、反两个方向的转动，如机床工作台的前进与后退，电梯的上升与下降，起重机吊钩的上升与下降等。三相异步电动机实现正、反转控制的原理很简单，只要将三相电源中的任意两相对调，就可使电动机反向运转。可通过两个接触器来改变电动机定子绕组的电源相序来实现。因主电路要倒相，为避免误动作引起电源相间短路，必须对这两个相反方向的运行电路采取必要的互锁。

3.2三相笼型异步电动机的直接起动控制

图3-7电动机正、反转控制电路3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制图3-8定子绕组串电阻起动控制电路3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制减压起动就是利用起动设备或电路，降低电动机定子绕组上的电压来起动电动机，以达到降低起动电流的目的。因起动转矩与定子绕组每相所加的电压的平方成正比，因而减压起动的方法只适用于空载或轻载起动。当电动机起动到接近额定转速时，电动机定子绕组的电压必须恢复到额定值，使电动机在正常电压下运行。

常用的三相笼型异步电动机减压起动方式有：定子电路串电阻或电抗减压起动、星形一三角形减压起动、自耦变压器减压起动和延边三角形减压起动。

3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制3.3.1定子电路串电阻减压起动控制图3-8是定子绕组串接电阻减压起动控制电路。在电动机起动时，在三相定子电路串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，起动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。在电路中使用时间继电器控制串电阻减压起动控制电路，又称为自动短接电阻减压起动电路，利用时间继电器延时动作来控制各元件的动作顺序。3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制启动运行延时断电3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制3.3.2星形-三角形减压起动控制

星形-三角形减压起动（Y-△起动）用于正常工作时定子绕组作三角形联结的电动机。

在电动机起动时将定子绕组接成星形，实现减压起动。加在电动机每相绕组上的电压为额定电压的1/3，从而减小了起动电流。待起动后按预先设定的时间把电动机换成三角形联结，使电动机在额定电压下运行。由于该方法简便且经济，起动过程中没有电能消耗，起动转矩较小因而只能空载或轻载起动，适用于正常运行时为三角形联结的电动机，使用较普遍。其控制电路如图3-9所示。

3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制

图3-9星形-三角形减压起动控制电路3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制3.3.3自耦变压器减压起动控制

利用自耦变压器来降低电动机起动时的电压，达到限制起动电流的目的。起动时定子串人自耦变压器，自耦变压器一次侧接在电源电压上，定子绕组得到的电压为自耦变压器的二次电压，当电动机的转速达到一定值时，将自耦变压器从电路中切除，此时电动机直接与电源相接，电动机以全电压投入运行。其控制电路如图3-10所示。

3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制

图3-10自耦变压器减压起动的控制电路3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制*3.3.4延边三角形减压起动控制

延边三角形减压起动方式是在起动时将电动机定子绕组连接成延边三角形，待起动正常后再将定子绕组连接成三角形全压运行，以减小起动电流。星形-三角形起动控制有很多优点，不足的是起动转矩太小，而三角形联结有起动转矩大的优点，可采用延边三角形减压起动，这种电动机共有九个出线端，绕组连接如图3-11所示。它适用于定子绕组特别设计的电动机。起动时将电动机定子绕组接成延边三角形，在起动完成后，再换成三角形联结，进行全压正常运行。延边三角形减压起动控制电路如图3-12所示。3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制

图3-11绕组延边三角形联结示意图3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制

起动运行：接通刀开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM2、KM1线圈、时间继电器K1线圈得电。接触器KM2常开主触头闭合，定子绕组结点1、2、3接通电源；同时接触器KM1主触头闭合，绕组结点(4-8)、(5-9)、(6-7)连接使电动机连接成延边三角形起动；同时时间继电器KT线圈得电延时，常开触头闭合、常闭触头断开，接触器KM1断电，接触器KM3线圈得电，KM3主触头闭合，绕组结点(1-6)、(2-4)、(3-5)相连三角形成联结投入运行。

停止运行：按下停止按钮SB1，接触器KM2、KM3线圈失电，电动机停止运转。

对上述介绍的几种起动控制电路，可根据控制要求选择，通常是采用时间继电器来实现减压起动，这种控制方式电路结构比较简单，工作可靠性高，已被广泛采用。

3.3三相笼型异步电动机的减压起动控制

图3-12延边三角形减压起动控制电路3.4三相笼型异步电动机的制动控制

三相笼型异步电动机的制动，一般都采用机械制动和电气制动。机械制动是利用电磁铁操作机械抱闸。电气制动是电动机在停车时，产生一个与原旋转方向相反的制动转矩，强迫电动枧停转。电气制动方法有反接制动、能耗制动、发电制动和电容制动等。3.4.1反接制动控制

1.反接制动原理

反接制动是通过改变电动机电源的相序，使定子绕组产生的旋转磁场与转子旋转方向相反，转子与定子旋转磁场间的速度近于两倍的同步转速，在定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压直接起动时的两倍。通常用于10kW以下的小容量电动机。应注意，当电动机转速接近零时，必须立即断开电源，否则电动机会反向旋转。为此，可采用速度继电器检测电动机的速度变化。

3.4三相笼型异步电动机的制动控制

图3-13反接制动电阻接法3.4三相笼型异步电动机的制动控制2.反接制动电路分析

(1)单向反接制动控制电路

单向运行的三相异步电动机反接制动控制电路如图3-14所示，控制电路通常采用速度继电器。接触器KM1为单向正常旋转，接触器KM2为反接制动，KS为速度继电器，R为反接制动电阻。工作过程：接通刀开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1得电，电动机M起动运行，速度继电器KS常开触头闭合，为制动作准备。制动时按下停止按钮SB1，KM1断电，KM2得电（KS常开触头尚未打开），KM2主触头闭合，定子绕组串入限流电阻R进行反接制动，当M的转速接近0时．KS常开触头断开，KM2断电，电动机制动结束。3.4三相笼型异步电动机的制动控制

图3-14单向运行反接制动控制电路3.4三相笼型异步电动机的制动控制2.反接制动电路分析(2)可逆运行反接制动控制电路

可逆运行反接制动控制电路如图3-15所示。图中KM1、KM2为正、反转接触器，KM3为短接电阻接触器，KA1、KA2、KA3为中间继电器，KS1为正转常开触头，KS2为反转常开触头，R为起动与制动电阻。1)电动机正向起动和停车反接制动过程：接通刀开关QS，按下起动按钮SB2，KM1得电自锁，定子串入电阻R正向起动，当正向转速大于120r/min时，KS1闭合，因KM1的常开辅助触头已闭合，所以KM3得电将R短接，从而使电动机在全压下运转。2)电动机反向起动和停车反接制动过程：接通刀开关QS，按下起动按钮SB3，KM2得电自锁，电动机定子串入R反向起动，当反向转速大于120r/min时，KS2闭合，由于KM2的常开辅助触头已闭合，所以KM3得电，将R短接，使电动机在全压下运转。3.4三相笼型异步电动机的制动控制

图3-15可逆运行反接制动控制电路3.4三相笼型异步电动机的制动控制3.4.2能耗制动控制

1．能耗制动原理

三相异步电动机能耗制动就是在电动机切断三相交流电源后，迅速在定子绕组任意两相加一直流电压，使定子绕组产生恒定的磁场，利用转子感应电流与静止磁场的相互作用产生制动转矩，实现制动。当转子转速接近零时，及时切除直流电源。

2．能耗制动控制电路

(1)按时间原则控制的单向运行能耗制动电路

能耗制动控制电路如图3-16所示。图中接触器KM1为单向运行，接触器KM2用来实现能耗制动，T为整流变压器，UR为桥式整流电路，KT为时间继电器。3.4三相笼型异步电动机的制动控制3.4.2能耗制动控制工作过程：电动机单向正常运行，接通刀开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1得电，电动机M起动运行。

停止运行：按下复合（停止）按钮SB1，常闭触头先断开，KM1失电，电动机定子切断三相电源；SB1的复合（常开）触头后闭合，KM2、KT同时得电，如果电动机定子绕组星形联结，则将两相定子绕组接人直流电源进行能耗制动。电动机在能耗制动作用下转速迅速下降，当转速接近零时，到达KT的设定时间，延时常闭触头打开，KM2、KT相继失电，能耗制动结束。3.4三相笼型异步电动机的制动控制

图3-16能耗制动控制电路3.4三相笼型异步电动机的制动控制

(2)按速度原则控制的可逆运行能耗制动电路

采用速度继电器来控制的可逆运行能耗制动控制电路如图3-17所示。图中KM1、KM2为正、反转接触器，KM3为制动接触器。

1)正向工作过程：接通刀开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1得电自锁，电动机M正向起动运行。当正向转速大于120r/min时，KS1闭合。

2)反向工作过程：电动机M反向起动运转停车时能耗制动过程。接通刀开关QS，按下起动按钮SB3，KM2通电自锁，电动机M反向起动运转，当反向转速大于120r/min时，KS2闭合。3.4三相笼型异步电动机的制动控制

图3-17可逆运行能耗制动控制电路3.5三相异步电动机的调速控制三相异步电动机的转速与频率成正比、与磁极对数成反比，可以通过改变极对数~转差率和电源频率三种方法实现转速控制。根据三相异步电动机的转速表达式：n=n1（1-s)=60fi(1-s)／p

变极调速一般仅适用于笼型异步电动机。变极电动机一般有双速、三速、四速之分，双速电动机定子装有一套绕组，而三速、四速电动机则为两套绕组。3.5三相异步电动机的调速控制3.5.1双速电动机的控制

双速电动机是靠改变定子绕组的连接，形成两种不同的磁极对数，获得两种不同的转速。在机床设备上若采用机械齿轮变速和变极调速相结合的方法调速，就可以获得较为宽广的调速范围。双速电动机定子绕组常见的接法有Y/YY和A/YY两种。双速电动机定子绕组接线图如图3-18所示。双速电动机变极调速控制电路如图3-19所示。图3-18双速电动机绕组连接图3.5三相异步电动机的调速控制a)主电路b）控制电路1c）控制电路2图3-19

双速电动机变极调速控制电路3.5三相异步电动机的调速控制

*3.5.2三速电动机的控制

三速电动机的定子有两套绕组，低速和高速时与双速电动机是一样的定子绕组，采用一套双速绕组，能实现A/YY两种连接方式，可获得高、低两种运行速度；中速时采用另一套星形联结绕组，定子绕组连接如图3-20所示。在使用双速绕组时，要将U3与W1端子连接在一起；使用中速绕组时，要将双速绕组的U3与W1端子分开。3.4三相笼型异步电动机的制动控制

图3-20三速电动机定子绕组连接图3.5三相异步电动机的调速控制图3-21所示为三速电动机变极调速控制电路。主电路KM1（4个主触头）构成低速的三角形联结，KM2构成中速星形联结，KM3、KM4构成高速双星形联结。其工作原理：△低速；

Y中速；YY高速。低速：按下SB3→KT2线圈得电→KT2瞬时闭合触头→KT1线圈得电→KT1瞬时闭合触头→KM1线圈得电→KM1触头动作→电动机接成△→电动机低速运行；

中速：断开SB3→KT1整定时间，延时断开触头分断→KM1线圈失电KT1延时闭合触头闭合KM2线圈得电→KM2触头动作→电动机接成Y→电动机中速运行。

高速：经KT2整定时间→KT2延时断开触头分断→KM2线圈失电，KT2延时闭合触头闭合→KM3、KM4线圈得电→KM3、KM4触头动作→电动机接成YY联结→电动机高速运行→KT1、KT2线圈失电→触头复位。3.5三相异步电动机的调速控制

图3-21三速电动机变极调速控制电路3.5三相异步电动机的调速控制3.5.3变频调速与变频器

1．变频调速

(1)影响变频调速的两个因素一是采用大功率开关器件，二是由于微处理器的快速发展，再加上人们对变频控制方式的研究，使得变频控制技术实现了高性能、高效率、高可靠性。自动控制变频系统能够保证电动机一直处于较高的功率因数下运行，减少能量的损耗。(2)变频调速的两种基本控制方式1)三相异步电动机的控制方式。只要改变定子交流电的频率f1就可以调节电动机的转速，但事实上，只改变f1并不能实现正常的调速。在实际应用中，不仅要求实现转速可调节，同时还要求调速系统具有满足生产工艺要求的机械特性和调速指标。

3.5三相异步电动机的调速控制2.变频器

变频器是采用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器也是转换电能并能改变频率的电能转换装置。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动、驱动、检测和微处理单元等组成。

(1)变频器的分类及特点1)变频器分类。变频器分为“交-交”变频器和“交-直-交”变频器两种。

“交-交”变频器按相数分为单相和三相；按环流情况分为有环流和无环流；按输出波形分为正弦波和方波。

3.5三相异步电动机的调速控制

“交-直-交”变频器按中间直流滤波环节的不同分为电压型和电流型；按控制方式分为V/f控制、转差频率控制和矢量控制；按调压方式分为脉冲宽度调制型和脉冲幅度调制型. 2)变频器的特点。“交-交”变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压可调节控制的交流电，又称为直接变频器；“交-交”变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定、可靠。“交-交”变频器的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有优势。“交-交”变频器没有直流环节，变频效率高，主电路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多，使之应用受到了一定的限制。

3.5三相异步电动机的调速控制

图3-22变频器电路结构框图3.5三相异步电动机的调速控制

(2)变频器的控制方式变频器的控制方式是指针对电动机的自身特性、负载特性以及运转速度的要求，控制变频器的输出电压（电流）和频率的方式。一般分为V/f控制（电压/频率）、转差频率和矢量控制三种控制方式。变频器的控制方式则可分为开环控制和闭环控制两种。

1)V/f控制变频器。按V/f关系对变频器的频率和电压进行控制，转速的改变是靠改变频率的设定值来实现的。基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上为恒功率调速。

图3-23所示的V/f控制是一种转速开环控制，控制电路简单，负载为通用标准异步电动机，通用性强，经济性好。但电动机的实际转速要根据负载的大小来决定，所以负载变化时，在频率设定值不变的条件下，转子速度将随负载转矩的变化而变化，所以这种控制方式常用于速度精度要求不高的场合。3.5三相异步电动机的调速控制2)转差频率控制变频器。V/f控制模式用于精度不高的场合，为了提高调速精度，就需要控制转差率。通过速度传感器检测出速度，求出转差角频率，再将其与速度设定值叠加以得到新的逆变器的频率设定值，实现转差补偿，这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制，其简化原理图如图3-24所示。

3)矢量控制变频器。矢量控制是一种新的控制思想和控制技术，是交流异步电动机的一种理想调速方式。矢量控制属于闭环控制方式，是异步电动机调速最新的实用化技术。矢量控制方式使交流异步电动机具有与直流电动机相同的控制性能，这种控制方式的变频器已泛应用于生产实际中。3.5三相异步电动机的调速控制

图3-23V/f控制模式图3-24转差频率控制*3.6直流电动机控制电路

3.6.1直流电动机的起动控制直流电动机的常用控制有起动控制、正反转控制、调速控制及制动控制等。直流电动机起动特点之一是起动冲击电流更大，可达额定电流的10～20倍，这样大的起动电流将可能导致电动机换向器和电枢绕组的损坏，同时对电源也是沉重的负担。大电流产生的转矩和加速度对机械部件也将产生强烈的冲击，故在选择起动时一般都是在电枢回路中串电阻起动和减小电枢电压