电气控制与可编程控制器技术课件

電氣控制線路的基本控制規律

2.1繪製電氣控制線路的若干規則

電氣控制線路是用導線將電機、繼電器、接觸器等電氣元件按一定的要求和方法連接起來，並能實現某種控制功能的線路。電氣控制線路圖是將各電氣元件的連接用圖來表達，各種電氣元件用不同的圖形符號表示，並用不同的文字符號來說明其所代表電氣元件的名稱、用途、主要特徵及編號等。繪製電氣控制線路圖必須清楚地表達生產設備電氣控制系統的結構、原理等設計意圖，並且以便於進行電氣元件的安裝、調整、使用和維修為原則。因此，電氣控制線路應根據簡明易懂的原則，採用統一規定的圖形符號、文字符號和標準畫法來進行繪製。

一、電氣控制線路圖和常用符號

電氣控制線路的表示方法有兩種：安裝圖和原理圖。（一）常用電氣圖形符號和文字元號在繪製電氣線路圖時，電氣元件的圖形符號和文字元號必須符合國家標準的規定。表2-1為電氣圖形符號表，所用圖形符號符合GB4728《電氣圖用圖形符號》有關規定。表2-2為電氣設備常用文字符號和中英文名稱表，所用文字符號符合GB7159-87《電氣技術中的文字符號制訂通則》的規定。

（二）電氣原理圖

電氣原理圖一般分為主電路和輔助電路兩個部分。主電路是電氣控制線路中強電流通過的部分，是由電機以及與它相連接的電氣元件如組合開關、接觸器的主觸點、熱繼電器的熱元件、熔斷器等組成的線路。輔助電路中通過的電流較小，包括控制電路、照明電路、信號電路及保護電路。其中，控制電路是由按鈕、繼電器和接觸器的吸引線圈和輔助觸點等組成。一般來說，信號電路是附加的，如果將它從輔助電路中分開，並不影響輔助電路工作的完整性。電氣原理圖能夠清楚地表明電路的功能，對於分析電路的工作原理十分方便。

1．繪製電氣原理圖的原則根據簡單清晰的原則，原理圖採用電氣元件展開的形式繪製。它包括所有電氣元件的導電部件和接線端點，但並不按照電氣元件的實際位置來繪製，也不反映電氣元件的尺寸大小。繪製電氣原理圖應遵循以下原則：

（1）所有電機、電器等元件都應採用國家統一規定的圖形符號和文字元號來表示。（2）主電路用粗實線繪製在圖的左側或上方，輔助電路用細實線繪製在圖的右側或下方。（3）無論是主電路還是輔助電路或其元件，均應按功能佈置，各元件盡可能按動作順序從上到下、從左到右排列。

（4）在原理圖中，同一電路的不同部分（如線圈、觸點）應根據便於閱讀的原則安排在圖中，為了表示是同一元件，要在電器的不同部分使用同一文字符號來標明。對於同類電器，必須在名稱後或下標加上數字序號以區別，如KM1、KM2等。（5）所有電器的可動部分均以自然狀態畫出，所謂自然狀態是指各種電器在沒有通電和沒有外力作用時的狀態。對於接觸器、電磁式繼電器等是指其線圈未加電壓，觸點未動作；控制器按手柄處於零位時的狀態畫；按鈕、行程開關觸點按不受外力作用時的狀態畫。（6）原理圖上應盡可能減少線條和避免線條交叉。各導線之間有電的聯繫時，在導線的交點處畫一個實心圓點。根據圖面佈置的需要，可以將圖形符號旋轉90o、180o或45o繪製。

一般來說，原理圖的繪製要求是層次分明，各電氣元件以及它們的觸點安排要合理，並保證電氣控制線路運行可靠，節省連接導線，以及施工、維修方便。2．圖面區域的劃分為了便於檢索電氣線路，方便閱讀電氣原理圖，應將圖面劃分為若干區域，圖區的編號一般寫在圖的下部。圖的上方設有用途欄，用文字注明該欄對應電路或元件的功能，以利於理解原理圖各部分的功能及全電路的工作原理。例如，圖2-1為CM6132普通車床電氣原理圖，在圖2-1中圖面劃分為18個圖區。

圖2-1CM6132普通車床電氣原理圖（三）電氣安裝圖

電氣安裝圖是用來表示電氣控制系統中各電氣元件的實際安裝位置和接線情況，它有電器位置圖和互連圖兩部分。1、電器位置圖電器位置圖詳細繪製出電氣設備零件的安裝位置。圖中各電氣元件的代號應與有關電路圖對應的元器件代號相同，在圖中往往留有10％以上的備用面積及導線管（槽）的位置，以供改進設計時用。2、電氣互連圖

電氣互連圖是用來表明電氣設備各單元之間的連接關係。它清楚地表示了電氣設備外部元件的相對位置及它們之間的電氣連接，是實際安裝接線的依據，在具體施工和檢修中能夠起到電氣原理圖所起不到的作用，因此在生產現場中得到了廣泛應用。

二、閱讀和分析電氣控制路線圖的方法閱讀電氣線路圖的方法主要有兩種：查線讀圖法和邏輯代數法。1．查線讀圖法查線讀圖法又稱直接讀圖法或跟蹤追擊法。查線讀圖法是按照線路根據生產過程的工作步驟依次讀圖，查線讀圖法按照以下步驟進行：（1）瞭解生產工藝與執行電器的關係在分析電氣線路之前，應該熟悉生產機械的工藝情況，充分瞭解生產機械要完成哪些動作，這些動作之間又有什麼聯繫；然後進一步明確生產機械的動作與執行電器的關係，必要時可以畫出簡單的工藝流程圖，給分析電氣線路提供方便。

例如，車床主軸轉動時，要求油泵先給齒輪箱供油潤滑，即應保證在潤滑泵電動機起動後才允許主拖動電動機起動，對控制線路提出了按順序工作的聯鎖要求。圖2-2為主拖動電動機M1與潤滑油泵電機M2的聯鎖控制線路圖，其中潤滑泵電動機是拖動油泵供油的。（2）分析主電路在分析電氣線路時，一般應先從電動機著手，根據主電路中有哪些控制元件的主觸點、電阻等大致判斷電動機是否有正反轉控制、制動控制和調速要求等。

圖2-2車床主電路和控制線路圖例如，在圖2-2所示的電氣線路的主電路中，主拖動電動機M1電路主要由接觸器KM2的主觸點和熱繼電器FR1組成。從圖中可以斷定，主拖動電動機M1採用全壓直接起動方式。熱繼電器FR1作電動機M1的超載保護，由熔斷器FU作短路保護。油泵電動機M2電路由接觸器KM1的主觸點和熱繼電器FR2組成，該電動機也是採用直接起動方式，並由熱繼電器FR2作其超載保護，由熔斷器FU作其短路保護。

（3）分析控制電路通常對控制電路按照由上往下或由左往右依次閱讀，可以按主電路的構成情況，把控制電路分解成與主電路相對應的幾個基本環節，一個環節一個環節地分析，然後把各環節串起來。首先，記住各信號元件、控制元件或執行元件的原始狀態；然後，設想按動了操作按鈕，線路中有哪些元件受控動作；這些動作元件的觸點又是如何控制其他元件動作的，進而查看受驅動的執行元件有何運動；再繼續追查執行元件帶動機械運動時，會使哪些信號元件狀態發生變化；然後再查對線路信號元件狀態變化時執行元件如何動作·····在讀圖過程中，特別要注意相互的聯繫和制約關係，直至將線路全部看懂為止。

例如，圖2-2電氣線路的主電路，可以分成電動機M1和M2兩個部分，其控制電路也可相應地分解成兩個基本環節。其中，停止按鈕SB1和啟動按鈕SB2、熱繼電器觸點FR2、接觸器KM1構成直接啟動電路；不考慮接觸器KM1的常開觸點，接觸器KM2、熱繼電器觸點FR1、按鈕SB3和SB4也構成電動機直接啟動電路。這兩個基本環節分別控制電動機M2和M1。

其控制過程如下：合上刀閘開關QS，按啟動按鈕SB2：接觸器KM1吸引線圈得電，其主觸點KM1閉合，油泵電動機M2啟動。同時，KM1的一個輔助觸點對啟動按鈕SB2自鎖閉合，使電動機M2正常運轉;另一個串在KM2線圈電路中的輔助觸點閉合,為KM2通電作好準備。按下停止按鈕SB1：接觸器KM1的吸引線圈失電，KM1主觸點斷開，油泵電動機M2失電停轉。同理，可以分析主拖動電動機M1的起停控制線路。工藝上要求M1必須在油泵電動機M2正常運行後才能啟動工作，因此，應將油泵電動機接觸器KM1的一個常開輔助觸點串入主拖動電動機接觸器KM2的線圈電路中，以實現只有接觸器KM1通電後,KM2才能通電的順序控制，即只有在油泵電動機M2啟動後主拖動電動機M1才能啟動。

2．邏輯代數法邏輯代數法又稱間接讀圖法，是通過對電路的邏輯運算式的運算來分析控制電路的，其關鍵是正確寫出電路的邏輯運算式。在繼電接觸器控制線路中邏輯代數規定如下：繼電器、接觸器線圈得電狀態為“1”，線圈失電狀態為“0”；繼電器、接觸器控制的按鈕觸點閉合狀態為“1”，斷開狀態為“0”。為了清楚地反映元件狀態，元件線圈、常開觸點（動合觸點）的狀態用相同字元（例如接觸器為KM）來表示，而常閉觸點（動斷觸點）的狀態以KM表示。若KM為“1”狀態，則表示線圈得電，接觸器吸合，其常開觸點閉合，常閉觸點斷開。得電、閉合都是“l”狀態，而斷開則為“0”狀態。若KM為“0”狀態，則與上述相反。

查線讀圖法的優點是直觀性強，容易掌握，因而得到廣泛採用。其缺點是分析複雜線路時容易出錯，敘述也較長。

在繼電接觸器控制線路中，把表示觸點狀態的邏輯變數稱為輸入邏輯變數；把表示繼電器、接觸器等受控元件的邏輯變數稱為輸出邏輯變數。輸出邏輯變數是根據輸入邏輯變數經過邏輯運算得出的。輸入、輸出邏輯變數的這種相互關係稱為邏輯函數關係，也可用真值表來表示。

(a)邏輯非(b)邏輯與(c)邏輯或

1）邏輯非圖2-3（a）所示電路實現邏輯非運算。其公式為：KM=該公式的含意是：當KA＝1，＝0，常閉觸點KA斷開，則KM＝0，線圈不得電；當KA＝0，＝1，常閉觸點KA閉合，則KM＝1，線圈得電吸合。邏輯非運算規則：0=1 1=0（2）邏輯與邏輯與用觸點串聯實現，圖2-3（b）所示的KA1和KA2觸點串聯電路實現了邏輯與運算，邏輯與運算用符號“·”表示。其公式為：KM=KA1·KA2該公式的含意是：只有當KA1＝1與KA2＝1時，KM＝1，否則便為0。對於電路來說，只有當觸點KA1與KA2都閉合時，線圈KM才得電，為“1”狀態。

顯然，邏輯與的運算規則是：0·0＝00·1＝01·0＝0

1·1＝1（3）邏輯或邏輯或用觸點並聯電路實現，圖2-3（c）所示的並聯電路實現邏輯或運算，邏輯或運算用符號“＋”表示。其公式為：KM=KA1+KA2該公式的含意是：當KA1＝1或KA2＝1時，KM＝1。對於電路來說，觸點KA1或KA2任一個閉合時，線圈KM都得電為“1”。邏輯或的運算規則是：0＋0＝00＋1＝11＋0＝1

1＋1＝1邏輯代數法讀圖的優點是，各電氣元件之間的聯繫和制約關係在邏輯運算式中一目了然。通過對邏輯函數的具體運算，一般不會遺漏或看錯電路的控制功能。而且採用邏輯代數法後，對電氣線路採用電腦輔助分析提供了方便。該方法的主要缺點是，對於複雜的電氣線路，其邏輯運算式很繁瑣冗長。

2.2電氣控制的基本控制環節

非同步電動機起、停、保護電氣控制線路是廣泛應用的、也是最基本的控制線路，以三相交流非同步電動機和由其拖動的機械運動系統為控制對象，通過由接觸器、熔斷器、熱繼電器和按鈕等所組成的控制裝置對控制對象進行控制。如圖2-4所示，該線路能實現對電動機起動、停止的自動控制，並具有必要的保護。

一、啟動電動機和自鎖環節

圖2-4簡單的起、停、保護控制線路1．啟動電動機

按起動按鈕SB2：接觸器KM的吸引線圈得電，主觸點KM閉合，電動機起動。同時，KM輔助常開觸點閉合，當鬆手斷開SB2起動按鈕後，吸引線圈KM繼續保持通電，故電動機不會停止。電路中接觸器KM的輔助常開觸點並聯於起動按鈕SB2稱為“自鎖”環節。“自鎖”環節一般是由接觸器KM的輔助常開觸點與主令電器的常開觸點並聯組成，這種由接觸器（繼電器）本身的觸點來使其線圈長期保持通電的環節叫“自鎖”環節。

“自鎖”環節具有對命令的“記憶”功能，當起動命令下達後，能保持長期通電；而當停機命令或停電出現後不會自啟動。自鎖環節不僅常用於電路的啟、停控制，而且凡是需要“記憶”的控制都可以經常運用自鎖環節。

2．停止電動機按停止按鈕SB1：接觸器KM的吸引線圈失電，KM主觸點斷開，電動機失電停轉。同時，KM輔助觸點斷開，消除自鎖電路，清除“記憶”。3．線路保護環節線路保護環節包括短路保護、超載保護、欠壓和零壓保護等。短路保護：短路時通過熔斷器FUl的熔體熔斷來切斷電路，使電動機立即停轉。

超載保護：通過熱繼電器FR實現。當負載超載或電動機單相運行時，FR動作，其常閉觸點FR控制電路斷開，KM吸引線圈失電來切斷電動機主電路使電動機停轉。

欠壓保護：通過接觸器KM的自鎖觸點來實現。當電源停電或者電源電壓嚴重下降，使接觸器KM由於鐵心吸力消失或減小而釋放，這時電動機停轉，接觸器輔助常開觸點KM斷開並失去自鎖。欠壓保護可以防止電壓嚴重下降時電動機在負載情況下的低壓運行；避免電動機同時啟動而造成電壓的嚴重下降；防止電源電壓恢復時，電動機突然起動運轉，造成設備和人身事故。

二、互鎖控制和順序起動互鎖控制是指生產機械或自動生產線不同的運動部件之間互相聯繫又互相制約，又稱為聯鎖控制。例如，機械加工車床的主軸起動必須先讓油泵電機起動使齒輪箱有充分的潤滑油，龍門刨床的工作臺運動時不允許刀架移動等等都是互鎖控制。

互鎖也可以起到順序控制的作用，稱為順序聯鎖控制。其控制原則為：

（1）要求甲接觸器動作後乙接觸器方能動作，則需將甲接觸器的常開觸點串聯在乙接觸器的線圈電路中。車床主軸轉動時要求油泵先起動後主拖動電動機才允許起動，也就是對控制線路提出了按順序工作的互鎖要求。圖２－５是順序啟動控制線路，圖２－５（a）是將油泵電機接觸器ＫＭ１的

常開觸點串入主拖動電動機接觸器KM2的線圈電路中來實現的，只有當KM1先起動，KM2才能起動，這就是“與”的關係，互鎖起到了順序控制的作用。圖2-5（b）的接法可以省去KM1的常開觸點，使線路得到簡化。

圖2-5(a)順序起動順序停止控制線路(b)簡化電路（2）如果在互鎖控制中，需要當KM1動作後不允許KM2動作，則將KMl的常閉觸點串聯於KM2的線圈電路中，這就是“非”的關係。三、多地點控制線路

多地點控制必須在每個地點有一組啟停按鈕，所有各組按鈕的連接原則必須是：常開啟動按鈕要並聯，常閉停止按鈕應串聯。圖2-6就是實現三地控制的控制電路。圖中SB-Q1和SB-T1，SB-Q2和SB-T2，SB-Q3和SB-T3為一組,裝在一起，固定於生產設備的3個地方；起動按鈕SB-Q1、SB-Q2和SB-Q3並聯，停止按鈕SB-T1、SB-T2和

SB-T3串聯。

圖2-6三地控制的控制電路四、步進控制線路在一些簡易的順序控制裝置中，加工順序按照一定的程式依次轉換，依靠步進控制線路完成。圖2-7為採用中間繼電器組成的順序控制3個程式的步進控制線路。其中Q1、Q2、Q3的“得電”和“失電”表徵某一程式的開始和結束，分別代表第一至第三程式的加工執行電路。每個加工過程的順序分別由信號SQ1、SQ2、SQ3來進行控制，保證只有一個程式在工作，不至引起混亂。

圖2-7順序控制3個程式的步進控制線路＊2.3三相交流電動機的啟動控制

三相非同步電動機具有結構簡單，運行可靠，堅固耐用，價格便宜，維修方便等一系列優點。因此，在工礦企業中非同步電動機得到廣泛的應用，三相非同步電動機的控制線路大多由接觸器、繼電器、閘刀開關、按鈕等有觸點電器組合而成。通常對於三相非同步電動機的起動有全壓直接起動方式和降壓起動方式。

一、鼠籠式非同步電動機全壓起動控制在變壓器容量允許的情況下，鼠籠式非同步電動機應該盡可能採用全壓直接起動，即起動時將電動機的定子繞組直接接在交流電源上，電機在額定電壓下直接起動。直接起動既可以提高控制線路的可靠性，又可以減少電器的維修工作量。1．單向長動控制線路三相鼠籠電動機單方向長時間轉動控制是一種最常用、最簡單的控制線路，能實現對電動機的起動、停止的自動控制。單向長動控制的電路圖即為前面圖2-4所示的起、保、停電路。

2．單向點動控制線路生產機械在正常工作時需要長動控制，但在試車或進行調整工作時，就需要點動控制，點動控制也叫短車控制或點車控制。例如橋式吊車需要經常作調整運動，點動控制是必不可少的。點動的含義是：操作者按下起動按鈕後，電動機起動運轉，鬆開按鈕時，電動機就停止轉動，即點一下，動一下，不點則不動。如圖2-8（a）是最基本的點動控制線路;(b)是採用中間繼電器KA實現點動與長動的控制線路。圖2-8(a)點動控制線路圖(b)點動和長動控制線路＊

由圖２－８分析可知：點動控制與長動控制的區別主要在自鎖觸點上。點動控制電路沒有自鎖觸點，由點動按鈕兼起停止按鈕作用，因而點動控制不另設停止按鈕。與此相反，長動控制電路，必須設有自鎖觸點，還要另設停止按鈕。

二、三相鼠籠式非同步電動機降壓起動

鼠籠式非同步電動機採用全壓直接起動時，控制線路簡單，但是非同步電動機的全壓起動電流一般可達額定電流的4～7倍，過大的起動電流會降低電動機壽命，使變壓器二次電壓大幅度下降，會減小電動機本身的起動轉矩，甚至使電動機無法起動，過大的電流還會引起電源電壓波動，影響同一供電網路中其他設備的正常工作。判斷一臺電動機能否全壓起動的一般規定是：電動機容量在10kW以下者，可直接起動；10kW以上的非同步電動機是否允許直接起動，要根據電動機容量和電源變壓器容量的經驗公式來估計：

式中：Iq——電動機全電壓起動電流（A）； Ie——電動機額定電流（A）。

若計算結果滿足上述經驗公式，一般可以全壓起動，否則應考慮採用降壓起動。有時，為了限制和減少起動轉矩對機械設備的衝擊作用，允許全壓起動的電動機，也多採用降壓起動方式。1．自耦變壓器降壓起動控制線路自耦變壓器又稱為起動補償器。電動機起動時，定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次電壓，一旦起動完畢，自耦變壓器便被切除，電動機進入全電壓運行。自耦變壓器的次級一般有3個抽頭，可得到3種數值不等的電壓，使用時可根據起動電流和起動轉矩的要求靈活選擇。自耦變壓器降壓起動控制線路如圖2-9所示。

自耦變壓器降壓起動的原理是：

採用時間繼電器來完成自耦變壓器的降壓起動過程的切除。由於時間繼電器的延時可以較為準確的整定，當時間繼電器延時時間到，切除自耦變壓器，結束起動過程。這種使用時間繼電器控制線路中各電器的動作順序，稱為時間原則控制線路。在自耦變壓器降壓起動過程中，起動電流與起動轉矩的比值按變比平方倍降低。因此，從電網取得同樣大小的起動電流，採用自耦變壓器降壓起動比採用電阻降壓起動產生較大的起動轉矩。這種起動方法常用於容量較大、正常運行為Y形連接法的電動機。其缺點是自耦變壓器價格較貴，結構相對複雜，體積龐大，不允許頻繁操作。

圖2-9自耦變壓器降壓起動控制線路圖＊2．Y-Δ降壓起動控制線路Y-Δ降壓起動是在起動時將電動機定子繞組接成Y形，每相繞組承受的電壓為電源的相電壓（220V），在起動結束時換接成三角形接法，每相繞組承受的電壓為電源線電壓（380V），電動機進入正常運行。

凡是正常運行時定子繞組接成三角形的鼠籠式非同步電動機，均可採用這種線路。

Y-Δ降壓起動的自動控制線路如圖2-10所示。

圖2-10Y-Δ降壓起動控制線路圖＊三相鼠籠式非同步電動機採用Y-Δ降壓起動的優點是定子繞組Y形接法時，起動電壓為直接採用Δ接法時的，起動電流為三角形接法時的1/3，因而起動電流特性好，線路較簡單，投資少。其缺點是起動轉矩也相應下降為三角形接法的1/3，轉矩特性差。本線路適用於輕載或空載起動的場合，應當強調指出，Y-Δ連接時要注意其旋轉方向的一致性。

三、繞線式非同步電動機起動控制在大、中容量電動機的重載起動時，增大起動轉矩和限制起動電流兩者之間的矛盾十分突出。三相繞線式電動機的突出優點是可以在轉子繞組中串接外加電阻或頻敏變阻器進行起動，由此達到減小起動電流，提高轉子電路的功率因數和增加起動轉矩的目的。一般在要求起動轉矩較高的場合，繞線式非同步電動機的應用非常廣泛。例如橋式起重機吊鉤電動機、捲揚機等。

轉子繞組串接電阻起動,只要電阻值大小選擇合適，減小的轉子電流中有功分量增大,轉子功率因數可以提高，電動機的起動轉矩也增大，從而具有良好的起動特性。繞線式非同步電動機轉子串接對稱電阻後，其人為特性如圖2-11所示。

圖2-11轉子串接對稱電阻時的人為特性*1．轉子串接電阻起動控制線路在電動機起動過程中，串接的起動電阻級數愈多，電動機起動時的轉矩波動就愈小，起動愈平滑。起動電阻被逐段的切除，電動機轉速不斷升高，最後進入正常運行狀態。設計思想：這種控制線路既可按時間原則組成控制線路，也可按電流原則組成控制線路。

1）按時間原則組成的繞線式非同步電動機起動控制線路圖2-12為按時間原則的繞線式非同步電動機起動控制線路，依靠時間繼電器的依次動作短接起動電阻，實現起動控制。2）按電流原則組成的繞線式非同步電動機起動控制線路按電流原則起動控制是指通過欠電流繼電器的釋放值設定進行控制，利用電動機起動時轉子電流的變化來控制轉子串接電阻的切除。圖2-13為按電流原則組成的繞線式非同步電動機起動控制線路。圖中，KI1、KI2、KI3為電流繼電器。這3個繼電器線圈的吸合電流相同，但釋放電流不一樣，KI1釋放電流>KI2釋放電流>KI3釋放電流。

圖2-12按時間原則的繞線式非同步電動機起動控制線路圖2-13按電流原則的繞線式非同步電動機起動控制線路*

圖2-13中的中間繼電器KA是為了保證起動時接入全部電阻而設計的。因為剛起動時，若無KA，電流從零開始，KI1、KI2、KI3都未動作，全部電阻都被短接，電動機處於直接起動狀態；增加了KA，從KM線圈得電到KA的常開觸點閉合需要一段時間，這段動作時間能保證電流衝擊到最大值，使KI1、KI2、KI3全部吸合，接於控制電路中的常閉觸點全部斷開，從而保證電動機全電阻起動。

2．轉子回路串頻敏變阻器起動控制線路轉子串接電阻起動控制在繞線式非同步電動機起動過程中逐段減小電阻時，電流與轉矩是成躍變狀態變化，電流與轉矩突然增大會產生一定的機械衝擊；而且分段級數越多時控制線路越複雜，工作可靠性越低。若改用頻敏變阻器（frequencysensituerheostat）來替代起動電阻,其好處是頻敏變阻器的阻抗能夠隨著轉子電流頻率的下降自動減小，所以它是繞線非同步電動機較為理想的起動設備，常用於較大容量的繞線式非同步電動機的起動控制中，如空氣壓縮機等。

頻敏變阻器是一個鐵心損耗很大的三相電抗器，它由數片E形矽鋼片疊成，外面再套上繞組，採用Y形接線。將其串入繞線非同步電動機轉子回路中，相當於接入一個鐵損較大的電抗器。在電動機開始起動時，轉速n=0，轉子頻率最高，頻敏變阻器的阻抗最大；隨著轉子頻率的減小，其繞組電抗和鐵心損耗決定的等效阻抗也隨著減小，隨著電動機轉速的提高，自動平滑地減小阻抗值，從而限制起動電流。由於頻敏變阻器的等效電阻和電抗同步變化，因此轉子電路的功率因數基本不變，從而得到大致恒定的起動轉矩。

圖2-14為採用頻敏變阻器的起動控制線路，可實現手動和自動兩種控制。

自動控制的線路工作原理為：當轉換開關SA扳到“自動”位置時，按下SB2起動按鈕：接觸器KM1得電，電動機串入頻敏變阻器起動。同時，時間繼電器KT得電。時間繼電器KT經過一段時間延時，KT常開觸點閉合，中間繼電器KA得電閉合實現自鎖。KA常開觸點閉合，KM2線圈得電，KM2常開觸點閉合，將頻敏變阻器短接。KM2常閉觸點斷開，KT失電，電動機在額定電壓下運行。

手動控制的線路工作原理為：當轉換開關SA扳到“手動”位置時，時間繼電器KT不起作用，

利用按鈕SB3手動控制，使中間繼電器KA和接觸器KM2動作，從而控制電動機的起動到正常運轉。頻敏變阻器有四個接頭可以調整匝數，上下鐵心之間也可以調整空氣氣隙。在使用中如果遇到下列情況，可以調整匝數和氣隙：（1）起動電流過大，起動太快，應增加匝數，使阻抗變大，減小起動電流，同時起動轉矩減小，起動過程變慢。（2）起動時力矩過大，有機械衝擊，應增加氣隙，使起動電流略增加，而起動轉矩略減小，從而使穩定運行時的轉速有所提高。

圖2-14採用頻敏變阻器的起動控制線路*四、固態降壓起動器前述的傳統非同步電機的起動方式的共同特點是控制電路簡單，但起動轉矩固定不可調，起動過程中存在較大的衝擊電流，使被拖動負載受到較大的機械衝擊。且易受電網電壓波動的影響，一旦出現電網電壓波動，會造成起動困難甚至使電機堵轉。停機時幾種起動方法都是瞬間停電，也將會造成劇烈的電網電壓波動和機械衝擊。為克服上述缺點，人們研製了固態降壓起動器，固態降壓起動器（SoftStarter）是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能於一體的新穎電機控制裝置。

1．固態降壓起動器的工作原理固態降壓起動器由電動機的起停控制裝置和軟起動控制器組成，其核心部件是軟起動控制器，它是由功率半導體器件和其他電子元器件組成的。目前市場上的產品分為固態降壓起動器和軟起動控制器兩種。軟起動控制器是利用電力電子技術與自動控制技術將強弱電結合，其主要結構是一組串接於電源與被控電機之間的三相反並聯晶閘管及其電子控制電路，利用晶閘管移相控制三相反並聯晶閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，從而實現不同的起動功能。

起動時，使晶閘管的導通角從0開始，逐漸前移，電機的端電壓從零開始，按預設函數關係逐漸上升，直至達到滿足起動轉矩而使電動機順利起動，這就是軟起動控制器的工作原理。軟起動控制器的主電路原理圖如圖2-15所示。軟起動控制器一般並聯接觸器來實現軟起動和軟停車。如圖2-15所示，在軟起動控制器兩端並聯接觸器K，當電動機軟起動結束後，K合上，運行電流將通過K送至電動機。若要求電動機軟停車，一旦發出停車信號，先將K分斷，然後再由軟起動器對電動機進行軟停車。該電路有如下優點：在電動機運行時可以避免軟起動器產生的諧波；軟起動器僅在起動、停車時工作，可以避免長期運行使晶閘管發熱，延長了使用壽命；一旦軟起動器發生故障，可由並聯的接觸器作為應急備用。

圖2-15軟起動控制器的主電路原理2．軟起動控制器的工作特性（1）起動特性非同步電動機在軟起動過程中，軟起動控制器是通過控制α角來調節電機定子上的平均電壓來限制起動電流和轉矩的，隨著α角減小，起動電流和轉矩逐漸增加，轉速也逐漸增加。一般軟起動控制器可以通過設定得到不同的起動特性，以滿足不同負載特性的要求。常用的起動方法有斜坡恒流升壓起動和脈衝階躍起動。斜坡恒流升壓起動是在晶閘管的移相電路中引入電機電流回饋使電機在起動過程中保持恒流、起動平穩。脈衝階躍起動在起動開始極短時間內，晶閘管以較大電流導通，經過一段時間後回落，再按原設定值線性上升，進入恒流起動狀態。

（2）減速軟停控制傳統的控制方式都是通過瞬間停電完成的，但有許多應用場合，不允許電機瞬間關機。例如：高層建築、樓宇的水泵系統，如果瞬間停機，會產生巨大的“水錘”效應，使管道甚至水泵遭到損壞。為減少和防止“水錘”效應，需要電機逐漸停機，採用軟起動控制器能滿足這一要求。軟起動控制可以實現減速軟停控制，當電動機需要停機時，不是立即切斷電動機的電源，

而是通過調節晶閘管的導通角，從全導通狀態逐漸地減小，從而使電動機的端電壓逐漸降低而切斷電源的，這一過程時間較長故稱為軟停控制。停車的時間根據實際需要可在0～120s範圍內調整。

（3）節能特性軟起動控制器可以根據電動機功率因數的高低，自動判斷電動機的負載率，當電動機處於空載或負載率很低時，通過相位控制使晶閘管的導通角發生變化，從而改變輸入電動機的功率，以達到節能的目的。（4）制動特性當電動機需要快速停機時，軟起動控制器具有能耗制動功能。能耗制動功能即當接到制動命令後，軟起動控制器改變晶閘管的觸發方式，使交流電轉變為直流電，然後在關閉主電路後，立即將直流電壓加到電動機定子繞組上，利用轉子感應電流與靜止磁場的作用達到制動的目的。

3．固態降壓起動器的應用在工業自動化程度要求比較高的場合，為了便於控制和應用，往往將軟起動控制器、斷路器和控制電路組成一個較完整的電動機控制中心(MCC)以實現電動機的軟起動、軟停車、故障保護、報警、自動控制等功能。同時具有運行和故障狀態監視、接觸器操作次數、電機運行時間和觸點彈跳監視、試驗等輔助功能。另外還可以附加通信單元、圖形顯示操作單元和編程器單元等並可直接與通信匯流排聯網。一些工廠有多臺電動機需要起動，可以使用一臺軟起動控制器對多臺電動機進行軟起動，以節約資金投入。

圖2-16一臺軟起動器對兩臺電動機起動、停機2.4三相非同步電動機制動控制

三相非同步電動機從切斷電源到安全停止轉動，由於慣性的關係總要經過一段時間，影響了勞動生產率。在實際生產中，為了實現快速、準確停車，縮短時間，提高生產效率，對要求停轉的電動機強迫其迅速停車，必須採取制動措施。三相非同步電動機的制動方法分為兩類：機械制動和電氣制動。機械制動有電磁抱閘制動、電磁離合器制動等；電氣制動有反接制動、能耗制動、回饋制動等。

一、電磁抱閘制動和電磁離合器制動

機械制動的設計思想是利用外加的機械作用力，使電動機迅速停止轉動。機械制動有電磁抱閘制動、電磁離合器制動等。1．電磁抱閘制動電磁抱閘制動是靠電磁制動閘緊緊抱住與電動機同軸的制動輪來制動的。電磁抱閘制動方式的制動力矩大，制動迅速停車準確，缺點是制動越快衝擊振動越大。電磁抱閘制動有斷電電磁抱閘制動和通電電磁抱閘制動。

断电电磁抱闸制动在電磁鐵線圈一旦斷電或未接通時，電動機都處於抱閘制動狀態，例如電梯、吊車、捲揚機等設備。斷電電磁抱閘制動線路如圖2-17所示。

圖2-17斷電電磁抱閘制動線路圖*為了避免電動機在起動前暫態出現轉子被掣住不轉的短路運行狀態，在電路設計時使接觸器KM2先得電，使得電磁鐵線圈YA先通電鬆開制動閘後，電動機才能接通電源。通電電磁抱閘制動控制則是在平時制動閘總是在鬆開的狀態，通電後才抱閘。例如象機床等需要經常調整加工件位置的設備，往往採用。2．電磁離合器制動電磁離合器制動是採用電磁離合器來實現制動的，電磁離合器體積小，傳遞轉矩大，制動方式比較平穩且迅速，並可以安裝在機床等的機械設備內部。

二、反接制動控制線路1．線路設計思想反接制動是一種電氣制動方法，通過改變電動機電源電壓相序使電動機制動。由於電源相序改變，定子繞組產生的旋轉磁場方向也與原方向相反，而轉子仍按原方向慣性旋轉，於是在轉子電路中產生相反的感應電流。轉子要受到一個與原轉動方向相反的力矩的作用，從而使電動機轉速迅速下降，實現制動。

在反接制動時，轉子與定子旋轉磁場的相對速度接近於2倍同步轉速，所以定子繞組中的反接制動電流相當於全電壓直接起動時電流的2倍。為避免對電動機及機械傳動系統的過大衝擊，一般在10kw以上電動機的定子電路中串接對稱電阻或不對稱電阻，以限制制動轉矩和制動電流，這個電阻稱為反接制動電阻，如圖2-18（a）、（b）所示為定子電路中串接對稱電阻或不對稱電阻。

圖2-18(a)定子電路中串接對稱電阻(b)定子電路中串接不對稱電阻2．典型線路介紹反接制動的關健是採用按轉速原則進行制動控制。因為當電動機轉速接近零時，必須自動地將電源切斷，否則電動機會反向起動。因此，採用速度繼電器來檢測電動機的轉速變化，當轉速下降到接近零時（100r/min），由速度繼電器自動切斷電源。反接制動控制線路分為單向反接制動控制線路和可逆反接制動控制線路。

（1）單向反接制動的控制線路單向反接制動的控制線路如圖2-19所示，其中KS為速度繼電器。（2）可逆反接制動控制線路電動機可逆運行的反接制動控制線路如圖2-20所示。由於速度繼電器的觸點具有方向性，所以電動機的正向和反向制動分別由速度繼電器的兩對常開觸點KS-Z、KS-F來控制。該線路在電動機正反轉起動和反接制動時在定子電路中都串接電阻，限流電阻R起到了在反接制動時限制制動電流，在起動時限制起動電流的雙重限流作用。操作方便，具有觸點、按鈕雙重聯鎖，運行安全、可靠，是一個較完善的控制線路。

圖2-19單向反接制動線路圖*圖2-20電動機可逆運行的反接制動控制線路三、能耗制動控制線路1．線路設計思想能耗制動是一種應用廣泛的電氣制動方法。當電動機脫離三相交流電源以後，立即將直流電源接入定子的兩相繞組，繞組中流過直流電流，產生了一個靜止不動的直流磁場。此時電動機的轉子切割直流磁通，產生感生電流。在靜止磁場和感生電流相互作用下，產生一個阻礙轉子轉動的制動力矩，因此電動機轉速迅速下降，從而達到制動的目的。當轉速降至零時，轉子導體與磁場之間無相對運動，感生電流消失，電動機停轉，再將直流電源切除，制動結束。

2．典型線路介紹能耗制動可以採用時間繼電器與速度繼電器兩種控制形式。圖2-21為按時間原則控制的單向能耗制動控制線路。

線路原理：按起動按鈕SB2：接觸器KM1得電投入工作，使電動機正常運行，KM1與KM2互鎖，接觸器KM2和時間繼電器KT不得電。

按下停止按鈕SB1：KM1線圈失電，主觸點斷開，電動機脫離三相交流電源。KM1輔助觸點閉合，KM2與KT線圈相繼得電，KM2主觸點閉合，將經過整流後的直流電壓接至電機兩相定子繞組上開始能耗制動。

圖2-21按時間原則的單向能耗制動控制線路*當轉子速度接近零時，時間繼電器KT的常閉觸點延時斷開，使接觸器KM2線圈和KT線圈相繼失電，切斷能耗制動的直流電流，切斷電源制動結束。從能量角度看，能耗制動是把電動機轉子運轉所儲存的動能轉變為電能，且又消耗在電動機轉子的制動上，與反接制動相比，能量損耗少，制動停車準確。所以，能耗制動適用於電動容量大，要求制動平穩和起動頻繁的場合。但制動速度較反接制動慢一些，能耗制動需要整流電路，不過，隨著電力電子技術的迅速發展，半導體整流器件的大量使用，直流電源已成為不難解決的問題了。

2.5電動機的可逆運行

電動機的可逆運行就是正反轉控制。在生產實際中，往往要求控制線路能對電動機進行正、反轉的控制。例如，機床主軸的正反轉，工作臺的前進與後退，起重機起吊重物的上升與下放，以及電梯的升降等。由三相非同步電動機轉動原理可知，若要電動機逆向運行，只需將接於電動機定子的三相電源線中的任意兩相對調一下即可，與反接制動的原理相同。電動機可逆運行控制線路，實質上是兩個方向相反的單向運行電路的組合，並且在這兩個方向相反的單向運行電路中加設必要的聯鎖。

一、電動機可逆運行的手動控制根據電動機可逆運行操作順序的不同，有“正—停—反”手動控制電路與“正—反—停”手動控制電路。1．“正—停—反”手動控制電路

“正—停—反”控制電路是指電動機正向運轉後要反向運轉，必須先停下來再反向。圖2-22為電動機“正—停—反”手動控制線路。KM2為正轉接觸器，KM3為反轉接觸器。

圖2-22“正—停—反”手動控制線路*線路工作原理為：按下正向起動按鈕SB2：接觸器KM2得電吸合，其常開主觸點將電動機定子繞組接通電源，相序為U、V、W，電動機正向起動運行。按停止按鈕SB1：KM2失電釋放，電動機停轉。按反向起動按鈕SB3：KM3線圈得電主觸點吸合，其常開觸點將相序為W、V、U的電源接至電動機，電動機反向起動運行。再按停止按鈕SB1：電動機停轉。由於採用了KM2、KM3的常閉輔助觸點串入對方的接觸器線圈電路中，形成互鎖。因此，當電動機正轉時，即使誤按反轉按鈕SB3，反向接觸器KM3也不會得電。要電動機反轉，必須先按停止按鈕，再按反向按鈕。

2．“正—反—停”手動控制電路在實際生產過程中，為了提高勞動生產率，常要求電動機能夠直接實現正、反向轉換。利用複合按鈕可構成“正—反—停”控制線路，如圖2-23所示。線路工作原理為：若需電動機反轉，不必按停止按鈕SB1，直接按下反轉按鈕SB3，使KM2線圈失電觸點釋放，KM3線圈得電觸點吸合，電動機先脫離電源，停止正轉，然後又反向起動運行。反之亦然。

圖2-23“正—反—停”手動控制線路二、電動機可逆運行的自動控制自動控制的電動機可逆運行電路，可按行程控制原則來設計。按行程控制原則又稱為位置控制，就是利用行程開關來檢測往返運動位置，發出控制信號來控制電動機的正反轉，使機件往復運動。圖2-24(a)為工作臺自動迴圈的原理圖，行程開關SQ1和SQ2安裝在指定位置，工作臺下麵的擋鐵壓到行程開關SQ1就向左移動，壓到行程開關SQ2就向右移動。圖2-24(b)為工作臺自動迴圈的控制線路。

圖2-24(a)工作臺自動迴圈原理圖圖2-24(b)工作臺自動迴圈的控制線路*在控制電路中，行程開關SQ3、SQ4為極限位置保護，是為了防止SQ1、SQ2可能失效引起事故而設的，SQ4和SQ3分別安裝在電動機正轉和反轉時運動部件的行程極限位置。如果SQ2失靈，運動部件繼續前行壓下SQ4後，KMl失電而使電動機停止。這種限位保護的行程開關在位置控制電路中必須設置。

2.6三相非同步電動機調速控制

非同步電動機調速常用來改善機床的調速性能和簡化機械變速裝置。根據非同步電動機轉速公式： （2-2）式中：s——為轉差率；

f——為電源頻率；

P——為定子極對數。由上式可知，三相非同步電動機的調速可通過改變定子電壓頻率f、定子極對數P和轉差率s來實現。具體歸納為變極調速、變頻調速、調壓調速、轉子串電阻調速、串級調速和電磁調速等調速方法。

1．變極調速通常變更繞組極對數的調速方法簡稱為變極調速。變極調速是通過改變電動機定子繞組的外部接線來改變電動機的極對數。鼠籠式非同步電動機轉子繞組本身沒有固定的級數，改變鼠籠式非同步電動機定子繞組的極數以後，轉子繞組的級數能夠隨之變化；繞線式非同步電動機的定子繞組極數改變以後，它的轉子繞組必須重新組合，往往無法實現。所以，變更繞組極對數的調速方法一般僅適用於鼠籠式非同步電動機。

鼠籠式非同步電動機常用的變極調速方法有兩種，一種是改變定子繞組的接法，即變更定子繞組每相的電流方向；另一種是在定子上設置具有不同極對數的兩套互相獨立的繞組，又使每套繞組具有變更電流方向的能力。變極調速是有級調速，速度變換是階躍式的。用變極調速方式構成的多速電動機一般有雙速、三速、四速之分。這種調速方法簡單、可靠、成本低，因此在有級調速能夠滿足要求的機械設備中，廣泛採用多速非同步電動機作為主拖動電機如鏜床、銑床等。

1.雙速電動機

①雙速電動機Δ/YY調速控制線路雙速電動機Δ/YY接法的三相定子繞組接線示意圖如圖2-25所示。應當強調指出，當把電動機定子繞組的Δ接線變更為YY接線時，接線的電源相序必須反相，從而保證電動機由低速變為高速時旋轉方向一致。Δ/YY接線屬於恒功率調速。圖2-26為雙速電動機Δ/YY調速控制線路。

圖2-25雙速電動機Δ/YY三相定子繞組接線圖圖2-26雙速電動機調速控制線路*這種先低速起動，經一定延時後自動切換到高速運行的控制，目的是限制起動電流。②雙速電動機Y/YY接法的接線變換雙速電動機Y/YY接法的接線變換如圖2-27，電機極數四極/二極變換，對應電動機的低速和高速。它屬於恒轉矩調速。

圖2-27雙速電動機Y/YY三相定子繞組接線圖（2）三速非同步電動機

一般三速電動機的定子繞組具有兩套繞組，其中一套繞組可連接成Δ/YY，另一套繞組連接成Y，如圖2-28（a）所示。

假設將D1、D2、D3接電源時，電動機具有8個極；將D4、D5、D6接電源而D1、D2、D3互相短接時，電動機具有4個極；若再將D7、D8、D9接線端接電源時，電動機為6個極。故將不同的端頭接向電源，電動機便有8、6、4三種級別磁極的轉速，對應的轉速由低速變為高速。當只有單獨一套繞組工作時（D7、D8、D9接電源），由於另一套Δ/YY接法的繞組置身於旋轉磁場中，在其Δ接線的線圈中肯定要流過環流電流。為避免環流產生，一般設法將繞組接成開口的三角形，如圖2-28（b）所示。

圖2-28(a)三速電動機的雙定子繞組三速變換

圖2-28(b)三速電動機的Δ定子繞組不接電源時為防止環流，應將繞組接成開口的三角形2．變頻調速由式（2－2）可見，變頻調速就是改變非同步電動機的供電頻率f，利用電動機的同步轉速隨頻率變化的特性進行調速。在交流非同步電動機的諸多調速方法中，變頻調速的性能最好，調速範圍大，穩定性好，運行效率高。採用通用變頻器對鼠籠式非同步電動機進行調速控制，由於使用方便、可靠性高並且經濟效益顯著，所以逐步得到推廣應用。

3．變轉差率S調速變轉差率調速包括調壓調速、轉子串電阻調速、串級調速和電磁調速等調速方法，在電力拖動控制系統已作介紹。調壓調速是非同步電機調速系統中比較簡便的一種，就是改變定子外加電壓來改變電機在一定輸出轉矩下的轉速。調壓調速目前主要通過調整晶閘管的觸發角來改變非同步電動機端電壓進行調速。這種調速方式僅用於小容量電動機。

轉子串電阻調速是在繞線式非同步電動機轉子外電路上接可變電阻，通過對可變電阻的調節來改變電動機機械特性斜率實現調速。電機轉速可以有級調速，也可以無級調速，其結構簡單，價格便宜，但轉差功率損耗在電阻上，效率隨轉差率增加等比下降，故這種方法目前一般不被採用。電磁轉差離合器調速是在鼠籠式非同步電動機和負載之間串接電磁轉差離合器(電磁耦合器)，通過調節電磁轉差離合器的勵磁來改變轉差率進行調速。這種調速系統結構適用於調速性能要求不高的小容量傳動控制場合。

串級調速就是在繞線式非同步電動機的轉子側引入控制變數如附加電動勢來改變電動機的轉速進行調速。基本原理是在繞線轉子非同步電動機轉子側通過二極體或晶閘管整流橋，將轉差頻率交流電變為直流電，再經可控逆變器獲得可調的直流電壓作為調速所需的附加直流電動勢，將轉差功率變換為機械能加以利用或使其回饋回電源而進行調速。

2.7電氣控制線路中的保護主令電器

電氣控制系統對國民經濟的發展和人民生活的影響都很大。為了提高電氣控制系統運行的可靠和安全性，在電氣控制系統的設計與運行中，都必須考慮到系統有發生故障和不正常工作情況的可能性。電氣系統故障可能引起下列嚴重後果：（1）短路電流通過短路點燃起電弧，使電氣設備燒壞甚至燒毀，嚴重時會引發火災。（2）短路電流通過故障設備和非故障設備時，產生熱和電動力的作用，致使其絕緣遭到損壞或縮短使用壽命。

（3）造成電網電壓下降，波及其他用戶和設備，使正常工作和生產遭到破壞甚至使事故擴大，造成整個配電系統癱瘓。（4）最常見的不正常工作情況是過負荷。長時間過負荷會使載流設備和絕緣的溫度升高，而使絕緣加速老化或設備遭受損壞，甚至引起故障。

電氣控制線路在事故情況下，應能保證操作人員、電氣設備、生產機械的安全，並能有效地制止事故的擴大。為此，在電氣控制電路中應採取一定的保護措施，以避免因誤操作而發生事故。完善的保護環節包括超載、短路、過流、過壓、失壓等保護環節，有時還應設有合閘、斷開、事故、安全等必須的指示信息。下麵從電氣設備角度討論電氣故障的類型以及相應的保護。一、電流型保護電氣元件在正常工作中，通過的電流一般在額定電流以內。短時間內，只要溫升允許，超過額定電流也是可以的，這就是各種電氣設備或電氣元件根據其絕緣情況條件的不同，具有不同的超載能力的原因。電氣元件由於電流過大引起損壞的根本原因是溫升超過絕緣材料的承受能力。電流型保護的基本原理是：將保護電器檢測的信號，經過變換或放大後去控制被保護對象，當電流達到整定值時保護電器動作。電流型保護主要有過流、超載、短路和斷相幾種，如圖2-29所示。

圖2-29控制電路的欠壓、過流、超載、短路保護1．短路保護絕緣損壞、負載短接、接線錯誤等故障，都可能產生短路現象而使電氣設備損壞，短路保護的常用方法是採用熔斷器FU。短路的暫態故障電流可達到額定電流的幾倍到幾十倍。短路保護要求具有瞬動特性，即要求在很短時間內切斷電源。如圖2-29電路中的FUl，在對主電路採用三相四線制或對變壓器採用中點接地的三相三線制的供電電路中，必須採用三相短路保護。FU2是當主電機容量較大在控制電路單獨設置短路保護熔斷器，如果主電機容量較小，其控制電路不需要另外設置熔斷器，主電路中的熔斷器可作為控制電路的短路保護。

也可採用空氣自動開關，既作為短路保護，又作為超載保護的電路。其中過流線圈具有反時限特性，用作短路保護；熱元件用作超載保護。線路出故障時自動開關動作，事故處理完畢，只要重新合上開關，線路就能重新運行。2．過電流保護過電流保護是區別於短路保護的另一種電流型保護，一般採用過電流繼電器KI，過電流繼電器的特點是動作電流值比短路保護的小，一般不超過2.5Ie。因為電動機或電氣元件超過其額定電流的運行狀態，時間長了同樣會過熱損壞絕緣。過電流保護也要求有瞬動保護特性，即只要過電流值達到整定值，保護電器立即切斷電源。

如圖2-29所示，按下SB2後，時間繼電器KT的瞬動觸點立即閉合，將過流繼電器KI接入電路。但當電動機起動時，延時繼電器KT的常閉觸點閉合著，過電流繼電器的過電流線圈被短接，這時雖然起動電流很大，但過電流保護不動作。起動結束後，KT的常閉觸點經過延時已斷開，過電流繼電器KI開始起保護作用。當電流值達到整定值時，過電流繼電器KI動作，其常閉觸點斷開，接觸器KM失電，電機停止運行。這種方法，既可用於保護目的，也可用於一定的控制目的，一般用於繞線式非同步電動機。

3．超載保護超載也是指電動機運行電流大於其額定電流，但超過額定電流的倍數更小些，通常在1.5Ie以內。超載保護是採用熱繼電器FR與接觸器KM配合動作的方法完成保護的。引起超載的原因很多，如負載的突然增加，缺相運行以及電網電壓降低等。長期處於超載也將引起電動機的過熱，使其溫升超過允許值而損壞絕緣。超載保護要求保護電器具有反時限特性，即根據電流超載倍數的不同，其動作時間是不同的，它隨著電流的增加而減小。如圖2-29中的熱繼電器FR在超載時其常閉觸點動作，使接觸器KM失電，電動機停轉而得到保護。

4．斷相保護非同步電動機在正常運行中，由於電網故障或一相熔斷器熔斷引起對稱三相電源缺少一相，使定子電流變得很大，造成電動機絕緣及繞組燒毀。斷相保護通常採用專門為斷相運行而設計的斷相保護熱繼電器。對於正常運行採用三角形接法的電動機，如負載在53％～67％之間發生斷相故障，會出現故障相的線電流小於對稱性負載保護電流動作值，但相繞組中最大的一相電流卻已超過其額定值(△形接法時線電流是相電流的倍)。而普通三相式熱繼電器的熱元件是串接在三相電流進線中起不到保護作用。

5．欠電流保護所謂欠電流保護是指被控制電路電流低於整定值時動作的一種保護。欠電流保護通常是用欠電流繼電器KI來實現的。欠電流繼電器線圈串聯在被保護電路中，正常工作時吸合，一旦發生欠電流時釋放以切斷電源。其線圈線上路中的接法同過電流繼電器一樣，但串聯在控制電路中的KI觸點應採用常開觸點，並與時間繼電器的常閉延時斷開觸點相並聯。

例如:用欠電流保護可以實現弱磁保護，對於直流電動機來說，必須有一定強度的磁場才能確保正常啟動運行。在啟動時，如果直流電動機的勵磁電流太小，產生的磁場也就減弱，將會使直流電動機的起動電流很大；當正常運轉時，如直流電動機的磁場突然減弱或消失，會引起電動機轉速迅速升高，損壞機械，甚至發生“飛車”事故。因此必須採用欠電流繼電器KI及時切斷電源，實現弱磁保護。

二、電壓型保護電動機或電氣元件都是在一定的額定電壓下正常工作，電壓過高，過低或者工作過程中非人為因素的突然斷電，都可能造成生產機械的損壞或人身事故，因此在電氣控制線路設計中，應根據要求設置失壓保護、過電壓保護及欠壓保護。

1．失壓保護電動機正常工作時，如果因為電源電壓的消失而停轉，那麼在電源電壓恢復時就可能自行起動而造成人身事故或機械設備損壞。為防止電壓恢復時電動機的自行起動或電氣元件的自行投入工作而設置的保護，稱為失壓保護。如圖2-29所示採用接觸器KM及按鈕SB2控制電動機的起停具有失壓保護作用。當突然斷電時，接觸器KM失電觸點釋放，當電網恢復正常時，由於接觸器自鎖電路已斷開不會自行起動。

但如果不是採用按鈕，而是用不能自動複位的手動開關、行程開關等控制接觸器，必須採用專門的零壓繼電器。對於多位開關，要採用零位保護來實現失壓保護，即電路控制必須先接通零壓繼電器。如圖2-30所示。

圖2-30多位開關失壓保護

主令控制器S置於“零位”時，零電壓繼電器K吸合併自鎖。當S置於“工作位置”時，保證了對接觸器KM的供電。當斷電時，K釋放，電網再接通時，必須先將S置“零位”，使K吸合，才能重新起動電動機，這樣就起到失壓保護作用。2．欠電壓保護

電動機或電氣元件在正常運行中，電網電壓降低到Ue的60％～80％時，就要求能自動切除電源而停止工作，這種保護稱為欠電壓保護。因為當電網電壓降低時，在負載一定的情況下，電動機電流將增加；另一方面，如電網電壓降低到Ue的60％，控制線路中的各類交流接觸器、繼電器既不釋放又不能可靠吸合，處於抖動狀態（有很大雜訊），線圈電流增大，既不能可靠工作，又可能造成電氣元件和電動機的燒毀。上面圖2-29中接觸器KM及按鈕SB2控制方式具有欠電壓保護作用外，還可以採用空氣開關或專門的電磁式欠電壓繼電器KA與接觸器KM配合來進行欠電壓保護，欠電壓繼電器用其常開觸點來完成保護任務，當電網低於整定值時，欠電壓繼電器KA釋放，其常開觸點斷開使接觸器釋放，電動機斷電。

3．過電壓保護電磁鐵、電磁吸盤等大電感負載及直流電磁機構、直流繼電器等，在通斷時會產生較高的感應電動勢，較高的感應電動勢易使工作線圈絕緣擊穿而損壞。因此，必須採用適當的過電壓保護措施。

通常過電壓保護的方法可以採用專門的電磁式過電壓繼電器與接觸器配合來進行過電壓保護，其線圈和觸點的接法與欠電壓繼電器KA相同。另外，直流電磁機構、電感量大的一類負載如電磁鐵、電磁吸盤等，需設置相應的泄放回路來進行過電壓保護，如圖2-31所示，線上圈兩端並聯一個電阻，電阻串電容或二極體串電阻等形式，以形成一個放電回路，從而實現過電壓保護方法，

圖2-31電阻串電容或二極體串電阻等形式三、其他保護在現代工業生產中，控制對象千差萬別，所需要設置的保護措施很多。例如電梯控制系統中的越位極限保護（防止電梯沖頂或撞底），高爐捲揚機和礦井提升機設備中，則必須設置超速保護裝置來控制速度等。1．位置保護一些生產機械的運動部件的行程和相對位置，往往要求限制在一定範圍內，必須有適當的位置保護。例如工作臺的自動往復運動需要有行程限位，起重設備的上、下、左、右和前、後運動行程都需要位置保護，否則就可能損壞生產機械並造成人身事故。

位置保護可以採用行程開關、幹簧繼電器，也可以採用非接觸式接近開關等電氣元件構成控制電路。通常是將開關元件的常閉觸點串聯在接觸器控制電路中，當運動部件到達設定位置時，開關動作常閉觸點打開而使接觸器失電釋放，於是運動部件停止運行。

2．溫度、壓力、流量、轉速等物理量的保護在電氣控制線路設計中，常要對生產過程中的溫度、壓力（液體或氣體壓力）、流量、運動速度等設置必要的控制與保護，將以上各物理量限制在一定範圍以內，以保證整個系統的安全運行。例如對於冷凍機、空調壓縮機等，因其電動機的散熱條件較差，為保證電機繞組溫升不超過允許溫升，而直接將熱敏元件預埋在電機繞組中，來控制其運行狀態，以保護電動機不至因過熱而燒毀；大功率中頻逆變電源、各類自動焊機電源的晶閘管、變壓器等水冷循環系統，當水壓、流量不足時將損壞器件，可以採用壓力開關和流量繼電器進行保護。

大多數的物理量均可轉化為溫度、壓力、流量等，需要採用各種專用的溫度、壓力、流量、速度感測器或繼電器，它們的基本原理都是在控制回路中串聯一些受這些參數控制的常開或常閉觸點，然後通過邏輯組合、聯鎖等實現控制的。有些繼電器的動作值能在一定範圍內調節，以滿足不同場合的保護需要。各種保護繼電器的工作原理、技術參數、選用方法可以參閱專門的產品手冊和介紹資料。

在電力拖動系統中，應根據不同的工作情況，對電動機設置一種或幾種保護措施。保護元件有多種，對於同一種保護要求，可選用不同的保護元件。在選用保護元件時，應考慮保護元件自身的保護特性、電動機的容量和電路複雜情況，以及經濟性等問題。同時，在電動機的控制線路中設置電氣聯鎖和機械聯鎖。為保證生產工藝要求的實現和電路安全可靠地運行，一般在控制線路出現故障時，要迅速切斷電源，防止故障進一步擴大。表2－4列出了電動機各種保護的保護元件及故障原因。

表2－4電動機的保護保護名稱故障原因採用的保護元件短路保護電源負載短路熔斷器，自動開關過電流保護不正確啟動，過大的負載轉矩，頻繁正反向啟動過電流繼電器超載保護長期超載運行熱繼電器、熱敏電阻、自動開關、熱脫扣器零電壓、欠電壓保護電源電壓突然消失或降低零壓、欠壓繼電器或利用接觸器、中間繼電器弱磁保護直流勵磁電流突然消失或減小欠電流繼電器超速保護電壓過高、弱磁場過電壓繼電器，離心開關、測速發電機

本章小結

本章主要介紹電氣控制線路的繪製和分析，電氣控制線路就是把接觸器、繼電器、按鈕、行程開關等電氣元件，用導線連接組成的控制線路。繪製電氣控制線路圖必須使用統一的電氣元件符號，應掌握各種常用電氣元件的名稱、符號、用途等。電氣控制線路是由一些基本控制環節組成，通過介紹典型基本環節和線路，使用戶掌握控制線路的基本環節，如自鎖、聯鎖等。電動機控制的常用運行方式為起動、制動和正反轉，通過對控制線路的介紹，掌握電動機的各種常用運行線路，並能實現保護環節的設計。通過本章的學習，應掌握對基本電氣控制線路的閱讀，並能自行設計常用的電動機控制線路。

第三章電氣控制系統分析

3.1C650臥式車床電氣控制線路分析

3.2X62臥式萬能銑床電氣控制線路分析3.3T68臥式鏜床電氣控制線路分析

3.4組合機床電氣控制線路分析

電氣控制系統是機械設備的重要組成部分，是保證機械設備各種運動的準確與協調，使生產工藝各項要求得以滿足，工作安全可靠及操作自動化的主要技術手段。瞭解電氣控制系統對於機械設備的正確安裝、調整、維護與使用都是必不可少的。

本章以幾種典型機床的電氣控制系統為例進行介紹，使讀者學會分析電氣控制系統的方法，提高讀圖能力，並為按照生產設備工藝要求設計電氣控制系統打下一定基礎。在分析典型生產機械的電氣控制系統時，首先應對其機械結構及各部分的運動特徵有清楚的瞭解。其次，由於現代生產機械多採用機械、液壓和電氣相結合的控制技術，並以電氣控制系統技術作為聯接中樞，所以應樹立機、電、液相結合的整體概念，注意它們之間的協調關係。

3.1C650臥式車床電氣控制線路分析

一、普通車床的主要工作情況普通車床是一種應用極為廣泛的金屬切削機床，主要用於加工各種回轉表面、螺紋和端面，並可通過尾架進行鑽孔、鉸孔等切削加工。車床的切削加工包括主運動、進給運動和輔助運動。主運動為工件的旋轉運動：由主軸通過卡盤或頂尖帶動工件旋轉。進給運動為刀具的直線運動：由進給箱調節加工時的縱向或橫向進給量。輔助運動為刀架的快速移動及工件的夾緊、放鬆等。

根據切削加工工藝的要求，對電氣控制提出下列要求：主拖動電動機採用三相籠型電動機，主軸的正、反轉由主軸電動機正、反轉來實現。調速採用機械齒輪變速的方法。中小型車床採用直接起動方法（容量較大時，採用星-三角減壓起動）。為實現快速停車，一般採用機械制動或電氣反接制動。控制線路具有必要的保護環節和照明裝置。

二、C650型普通車床的電氣控制圖3-1為C650普通車床的的電氣控制原理圖，表3-1為其電氣元件符號與功能說明。車床共有三臺電動機：M1為主軸電動機，拖動主軸旋轉，並通過進給機構實現進給運動。M2為冷卻電動機，提供切削液。M3為快速移動電動機，拖動刀架的快速移動。

圖3-1C650普通車床的的電氣控制原理圖

符號

名稱及用途

符號名稱及用途

M1主電動機

SB1總停按鈕

M2冷卻泵電動機

SB2主電動機正向點動按鈕

M3快速移動電動機

SB3主電動機正向啟動按鈕

KM1主電動機正轉接觸器

SB4主電動機反向啟動按鈕

KM2主電動機反轉接觸器

SB5冷卻泵電動機停止按鈕

KM3短接限流電阻接觸器

SB6冷卻泵電動機啟動按鈕

KM4冷卻泵電動機啟動接觸器

TC控制變壓器

KM5快移電動機啟動接觸器

FU1～6熔斷器

KA中間繼電器

FR1主電機超載保護熱繼電器

KT通電延時時間繼電器

FR2冷卻泵電機保護熱繼電器

SQ快移電動機點動行程開關

R限流電阻

SA開關

EL照明燈

KS溫度繼電器

TA電流互感器

A電流錶

QS隔離開關1．M1的點動控制調速車床時，要求M1點動控制，工作過程如下：合上刀開關QS→按起動按鈕SB2→接觸器KM1通電→M1串接限流電阻R低速轉動，實現點動。鬆開SB2→接觸器KM1斷電→M1停轉。2．M1的正、反轉控制