《电工与电子技术》 课件 第7章 三相异步电动机与电气控制

第7

章三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机7.2继电−接触器控制系统7.3可编程控制器概论三相异步电动机与电气控制本章学习三相异步电动机与电气控制。包括电动机的结构、旋转原理、主要参数、起动与调速。

继电-接触器控制系统的基本知识，包括控制器件和主要控制电路。

可编程控制器概述。

M3~第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机概述

电动机（Motor）是把电能转换成机械能的一种设备。它是利用通电线圈（即定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。电动机家族其分类如下，其中三相异步电动机应用最为广泛。电动机直流电动机—直流电源驱动交流电动机单相交流电动机—功率较小，常用于家用电器三相交流电动机同步电动机—电机定子磁场转速与转子旋转转速保持同步异步电动机—电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步

异步电动机又称为感应电动机，具有结构简单、制造容易、价格低廉、维护方便等优点，而三相电动机功率大，因此，在工业生产中，90%

以上的设备都采用三相异步电动机拖动，在电力系统总负荷中，三相异步电动机占50％以上，如图7-1所示为三相异步电动机驱动机床。三相异步电动机图7-1三相异步电动机驱动机床

第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机7.1.1三相异步电动机的结构

1.主要结构

三相异步电动机（图7-2a）

的结构主要分为两大部分—定子和转子，如图7-2b所示。其中定子为固定部分，转子为旋转部分。图7-2c为三相异步电动机分解后的各部分，除定子和转子外，还有机座、轴承、风扇、接线盒等。

b）图7-2

三相异步电动机的结构a）外型b）定子和转子

c）分解后各部分

a）

c）第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机2.定子定子由机座、机座内的圆筒形铁心、圆筒形铁心上的三相定子绕组组成，铁心和绕组如图7-3a所示。

铁心由互相绝缘的硅钢片叠成，其截面图见图7-3b，内圆的槽中放置三相绕组U1-U2、V1-V2、

W1-W2，如图7-3c所示。图7-3

定子铁心及绕组a）铁心和绕组b）铁心截面c）三相绕组

b）铁心

a）三相绕组U1V1W1U2V2

W2

c）定子三相绕组的连接：

三相绕组的首末端在电动机接线端的排列如图7-4a所示。

如果采用星型（Y型）接法，在接线盒中将三个绕组的末端U2V2W2连接在一起，从首端U1V1W1引出连接三相电源，如图7-4b所示。

如果采用角型（△

型）接法，在接线盒中将三个绕组的首末端按顺序连接在一起，即U1−W2、

V1−U2、

W1−W2，在三个连接点引出线接三相电源，如图7-4c所示。U1V1W1W2U2V2

a）图7-4

三相异步电动机的接线a）接线端排列b）Y型接法c）△型接法

b）

c）第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机3.转子转子是电动机中的旋转体，在构造上分为鼠笼型和绕线转子型两类。鼠笼型转子的绕组由导条和端环组成，一种是两个圆环，中间用铜条连接，如图7-5a所示；另一种是用铸铝制成，如图7-5b所示。图7-5c为转子外型。

图7-5

转子及绕组a）笼型绕组b）铸铝笼型绕组c）转子外形铜条

a）铸铝

b）

c）图7-6

旋转原理NS·×第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机7.1.2三相异步电动机的工作原理

1.旋转原理

通电导体在磁场中受到的作用力称为安培力，其方向由左手定则判断。图7-6中，磁铁NS间存在磁场，转子绕组在磁场中受到安培力（F）发生偏转。

如果磁场发生旋转，则转子必然会随之旋转。通常称磁场的旋转速度为n1，因为旋转磁场是由三相交流电在定子绕组中产生，所以n1的旋转速度与电源频率同步，又称为同步转速。

旋转磁场带动转子旋转，转子的旋转速度为n，因为n必然小于n1，否则转子绕组不受旋转磁场切割而不能产生感应电动势和电流，当然也就不能产生电磁力和转矩。所以，称转子的转速n

为异步转速。n1nFF磁场方向电流流入转子绕组电流流出第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

其中

T

为电流的周期。当每相绕组只有一个线圈时，在

t1

～t4

各瞬间三相绕组中的电流产生的合成磁场如图7-8所示。两磁极合成磁场，如图7-8a

所示

同理还可以得到

t2、t3

时刻的合成磁场，如图

7-8b、7-8c所示。

三相电流经过一个周期，相位变化了360°，产生的合成磁场在空间也旋转了一周。磁场旋转的速度与电流的变化同步。ωt图7-7

三相对称电流图7-8

一对磁极的旋转磁场

a）t1时刻

b）t2时刻

c）t3时刻

a）b）c）当三相绕组的首端接通三相交流电源时，绕组中的三相对称电流分别为如图7-7所示。第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

2.极对数

在定子中，相互间隔120o

的三相绕组，每相定子绕组只有一个线圈，称为一对极，即极对数为1（P=1），如图7-9a所示

。

如果每相绕组为两个线圈串联，则称为两对极，即极对数为2

（P=2）

。如图7-9b所示。同理，还有极对数为3、4、5、6等。

3.旋转磁场的方向

旋转磁场的旋转方向与通入定子三相绕组的电流相序有关。若将电动机端线U1、V1、W1分别与三相电源的L1、L2、L3相接，相序的排列顺序为顺时针方向，磁场顺时针方向旋转，如图7-10a所示。

反之，若将电动机端线U1、V1、W1分别与电源

L2、L1、L3相接，即将

L1与

L2

调换位置，使定子绕组电流相序为逆时针方向排序，磁场将改为逆时针方向旋转，如图7-10b所示。

所以，若使电动机反转，只需任意调换电源与电动机的两相接线即可。W1U1

V1W1U1

V1图7-9

定子绕组的极对数a）P=1

b）P=2

每相一个线圈每相两个线圈

a）b）W1U1

V1L1

L2

L3

W1U1

V1L2

L1

L3

图7-10

旋转磁场的旋转方向a）顺时针旋转b）逆时针旋转

a）b）第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

4.旋转磁场的转速旋转磁场的转速（n1）与磁场的极对数有关，其关系为其中：f1

为电流频率、P

为极对数、n1的单位为r/min（转/分钟）如果f1

为工频（50Hz），则：极对数与旋转磁场转速的关系见表7-1所示。表7-1极对数与旋转磁场转速的关系

5.转差率

异步电动机机的同步转速

（n1）与转速（n）

之差

（

Δn）称为转差，即：转差与同步转速的比值为转差率，用s表示，即：【例7-1】某三相异步电动机，工作频率为50Hz，额定转速n=2890r/min，求其极对数和转差率。

解：2890接近3000，极对数p=1，转差率为第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机7.1.3三相异步电动机电磁转矩与机械特性

1.电磁转矩

电动机转动的力矩称为转动力矩，简称转矩。电动机的转矩表示带负载的能力。转子电流在旋转磁场中会产生力的作用，力作用在转轴上，就形成了电磁转矩。转矩（T）

与磁通（Φ）

及转子电流（I2）之间

的关系为转矩的另一种表达式可以看出，转矩与U1的平方成正比，电源电压对转矩影响很大；转矩还受转子电阻R2的影响，也与转差率s有关。转矩的几种分类起动转矩：

电动机起动时的转矩要大于正常运行时的转矩，所以电动机的启动转矩也要大于负载的转矩。额定转矩：额定负载时的转矩。最大转矩：反映电动机短时容许的过载能力。第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

在转矩特性中s=0时，T=0,理想空载状态。

s增加时，T

随之增加

s=sm

时，T

=Tmax，达到最大转矩，

sm

为临界转差率

s>sm

后，T

下降最大转矩为起动瞬间，n=0，s=1，起动转矩为额定转矩是工作在额定状态下产生的电磁转矩，其中P2为电动机输出功率2.转矩特性

当电源电压

和频率

一定，且电机参数不变时，异步电动机转矩与转差率

的关系称为转矩特性，如图7-11所示。s

m1sTo图7-11转矩特性曲线临界转差率T

max最大转矩T

N额定转矩T

st起动转矩第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机【例7-1】某三相异步电动机，其额定数据如表7-2所示，求额定转差率、额定转矩、最大转矩和起动转矩。

表7-2：例7-1额定数据表（1）额定转差率

因为n=1480，而p=2的转速为1500，所以额定转差率为：

（2）额定转矩:（3）最大转矩：

（4）起动转矩:解：表中最大转矩与额定转矩的比值为过载系数λm，在1.8~2.2之间，即：起动转矩与额定转矩的比值Kst表示电动机的起动能力，在1.4~2.2之间，即：第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机3.机械特性

异步电动机转速

与转矩

之间的关系称为机械特性，其曲线如图

7-12所示。通过机械特性曲线研究转速与转矩的关系：n1是同步转速（旋转磁场转速），略大于nN（额定转速），两者之差为转差（Δ

n）。额定转矩（TN）就是在额定转速（nN）下，接额定功率（P2）时的转矩，即最大转矩（Tmax）时，转速（n）下降，电流上升，电动机发热。所以，最大转矩不可持续过长。过载系数

（λ）1.8~2.2，是额定转矩的两倍左右。

起动转矩（Tst）时，转速（n）为0，s=1。起动转矩小于最大转矩（Tmax），是额定转矩的（1.4~2.2）倍。T

stn

1Tno图7-12机械特性曲线T

max最大转矩n

NT

N额定转矩起动转矩第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机7.1.4三相异步电动机的额定值

电动机的型号和额定数据都标记在铭牌上，以图7-13所示Y132S-2电动机的铭牌为例，说明铭牌上各个数据的意义。

1.型号Y132S-22-----磁极数（P=1）S-----机座长度---短机座132-机座中心高Y-----异步笼型

2.额定电压

电动机额定运行时定子绕组应加的电源线电压，单位为伏（V），铭牌中标注为380V。图7-13电动机的铭牌第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

3.额定电流

电动机额定运行时的定子绕组线电流，单位为安（A）。铭牌中标注为1.1A。

4.额定转速

铭牌中标注为2980r/min，因极对数p=1，所以同步转速转差率为

5.额定功率

电动机额定运行时输出的机械功率，单位为千瓦

(kW)，铭牌中标注为7.5kW。

6.频率

铭牌中标注为50Hz，某些国家为60Hz。

7.绝缘等级

电动机的绝缘等级是按其所用绝缘材料所容许的温升或容许极限温度来分级的。铭牌中标注为B。

8.功率因数铭牌中标注为0.88

9.效率η

输出与输入功率的比值，铭牌中标注为85%，计算时要考虑。

10.功率的选择

如果连续运行，电动机的功率（P1）等于或略大于负载的功率（P2）。

例如，

电动机带动水泵（图7-14），水泵的机械功率P2为

10.7kW，n为1460r/min，连续运行。可以选择Y3-160M-4三相异步电动机，其输出功率PN=11kW，转速n=1460r/min。图7-14电动机带动水泵水泵电动机第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

1.直接起动

直接起动即全压起动，采用开关或接触器直接将额定电压加到电动机上。这种起动方法的优点是简单、经济和起动快。缺点是由于起动电流很大，约为额定电流的（5~7）倍，即:

直接起动瞬间会造成电网电压的突然下降。所以，电动机能否直接起动，要根据电力管理部门的规定一般

30kW以下的笼型异步电动机可考虑采用直接起动。

2.减压起动

功率较大的电动机采用减压起动（又称降压起动）来限制起动电流，常用的方法是

Y-△起动，适用于正常工作是定子绕组为△型接法的笼型异步电动机。利用三相双投刀闸开关，控制电动机定子绕组分别设置为Y型连接和△型连接。如图7-15a所示，图7-15b所示为双投刀闸开关，即双方向切换线路。Y

△

U2V2W2

L1L2L3

QS1

FUM3~QS2

△运行

Y起动

U1

V1W1

U2

V2W2

图7-15电动机的Y-△起动a）接线图b）双投闸刀开关7.1.5三相异步电动机的起动

电动机能够起动的条件是起动转矩

必须大于负载转矩

，即要求第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

减压起动的工作步骤

（1）闭合开关QS1，接通电源；

（2）开关QS2合向“起动”位置，即定子绕组为Y

型接法，如图7-16a所示，7-16b

为定子绕组。定子电压为:

即：定子电压为额定电压的，其电流为：

（3）当电动机达到一定转速时，开关QS2合向“运行”位置，即定子绕组改为△

型接法，如图7-17a

所示，7-17b为定子绕组。电动机在额定电压下运行，其电流为：两个电流比较：结论：减压起动可以减小起动电流，起动电流仅为直接起动时的1/3，但起动转矩也降为直接起动的1/3，所以只适合与空载或轻载起动。图7-17电动机△型运行a）接线图b）定子△型连接（运行）b）QS2

△运行

a）L1L2L3

M3~U1

V1W1

U2

V2W2

L1L2L3

M3~QS2

Y起动

U1

V1W1

U2

V2W2

a）b）图7-16电动机Y型起动a）接线图b）定子Y型连接（起动）第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机

3.软起动

随着电力电子技术和微机控制的发展，目前，一种性能优良的软起动控制器已经问世，并得到迅速推广，如图7-18所示。

软起动控制器采用了现代电力电子技术及先进的微机控制技术，其实质是一个由大功率电力电子器件控制的电子交流调压器。在电动机起动过程中，可按用户期望的起动特性，对电动机进行自动控制，使其平滑可靠地完成起动过程。380V图7-18电动机软起动软起动控制器软起动采用了电力电子技术和微机控制技术，以单片微机作为中央控制器，完成起动过程。电机软启动器的基本工作原理：通过控制晶闸管的导通角，而控制负载的初始电压，然后逐步提高电压，待电动机转速达到额定后，用旁路接触器使用全压。第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机【例7-2】某三相异步电动机，其额定参数见表7-3所示PNUN接法cosφηNIst/INTst/TNTmax/TNf1nN4.5kW380V△0.80.846.51.41.850Hz1430r/min（1）求磁极对数（2）求转差率（3）求额定线电流和起动电流（4）求转矩表7-3：例7-2参数第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机【例7-3】某三相异步电动机，其额定参数如表7-4所示：PNUN接法cosφηNIst/INTst/TNnN40kW380V△0.880.97.01.81450r/min（4）当负载转矩为额定转矩

的80％和50％时，电动机能否起动？（分析负载转矩是否大于起动转矩）（1）求额定电流和额定转矩（2）直接起动时的起动电流和起动转矩（3）采用

Y-△

转换法起动时起动电流和起动转矩负载转矩为额定转矩

的80％时：负载转矩为额定转矩

的50％时：表7-4：例7-3参数第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机可以得出结论，异步电动机的转速（n）与三个频率、极对数和转差率参数有关，所以，改变电动机的转速有三种方法，即变频调速、变转差率调速、变极对数调速。7.1.6三相异步电动机的调速调速即改变异步电动机的转速n，根据额定转速的表达式

（1）变极对数

（p）调速

三相异步电动机可以采用改变极对数的方法改变转速，极对数越多转速越低，常见的多速电动机有双速、三速和四速几种，极对数太多制造复杂难以实现。由于变极对数调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。

（2）变转差率（s）

调速

变转差率调速是绕线型电动机特有的一种调速方法，是通过在转子回路串联可调电阻，改变转子回路电阻可以改变异步电动机的机械特性使转差率发生变化，达到调速的目的。变转差率调速的优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是电阻能耗较大、运行效率低。变转差率调速方式在各种提升、起重设备中应用较多。图7-19变频器接线图第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.1三相异步电动机常用的是异步电动机的变频调速系统，即通过变频器改变电流的频率，达到调速的作用，见图7-19所示。

（2）变频

（f）调速

变频调速方法是通过改变异步电动机得到供电频率来改变转速，如果能均匀地改变电源频率

f1就可实现无级平滑调速。变频调速性能优异，其特点是调速范围大、稳定性好、运行效率高，因此得到越来越广泛的应用。将电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。首先将电源的交流电变换为直流电，这个过程叫整流。再将直流电再转换为频率和电压可调的交流电，这个的过程称为“逆变”。通过整流和逆变，将频率和电压固定的工频交流电转换为频率和电压可调的交流电，用于三相异步电动机的调速，又叫变频调速器。变频器也可用于变频空调等家电产品，通过变频器时调节电动机-压缩机的运转速度，从而做到合理使用能源，运转平衡，震动减小，噪音低，温控精度高，节电效果好，见图7-20所示。变频器50Hz工频三相交流电可调频率三相交流电改变转速图7-20变频空调第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统7.2.1常用低压控制电器低压控制电器通常分为如下几类：

（1）开关电器：包括刀闸开关、转换开关、自动开关等；

（2）主令电器，包括按钮、行程开关和接近开关等；

（3）执行电器：包括接触器和各类继电器；

（4）保护电器：包括熔断器、漏电保护器和各种过载，短路等保护电器。

1.开关电器与熔断器

（1）刀闸开关

常用的刀闸开关见图7-21所示。其中图a、b、c分别用于单相、三相、三相四线制线路中，如果是双投开关，可以将一组电源分别连接到两路负载，比如用于电动机的Y-△转换电路的双投开关。

图7-21d为老式单相刀闸开关，7-21e为其内部结构。刀片合上，接通火线和零线，本身带有保险丝。图7-21刀闸开关a）单相开关b）三相开关c）三相四线开关d）老式单相开关e）内部结构a）b）c）d）e）第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

（2）熔断器

熔断器是一种最常见的短路保护器件。熔断器中的熔丝或熔片统称为熔体，一般用电阻率较高的易熔合金制成。熔断器串接在电路中，在额定电流情况下，熔体不会熔断，当发生短路或严重过载时，熔体应立即熔断，切断电路，保护电路和设备不受损坏。

常见的熔断器及符号见图7-22所示。熔断器熔体额定电流的选择方法，应根据不同的负载决定：对电阻性负载如电灯、电阻炉等，熔体额定电流

≥

负载总电流；对单台电动机，由于负载起动电流

>工作电流，熔断器额定电流的选择，兼顾短路保护和熔断器在起动瞬间不被熔断。对单台长期工作的电动机，熔体额定电流

≥（1.5～2.5）电动机额定电流；对单台频繁起动的电动机，熔体额定电流

≥（3～3.5）电动机额定电流；

对多台电动机，熔丝额定电流

>>（1.5～2.5）最大电动机额定电流+其余电动机额定电流之和。图7-22熔断器及符号a）插入式熔断器b）螺旋式熔断器及机座c）熔断器结构d）符号a）b）c）d）FU图7-24自动空气断路器结构第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

（3）自动空气断路器

自动空气断路器又称自动空气开关，见图7-23所示。用于低压（500V以下）配电系统中。在正常供电情况下，作不频繁接通和切断电路之用。一旦电路发生过载、短路及失压故障，其保护装置立即动作切断电路，当故障排除后，无需更换零件，可迅速恢复供电。因此，使用非常方便。图7-23自动空气断路器

工作原理：自动空气断路器的结构如图7-24所示。正常时，过流衔铁不吸合，失压衔铁吸合。锁钩钩住连杆，触点接通。

如电流过大（过流），过流线圈产生磁力（F1），吸引过流衔铁右端，左端顶开锁钩。如果电压下降（失压），失压线圈磁力下降，在弹簧作用下，失压衔铁向上顶开锁钩。

在以上两种情况下，锁钩都会脱钩，连杆在弹簧作用下左移，断开触点，切断电源。如图7-25所示。失压线圈过流线圈IF1连杆脱钩过流衔铁失压衔铁脱钩左移触点断开图7-25过流或失压时切断电源第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

2.主令电器

（1）按钮开关

按钮是一种手动主令电器，其外形如图7-26所示。图7-27为按钮开关的结构示意图，按功能分：停止按钮：按钮内为动断（常闭）触点，按下后常闭触点断开AB（动断），发出“停止”指令，用来切断控制电路。松开后因弹簧作用恢复。如图7-257a所示，下面为动断按钮开关符号。起动按钮：按钮内为动合（常开）触点，按下后常开触点闭合，接通AB（动闭），发出“起动”指令，用来接通控制电路，松开后因弹簧作用恢复。如图7-257b所示。下面为动合按钮开关符号。复合按钮：按钮内含动合（常开）触点和动开两组触点，按下后常开触点闭合（动闭），接通CD，常闭触点断开，断开AB。松开后恢复，如图7-27c

所示。下面为复合按钮开关符号。图7-26常见按钮开关AAABBBCD图7-27按钮开关结构及符号a）动断按钮及符号b）动合按钮及符号c）复合按钮及符号a）b）c）第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

（2）行程开关

行程开关也称为位置开关，常见的行程开关如图7-28所示，属于控制运动部件行进位置的主令电器，广泛用于起重机、机床、生产线等设备的行程控制、限位控制和位置检测。

图7-29为直动式机械行程开关结构示意图，与复合按钮开关原理相同，含有动开和动闭触点，当运动部件压下触杆时，行程开关动作；运动部件离开触杆时，行程开关恢复常态。根据行程开关的不同状态，发出不同的指令。图7-30为行程开关触点的符号。动开（常闭）动闭（常开）外力图7-29行程开关结构图7-30行程开关触点符号动合触点动断触点图7-28常见行程开关外形图7-33接触器结构和工作原理第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

3.执行电器

（1）接触器

接触器是利用电磁力来接通和断开主电路的执行电器，外形如图7-31所示。由电磁机构、触点系统和灭弧装置组成。电磁机构包括吸引线圈，静铁心和动铁心，动铁心与动触点相联。工作原理图7-33为接触器的结构。接通电源后，线圈中产生电流和电磁力，吸引衔铁动作（图中左移），接通三路主触点，即接通三相电源，同时辅助触点中的常开触点闭合，常闭触点断开。

图7-32为三相交流接触器符号，由线圈和触点组成。触点系统中有三对主触点（动闭）和若干对辅助触点（动开和动闭）。切断电源后，电磁力消失，衔铁在弹簧作用下恢复（图中右移），断开三路主触点，同时辅助触点恢复原状态。

图7-31接触器图7-32接触器符号KM线圈主触点辅助触点I←吸力接通主触点第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统（2）继电器

继电器是广泛用于自动控制系统和保护系统的自动电器，其输入控制量可以是电压、电流等电量，也可以是温度、压力等非电量。继电器种类繁多，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。常用的继电器电磁式继电器、时间继电器和热继电器。电磁式控制继电器（KA），见图7-34所示。

电磁式控制继电器的基本结构、工作原理和接触器相似，只是它的触点电流容量较小。电磁式控制继电器种类有

电压继电器：用于负载的失压、欠压保护；

电流继电器：用于过载或短路保护；

中间继电器：触点数目较多且电流容量相对较大，可作为信号放大或用于要求触点较多的控制系统。图7-34电磁式继电器a）电压继电器b）电流继电器c）中间继电器第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统时间继电器（KT）

时间继电器是反映时间的自动控制电器，即从接受信号到触点动作有一定延时，延时长短可根据需要预先整定。时间继电器分电磁式和电子式，前者是在电磁式控制继电器上加装空气阻尼（如气囊）或机械阻尼（钟表机械）构成，后者是利用电子延时电路实现延时动作。空气阻尼式时间继电器的原理见图7-35所示，其延时触点的符号见图7-36所示。图7-36时间继电器触点符号动合延时闭合动断延时断开动断延时闭合动合延时断开电路接通，电流通过线圈产生磁力

（F），吸引衔铁向下，由于气囊中有空气阻尼，衔铁延时

Δt时间才能通过连杆触动各个触点。

延时时间可以通过进气孔大小调节。图7-35空气阻尼式时间继电结构及工作原理空气阻尼进气调节FI动合延时闭合动断延时断开图7-32中有两个延时触点（动合延时闭合、动断延时断开），还有一组常闭（动开）和常开（动合）触点（无延时）图7-37热继电器工作原理I电流过大发热弯曲左移断开第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统热继电器（FR）

热继电器是一种以感受元件受热而动作的继电器，常作为负载的过载保护。图7-37为热继电器的原理图，其中

1为热元件，2为金属片，3为导板，4为触点。

当流入热元件的电流过大时，使有不同膨胀系数的双金属片弯曲，推动导板动作（图中向左移动），使控制电路触点断开，通过接触器断开主电路，实现电动机的过载保护。

热继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。图7-38为热继电器的符号。热元件动断触点图7-38热继电器符号第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统7.2.2继电−接触器控制电路

采用继电器、接触器、操作主令电器等低压电器组成有触点控制系统，称为继电-接触器控制。控制电路图的框图如图7-39所示。有如下特点：控制电路构图的特点：总控制电路图分为主电路和控制电路两部分，主电路包括刀闸开关（QS）、接触器（KM）的主触点，熔断器（FU）、热继电器（FR）的发热元件等。同一电器的各个部件往往不画在一起，而是分布在不同地方，如图中的接触器的主触点和线圈、辅助触点分别在主电路和控制电路图中，用同一文字符号（KM）标明，热继电器的发热元件和触点也分别在主电路和控制电路中。所有电器的状态均为常态，即吸引线圈不带电、按钮没按下的情况。如常开触点没有闭合、常闭触点没有断开。控制电路包括按钮开关（1SB、2SB）、接触器（KM）的线圈和辅助触点、热继电器（FR）的触点等。图7-39继电-接触器控制电路刀闸开关（QS）熔断器（FU）接触器（KM）主触点热继电器（FR）发热元件主电路M3~L1L2L3

按钮开关（SB）接触器（KM）线圈和辅助触点继电器触点控制电路控制电路图7-40电动机的点动控制第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

1.点动控制电路按钮按下电动机转动，按钮松开电动机停止转动，即用一个按钮开关控制电动机的起动和停止，称为点动控制。如图7-40所示。点动控制电路如图7-41所示。

工作时，首先合上刀开关QS，这时电动机不会运转。当按下动合（常开）按钮SB时，接触器线圈KM通电产生电磁力，KM的三个动合主触点吸合，使电动机与三相电源接通，起动运转。松开按钮SB，接触器KM的线圈断电失磁，主触点断开恢复常态，电动机断电停止运转，这就实现了电动机的点动控制。按下转动L1L2L3

M3~KMFUQS主电路控制电路KMSB图7-41点动控制电路点动按钮松开停止控制电路图7-42电动机的直接起、停控制第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

2.直接起、停控制电路按下起动按钮，电动机转动，按钮松开后电动机状态保持（继续转动）；按下停止按钮电动机停止，按钮松开后电动机状态保持（停止）。即用两个按钮开关分别控制电动机的起动和停止，称为电动机的起停控制，如图7-42所示。停止按下停止按钮（红色）电动机停止L1L2L3

M3~KMFRFUQS主电路控制电路KMFR1SB2SBKM图7-43直接起、停控制电路直接起停控制电路如图7-43所示。与点动控制相比，增加一个按钮开关和一个接触器辅助动闭触点。按下起动按钮（2SB-动合）后，电动机转动，同时接触器的辅助动闭触点（KM）闭合，即使2SB松开，也能形成电流通路，称为“自锁”。所以电动机状态保持（继续转动。按下停止按钮（1SB-动断），控制电路断电，主触发器触点断开，电动机停止转动。热继电器（FR）为过载保护，当电流过大时，FR的动开触点断开，控制电路断电，主触发器触点断开，切断电源。起动停止自锁

按下起动按钮（绿色）电动机转动并自锁转动第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

3.正、反转控制电路电动机的正、反控制需要正转、反转和停止三个按钮，如图7-44所示。停止

按SB，电动机停止转动控制电路图7-44电动机的正、反转控制

（1）

工作原理电动机的正、反控制需要不同的相序，所以，需要两个接触器分别控制的两组主触点，分别接不同的相序，如图7-45所示。

图7-45正、反转控制主电路L1L2L3

M3~

KMFFRFUQSKMR12如果触发器KMR吸合，接通主触点KMR并自锁，相序为L1–L3

–L2，电动机反转。如果触发器KMF吸合，接通主触点KMF并自锁，相序为L1–L2–L3，电动机正转。以上过程中，为防止同时出现正/反转接触器同时吸合，必须有保护环节，即正转时，断开反转控制回路；反转时，断开正转控制回路，这种保护措施称为“互锁”。按下SBF电动机正转，锁住反转按下SBR电动机反转，锁住正转转动第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

（2）

两种互锁方式

第一种，利用接触器的辅助常动断触点实现互锁，如图7-46a所示。按下正转按钮SBF，接触器KMF吸合，其主触点KMF接通电动机主电路，正转运行；其辅助动合触点接通，形成自锁，辅助动断触点断开，锁住反转控制回路。按下停止按钮SB，断开两个控制回路，电动机停止运行。

缺点：电动机必须先停车，才能进行正/反转切换。按下反转按钮SBR，接触器KMR吸合，其主触点KMR接通电动机主电路，反转运行；其辅助动合触点接通，形成自锁，辅助动断触点断开，锁住正转控制回路。互锁互锁第二种，起动按钮采用含有动闭和动开触点的复合式按钮，在按下按钮的同时，断开另一路控制电路，达到“机械互锁”的目的，可以实现不用停车的正/反转切换。如图7-41b所示。按下停止按钮SB，断开两个控制回路，电动机停止运行。

优点：电动机不必先停车，可以直接进行正/反转切换。KMRFRSBSBRKMRKMFKMFSBFKMFKMR12a)图7-46正/反转控制电路的互锁a)利用接触器辅助触点互锁b）利用复合式按钮互锁互锁KMRFRSBSBRKMFSBFKMR12KMFSBFSBRKMRKMRSBF/SBR复合按钮b)第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

4.行程控制电路

（1）限位控制

行程控制是利用行程开关对生产机械的运动部件的位置或行程进行控制，限位控制就是运动部件到指定的位置时触点动作。

在直接起、停控制电路中加入行程开关的动断（常闭）触点，即可实现单方向的限位控制电路。如图7-48所示。

按下2SB，KM通电并自锁，吊车移动。当触动行程开关时，其动断触点断开，控制电路及主电路断电，电动机停止运行，吊车停止移动。

按下1SB，电动机停止。图7-48限位控制电路KMFR1SB2SBKM行程开关动断触点如果在正/反控制电路中加入行程开关的动断（常闭）触点，即可实现两个不同方向的限位控制电路。图7-47吊车导轨限位控制

触点动作停图7-47

为小型吊车，吊车在电动机驱动下在导轨上做直线移动，导轨一端设有行程开关。当吊车移动到端点时触动行程开关，使其动断触点断开，电动机停止转动，吊车不再移动。第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统（2）往复控制

图7-49所示龙门刨床，其工作台需要在一定的行程范围内做直线往复循环运动，在两端放置行程开关，触动开关时，切换电动机的正/反转运行状态，使工作台向相反的方向移动，可以实现自动往复运动。

因为往复运动需要控制电动机的正/反转，而且正/反转必须直接切换，所以在图7-46b控制电路的基础上进行改进。首先，将正/反转的复合按钮（SBF、SBR）换成复合式行程开关（STF、STR），可以根据行程自动切换电动机的正/反转，即自动改变工作台的运动方向。另外再增加两个单独的正、反转起动按钮SBF、SB

R，用于起动。控制电路如7-50所示。FRSB1KMRSBRKMFSTFKMRSTRKMRSBFKMRSTRKMFSTF2图7-50往复运动控制电路图7-49龙门刨床工作台直线往复运动第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

5.顺序控制

多台电动机配合工作，根据要求，其起动或停止必须按照规定的顺序进行，称为顺序控制。例如，两台电动机MA和MB，要求

MA起动后

MB才能起动，见图7-51所示。图7-51顺序控制电路L1L2L3

MA3~KMAFUQSMB3~KMBKMASBA1SBA2KMBSBB1SBB2KMBKMA1KMA2联锁工作过程：按下MA的起动按钮（SBA2）,接触器（KMA）吸合，主触点（KMA）闭合，电动机MA运行。同时，辅助触点KMA1自锁、KMA2动合。

按下MB的起动按钮（SBB2）,接触器（KMB）吸合，主触点（KMB）闭合，电动机MB运行。同时，辅助触点KMB自锁。如果MA没有起动，接触器（KMA）的辅助触点KMA2保持断开状态，MB的控制电路断开，即对MB形成“联锁”，MB不能起动。所以，只有MA起动后，MB才能起动。SBA1和SBB1分别为MA和MB的停止按钮。第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.2继电-接触器控制系统

6.时间控制

某些加工和控制过程是以需要时间控制，例如一个过程需要维持一定的时间、或者一个动作发生之后，间隔一定的时间再开始下一个动作，等等。通过时间继电器来实现时间控制。异步电动机的Y-△起动控制是典型的时间控制，图7-15所示的Y-△减压起动是靠手动切换电动机的连接方式，而利用时间继电器可以实现自动切换。图7-52电路中，2SB为起动按钮，1SB为停止按钮，KT为时间继电器，KM和KMY、KM△为三个接触器。图7-52Y-△起动控制电路a）主电路b）控制电路KM△KMYFUQSL1L2L3

MA3~KM2SBKMYKMKTKM△1SBKMKM△KTKM△KMYKTKM△KMY吸合，电动机Y接起动KM吸合并自锁，KM主触点接通KT吸合并开始计时KM△断开动断延时断开动合延时闭合ΔtKT动断延时断开，KMY断开KT动合延时闭合，KM△

吸合并自锁，电动机△运行KM△

辅助常闭触点断开，KT断电停止工作。按1SB控制电路断开，电动机停止转动按2SB工作流程如下：第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论7.3.1可编程控制器的发展经历

1969

年，第一台可编程序控制器研制成功并在汽车装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面，图7-53为全球第一台PLC及研发团队。

1977年，我国开始在工业领域推广使用，图7-54为我国早期引进开发的PLC。早期的可编程序控制器是为取代继电-接触器器控制系统，存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于逻辑运算和计时、计数等顺序控制，均属开关量控制。所以称为可编程序逻辑控制器（PLC—ProgrammableLogicController）。

随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，功能不断增强，不再局限于当初的逻辑运算了。因此可以改称为PC（ProgrammableController），但为了不和个人计算机（PC）混淆，目前仍习惯将可编程序控制器称为

PLC。图7-53第一台PLC及研发团队图7-54我国早期引进开发的PLC第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论7.3.2可编程控制器的定义

可编程序控制器（PLC）是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计，见图7-55所示。定义指明了

可编程控制器应该是这样一种电子系统：1.抗干扰能力与可靠性高；2.软件编程方便；3.运算和控制能力强；4.便于和工业现场信号接口；

5.功能与规模易于扩展。控制软件通过开关、触点采集和输入信号通过接触器、继电器、电磁阀等输出控制信号微处理器、存储器、电源、输出输入接口图7-55PLC的定义第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论7.3.3可编程控制器的典型结构PLC的基本组成可归为四大部件：中央处理单元（CPU模块）；输入模块、输出模块；（I/O模块）和电源模块。其基本组成框图见图7-56虚线框内所示。编程器上位机外设继电器、接触器线圈及其他电磁装置其他执行机构照明按钮开关继电器触点其他开关量模拟量输入CPU模块CPUROMRAM输出模块输入模块电源模块PLC图7-56PLC基本组成框图第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论

1.CPU模块由中央处理器（CPU）和存储器组成

只读存储器（ROM）：存放系统程序，相当于计算机中的操作系统，出厂前已固化，工作时只能读出。

随机存储器（RAN）：一般指内存，存放用户数据和程序，工作时可以随机读出/写入。

电擦写只读存储器（EPROM）：

用户可预先改写存储内容，但工作时只能读出。

图7-57分别为某型号PLC的CPU模块和内存卡（RAM）

2.I/O模块即输入/输出模块。

输入模块即输入变换器，将开关、电压、电流等信号变换为微处理器能接受的电平信号（数字信号）。输出模块即输出变换器，将微处理器输出的电平信号（数字信号）变换为控制对象所需的开关、电压、电流等信号。

3.电源模块提供5V、12V、24V直流电源。图7-58为某型号PLC的开关电源。

图7-57PLC的CPU和内存卡a）CPU模块b）内存卡（RAM）a)

b）图7-58PLC的电源模块第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论

4.编程工具

编程工具的作用是实现与PLC的人机对话，主要用来编辑、调试和修改用户程序，还可以用来检测

PLC内部状态和参数。

编程工具包括手持式现场编程器和个人计算机（即上位机），如图7-59所示。

手持编程器体积小、携带方便，但功能单一，只能现场联机并采用指令（语句表）对

PLC编程。

个人计算机安装相关的编程软件后，再配备一根专用通信电缆，构成PLC的开发编程工具。功能较手持编程器要强大许多，既可联机（在线）也可脱机（离线）编程；既可以采用指令（语句表）编程，也可以用梯形图等语言编程。可随时将编辑好的用户程序下载到

PLC，也可以将

PLC中的用户程序上传到计算机保存。许多

PLC厂家的编程软件不仅可以编辑、修改用户程序，而且还可以监控系统的运行状况，对工业现场和系统进行仿真等。图7-59PLC的编程工具现场编程写入指令写入程序上传保存手持编程器个人计算机PLC第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论7.3.4可编程控制器的基本功能与应用开关量的逻辑控制功能

这是

PLC的最基本功能、有着最广泛的应用领域。它取代传统的继电-接触器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、定时功能、计数功能。2.运动控制功能

PLC可用于直线运动或圆周运动的控制，如行程控制中的限位控制、往复控制等。3.闭环过程控制功能

PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟量与数字量的相互转换（即A/D和D/A转换

），可实现对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的

控制。4.数据处理功能

现代的

PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理。5.通信联网功能

现代

PLC的网络通信功能很强，除了具有

PLC之间通信和联网功能以外，还可以与上位机和其他智能设备进行通信和联网。第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论7.3.5可编程控制器的分类按结构分类

（1）整体式

整体式

PLC是将电源、CPU、I/O等功能模块和通信接口为一体，如图7-60所示。因本身所带的

I/O端子有限，可以根据需要扩展

I/O模块和其他功能模块。整体式

PLC的特点是结构紧凑、体积小、价格低、安装简便。适用于简单控制系统。图7-60整体式PLC

（2）模块式

模块式

PLC是按不同功能做成各种模块供选用，根据需要选用合适的功能模块与相应的机架，然后将选好的模块插在机架的插槽上，机架背板上的布线将这些功能模块的控制线、数据线以及电源线连接起来，即构成一个控制系统，如图7-61所示。图7-61模块式PLC

模块式

PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配各种功能模块构成不同规模的控制系统，而且装配简单，调试、维护方便。适用于大规模复杂控制系统。第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论

2.按规模分类

PLC的规模一般指I/O

点数（即输入输出接线端子的数量总和）。

（1）小型PLC

I/O点数

≤

256点，单CPU，结构上一般采用整体式。如西门子S7-200，欧姆龙

CPM2A等，如图7-62所示。

以西门子S7-200为例，

有6

种系列CPU的型号可以选择，最多有24路输入/16路输出，共40个数字量I/O

点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。西门子S7-200欧姆龙M2A图7-62小型PLC

（2）中型PLC

I/O点数在256～2048点之间，双CPU，结构上一般采用模块式，如：西门子S7-300型，欧姆龙公司的CJ1M型，通用电气GE-Ⅲ

型等。其中欧姆龙公司的CJ1M型，最大I/O

点数可扩展为1280，见图7-63所示。西门子S7-300欧姆龙CJ1M图7-63中型PLC

（3）大型PLC

I/O点数>2048点，多CPU，结构为模块式，如西门子S7-400型，欧姆龙C-2000型，通用电气GE-

Ⅸ型等，见图7-64所示。图7-64大型PLC第7

章|

三相异步电动机与电气控制7.3可编程控制器概论1.可靠性高，维护方便PLC用软件代替大量的各类继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电-接触器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰