电气控制系统的基本环节..ppt

1.4.1 异步电动机起动控制电路 三相异步电动机结构简单、运行可靠、维修方便。与同容量的直流电机比较，具有体积小、重量轻、转动惯性小的特点。因此得到广泛应用。 异步电动机有直接起动和降压起动两种方式。在供电变压器容量足够大时，异步电机可直接起动，否则应采用降压起动方式。,1.4 电气控制系统的基本环节,1.4.1.1 直接起动控制电路 （1）开关直接起动,起动 电源接通 QS置“开” 电动机得电起动 停止 QS置“关” 电动机失电自由停止,问题 无过载保护；电机起动后，突然停电，来电后会自然起动，可能会造成危险。 对小型台钻、冷却泵、砂轮机等，可用开关直接起动。,如图1-56所示。对中小型普通车床的主电动机采用接触器直接起动。,（2）接触器直接起动,起动：合QS,按SB2,KM线圈得电,主触头KM （3）闭合,电机起动,辅助常开触头KM（6）闭合 自锁（保）,SB2+KM通常称KM为自锁触头。其作用是当松开SB2后 ，吸引线圈KM通过其辅助常开触头可以继,FR过载保护。,续保持通电，此控制电路称为自（保）锁电路。 SB2+KM零（欠）压保护。,FU短路保护。,停止：按SB1KM 电机停,（3）逻辑分析法 为了便于用逻辑代数描述电路，对电器元件状态的逻辑表示做如下规定：,用KA、KM、SQ、SB分别表示继电器、接触器、行程开关 、按钮的常开 （动合）触头；用 、 、 、 表示其相应的常闭（动断）触头。,电路中开关元件的受激状态（如继电器线圈得电，行程开关受压）为“1” 状态；触头闭合状态为“1”状态，断开状态为“0”状态。 例图1-56的控制电路，写出其逻辑表达式：,由表达式可知：只有在FR、SB1都闭合（未受激），并且SB2和KM有任一个闭合（动作）时，KM 才得电。,（4）多地点控制 在较大的设备上，为方便操作，常要求能在设备的多个地点进行控制。如图1-58所示为三地点控制。图中SB1为急停按钮，用于紧急情况下停车操作。,1.4.1.2 降压起动控制电路,降压起动，就是起动时降低加在电机定子绕组上的电压，来限制起动电流，当电机起动到接近额定转速时，再将电压恢复到额定值。对容量较大的异步电动机，一般都采用降压起动方式。生产设备中最常见用星-三角形降压起动和定子串电阻降压起动。,（1）星-三角（Y-）降压起动控制电路 这种起动方法仅适用于电机正常运行时绕组为形联接的异步电动机，起动时接成Y形，起动完毕时再自动换接成形运行。,KM1 ,KM3 Y起动, 延时,KM2 运行,（7）,起动：QS起动准备,SB2,KM1,（10）,KM1 （3）,KM3,KT,KM3 （3）,MY起动,延时,KM3,（8）,KT（9）,KM2 ,M运行,KM2 （4）,（9）,KT,（自锁）（6）,KM2、KM3两个常闭触头分别串入对方线圈电路中，使KM2、KM3线圈不能同时得电互锁。,星-三角降压起动的优点在于星形起动电流是原来三角形接法的1/3，电路简单，价格便宜。缺点是起动转矩也相应下降为原来三角形接法的1/3，转矩特性差，适用于空载或轻载状态下起动。 （2）定子串电阻降压起动控制 起动时在定子电路中串电阻，使绕组电压降低，起动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。这种起动方式不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型生产机械中应用较广。,SB2,KM1,KM1 （3）,KT,M串R起动,延时,KT（6）,KM2 ,M全压运行,KM2 （3）,（6）,图1-60（a） 起动过程,电机在正常运行期间，KM1、KT一直处于有电状态，这是不必要的，可改为图1-60（b）形式。,上述降压起动控制电路，都采用了时间继电器延时动作到全压运行的自动切换，这种控制方式称为“按时间原则” 的自动控制 。 （3）软起动器（Softstarter） 传统的降压起动控制方式，都存在切换瞬间会出现很高的电流尖峰，产生破坏性的动态转矩，引起的机械振动对电动机转子、轴连接器、中间齿轮以及负载都是非常有害的；起动设备体积庞大，成本高，而且还存在与负载匹配的电动机转矩很难控制等缺点。因此出现了软起动控制器。,图1-61所示为软起动器（Softstarter）原理框图。软起动设备的功率部分由3对正反并联的晶闸管组成，它由控制电路调节加到晶闸管上的触发脉冲的导通角，来控制加到电动机上的电压，使加到电动机上的电压按某一规律慢慢达到 全电压。通过适当地设置控制 参数，可以使电动机的转矩和 电流与负载要求得到较好的匹 配。软起动器还有软制动、节 电和各种保护功能。,使用软起动器可解决水泵电机起动与停止时管道内的水压波动问题，其起动电流可降至约（3.54）IN，可解决起动时风机传动皮带打滑及轴承应力过大的问题；可减少压缩机、离心机、搅动机等设备在起动时对齿轮箱及传动皮带的应力，可解决输送带起动或停止过程中由于颠簸而造成的产品倒跌及损坏的问题，可减少起动时皮带打滑引起的皮带磨损及对齿轮箱的应力。 国产的软起动器有JRl系列交流电动机软起动控制器， QWJ2系列节电型无触头起动器等。国外生产的有ABB公司的PS系列软起动器等。,软起动器起动时电压沿斜坡上升，升至全压的时间可设定在0.560s。软起动器亦有软停止功能，其可调节的斜坡时间在0.5240s。不同起动方法下的起动转矩和起动的电机电压分别如图1-62，1-63所示。,用一接触器与软起动器并联，其目的是出于安全考虑。,正常工作时按下起动按钮，继电器KA7接通，软起动器工作。,在软起动器出现故障时，继电器K11，接通，驱动接触器KM2接通，短接软起动器，将电路切换过来，以保证系统的不中断工作。,1.4.2 异步电动机正反转控制电路,生产机械工作部件常需要作两个相反方向的运动，大都靠电动机正反转来实现。实现电动机正反转的原理很简单，只要将电动机的三相电源中的任意两相对调（改变相序）就可使电动机反向运转。,图1-65为正反转按钮控制的典型电路。 在主电路中，KM1、KM2触头接法不同，可改变电源的相序。,1.4.2.1 电动机正反转的按钮控制,图（a）的工作原理,SB2,KM1,KM1 （3）,M正转,（7）, 与KM2互锁,反转：先停后起,KM1 ,SB3,KM2 （4）, 切断正转电路,KM2,M反转,（8）,在生产实践中，为了减少辅助工时，要求直接实现正反转控制。可采用（b）图形式， 用复合按钮代替单触头按钮，并将复合按钮的常闭触头分别串接对方接触器控制 电路中（互锁）。即 不使用停止按钮过渡 而直接控制正反转。 但仅用于小容量电机， 且拖动的机械装置转 动惯量又较小的场合。,1.4.2.2 电动机正反转行程控制 在生产实践中，有些生产机械的工作台需要自动往返运动，它是利用行程开关实现电动机自动正反转的，通常叫做“行程控制” 原则。,图1-66为行程开关控制的正反转电路。它与按钮控制正反转电路相似。只是增加了行程开关的复合触头SQl、SQ2。这种电路适用于铣床、龙门刨床、组合机床工作台的正反行程控制。,在控制电路中，行程开关SQ3、SQ4用作极限位置保护；以防止SQl、SQ2可能失效而引起的事故。,1.4.3 异步电动机制动控制电路,异步电动机从切除电源到停转要有一个过程，需要一段时间。许多生产机械要求停车时精确定位或尽可能减少辅助时间，必须采取制动措施。 制动停车的方式有机械制动和电气制动两大类，机械制动是采用机械施闸来实现制动； 电气制动是使电动机产生一个与转子原来转动方向相反的力矩来实现制动，常用的电气制动方式有能耗制动和反接制动。,1.4.3.1 能耗制动控制电路 能耗制动是指在异步电动机刚切除三相电源之后，在定子绕组中接入直流电源。 由于转子切割固定磁场产生制动力矩，使电机的动能转变为电能并消耗在转子的制动上，故称能耗制动。当转于转速为零时，切除直流电源。 图1-67（a）、（b）分别是用复合按钮手动控制和用时间继电器自动控制的能耗制动电路。,图（b）制动过程：工作时KM1,KM2 ,KT 。,SB1,KM1,KM1 （3） ,KM2,KT,KM2（4）, 切断交流电源,延时,KM2,（8）,KM2（4）,（9）, 接通直流电源, 切断直流电源,能耗制动比较缓和、平稳、准确、功耗小，适用于要求制动平稳和起制动频繁的场合，但需整流设备。,1.4.3.2 反接制动控制电路 工作时KM1，KR ， KM2 。,KR与电机转子同轴连接，当转速达到120r/min以上时，其常开触头闭合，当制动到电动机转速小于100r/min时，触头断开，恢复原位。,SB1,KM1,KM1 （3） ,KM2,KM2（4）,KR,KM2（4） ,（9）, M反接制动,n0 , 切断正转电源,反接制动时，转子与旋转磁场的相对转速接近转子转速的两倍，因此，制动力大，对设备冲击大，若速度继电器动作不可靠时，可能引起的反向再起动，因此，反接制动方法主要用于不频繁起动、制动并对停车位置无准确要求而且传动机构能承受较大冲击的设备中，如铣床、镗床、中型车床等机床。为减小制动电流，在电动机主电路中串接限流电阻R，可防止制动时电动机绕组过热。 反接制动过程的结束由电动机转速来控制,这种由速度达到一定值而发出转换信号的控制方式称为“按速度原则” 的自动控制。,1.4.4 双速异步电动机的高低速控制,多速电动机在机床中如车床、铣床、镗床等都有较多应用。常用来改善机床的调速性能和简化机械变速装置。根据电动机转速公式,（1-8 ）,式中，s为转差率；f为电源频率；p为定子磁极对数。,双速电机是最简单的多速电机，常见的接线方式有/YY和Y/YY两种。,1.4.4.1 YY接法,1，2，3接电源，4，5，6端子悬空时，每相绕组由两个线圈串联组成，电机呈4极（p2）旋转磁场，同步转速为1500 r/min。,YY 4，5，6接电源，1，2，3短接时，每相绕组有两个线圈并联组成，产生2极（p1）旋转磁场，同步转速为3000rmin。,由上可知，若将定子绕组接成形得到低速，接成YY形者得到高速。两种接法的功率近似相等，属恒功率调速适合一般的金属切削机床。,1.4.4.2 YYY接法 YYY接法如图1-69（b）所示，属恒转矩调速，它适用于起重机、电梯、皮带运输机等。,图1-70（c）是实现低、高速自动转换的控制电路。在图中，当SA开关打到高速时，时间继电器KT得电，其瞬时动作触头闭合，先接通低速电路，使电动机低速起动，KT延时时间到后，其两个延时触头分别断开低速电路和接通高速电路，使电动机转换到高速运行。,图1-70（a）是用按钮变换的高、低速电路图。KM1得电，电机绕组接成，低速运转；KM2、KM3得电，电机绕组接成YY形，电机高速运转。在低速和高速之间用动断触头互锁。,图1-70（b）是用开关实现高低速控制。当电动机容量较大时，若直接作高速运转（YY接法），起动电流较大，这时可采用低速起动，再转换到高速运行的控制方式。,1.4.5 组成控制电路的基本规律,1.4.5.1 按联锁控制的规律 （1）正反向接触器间的联锁控制 如果电路中有两个接触器KM1、KM2不能同时接通，就将的各自的常闭触头分别串在对方线圈控制电路中，KM1、KM2的常闭触头称为联锁或互锁触头，用复合按钮代替单触头按钮，并将复合按钮的常闭触头分别串接对方接触器控制电路中也可实现互锁，常用在电动机正反转控制中，以防电源短路。如图1-71。,（2）顺序起动控制电路,生产机械常要求各运动部件之间能够实现按顺序工作。控制对象对控制系统提出了按顺序工作的联锁要求。如图1-72是油泵电机先起动，主电机才能起动的控制电路。图（a）是简化电路。,（3）连续工作（长动）与点动控制电路 生产机械在工作时需要连续运转，即所谓长动。但在试车调整及快速移动时，需要点动。长动可用自锁电路实现，取消自锁触头或使自锁触头不起作用就可实现点动。,（a）图为按钮联锁实现长动与点动的控制电路；此电路若接触器的释放时间较长，这一电路可能无法工作。,（b）为用开关SA实现长动与点动转换的控制电路；,（c）为用中间继电器实现长动与点动的控制电路。,1.4.5.2 按过程变化参量进行控制的规律 为满足生产工艺的某些要求，在电气控制方案中还应考虑下述诸方面的问题：采用自动循环或半自动循环，手动调整、工序变更、系统的检测、各个运动之间的联锁、各种安全保护、故障诊断、信号指标、照明及人机关系等规律。 只用简单的联锁控制已不能满足要求，需要根据生产工艺对控制系统提出的不同要求，正确选择如实反映控制过程中的变化参量，如时间、速度、电流、行程等来进行控制，来实现各种工艺要求。,按控制过程中变化参量进行控制是一种具有普遍性的自动控制基本规律。图1-74是按控制过程的变化参量进行控制的结构框图。,主令信号就是诸如起动、停止按钮发出的信号,执行机构就是诸如接触器、电磁阀一类电器元件,被控对象就是生产机械系统,将控制过程中的过程变化参量以及执行机构的变化反馈到控制装置，和主令信号以及同各种中间变量（中间继电器等）一起进行逻辑运算，然后输出去控制执行机构动作，以驱动机械系统的运行。 过程变化参量分为直接过程变化参量和间接过程变化参量。一般情况下，应尽可能按直接过程变化参量来进行控制。只有在过程变化参量难以直接测量或测量成本太高的情况下，方采用间接过程变化参量进行控制。,例 图1-75示出了钻削加工时刀架的自动循环过程。具体要求如下：, 自动循环：刀架能自动地由位置1移动到位置2进行钻削加工并自动退回位置1；, 无进给切削：刀具到达位置2时不再进给，但钻头继续旋转进行无进给切削以提高工加工精度。, 快速停车：当刀架退出后要求快速停车以减少辅助工时。,（1）自动循环行程原则控制 控制电路如图1-76所示。,SQ1和SQ2分别作为刀架运动位置1和2的位置测量元件。 刀架“1” SQ1 ,SB1 ,电机正转,SQ2 ,电机反转,SQ1 ,电机停,（2）无进给切削时间原则控制 为了提高加工精度，去掉毛刺，当刀架移动到位置2时要求在无进给情况下继续切削，达到要求后刀架再开始退回。,采用时间继电器间接测量无进给切削过程的控制电路是在图1-76基础上增加了时间继电器KT，如图1-77所示。,（3）快速停车速度原则控制 为缩短辅助工时，提高生产效率，应准确停车以减少超行程，因此对该控制系统还提出了快速停车的要求。对于异步电动机来讲，最简便的方法是采用反接制动。 完整电路如图1-79。,（4）控制方法综述 上面阐述了按照联锁控制的规律和按照控制过程变化参量进行控制的基本规律。根据一些基本规律结合生产机械的要求，就可以组成各式各样的控制系统。 时间控制方式：利用时间继电器等延时单元，将感测部分接受的输人信号经过延时一段间后才发出，从而实现电路切换的时间控制。 速度控制方式：利用速度继电器或测速发电机，间接或直接地检测某机械部件的运动速度，来实现按速度原则的控制。,电流控制方式：借助于电流继电器，它的动作反映了某一电路中的电流变化，从而实现电流原则的控制。 行程控制方式：利用生产机械运动部件与事先安排好位置的行程开关或接近开关进行相互配合，而达到位置控制的作用。 如何正确选用这些控制方式是控制电路设计中的一个重要问题。例如，对某些物理量，既可用行程控制方式，也可用时间控制方式。但究竟采用何种控制方式，那就需要根据实际工作情况来决定。,1.4.6 电液控制,液压传动系统和电器控制系统相结合的电液控制系统在组合机床、自动化机床、生产自动线、数控机床等的应用越来越广泛。 液压传动系统易获得很大的力矩运动传递平稳、均匀、准确可靠，控制方便，易于实现自动化。 1.4.6.1 电磁换向阀 液压传动系统由四个部分组成： 动力装置（液压泵）,执行机构（液压缸或液压马达） 控制调节装置（溢流阀、节流阀、换向阀等） 辅助装置（油箱、油管、滤油器、压力计等） 换向阀在机床液压系统中用以改变液流方向，实现运动换向，接通或关断油路。在电液控制中常用电磁铁推动换向阀来改变液流方向，电磁换向阀就是利用电磁铁推动滑阀移动来控制液流流动方向的。 图1-80中是二位四通电磁阀结构图及符号图。,当电磁铁得电时，阀芯被推向右边，P与B通，A与O通，即改变了压力油进入液压缸的方向，实现了油路的换向。,A、B为工作油口，接液压缸右、左两个腔,图中所示的位置，是当电磁铁断电时阀芯在弹簧作用下被推向左边的情况，即阀口P与A通，B与O通。,电磁换向阀的种类很多，图1-81为各种换向阀的符号图。,符号中方格表 示滑阀的位；箭头 表示阀内液流方向， 符号表示阀内通 道堵塞。电磁阀有 交流电磁阀和直流 电磁阀两种，以电磁铁所用电源而定。,电磁换向阀符号的意义：,23 D 10 B,二位三通,直流电源,流量为10Lmin,板式连接,1.4.6.2 液压动力头控制电路 动力头是既能完成进给运动，而且又能同时完成刀具切削运动的动力部件。 液压动力头的自动工作循环是由控制电路控制液压系统来实现的。图1-82是一次工作进给液压系统和控制电路图。, 动力头原位停止。 SQ1 ,YA1 、YA2 、YA3 , 动力头快进 S置“1”,SB1,KA1 ,（3）,KA1（4）,YA1 ,YA3 ,动力头快进, 动力头工进 SQ3 ,SQ3,KA2 ,（7）,YA1 ,YA3,动力头工进,（5）, 动力头快退 SQ4 ,SQ4,KA3,（10）,YA2 ,动力头快退,KA3（11）,（4） ,YA1 ,KA2 ,（3） ,KA1 ,SQ1,停止, 动力头“点动调整” S置“2”,SB1,KA1,（3）,KA1（4）,YA1,YA3,动力头快进,SQ1 ,解除自锁,SB1,停,SB2,KA3,YA2,动力头快退,在上述控制电路的基础上，加一延时电路，就可得到这样的自动工作循环：快进工进延时停留快退。控制电路如图1-83所示。,实际上就是多加了一个时间继电器KT，当工进到终点后，压动开关SQ4，使时间继电器KA2通电，延时后，才开始快退。,1.4.6.3 半自动车床刀架纵进、横进、快退电液控制电路,图1-84及图1-85是液压系统和控制电路图。,SB3,KM1,（6）,YA1,KM1（3）,SQ1（9）,M1停止,M2起动,SB4,KA1,（9）,KA1（7）,KM2（2）,KM2,M1起动,KA1（12）,刀架纵移,KA2,KA2（13）,YA2,刀架横移,SQ2（11）,KT,延时 ,KT（11）,KA3YA1 ，YA2 ,刀架退回,KA1（7） ,KM2 ,1.4.7 电动机的保护环节,电气控制系统除能满足生产机械的加工工艺要求外要想长期的、正常的、无故障的运行，还必须有各种保护措施。保护环节是所有机床电气控制系统不可缺少的组成部分利用它来保护电动机、电网、电气控制设备以及人身安全等。 电气控制系统中常用的保护环节有过载保护，短路电流保护、零电压和欠电压保护以及弱磁保护等。,1.4.7.1 短路保护 电动机绕组的绝缘、导线的绝缘损坏或电路发生故障时，造成短路现象，产生短路电流并引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力使电气设备损坏。因此在产生短路现象时，必须迅速地将电源切断。常用的短路保护元件有熔断器和自动开关。 （1）熔断器保护 熔断器的熔体串联在被保护的电路中当电路发生短路或严重过载时，它自动熔断而切断电路，达到保护的目的。,（2）自动开关保护 自动开关又称自动空气熔断器，有短路、过载和欠压保护。这种开关能在电路发生上述故障时快速地自动切断电源。是低压配电重要的保护元件之一，常作低压配电盘的总电源开关及电动机变压器的合闸开关。 通常熔断器比较适用于对动作准确度和自动化程度较差的系统中，如小容量的笼形电动机、一般的普通交流电源等。自动开关，只要发生短路就会自动跳