模块二讲义-控制电路基本环节.docx

模块二 控制电路基本环节知识目标：熟悉电气原理图画法规则和读图法；熟练掌握机床控制电路的基本环节能力目标：能正确绘制和阅读电气控制系统图；具有不太复杂的电气控制线路分析和安装接线能力第一部分 理论基础一、电气控制系统图的基本知识电气控制系统是由许多电气元件按一定要求连接而成的。为了便于电气控制系统的设计、分析、安装、使用和维修，需要将电气控制系统中各电气元件及其连接，用一定的图形表达出来，这种图形就是电气控制系统图。电气控制系统图有三类：电气原理图、电器元件布置图和电气安装接线图。1图形、文字符号电气控制系统图中，电气元件必须使用国家统一规定的图形符号和文字符号。国家规定从1990年1月1日起，今后电气系统图中的图形符号和文字符号必须符合最新的国家标准。目前推行的最新标准是国家标准局颁布GB4728-84电气图用图形符号、GB6988-87电气制图和GB7159-87 电气技术中的文字符号制订通则。）图形符号图形符号通常用于图样或其它文件，用以表示一个设备或概念的图形、标记或字符。电气控制系统图中的图形符号必须按国家标准绘制，）文字符号文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。文字符号适用于电气技术领域中技术文件的编制，也可表示在电气设备、装置和元件上或其近旁以标明它们的名称、功能、状态和特征。）主电路各接点标记三相交流电源引入线采用 L1、L2、L3标记。电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U、V、W顺序标记。级三相交流电源主电路采用三相文字代号U、V、W的前边加上阿拉伯数字1、2、3等来标记，如1U、1V、1W；2U、2V、2W等。2.电气原理图的画法规则电气原理图是为了便于阅读和分析控制线路，根据简单清晰的原则，采用电气元件展开的形式绘制成的表示电气控制线路工作原理图的图形。在电气原理图中只包括所有电气元件的导电部件和接线端点之间的相互关系，但并不按照各电气元件的实际布置位置和实际接线情况来绘制，也不反映电气元件的大小。下面结合图2-1所示某机床的电气原理图说明绘制电气原理图的基本规则和应注意的事项。绘制电气原理图的基本规则：1）原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出：主电路就是从电源到电动机绕组的大电流通过的路径。辅助电路包括控制回路、信号电路及保护电路等，由继电器的线圈和触点、接触器的线圈和辅助触点、按钮、照明灯、控制变压器等电器元件组成。一般主电路用粗实线表示，画在左边（或上部）；辅助电路用细实线表示，画在右边（或下部）。2）原理图中，各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准来画，文字符号也要符合国家标准。属于同一电器的线圈和触点，都要用同一文字符号表示。当使用相同类型电器时，可在文字符号后面加注阿拉伯数字序号来区分。3）原理图中，各电器元件的导电部件如线圈和触点的位置，应根据便于阅读和发现的原则来安排，绘在它们完成作用的地方。同电器元件的各个部件可以不画在一起。4）原理图中所有电器的触点，都按没有通电或没有外力作用时的开闭状态画出。如：继电器、接触器的触点，按线圈未通电时的状态画；按钮、行程开关的触点按不受外力作用时的状态画出；控制器按手柄处于零位时的状态画等。5）原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电气元件一般应按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。3.电气元件布置图电气元件布置图主要用来表示各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。各电气元件的安装位置是由机床的结构和工作要求来决定的，如电动机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，操作元件要放在操作台及悬挂操纵箱等操作方便的地方，一般电气元件应放在控制柜内。机床电气元件布置图主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操纵台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。在绘制电气设备布置图时，所有能见到的以及需表示清楚的电气设备均用粗实线绘制出简单的外形轮廓，其它设备（如机床）的轮廓用双点划线表示。 图2-2 电气元件布置图 图2-3 电气安装接线图4.电气安装接线图电气安装接线图是为了安装电气设备和电气元件时进行配线或检查维修电气控制线路故障服务的。在图中要表示各电气设备之间的实际接线情况，并标注出外部接线所需的数据。在接线图中各电气元件的文字符号、元件连接顺序、线路号码编制都必须与电气原理图一致。图2-3是根据图2-1电气原理图绘制的接线图。图中表明了该电气设备中电源进线、按钮板、照明灯、电动机与电气安装板接线端之间的关系，也标注了所采用的包塑金属软管的直径和长度以及理解导线的根数、截面积。二、三相异步电动机全压起动三相异步电动机全压起动就是：起动时加在电动机定子绕组上的电压为额定电压，也称直接起动。1.单向旋转控制电路1）点动正转控制线路点动正转控制线路是用按钮、接触器来控制电动机运转的最简单的正转控制线路。如图2-4所示。起动：按下起动按钮SB接触器KM线圈得电KM主触头闭合电动机M起动运行。停止：松开按钮SB接触器KM线圈失电KM主触头断开电动机M失电停转。停止使用时：断开电源开关QS。2）接触器自锁正转控制线路在要求电动机起动后能连续运行时，采用上述点动控制线路就不行了。因为要使电动机M连续运行，起动按钮SB就不能断开，这是不符合生产实际要求的。为实现电动机的连续运行，可采用图2-5所示的接触器自锁正转控制线路。 图2-4 点动正转控制电路 图2-5 接触器自锁正转控制线路线路的工作原理如下：先合上电源开关Q。起动：按下起动按钮当松开SB1常开触头恢复分断后，因为接触器KM的常开辅助触头闭合时已将SB1短接，控制电路仍保持接通，所以接触器KM继续得电，电动机M实现连续运转。像这种当松开起动按钮 SB1 后，接触器 KM 通过自身常开触头而使线圈保持得电的作用叫做自锁（或自保）。与起动按钮SB1并联起自锁作用的常开触头叫自锁触头（也称自保触头）。停止：按下停止按钮当松开SB2其常闭触头恢复闭合后，因接触器KM的自锁触头在切断控制电路时已分断，解除了自锁，SB1也是分断的，所以接触器KM不能得电，电动机M也不会转动。电路的保护环节：短路保护;过载保护;失压和欠压保护3）连续与点动混合控制的正转控制电路机床设备在正常运行时，一般电动机都处于连续运行状态。但在试车或调整刀具与工件的相对位置时，又需要电动机能点动控制，实现这种控制要求的线路是连续与点动混合控制的正转控制线路。如图2-6所示。图2-6 连续与点动混合控制2.可逆旋转控制电路各种生产机械常常要求具有上、下、左、右、前、后等相反方向的运动，这就要求电动机能够实现可逆运行。三相交流电动机可借助正、反向接触器改变定子绕组相序来实现。为避免正、反向接触器同时通电造成电源相间短路故障，正反向接触器之间需要有一种制约关系互锁，保证它们不能同时工作。图2-7给出了两种可逆控制线路。图2-7（a）是电动机“正停反”可逆控制线路，利用两个接触器的常闭触头KM1和KM2相互制约，即当一个接触器通电时，利用其串联在对方接触器的线圈电路中的常闭触头的断开来锁住对方线圈电路。这种利用两个接触器的常闭辅助触头互相控制的方法称为“互锁”，起互锁作用的两对触头称为互锁触头。这种只有接触器互锁的可逆控制线路在正转运行时，要想反转必先停车，否则不能反转，因此叫做“正停反”控制线路。图2-7 可逆旋转控制电路图2-7(b)是电动机“正反停”控制线路，采用两只复合按钮实现。在这个线路中，正转起动按钮SB2的常开触点用来使正转接触器KM1的线圈瞬时通电，其常闭触头则串联在反转接触器KM2线圈的电路中，用来锁住KM2。反转起动按钮SB3也按SB2的道理同样安排，当按下SB2或SB3时，首先是常闭触头断开，然后才是常开触头闭合。这样在需要改变电动机运动方向时，就不必按SB1停止按钮了，可直接操作正反转按钮即能实现电动机可逆运转。这个线路既有接触器互锁，又有按钮互锁，叫做具有双重互锁的可逆控制线路，为机床电气控制系统所常用。三、异步电动机降压起动控制1.定子绕组串电阻（电抗）起动控制线路）手动切除电阻控制电路图2-8 手动切除电阻控制电路电路的工作原理为：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，KM1得电并自锁，电动机定子绕组串入电阻R降压起动，达到一定速度时，按下切换按钮SB3，经延时后 KT 常开触头闭合，KM2得电主触头将起动电阻R短接，电动机进入全压正常运行。该 电路从起动到全压运行都是由操作人员掌握，很不方便。且若由于某种原因导致KM2不能动作时，电阻不能被短接，电动机将长期在低电压下运行，严重时将烧毁电动机。因此，应对此电路进行改进，如加互锁或信号电路）降压自动起动控制线路电路的工作原理为：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，KM1得电并自锁，电动机定子绕组串入电阻R降压起动，同时KT得电，经延时后KT常开触头闭合，KM2得电主触头将起动电阻R短接，电动机进入全压正常运行。图2-9 自动起动控制线路2.星形三角形降压起动控制线路星形三角形（Y）降压起动是指电动机起动时，把定子绕组接成星形，以降低起动电压，减小起动电流；待电动机起动后，再把定子绕组改接成三角形，使电动机全压运行。Y起动只能用于正常运行时为形接法的电动机。图2-10 Y降压起动控制线路）按钮、接触器控制Y降压起动控制线路图2-10（a）为按钮、接触器控制Y降压起动控制线路。线路的工作原理为：按下起动按钮SB2，KM1、KM2得电吸合，KM1自锁，电动机星形起动，待电动机转速接近额定转速时，按下SB3，KM2断电、KM3得电并自锁，电动机转换成三角形全压运行。）时间继电器控制 Y 降压起动控制线路图2-10（b）为时间继电器自动控制Y降压起动控制线路，电路的工作原理为：按下起动按钮SB2，KM1、KM2得电吸合，电动机星形起动，同时KT也得电，经延时后时间继电器K常闭触头打开，使得KM2断电，常开触头闭合，使得KM3得电闭合并自锁，电动机由星形切换成三角形正常运行。四、三相异步电动机的制动控制线路1.耗制动控制线路能耗制动是电动机脱离三相交流电源后，结定子绕组加一直流电源，以产生静止磁场，起阻止旋转的作用，达到制动的目的。在制动过程中，电流、转速和时间三个参量都在变化，原则上可以任取其中一个参量作为控制信号。取时间作为变化参量，其控制线路简单、成本较低，故实际应用较多。图2-11是时间原则控制的单向能耗制动控制线路。设电动机已经正常运行，运行时线圈得电。要想停车制动，需按停止按钮。制动过程如下：设电机正在正向运转，需要停车制动时，按下停止按钮SB1，KM1断电，KM2和KT线圈通电并自锁，KM2的主触头闭合，将直流电源接入电动机定子绕组，进行能耗制动。经过一段时间，KT的延时断开的常闭触头断开，接触器KM2断电，切断通往电动机的直流电源，时间继电器KT也随之断电，电动机能耗制动结束。图2-11 时间原则控制的单向能耗制动控制线路图中自锁回路中的瞬时常开触头的作用是为了考虑时间继电器KT线圈断线或机械卡住故障时，断开接触器KM2的线圈通路，使电动机定子绕组不致长期接入直流电源。2.反接制动控制线路反接制动是利用改变电动机电源的相序，使定子绕组产生相反方向的旋转磁场，因而产生制动转矩的制动方法。反接制动常采用转速为变化参量进行控制。由于反接制动时，转子与旋转磁场的相对速度接近于两倍的同步转速，所以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电流的两倍，因此反接制动特点之一是制动迅速，效果好，冲击大，通常仅适于10kW以下的小容量电动机。为了减小冲击电流，通常要求在电动机主电路中串接限流电阻。图2-12为电动机单向反接制动控制线路。电动机正常运行时，KM1通电，速度继电器常开触头KS已闭合（为制动做准备）。停转制动过程如下：当按下停止按钮SB1时，KM1断电，电动机定子绕组脱离三相电源，但电动机因惯性仍以很高速度旋转，KS原闭合的常开触点仍保持闭合，当将SB1按到底，使SB1常开触点闭合，KM2通电并自锁，电动机定子串接电阻接上反序电源，电动机进入反接制动状态。电动机转速迅速下降，当电动机转速接近 100r/min时，KS常开触点复位，KM2断电，电动机断电，反接制动结束。 图2-12 单向反接制动控制线路 图2-13 两地控制线路五、其他典型控制环节 1多地控制线路能在两地或多地控制同一台电动机的控制方式叫电动机的多地控制。在大型生产设备上，为使操作人员在不同方位均能进行起停操作，常常要求组成多地控制线路。图2-13为两地控制的控制线路。其中SB3、SB1为安装在甲地的起动按钮和停止按钮，SB4、SB2为安装在乙地的起动按钮和停止按钮。线路的特点是：起动按钮应并联接在一起，停止按钮应串联接在一起。这样就可以分别在甲、乙两地控制同一台电动机，达到操作方便的目的。对于三地或多地控制，只要将各地的起动按钮并联、停止按钮串联即可实现。2.连锁控制连锁控制的应用是很广泛的。电动机控制的基本环节中已介绍了自锁控制、互锁控制、正常工作与点动的连锁控制。凡是生产线上某些环节或一台设备的某些部件之间具有互相制约或互相配合的控制，均称为连锁控制。下面再介绍实现按顺序工作时的连锁控制。在机床的控制线路中，常常要求电动机的起停有一定的顺序。例如磨床要求先起动润滑油泵，然后再起动主轴电机；龙门刨床在工作台移动前，导轨润滑油泵要先起动；铣床的主轴旋转后，工作台方可移动等；顺序工作控制线路有顺序起动、同时停止控制线路，有顺序起动、顺序停止控制线路，还有顺序起动、逆序停止控制线路。图2-14为两台电动机的连锁控制线路。 图2-14（a）是顺序起动、同时停止或单独停止M2控制线路。在这个控制线路中，只有KM1线圈通电后，其串入KM2线圈电路中的常开触头KM1闭合，才使KM2线圈有通电的可能。图2-14（b）是顺序起动、逆序停止控制线路。停车时，必须按SB3按钮，断开KM2线圈电路，使并联在按钮SB1下的常开触头KM2断开后，再按SB1才能使KM1线圈断电。 （a） （b）图2-14 两台电动机的连锁控制线路思考：怎样通过主电路实现顺序控制？自动往复控制电路有些生产机械，如万能铣床，要求工作台在一定距离内能自动往返，而自动往返通常是利用行程开关控制电动机的正反转来实现工作台的自动往返运动。工作台自动往返运动示意图如图2-15所示。图2-15 工作台自动往返运动示意图图2-16为工作台自动往返行程控制线路，工作过程如下：按下起动按钮SB2，KM1得电并自锁，电动机正转工作台向左移动，当到达左移预定位置后，挡铁B压下SQ2，SQ2常闭触头打开使KM1断电，SQ2常开触头闭合使KM2得电，电动机由正转变为反转，工作台向右移动。当到达右移预定位置后，挡铁A压下SQ1，使KM2断电，KM1得电，电动机由反转变为正转，工作台向左移动。如此周而复始地自动往返工作。当按下停止按钮SB1时，电动机停转，工作台停止移动。若因行程开关SQ1、SQ2失灵，则由极限保护行程开关SQ3、SQ4实现保护，避免运动部件因超出极限位置而发生事故。图2-16 工作台自动往返行程控制线路六、电动机控制的保护环节电气控制系统除了要能满足生产机械加工工艺的要求外，还应保证设备长期安全、可靠、无故障地运行，因此保护环节是所有电气控制系统不可缺少的组成部分，用来保护电动机、电网、电气控制设备及人身安全。电气控制系统中常用的保护环节有短路保护、过载保护、零压、欠压保护及弱磁保护。1. 短路保护电机、电器以及导线的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故。短路电流可能使电器设备损坏，因此要求一旦发生短路故障时，控制线路能迅速切断电源。常用的短路保护元件有熔断器和自动开关。2.过电流保护电动机不正确地起动或负载转矩剧烈增加会引起电动机过电流运行。一般情况下这种过电流比短路电流小，但比电动机额定电流却大得多。在电动机运行过程中产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转起动的重复短时工作制的电动机中更是如此。过电流的危害虽没有短路那么严重，但同样会造成电动机的损坏。原则上，短路保护所用元件可以用作过电流保护，不过断弧能力可以要求低些，完全可以利用控制电动机的接触器来断开过电流，因此常用瞬时动作的过电流继电器与接触器配合起来作过电流保护，过电流继电器作为测量元件，接触器作为执行元件断开电路。3.过载保护电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆，寿命减少，严重时会使电机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器作过载保护的同时，还必须设有短路保护，选作短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过4倍热继电器发热元件的额定电流。必须强调指出，短路、过电流、过载保护虽然都是电流保护，但由于故障电流的动作值、保护特性和保护要求以及使用元件的不同，它们之间是不能相互取代的。4.零电压和欠电压保护在电动机运行中，如果电源电压因某种原因消失，那么在电源电压恢复时，如果电动机自行起动，将可能使生产设备损坏，也可能造成人身事故。对供电系统的电网来说，同时有许多电动机及其它用电设备自行起动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降。为了防止电网失电后恢复供电时电动机自行起动的保护叫做零电压保护。图2-17是电动机常用保护线路。图中各电器元件所起的保护作用分别为： 短路保护 熔断器FU1；过载保护 热继电器FR；过流保护 过电流继电器KI1，KI2；零压保护 中间继电器KA；欠压保护 欠电压继电器KV；联锁保护 接触器KM1和KM2互锁。图2-17 电动机常用保护线路5.弱磁保护直流电动机在磁场有一定强度情况下才能起动，如果磁场太弱，电动机的起动电流就会很大；直流电动机正在运行时磁场突然减弱或消失，电动机转速就会迅速升高，甚至发生“飞车”，因此需要采取弱磁保护。弱磁保护是通过在电动机励磁回路串入欠电流继电器来实现的。在电动机运行中，如果励磁电流消失或降低太多，欠电流继电器就会释放，其触头切断主回路接触器线圈电路，使电动机断电停车。除上述几种保护外，控制系统中还可能有其它各种保护，如联锁保护、行程保护、油压保护、温度保护等。只要在控制电路中串接上能反映这些参数的控制电器的常开触头或常闭触头，就可实现有关保护。第二部分 课堂演示一、间歇运行控制电路原理电动机间歇运行控制是生产企业中电动机常见的工作方式，通过课堂演示体会时间继电器的动作原理，并掌握其外部接线。为演示的方便，用彩灯HL代替电动机，演示电路如图2-18所示。合上SA，KT1的线圈得电，延时时间（设为3秒）一到，其常开触点闭合，KM的线圈得电并自锁，常开触点闭合，彩灯亮；同时KT2的线圈得电，延时时间（设为5秒）一到，其常闭触点断开，KM的线圈失电，触头恢复常态，彩灯熄。3秒后，彩灯又亮，周而复始。图2-18 间歇运行控制演示电路二、演示步骤.按图2-18所示电路，完成硬件接线（建议将所有元件预先安装在一块有机玻璃板上）。.在断电状态下，学会用万用表检测电路。.合上转换开关SA，观察时间继电器的动作彩灯HL的亮灭情况。三、边学边议.请学生解释彩灯HL亮灭的原因。.若将的常闭触点去掉，结果会怎样？第三部分 基本技能训练实训一 电动机单向起动线路的接线与排故一、实训目的1.学习异步电动机基本控制电路的连接。2.加深对点动和自锁控制特点的理解。3.初步掌握由电气原理图变换成安装图的能力。二、实训器材1.SX-601型技能实操柜1套；2.电工工具1套。三、实训电路图2-19 单向旋转控制线路四、实训操作内容及要求1.在SX-601型技能实操柜内安装具有自锁的单向旋转控制线路、具有过载保护的单向旋转控制线路。接线时注意接线方法，各接点要牢固、接触良好，同时，要注意文明操作，保护好各电器。2.装完一个电路，经检查无误后，接上电动机进行通电试运转。观察电器及电动机的动作、运转情况。五、实训报告与考核要求（一）实训报告1.画出二个控制线路的原理图及接线图，并分析动作原理。2.分析具有自锁的正转控制线路的失电压（或零电压）与欠电压保护作用。（二）考核要求1.在规定时间内能正确安装电路，且试运转成功。2.安装工艺达到基本要求，先头长短适当、接触良好。3.遵守安全规程，做到文明生产。实训二 三相异步电动机的正、反转控制一、实训目的1.熟悉并掌握电动机可逆旋转线路的连接。2.理解可逆控制线路电气、机械互锁原理。3掌握可逆运行线路常见故障的排除方法。二、实训器材1.SX-601型技能实操柜1套；2.电工工具1套。三、实训电路双重联锁的正反转控制线路如实训图2-20所示，动作过程分析略。图2-20 三相异步电动机可逆运转控制线路四、实训操作内容及要求1.在SX-601型技能实操柜内安装接线，要求安装时文明操作，注意接点牢靠、接触良好。2.安装完一个电路、经检查无误后，接上试车电动机，通电试操作。仔细观察电器及电动机的动作、运行情况，掌握正确的操作方法。五、实训报告与考核要求（一）实训报告1.说明联锁的含义。2.分析双重联锁的正反转控制线路的工作原理，说明这种线路的方便性和安全可靠性。（二）考核要求1.在规定的时间内能正确安装电路，且试运转成功。2.安装工艺达到基本要求，接点牢靠、接触良好。3.文明安全操作，没有安全事故。实训三 三相异步电动机的能耗制动控制一、实训目的熟悉三相异步电动机能耗制动控制电路的工作原理、接线方法、调试及故障排除的技能。二、实训器材1.SX-601型技能实操柜1套；2