机床电气及PLC控制（第三版） 课件 课题2 三相异步电动机制动和调速控制电路

【学习目标】应知

1.了解三相异步电动机的继电器-接触器控制电路的构成和电气原理图的读图方法。2.掌握三相异步电动机各种常用控制电路的工作原理。3.理解三相异步电动机各种常用控制电路所使用的低压电器的结构、原理、主要用途和使用方法。应会1.学会识别、安装、使用在电路中用到的各种低压电器。2.能够识读三相异步电动机各种基本控制电路原理图。3.掌握三相异步电动机单向运行和正反转控制电路的安装和接线方法。项目1

常用电动机控制电路机床电气及PLC控制高等教育出版社任务1.2三相异步电动机制动和调速控制电路项目1

常用电动机控制电路机床电气及PLC控制高等教育出版社【新课导入】

1.简略复习教材“任务1.1”的内容。2.简略介绍本次课（教材“任务1.2”）的主要教学内容与4～6学时的教学安排。【基础知识】一、三相交流电动机制动控制电路

㈠三相异步电动机的制动

电动机的制动，是指在电动机的轴上加一个与其旋转方向相反的转矩，使电动机限速、减速或快速停车。根据制动转矩产生的方法，可分为机械制动和电气制动两种。机械制动通常是靠磨擦的方法产生制动转矩，较常用的是使用电磁抱闸制动。电气制动较常用的方法有反接制动、能耗制动和再生发电制动。

机床电气及PLC控制高等教育出版社【基础知识】一、三相交流电动机制动控制电路

㈡三相异步电动机的机械制动

机械制动最常用的装置是电磁抱闸，它主要由制动电磁铁和闸瓦制动器两大部分组成。制动电磁铁包括铁心、电磁线圈和衔铁，闸瓦制动器则包括有闸轮、闸瓦、杠杆和弹簧等，如图1-23所示。断电制动型电磁抱闸的基本原理是：制动电磁铁的电磁线圈（有单相和三相两种）与三相异步电动机的定子绕组相并联，闸瓦制动器的转轴与电动机的转轴相连。当电动机通电运行时，因制动器的线圈同时通电，产生电磁力通过杠杆将闸瓦拉开，使电动机的转轴可以自由运转。在停机时，因制动器的电磁线圈与电动机同步断电，电磁吸力消失，在弹簧的作用下闸瓦将与电动机同轴的闸轮紧紧抱住，因此称为电磁“抱闸”。

机床电气及PLC控制高等教育出版社（P23）图1-23电磁抱闸【基础知识】一、三相交流电动机制动控制电路

㈢电气制动控制电路1.反接制动控制电路(1)制动原理

电动机在停机时由于惯性仍继续旋转，此时如果和控制电动机反转一样改变三相电源的相序，电动机的旋转磁场立即反向，所产生的电磁转矩与电动机的旋转方向相反，为制动转矩，这就是反接制动的原理。在电动机的电气制动方法中，反接制动简单易行，制动转矩大，制动效果好。但需要注意在刚开始制动的瞬间由于转差率s＞1，电动机的转子电流比起动时还要大，为限制制动电流的冲击，一般需要在定子绕组中串入限流电阻；此外，在电动机降速至接近停下时，要及时切断电源，否则电动机会反向起动，达不到制动的目的。机床电气及PLC控制高等教育出版社

㈢电气制动控制电路1.反接制动控制电路(2)速度继电器

在下面将要介绍的反接制动控制电路使用速度继电器进行控制。速度继电器是按照预定的转速快慢而动作的继电器，常用的有JY1和JFZ0系列，JY1系列速度继电器的外形和符号如图1-24所示。

速度继电器转轴与电动机定子硬轴联接，当电动机旋转时，带动速度继电器的转子转动，在达到某一转速时，其触点动作；在降到同一转速以下时，触点复位。KV的触点也有动合与动断两种，其动作（复位）速度可调，一般为100～3600r/min。P24图1-24JY1系列速度继电器机床电气及PLC控制高等教育出版社

㈢电气制动控制电路1.反接制动控制电路(3)控制电路P25图1-25反接制动控制电路机床电气及PLC控制高等教育出版社

㈠三相异步电动机的制动1.反接制动控制电路(3)控制电路

在图1-25所示的反接制动控制电路中，KM2为反接制动接触器，其主触点串入限流电阻R。制动结束后的停机由速度继电器KV控制。

电路的工作过程为：

①起动：

按下起动按钮SB2→KM1通电吸合→电动机M起动运行，当转速达到120r/min以上时，速度继电器KV的动合触点闭合，为制动作好准备；

②停机（制动）：

机床电气及PLC控制高等教育出版社【基础知识】一、三相交流电动机制动控制电路

㈢电气制动控制电路2.能耗制动控制电路(1)制动原理

所谓能耗制动，就是在三相异步电动机脱离交流电源的同时在定子绕组通入直流电，产生一个静止磁场。此时电动机因惯性继续旋转切割磁场而在转子绕组中产生感应电流，又在磁场中受电磁力的作用产生电磁转矩。由图1-26(a)可以判断，这一转矩总是与电动机的旋转方向相反，起制动的作用。在制动的过程中，转子因惯性转动的动能转变成电能而消耗在转子电路中，所以称为“能耗”制动。能耗制动的特点是制动平稳，制动效果好，且电动机停转后不会反向起动。但需要提供制动用的直流电源，多采用整流器供电。机床电气及PLC控制高等教育出版社【基础知识】一、三相交流电动机制动控制电路

㈢电气制动控制电路2.能耗制动控制电路(2)控制电路

图1-26(b)所示为采用变压器降压桥式整流器整流的能耗制动控制电路，并采用断电延时型时间继电器控制制动时间。机床电气及PLC控制高等教育出版社P26图1-26能耗制动控制电路【基础知识】一、三相交流电动机制动控制电路

㈢电气制动控制电路2.能耗制动控制电路(2)控制电路图1-26(b)电路的工作过程为：

①起动：

按下起动按钮SB2→KM1通电→电动机M起动运行。

②停机（制动）：

机床电气及PLC控制高等教育出版社【基础知识】一、三相交流电动机制动控制电路

㈢电气制动控制电路2.能耗制动控制电路

图1-27为另一种能耗制动控制线路（主电路与图1-26同），采用的是通电延时型时间继电器，读者可自行分析。机床电气及PLC控制高等教育出版社P26图1-27另一种能耗制动控制电路【基础知识】二、三相异步电动机调速控制电路

㈠三相异步电动机的调速许多机械设备在运行时都要求能根据需要调节转速，如金属切削机床要求有不同的切削速度，起重机械在提升和下降重物时要求有不同的升降速度，电梯在平层前要换成慢速运行，电风扇要有快挡和慢挡以调节风量，等等。调速的方法分为机械调速和电气调速。例如用齿轮箱变速的方法就是机械调速，电气调速就是调节拖动电动机的转速，这两种方法可以分开也可以结合使用。采用电气调速方法具有调速精度高、平滑性好、以及可以简化机械传动系统等优点，随着电力电子技术的发展，交流电动机变频调速技术的应用越来越广泛，电气调速已进入交流化的时代。根据异步电动机的转差率公式，可知异步电动机的转速为：

60f1

n＝n1(1-s)＝───(1-s)(1-1)

p机床电气及PLC控制高等教育出版社【基础知识】二、三相异步电动机调速控制电路

㈠三相异步电动机的调速

由式（1-1）可见三相异步电动机的调速方法不外乎以下三种：一是改变异步电动机定子绕组磁极对数p的变极调速，二是改变异步电动机转差率s的调速，三是改变电源频率f1的变频调速。变频调速的控制可见项目7，在此只介绍三相异步电动机的变极调速控制电路。

㈡变极调速控制电路变极调速是三相异步电动机一种简单易行的调速方式，其基本原理是：按照三相异步电动机的工作原理，在电源频率恒定的前提下，异步电动机的同步转速与旋转磁场的磁极对数成反比，磁极对数增加一倍时，同步转速就下降一半，电动机转子的转速也近似下降一半。通过改变异步电动机旋转磁场磁极对数来改变其同步转速，即可以调节电动机的转速。机床电气及PLC控制高等教育出版社

㈡变极调速控制电路

由此可见，

变极调速是有级

调速，而不可能

是平滑的无级调

速。而且改变旋

转磁场的磁极对

数，是通过改变

电动机定子绕组

的接线方式来实现的，因此要使用专门制造的多速电动机，一般也只能有2～4种同步转速，调速范围有限。图1-28就是一台双速电动机的控制电路，电动机的定子绕组制成有两种接法：在三角形联结时，p=2，n1=1500r/min，为低速运行；而在双星形联结时，电动机两个定子绕组星接并联，则p=1，n1=3000r/min，为高速运行。P图1-28双速电动机控制电路机床电气及PLC控制高等教育出版社【基础知识】二、三相异步电动机调速控制电路㈡变极调速控制电路

在图1-28电路中，KM1为低速控制接触器，其主触点将电动机定子绕组接成三角形；KM2和KM3同为高速接触器，其主触点将电动机定子绕组接成双星形。SB2为高速控制按钮，SB3为低速控制按钮，电路采用按钮开关和接触器双重互锁。电路的工作原理可自行分析。

双速电动机在调速起动时的起动电流要比低速起动时大很多，因此一般仅适用于小容量的电动机。而且由于定子绕组的结构较复杂，调速的级数少且为有级调速，所以随着变频调速的广泛应用已被逐步淘汰。

P28机床电气及PLC控制高等教育出版社【小资料】异步电动机的其他两种调速方法

1.变转差率调速

对于笼型异步电动机，可采用调节定子电压的方法调速。由笼型异步电动机调压调速转矩特性曲线图可见，当定子电压下降时，电动机的转矩特性曲线是一族临界转差率不变而最大转矩随电压的平方倍下降的曲线。对于通风机型负载（负载矩与转速的平方成正比，见图中的曲线TL），可获得较低的稳定转速和较宽的调速范围（见图中对应的a、a’、

a"点）。因此，目前电风扇多采用串电抗器调

压调速或用晶闸管调压调速。而对于绕线转子三相异步电动机，则可以采用调节转子电阻的

方法调节电动机的转速。

笼型异步电动机调压调速转矩特性曲线

机床电气及PLC控制高等教育出版社【小资料】异步电动机的其他两种调速方法

2.变频调速

由式(1-1)可见，当磁极对数p不变时，电动机的转速n与电源频率f1成正比，如果能够连续地改变电源的频率，就可以连续平滑地调节电动机的转速，这就是变频调速的原理。显然，变频调速完全不同于前面介绍的两种调速方式，它具有调速范围宽、平滑性好、机械特性较硬等优点，能够获得较好的调速性能。随着交流变频技术的成熟并进入实用化，变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，变频调速得到广泛地的应用。在工业领域，交流异步电动机的变频调速已广泛应用于运输机械、电动汽车、电梯、机床，以及冶金、化工、造纸、纺织、轻工等行业的机械设备中，以其高效的驱动性能和良好的控制特性，在提高产品的数量和质量、节约电能等方面取得显著的效果，已成为改造传统产业、实现机电一体化的重要手段。机床电气及PLC控制高等教育出版社【小资料】异步电动机的其他两种调速方法

2.变频调速

例如据统计，风机、水泵、压缩机等流体机械中拖动电动机的用电量占电动机总用电量的70％以上，如果使用变频器按照负载的变化相应调节电动机的转速，就可实现较大幅度的节能；在交流电梯上使用全数字控制的变频调速系统，可有效地提高电梯的乘坐舒适度等性能指标；而采用变频调速的交流电动机已逐步取代直流电动机作为电传动机车和城市轨道交通的动力。同时，变频技术也被应用到日用电器中（如变频空调器）。

变频器变频空调器机床电气及PLC控制高等教育出版社

工作步骤步骤一：器材准备

按表1-4准备好完成本任务所需的设备、工具和器材，并对照图1-26的电气原理图，识别由实训室所提供的电器，观察其外形，了解其结构特点、安装与接线点的位置。步骤二：电路安装与配线

按图1-26电路在控制板上安装、接线（图中的直流电源用实训室的直流稳压电源代替）。机床电气及PLC控制高等教育出版社序号名

称符号型号/规格单位数量1三相交流电源

3×380/220V16A

2单相交流电源

220V、36V、6V

3直流稳压电源

0～12V（连续可调）

4三相异步电动机MY2-802-4型：0.75kW2A1,390r/min台15组合开关QSHZ10-10/3型：10A个16交流接触器KM1、KM2CJ20－16型：线圈电压380V只17热继电器KRJR16-20/3D型：配6号热元件只18熔断器FURL1-15型：500V15A配5A熔体只39时间继电器FTJS7-4A型：断电延时0.4～60s线圈电压380V只110按钮开关SB1、SB2LA10-2H型：500V5A按钮数2个111滑线变阻器RBX7D-1/1型：150W17Ω3A个112接线端子排

JX2－1015型：500V10A15节条113木螺丝

Φ3×20mm颗2514平垫圈

Φ4mm个2515塑料软铜线

BVR-2.5mm2

颜色自定米1016塑料软铜线

BVR-1.5mm2

颜色自定米1017塑料软铜线

BVR-0.75mm2

颜色自定米518木板

500×450×20mm块119线槽

TC3025长34cm，两边打3.5mm孔条520异形塑料管

3mm2米0.221万用表

MF-47型个122电工和PLC实训通用工具

试电笔、榔头、螺丝刀、电工刀、电工钳、尖嘴钳、剥线钳、活络扳手等（详见表1-1）套123圆珠笔或2B铅笔

支1（P28）表1-4完成任务1.2所需工具与器材、设备明细表机床电气及PLC控制高等教育出版社

工作步骤步骤三：通电试运行1.先进行通电前的检查。2.按下起动按钮SB2，电动机M起动运行；3.按下停机按钮SB1（注意要按到底），观察电动机的制动效果。调节时间继电器的延时，使电动机在停机后能及时切断直流电源。4.调节制动用直流电流，观察其制动效果，并将各次的制动（直流）电流和制动时间记录于表1-5中（可选取记录两次）。表1-5制动电流与时间记录表

【注意】①制动的直流电压不要太高，制动时间不要太长；②测量时注意安全操作。机床电气及PLC控制高等教育出版社次数制动电流/A制动时间/S制动效果记录1

2

工作步骤步骤四：总结和讨论

学生分组讨论：1.学习电动机制动控制电路安装、接线与试运行的结果与记录。2.口述操作方法；再交换角色，反复进行。步骤五：拓展内容

控制电路按图1-27接线（采用通电延时型时间继电器JS7-2A型，0.4～60s，线圈电压380V），观察制动控制的效果并与图1-26电路相比较。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造（P30）

一、自动控制技术的发展

自动控制技术是以科学技术的飞速发展为前提，以工业生产产品和生产工艺的不断更新为动力，从而得到不断发展的。

在20世纪40年代以前，工业生产基本还是处于手工操作的时代，主要依靠操作者的手艺和经验去控制生产的过程，因此生产产量低、产品质量差、劳动强度大且劳动生产率低，经济效益也很差。

随着工业生产规模的日益扩大，在生产过程中必须处理的问题变得十分复杂。由于人类自身生理条件的原因，使人们对生产过程中动作的辨别、动作的速度、精度、动作的一致性，以及对复杂问题的反应和处理能力等方面都受到限制。虽然借助于常规的控制仪表和逻辑硬接线的控制装置(如继电器－接触器控制系统)能够实现在一定程度、一定范围内的自动化，但是对于生产过程中的随机干扰实行随机控制，以及多变量、高精度的控制等仍然难以实现。现代工业的发展迫切需要实现生产过程和生产设备的自动控制。所谓“自动控制”，就是指在没有人直接参与的情况下，通过控制系统使被控对象或生产自动地按照预先设置的规律进行工作。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

一、自动控制技术的发展

自动控制使用的技术手段包括电气、机械、液压和气动等方法，其中电气自动控制是应用最为普遍的方法。我们知道任何的生产过程和生产设备都需要能源，自从人类在19世纪初开始掌握电能的产生与应用技术以来，电能就已成为工业生产最主要的能源，将电能转换成机械能的电动机成为工业生产最主要的动力设备。生产过程的运行、生产机械的起动、停止以及运行状态的调节等，都可以通过对电动机等动力设备的控制来实现，从而组成电力拖动自动控制系统(如图1-29所示)，它主要包括三个环节：

①动力设备──主要是各种电动机，是将电能转换成机械能以驱动生产机械的原动力；

②自动控制设备──对动力设备进行自动控制，以实现生产过程或生产机械运行的自动化；

③传动机构──动力设备与工作机构之间的传动装置。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

一、自动控制技术的发展P31图1-29电力拖动自动控制系统的组成

在20世纪70年代以前，实现对开关量自动控制的基本上是继电器－接触器控制系统。这种控制系统主要由继电器、接触器和各种开关组成，由于它具有简单、经济的特点，因而至今仍在许多控制动作较简单、控制规模较小的设备上使用。继电器－接触器控制系统的主要缺点是：①因为是由较多的电器触点及其连接线组成，所以工作可靠性较差；②电器触点存在机械磨损，工作寿命短；③其硬接线使控制功能和动作顺序被固化，一旦控制要求有所改变就需要重新设计、布线和装配，不能适应产品和生产工艺不断更新带来控制功能经常变化的要求。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

一、自动控制技术的发展

在20世纪50年代开始，曾经使用过晶体管逻辑控制系统取代继电器－接触器控制，解决了有触点开关的问题，但由于这种控制装置仍然是硬接线，仍然解决不了通用性和灵活性的问题。

自从1946年世界上第一台电子计算机问世，就预示着将为实现工业生产的高度自动化提供了强有力的手段。但是在20世纪50～60年代，用于工业自动控制的计算机还处于试验阶段，这一阶段的工业控制计算机主要用于开环数据记录、数据处理和过程监督，主要的原因是当时的计算机速度慢、价格贵、可靠性差，远不能满足工业控制的要求。

在20世纪60年代后期，随着电子工业的发展，出现了使用中小规模集成电路的第三代电子计算机，以其体积小、速度快、可靠性高，价格也较便宜的特点使计算机迅速进入工业生产自动控制的领域。在这一时期出现的可编程控制器(PLC)就是糅合了传统的继电器－接触器控制系统简单易懂、操作方便，和计算机控制系统功能强、通用性和灵活性好各自的优点，主要用于开关量控制的自动控制装置。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

一、自动控制技术的发展

自从20世纪70年代以后，随着微电子技术的发展，大规模集成电路的制造成功，造价低廉的微处理器的大量出现，促使工业微机的应用迅速普及。因而产生了集中－分散型控制系统(DCS)。DCS控制系统不仅提高了控制系统的工作可靠性，而且可以灵活方便地实现各种新的控制规律(如多变量、多参数控制、最优控制、自适应控制等)，便于系统分批调试与投入运行。DCS的出现和应用，为实现高水平的自动化提供了强有力的技术基础，为工业过程自动化向高层次发展带来了深远的影响。在控制设备方面，包括微机控制的智能型单元组合仪表和PLC的诞生，都标志着工业自动化真正进入了计算机时代。

P30机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

一、自动控制技术的发展

自20世纪80年代迅速发展起来的计算机网络技术，又使得工业生产自动化发生了巨大变革，计算机网络化产生了控制与管理一体化的现代新型工业自动化模式。这种新型的自动控制系统已经超出了传统的工业工程技术领域，还包括了社会经济和生物生态等各个领域，从局部控制进入了全局控制，既有若干个子系统的闭环控制，又有整个大系统的协调全面控制，可以实现在线优化、生产过程的实时调度、产品计划、统计、信息管理和决策管理。工业自动化系统能够在大量获取并处理生产过程和市场信息的基础上，科学地安排和调度生产，以充分发挥设备的生产潜力，达到优质、高产、低耗的最佳目标。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

二、智能制造

智能制造这一概念通常被认为是智能制造技术与智能制造系统的统称，是新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合。随着工业4.0时代的来临，系统化、数字化、智能化、数据化已成为我国制造业变革的方向。智能制造系统将互联网、云计算、大数据、移动应用等新技术与产品生产管理深度融合，借助计算机模拟人类专家的智能活动进行分析、推理、判断、构思和决策等，从而取代或者延伸制造环境中人的部分脑力劳动，实现生产模式的创新变革。1.智能制造贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式。智能制造可总结归纳为三种基本范式，即：数字化制造、数字化网络化智能化制造、数字化网络化智能化制造。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

二、智能制造(1)第一代智能制造是数字化制造。其主要特征表现为：一、在产品方面，数字化技术得到普遍应用，形成数控机床等“数字一代”创新产品。二、大量采用计算机辅助设计、工程设计中的计算机辅助工程、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造（CAD/CAE/CAPP/CAM）等数字化设计、建模和仿真方法；大量采用数控机床等数字化装备；建立了信息化管理系统，采用制造资源计划、企业资源计划、产品数据管理（MRPII/ERP/PDM）等，对制造过程中的各种信息与生产现场实时信息进行管理，提升各生产环节的效率和质量。三、实现生产全过程各环节的集成和优化运行，产生了以计算机集成制造系统（CIMS）为标志的解决方案。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

二、智能制造(2)第二代智能制造是数字化网络化制造。本质上就是“互联网+”制造，是在数字化制造的基础上实现网络化，应用工业互联网、工业云的技术实现联通和集成，同时还具备一定的智能(3)新一代智能制造——数字化网络化智能化制造。本世纪以来，移动互联、超级计算、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术飞速发展，集中汇聚在人工智能技术的突破上。人工智能技术与先进制造技术的深度融合，形成了新一代智能制造——数字化网络化智能化制造，成为新一轮工业革命的核心驱动力。新一代智能制造的主要特征表现在制造系统具备了“认知学习”能力。通过深度学习、增强学习、迁移学习等技术的应用，新一代智能制造中制造领域的知识产生、获取、应用和传承效率将发生革命性变化，显著提高创新与服务能力。随着制造知识生产方式的变革，新一代智能制造形成了一种新的制造范式。机床电气及PLC控制高等教育出版社【阅读材料】自动控制技术与智能制造

二、智能制造2.智能制造是由多个部分组成的，从而形成一个统一的整体：(1)智能产品——通常包括机械、电气和嵌入式软件，具有记忆、感知、计算和传输功能。典型的智能产品包括智能手机、智能可穿戴设备、智能汽车、智能家电和智能售货机等。(2)智能服务——基于传感器和物联网（IOT），可以感知产品的状态，从而进行预防性维护维修，及时帮助客户更换备件，甚至可以通过了解产品运行的状态，帮助客户带来商业机会。还可以采集产品运营的大数据，辅助企业进行市场营销的决策(3)智能装备——智能装备具有检测功能，可以实现在机检测，从而补偿加工误差，提高加工精度。还可以对热变形进行补偿。(4)智能产线——自动化生产线可以分为刚性自动化生产线和柔性自动化生产线，柔性自动化生产线一般建立了缓冲。工业机器人、吊挂系统在自动化生产线上的应用已越来越广泛。机床电气及PL