简明电工学课件：交流电动机的控制

交流电动机的控制8.1手动控制8.2自动控制8.3顺序控制8.4正反转控制8.5行程控制8.6时间控制8.7可编程逻辑控制器

交流电动机作为旋转运动的原动机,广泛应用于生产生活中的多个领域。例如,通过对水泵(电机)的控制完成抽、送水;通过对电葫芦(电机)的控制完成工件移动;通过对机床主轴电机的控制完成工件的加工等。

本模块主要以笼型异步电动机为例,采用低压电器实现启动、停止、顺序、正反转、行程、时间等控制,这种控制系统又称为继电接触器控制系统。除了继电接触器控制系统,还可以采用一种以中央处理器为核心的无触点控制系统,称为可编程逻辑控制器(PLC)。但无论采用哪种方式对电动机进行控制,均脱离不了常用控制电器。

能力要素

(1)了解常用控制电器的功能并掌握其使用方法。

(2)能够对三相交流电动机的点动、长动、顺序、正反转、行程、时间等控制电路进行分析。

(3)能够对三相交流电动机的简单控制电路进行设计。

知识结构

8.1手动控制

闸刀开关是一种常见的手动控制电器,某型号的闸刀开关如图8.1.1(a)所示。由闸刀开关手动控制电动机的电路如图8.1.1(c)所示,图中Q表示闸刀开关,M(3~)表示三相笼型异步电动机,接通和断开闸刀开关可以实现电动机的通电和断电。闸刀开关在生活中较为常见,可按实际持续电流选取型号。

熔断器是一种常见的短路和过电流的保护电器。某型号的熔断器如图8.1.1(b)所示。图8.1.1(c)中FU表示熔断器,当发生短路或者严重过载时,以其自身产生的热量使熔丝熔化,从而使电路断开。熔断器主要根据负载的特性和预期短路电流的大小选择类型,常用的熔断器有RN、RM、RW等系列。图8.1.1闸刀开关、熔断器与手动控制电路

闸刀开关和熔断器(Q+FU)的组合体积较大,同时无法提供过载保护,因此在实际运行过程中有时采用断路器替代。

断路器又称自动空气开关或自动空气断路器,既可实现电路的通断控制,也可以实现短路、过载、失压等保护,是低压控制电路中一种重要的保护电器。某型号断路器如图8.1.2所示。常用的空气断路器有DZ、DW等系列。图8.1.2空气断路器

手动控制结构简单、功能单一,随着电动机的容量不断增大,开关体积也越来越大,操作越来越复杂,并且不能实现频繁启动和远距离操作,为了解决手动控制的缺点,随着电气控制技术和产品的不断发展和更新,在手动控制的基础上增加接触器和继电器等自动控制电器实现自动控制。本模块以“Q+FU”为基础介绍自动控制电路。

8.2自动控制

为了实现对交流电动机的控制,首先要使电动机启动和停止,而电动机的启停自动控制又是众多控制电路的基础。在图8.1.1电路的基础上增加按钮、交流接触器和热继电器等自动控制电器可实现电动机的启停自动控制。

8.2.1自动控制电器

1.按钮

某型号的按钮如图8.2.1(a)所示,原理如图8.2.1(b)所示,在未按下按钮帽时,上方的常闭静触点被动触点接通处于闭合状态,致使1、2导通,以接通某一电路,称为常闭触点,也叫动断触点;下方的常开静触点未被动触点接通而处于断开状态,称为常开触点,也叫动合触点。当按下按钮帽时,动触点下移,原处于闭合状态的常闭触点断开,致使1、2断开;常开触点闭合,致使3、4导通。松开按钮帽,在复位弹簧的作用下,动触点复位,恢复为原来状态。

图8.2.1按钮

常用的按钮有LA等系列,其符号如表8.2.1所示。

2.交流接触器

交流接触器是通过线圈通电产生磁力来实现电路通断的自动控制电器。某型号的交流接触器如图8.2.2(a)所示,其原理如图8.2.2(b)所示,它主要由电磁铁和触点两部分组成。电磁铁的铁芯分动、静两部分,静铁芯中间套有吸引线圈。触点包括静触点和动触点两部分,动触点和动铁芯连在一起。

当吸引线圈通电后,产生电磁力。在电磁力的作用下,动铁芯带动动触点移动,使原处于闭合状态的静触点断开,原处于断开状态的静触点闭合。当线圈断电后,电磁力消失,动铁芯在弹簧的作用下复位,各触点也恢复到原来的状态。图8.2.2交流接触器

根据用途不同,接触器的触点分主触点和辅助触点两类。主触点能通过较大的电流,一般为三副常开触点,串联在电源和电动机之间,用来改变电动机的供电状态,这部分电路称为主电路,如图8.2.3所示的左侧电路。

辅助触点通过的电流较小,既有常开触点,也有常闭触点,通常接在由按钮和接触器线圈组成的电路中,以实现某些功能,这部分电路称为辅助电路,如图8.2.3所示的右侧电路。

如图8.2.3所示,按下启动按钮,电动机启动运转;松开按钮,电动机立即停止运转,这种控制方式称为点动控制。点动控制只适用于短时工作情况下接通、断开电源使用,如若需要电动机持续转动,则需人为持续按压按钮,可操作性较差。图8.2.3点动控制

为使电动机在松开启动按钮后继续运转,可将接触器的一副常开辅助触点并联在启动按钮两端,如图8.2.4所示。按下启动按钮后,接触器的常开主触点和常开辅助触点同时闭合,将启动按钮短接,当松开启动按钮后,接触器线圈可以继续通电,电动机继续运转。上述常开辅助触点的作用称为“自锁”。这种控制方式称为长动控制。图8.2.4长动控制原理

为了能够让电动机停止转动,在辅助电路中增加一个停止按钮(常闭)。按下停止按钮,按钮的常闭触点断开,接触器线圈断电,常开主触点和辅助触点重新断开,使电动机断电停止运行。松开停止按钮,停止按钮的触点恢复为常闭状态,但是电路已经断开,要想电动机运行,必须重新按下启动按钮。

选用交流接触器时,应该注意它的线圈电压、触点数量与触点额定电流。CJ10系列接触器的主触点额定电流有5A、10A、20A、60A、100A等;线圈额定电压有220V或380V等。常用的交流接触器还有CJ40、CJ12等系列。

交流接触器符号如表8.2.2所示。

3.中间继电器

中间继电器工作原理与交流接触器相同,只是用途不同,接触器主要用来接通和断开主电路,而中间继电器主要用在辅助电路中,以弥补辅助触点的不足。某型号的中间继电器如图8.2.5所示。常用的中间继电器有JZ7和JZ8系列,其图形符号与交流接触器相同,用KA表示。图8.2.5中间继电器

4.热继电器

在自动控制电路中,不仅要求对电动机启停进行控制,而且要求有必要的保护措施。除了8.1节所讲的熔断器提供短路保护外,还需要对电动机的过载进行保护。热继电器就是用于对电动机进行长时间过载保护的装置,某型号的热继电器如图8.2.6所示。热继电器包括发热元件和常闭触点,当过载时,放置于主电路的发热元件变形,致使辅助电路的常闭触点断开,从而断开主电路。图8.2.6热继电器

常用的热继电器有JR20、JR15等系列,其符号如表8.2.3所示。

8.2.2启停自动控制

由图8.2.2(b)可知,在交流接触器KM的基础上增设低压电器即可组成交流电动机控制电路,但是这样的电路绘制起来比较麻烦,因此采用低压电器的图形符号绘制控制电路。

(1)控制电路由主电路(被控制电动机所在电路)和辅助电路(控制主电路状态)组成。

(2)按国家规定的图形符号和文字符号画图。图形符号在不会引起错误理解的情况下可以旋转或取其镜像形态。文字符号不够用时,还可以加上相应的辅助文字符号。如启动按钮可写为SBST,交流接触器可写为KM1、KMR等。

(3)属同一电器元件的不同部分(如接触器的线圈和触点)按其功能和所接电路的不同可以分别画在不同的电路中,但必须标注相同的文字符号。与电路无关的部件(如铁芯、支架、弹簧等)在控制电路中不画出。

(4)所有电器的图形符号均按无电压、无外力作用下的正常状态画出,即按通电前的状态绘制。闸刀开关Q虽然按照常开状态绘制,但是在实际分析中默认其处于闭合状态。

(5)电机是否转动的关键在于交流接触器线圈是否得电,因此必须保证每个线圈施加额定电压,一般情形下不能将两个线圈串联。

依据上述原则,结合图8.2.3,绘制点动控制电路如图8.2.7所示。其工作过程如下:

①按下SBST→KM线圈得电→KM主触点闭合→M启动;

②松开SBST→KM线圈失电→KM主触点断开→M停转。图8.2.7点动控制电路

结合图8.2.4,绘制长动控制电路如图8.2.8所示。其工作过程如下:

①按下SBST→KM线圈得电→KM主触点闭合,常开辅助触点闭合实现自锁→M启动→松开SBST,对电路无影响;

②按下SBSTP→KM线圈失电→KM主触点断开,常开辅助触点断开解除自锁→M停转→松开SBSTP,电路恢复为无电状态。图8.2.8长动控制电路

电路中的熔断器FU起短路保护作用,热继电器FR起过载保护作用,而接触器KM还起到失压保护的作用,当出现停电或电源电压严重下降时,接触器线圈因为电压不足而造成电磁力不足,使得接触器触点恢复为无电状态,电动机停止运转。在电源电压恢复后,只有重新按下启动按钮,电动机才能重新启动,这样可以避免因电动机自行启动及操作人员缺乏准备而造成安全事故。

8.3顺序控制

在生产中常会使用多台电动机,而且要求电动机按照一定顺序启动,这就需要采用顺序控制。例如,要求M1启动后M2才可以启动。设定接触器KM1控制电机M1,接触器KM2控制电机M2,主电路如图8.3.1所示。图8.3.1顺序控制主电路

根据要求,首先将M1和M2的长动控制辅助电路并联,初步设计电路如图8.3.2所示。此时,M1、M2的启动并无先后顺序的限制。图8.3.2辅助电路

在辅助电路中给KM2线圈串联一个KM1常开辅助触点,如图8.3.3所示,可实现顺序控制。如果先按下SB2,因KM1常开辅助触点断开,M2无法启动。电路工作过程如下:

①按下SB1→M1长动→与KM2线圈串联的KM1常开辅助触点闭合,为M2转动提供可能→按下SB2→M2长动;

②按下SBSTP→KM1和KM2线圈失电→M1和M2停止运转,电路恢复为无电状态。图8.3.3顺序控制辅助电路

【专8.1】将图8.3.3中KM2线圈支路的KM1常开辅助触点移动,形成如图1(a)、(b)所示的电路,分析其功能。图1专8.1的电路

【练8.1】图2所示为既可长动也可点动的辅助电路,使用了手动开关。当Q断开时,为点动控制电路;如果将Q闭合,则为长动控制电路。试采用复合按钮实现相同功能。图2练8.1的电路

【练8.2】设计控制电路。要求通过A、B两地各自的启动按钮和停止按钮对一台电动机进行启停控制。

【练8.3】三台皮带运输机分别由三台三相异步电动机拖动,为了使运输带上不积压运送的材料,要求电动机按顺序启动,即电动机M1启动后M2才能启动,M2启动后M3才能启动。设计能实现上述要求的自动控制电路。

8.4正反转控制

图8.4.1所示为电动机正反转控制主电路,当接触器KMF工作时,电动机正转;当接触器KMR工作时,由于调换了两根电源线(L1、L3对调),电动机反转。因此一台电动机需要通过两个接触器实现两种不同的连接方式。需要注意的是,如果两个接触器的六个主触点同时闭合将造成电源短路,因此同一时间只允许一个接触器工作。图8.4.1正反转控制

为了避免短路,设计辅助电路如图8.4.2(a)所示。在辅助电路中两个交流接触器的线圈分别与对方的常闭辅助触点串联。当正转接触器KMF的线圈得电时,它串联在反转接触器KMR线圈支路的常闭辅助触点断开,切断了反转接触器的线圈支路。此时,即使未按停止按钮SBSTP而误按了反转启动按钮SBR,反转接触器系统也不会得电,反之亦然。这种相互制约的控制方式称为互锁,又称联锁。8.3节的图8.3.3所示电路已包含了“互锁”控制。图8.4.2正反转控制辅助电路

正转运行过程如下:

①按下SBF→M正转→与KMR线圈串联的KMF常闭辅助触点断开,M反转已无可能。此时按下SBR,对电路没有影响。

②按下SBSTP→电路恢复为无电状态。

③按下SBR→M反转→与KMF线圈串联的KMR常闭辅助触点断开,M正转已无可能。此时按下SBF,对电路没有影响。

因此其工作方式为:正转-停止-反转。

为了实现直接正反转,在已包含“电气互锁”的图8.4.2(a)基础上增设复合按钮,如图8.4.2(b)所示,其中复合按钮的作用称为“机械互锁”。

反转运行过程如下:

①按下SBF→M正转;

②按下SBR→与KMF线圈串联的SBR常闭触点断开,KMF线圈失电,KMF相关触点恢复为无电状态,M停止正转→M反转。因此其工作方式为:正转-反转。

8.5行程控制

行程控制可以采用行程开关来实现。行程开关又称限位开关,用于自动往返控制或限位保护等,其动作主要由碰撞产生。某型号的行程开关如图8.5.1(a)所示,原理图如图8.5.1(b)所示。图8.5.1行程开关

当行程开关未受到外界作用时,开关处于原位;当受到外界碰撞挤压后常开触点闭合,常闭触点断开;当外界作用消失,在弹簧的作用下行程开关恢复至原来状态。

行程开关的种类很多,常用的有LX等系列。行程开关符号如表8.5.1所示。

图8.5.2为用行程开关控制工作台前进与后退的示意图。工作台由电动机M拖动前后运动,行程开关SQA和SQB分别放置在工作台的起点和终点,由工作台位置决定行程开关状态。图8.5.2往返控制

如果采用图8.4.2(a)具有电气互锁的正反转控制电路来实现往返控制,其工作过程如下:

按下SBF→M正转,小车前进→小车到终点时,按下停止按钮SBSTP,然后按下SBR→M反转,小车后退→当小车返回起点时,按下停止按钮SBSTP,然后按下SBF→小车重新进行新的往返。

因行程开关SQA放置于起点,SQB放置于终点,小车前进到终点或者后退到起点,会碰撞挤压行程开关,此刻相当于按下了相应的按钮。因此将SQB的常开触点串联于KMF线圈支路,取代“SBSTP”,将SQB的常开触点并联于SBR,取代“SBR”。SQA触点的放置方法类似,形成的电路如图8.5.3所示。图8.5.3自动往返控制辅助电路

工作过程如下:按下SBF→M正转,小车前进→小车到终点时,碰撞SQB,使其常闭触点断开,小车停止运动,常开触点闭合,小车后退→小车返回起点时,碰撞SQA,使其常闭触点断开,小车停止运动,常开触点闭合,小车前进→小车重新进行新的往返。

8.6时间控制

三相异步电动机星三角降压启动时定子绕组为星形联结,经过一段时间后,转速接近额定转速,将定子绕组换接成三角形联结,这一类过程可以采用时间控制来实现。而时间继电器是从得到输入信号(线圈通电或断电)起,经过一段时间延时后触点才动作的继电器,适用于定时控制。某型号的时间继电器如图8.6.1所示。一般情况下,时间继电器的延时时间在一定范围内是可调的。图8.6.1时间继电器

时间继电器种类众多,空气式时间继电器主要有JS7A等系列,电子式时间继电器主要有JS20、DH48S等系列。

时间继电器包括线圈和触点,分为得电延时和失电延时两类,其符号与功能如表8.6.1所示。

(1)得电延时继电器有常开触点和常闭触点,当线圈得电后,常开触点延时闭合,常闭触点延时断开;进而线圈失电后,常开触点迅速断开,常闭触点迅速闭合。

(2)失电延时继电器也有常开触点和常闭触点,当线圈得电后,常开触点迅速闭合,常闭触点迅速断开;进而线圈失电后,常开触点延时断开,常闭触点延时闭合。

时间继电器也有普通触点。

参照如图8.6.2所示顺序控制设计电路,其中主电路与图8.3.1一致。在M1和M2长动辅助电路“并联”的基础上,使用时间继电器KT常开触点“取代”SB2。而KT线圈则与KM1线圈并联,保证KM1线圈得电的同时,KT开始计时。设置KM2的常闭辅助触点“串联”于KT线圈,保证M2启动后,KT线圈断电,从而保护电器。

工作过程如下:

按下SBST→KM1线圈得电,M1长动,KT线圈得电开始计时→计时结束后,KT触点闭合→KM2线圈得电,M2长动,KM2常闭触点断开→KT线圈失电,KT触点断开。图8.6.2时间控制电路

8.7可编程逻辑控制器

继电接触器控制系统具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点,但这类控制装置硬件连接复杂,通用性和灵活性差,有时满足不了现代化生产过程中复杂多变的控制要求。而可编程逻辑控制器是综合了计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种新型工业控制器,以软件编程实现控制功能,具有极高的抗干扰能力,兼备了计算机和继电器两种控制方式的优点,并具有在线修改能力,能够大大缩短设计、施工、投产的周期。

1.等效电路

在主电路不变的情况下,继电接触器控制电路中的辅助电路可看作一个由多个普通继电器、定时器(T)和计数器(C)等组成的装置,这个装置就是PLC。PLC是一种工业计算机,本模块不对其内部结构做深入介绍。图8.7.1电动机的正反转控制PLC等效电路

以PLC实现三相异步电动机的正反转控制为例来说明其工作原理,如图8.7.1所示。由图可知,PLC等效电路分为输入接口单元、逻辑运算单元、输出接口单元三个部分。

输入接口单元由输入接线端子和输入继电器(I)的线圈组成,负责接收输入信号和操作指令。输入接线端子的COM是公共接线端子,与PLC内部提供的直流电源相连。其余各输入接线端子都与对应输入继电器线圈相连。输入接线端子主要用于连接外部输入信号,在正反转控制电路中存在SBF、SBR和SBSTP三个输入按钮以及热继电器FR常闭触点。

输出接口单元由输出接线端子和输出继电器(Q)的动合触点组成,负责输出控制信号与操作指令。输出接线端子的COM是公共接线端子,与外部220V交流电源相连,其余输出接线端子都与对应输出继电器的动合触点相连。输出接线端子是PLC与外部被控对象的连接接口。在正反转控制电路中,被控对象为正转接触器线圈KMF与反转接触器线圈KMR。

逻辑运算单元是PLC的核心,它由输入继电器(I)触点、输出继电器(Q)、定时器(T)、计数器(C)等组成可以看出元器件(接触器、按钮、热继电器等)连接在输入、输出端子上,但并没有使用电路将其直接连接起来,而是使用PLC进行关联,由此可知,PLC取代的就是继电器控制系统的逻辑部分,即辅助电路。根据图8.4.2(b),可得外部接线图如图8.7.2所示,输入变量是由三个按钮的常开触点和热继电器的常闭触点组成的,分别接在I0.0、I0.1、I0.2、I0.3四个输入接线端子上。控制正反转的两个接触器线圈是被控对象,分别接在Q0.0、Q0.1两个输出接线端子上。I/O分配表如表8.7.1所示。图8.7.2外部接线图

2.梯形图

梯形图是一种在常用的继电器与接触器控制电路上简化了符号演变而来的图形语言,具有形象、直观、实用等特点,电气技术人员容易接受,是应用最多的一种PLC编程语言。

图8.7.3所示为电动机正反转控制梯形图,梯形图通常用“|/|”表示动合触点,用“|/|”表示动断触点,用“()”表示继电器的线圈,从上至下,从左至右按行绘制。左侧放置输入触点或者定时器(T)、计数器(C)等触点,并让并联触点多的支路靠近左侧