机电传动控制 第三版 课件 第4章 电气控制系统

机电传动控制第4章

电气控制系统学习目标

熟悉电气制图规范

熟练掌握笼型三相异步电动机的基本控制环节熟悉典型机电设备的电气控制原理，掌握电气控制电路的分析方法4.1电气制图规范4.1.1电气制图标准与图形文字符号

电气制图用图形符号和文字符号必须符合国家标准规定,并尽可能与国际标准接轨。国家标准化管理委员会是负责组织国家标准的制定、修订和管理的政府主管部门。

我国是国际电工委员会(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)和国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)的成员国。

因此，我国的电气电工类国家标准大多是在参照IEC和ISO所颁布标准的基础上制定和实施的。ISO一词源于希腊语“ISOS”，对应英文“EQUAL”——本意为相等或相同，引申为标准之意。ISO国际标准组织成立于1947年，中国是ISO的正式成员，代表中国参加ISO的政府机构是国家标准化管理委员会和国家质量检验检疫总局。序号标准代号标准名称1GB/T4728电气简图用图形符号2GB/T5465电气设备用图形符号3GB/T20063简图用图形符号4GB/T5094工业系统、装置与设备以及工业产品——结构原则与参照代号5GB/T20939技术产品及技术产品文件结构原则字母代码——按项目用途和任务划分的主类和子类6GB/T6988电气技术用文件的编制表4-1我国现行的与电气制图有关的主要国家标准

我国现行的绘制电气简图用的图形符号标准是GB/T4728《电气简图用图形符号》。

我国现行的绘制电气系统图用的图形符号标准是GB/T5465《电气设备用图形符号》。

电气电工类元器件的文字符号一般由2个字母组成。第一个字母为主类代码，主类代码的使用按照GB/T5094.2-2003《工业系统、装置与设备以及工业产品——结构原则与参照代号第2部分项目的分类与分类码》的规定执行；第二个字母为子类代码，子类代码的使用按照GB/T20939-2007《技术产品及技术产品文件结构原则字母代码按项目用途和任务划分的主类和子类》的规定执行。2.电气制图用图形符号和文字符号

早年间，我国电气制图用文字符号执行的国家标准是GB/T7159-1987《电气技术中的文字符号制订通则》。

目前，我国电气制图用文字符号执行的国家标准是GB/T5094.2-2003《工业系统、装置与设备以及工业产品——结构原则与参照代号第2部分项目的分类与分类码》和GB/T20939-2007《技术产品及技术产品文件结构原则字母代码按项目用途和任务划分的主类和子类》。

尽管GB/T7159-1987《电气技术中的文字符号制订通则》已于2005年10月14日正式废止，但由于国内电气电工行业参与国际贸易的能力不足，特别是国内教育界的标准意识普遍较为薄弱，在国内大多数电气电工专业和机电专业教材中，仍然采用GB/T7159-1987作为电气电工类元器件的文字符号标准。

为贯彻落实新国家标准（指GB/T5094.2-2003和GB/T20939-2007），增强学生的标准意识，本书全部采用最新国家标准规定的电气制图用文字符号。

我国现行的电气制图用图形符号国家标准是GB/T4728《电气简图用图形符号》。4.1.2电气系统图的绘制

常用的电气控制系统图有三种，即电气原理图、电器位置图、安装接线图。

电气原理图、电器位置图、安装接线图分别以不同角度和不同的表达方式反映同一工程问题的不同侧面，其间又有一定的对应关系，一般情况下需要互相对照，才能很好地绘制和阅读。1.电气原理图

电气原理图是电气控制系统图中最重要的工程图。国家标准规定，在绘制电气控制系统的电气原理图时，必须按其工作顺序排列，用图形和文字符号详细表示控制装置、电路的基本构成和连接关系，但并不反映电器元件的实际尺寸和安装位置。图4-1某液压机床的电气原理图2.电器位置图

电器位置图（图4-2）表达各个电器元件的实际安装位置，电器位置图的设计依据是电气原理图。

电器位置图是按照电器元件的实际安装位置绘制的，根据电器元件布置最合理、连接导线少等原则进行设计。图4-2电器位置图3.安装接线图

安装接线图（图4-3）是按照电器元件的实际位置和实际接线绘制的，是表达电器元件、部件、组件或成套装置之间的连接关系的图纸，同时也是电气安装接线、线路检查及维修的依据。

为表明电气设备各单元之间的接线关系，要标出所需的数据（如接线端子号，连接导线参数等），以便于安装接线、线路检查、线路维修和故障处理。

电气原理图以表明电气设备、装置和控制元件之间的相互控制关系为出发点，使人能清晰明了地分析出电路工作原理和工作过程为目标，而安装线图以表明电气设备、装置和控制元件的具体接线为出发点，以接线方便、布线合理为目标。图4-3安装接线图4.1.3电气原理图的阅读方法1.看主电路的步骤2.看辅助电路的步骤3.查线看图法的读图要点4.1.4安装接线图的阅读方法1.注意事项2.读图方法4.2基本控制环节4.2.1全压起动控制1.采用开启式刀开关直接控制图4-4开启式刀开关控制电路

该电路没有电动机的过载保护功能，一旦发生长时间的过载，电动机有被烧毁的可能。

另外，当电源系统出现失电压、欠电压故障时，该电路也无法实施有效的保护。图4-5组合开关控制电路

采用开启式刀开关或组合开关直接控制电动机的起动与停车，控制方法简单、经济、实用。

但其缺点也是显而易见的，即保护功能不完善，操作也不方便。特别是对于某些需要频繁操作、且电源电压波动较大的电动机，上述电路难以保障使用安全。

采用开启式刀开关只能控制容量在10kW以下的电动机，如三相电风扇、砂轮机、排灌水泵等容量较小，且操作不频繁的设备。2.采用接触器进行控制

这是最基本的，也是最经典的电动机控制电路，任何具有其它特点的电动机控制电路，均可在该电路的基础上衍生出来。任何一个电气工程师都要将该控制电路牢记于心。图4-6采用接触器对电动机进行起-保-停控制3.采用接触器进行点动控制（1）单纯的电动机的点动控制电路图4-7单纯的电动机的点动控制电路（2）既可点动又可长动的控制电路图4-8既可点动又可长动的控制电路（转换开关SF3）

图4-9是一种利用复合按钮实现的既可点动又可长动的控制电路。

复合按钮在结构上可以确保达成以下要求：当按下复合按钮时，其常闭触点先行断开，此后，其常开触点才会闭合，即存在一个时间差；当松开复合按钮时，其常开触点先行断开，此后，其常闭触点才会闭合，也存在一个时间差。

复合按钮的两对触点状态切换的时间差，远大于接触器触点状态切换所需要的时长，足以确保接触器触点状态完成切换。图4-9既可点动又可长动的控制电路（复合按钮SF3）4.采用接触器进行多地点控制

对于某些大型机电设备，出于操作方便并确保运行安全的考虑，往往需要对电动机进行多地点的起动和停车控制。例如大型龙门刨床、数控加工中心的操作及机电设备进行调整、检修时，均有上述要求。（1）常规的多地点控制电路图4-10多地点控制电路（常规）（2）具有“剥夺控制权”功能的多地点控制电路

起动按钮SF2和停止按钮SF1布置在甲地（如大型机电设备的操作台），而起动按钮SF4和停止按钮SF3布置在乙地（如检修人员所在的机电设备内部），藉此可在甲、乙地对电动机进行起动—保持—停车控制。

位置开关BG安装在机电设备检修门的门框上，用于检测检修门是否打开。只要检修人员打开检修门，则位置开关BG的常闭触点即断开，常开触点即闭合。图4-11具有“剥夺控制权”功能的多地点控制电路4.2.2正、反转控制

在机电传动系统设计中，经常会遇到生产机械的运动部件需要做正、反两个方向运动的情况，如机床工作台的前进与后退、机床主轴的正转与反转、起重机吊钩的上升与下降等。

为解决这一问题，可以在传动系统中设置倒挡，也可以设置正转、反转离合器。但比较而言，通过电路设计，使电动机可以根据实际需要做正转和反转，这一方案才是最优的。

由电机学可知，对于三相异步电动机而言，只要将三相电源中任意两相的相序进行调换，电动机输出轴的运转方向即可改变。

也就是说，只要将三相电源中任意两相的相序进行调换，就可以实现三相异步电动机的正转、反转控制。1.采用倒顺开关进行正、反转控制

倒顺开关（亦称顺逆开关或可逆转换开关，图4-12）是一种专门用于进行电动机正、反转控制的手动电器。

铣床主轴电动机的正、反转控制就是采用倒顺开关实现的。图4-12倒顺开关（亦称顺逆开关或可逆转换开关）实物照片

倒顺开关的操作手柄具有顺、停、倒三个位置，可以实现电动机的正转、停车和反转控制，其控制电路如图4-13所示。图4-13采用倒顺开关实现电动机的正、反转控制

该电路不允许越程操作*，否则会造成剧烈的机械冲击和反向电流冲击（相当于存在一个电动机反接制动的过程）。2.采用接触器进行正、反转控制

基于“只要将三相电源中任意两相的相序进行调换，就可以实现三相异步电动机的正转、反转控制”这一原理，可以采用两个接触器对电动机进行正、反转控制，其控制电路如图4-14所示。图4-14正、反转控制电路（无互锁功能）

具有正、反转互锁功能，安全、实用的三相异步电动机的正转、反转控制电路，如图4-15所示。图4-15正、反转控制电路（有互锁功能）图4-15正、反转控制电路（有互锁功能的正—停—反控制电路）在机电传动控制电路中，这种“势不两立，不共戴天”，互相压制、互相制约的控制关系称为互锁（亦称联锁）关系，能够实现互锁关系的触点称为互锁触点。

通过设置互锁触点来构建互锁关系，以确保在控制逻辑上彼此对立的电路能够正常工作，而不致出现故障隐患，这一设计思想，在机电传动控制系统中的应用极为普遍。接触器触点QA1和QA2互为互锁触点。图4-16正、反转控制电路（有互锁的正—反—停控制电路）

正—停—反控制电路在操作上比较麻烦，生产机械的准备工时较长，不利于生产效率的提高，而正—反—停可以实现对电动机正反转的直接切换，而不再需要中间的停车环节，但换向冲击较大。4.2.3顺序控制

在某些机电传动系统中，出于生产工艺的需要，往往要求多台电动机必须按照一定的先后顺序进行起动或停车。

例如，在磨床上要求润滑油泵电动机起动之后，主轴电动机方能起动；在龙门刨床上要求工作台移动之前，导轨润滑油泵电动机必须先行起动（兵马未动，粮草先行）；在铣床上要求主轴旋转之后，工作台方可移动等。

上述机电设备均对其自身的多台电动机的起动顺序提出了要求。

对多台电动机进行控制，使之按照既定的工作顺序进行起动和停车，称为顺序控制。

顺序控制可以是基于事件的，也可以是基于时间的。1.基于事件的顺序控制

下面以磨床润滑油泵电动机（MA1）和主轴电动机（MA2）的控制为例，阐述基于事件的顺序控制电路的工作原理。图4-17基于事件的顺序控制（合理的设计）图4-18基于事件的顺序控制（不合理的设计）

如此设计电路，会极大地加重接触器QA1和熔断器FA1的负担，使其使用寿命显著缩短。因此，该电路既不合理，也不可行。2.基于时间的顺序控制

当生产机械要求两台电动机既有起动顺序的要求，又有起动间隔时间的要求时，则可采用时间继电器，设计基于时间的顺序控制（简称时序控制）电路，以实现上述要求。

例如，要求电动机MA1必须先行起动，且电动机MA1起动10s后，电动机MA2自动起动。图4-19所示的时序控制电路就能实现上述要求。图4-19基于时间的顺序控制电路（弃之如敝履，过河拆桥、卸磨杀驴）

时间继电器KF的延时时间可以根据实际需要，在其延时范围内事先设定。对于本例而言，可事先将延时时间t1设定为10s，即可达成控制要求。4.2.4减压起动控制1.起动方式判据

电动机接通电源后转子轴由静止状态逐渐加速到稳定运行状态的过程，称为电动机的起动。

前面介绍的控制电路，都属于全压起动电路。所谓全压起动，是指电动机起动伊始，就将额定电压接在电动机的定子绕组上。

采用全压起动时，控制电路结构简单、成本低廉，但由于电动机的起动电流大（可达额定电流的5~7倍），会造成电网电压下降（俗称抢电），影响与该电动机同网工作的其他电气设备（包括电动机）的正常工作。

特别是多台电动机共用一个电源变压器、且全压起动的电动机容量较大时，这一问题就显得尤为突出，甚至可能导致已经处于工作状态的电动机因电网电压下降太多而自动停车。

为避免上述问题，对于容量较大的电动机，就不允许采用全压起动方式进行起动，而应采用减压起动（亦称降压起动）方式——即在起动时，主动降低加在电动机定子绕组上的电压，待完成起动过程之后，再使电动机在额定电压下运转。起动方式判据

式中，

——电动机的起动电流，A；

——电动机的额定电流，A；

——电源变压器的容量，kVA；

——电动机的容量，kW。

若满足上述判据，则电动机可以直接进行全压起动；若不满足上述判据，则电动机就应进行减压起动。（式4-1）

大量的工程实践表明，容量在10kW以下的三相异步电动机，通常可以采用全压起动方式，而容量在10kW以上的电动机，必须采用减压起动方式。

常用的减压起动方法有：定子串电阻（或电抗器）减压起动、星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动、自耦变压器减压起动、延边三角形减压起动、软起动器减压起动和变频器减压起动等。

随着机电控制技术的进步，定子串电阻减压起动（能耗过大）、自耦变压器减压起动（设备成本高）、延边三角形减压起动（电动机结构复杂）等减压起动方法已经被逐步淘汰。

目前，应用较多的只有星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动、软起动器减压起动和变频器减压起动等几种方式。2.星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动

所谓Y/Δ转换减压起动是指，在起动时，首先利用接触器将三相定子绕组接成星形。

此时，起动电压为额定电压的

，即220V；起动电流为全电压起动电流的

，实现了减压起动。待完成起动过程之后，再利用接触器将定子绕组接成三角形，恢复380V的正常工作电压。

采用Y/Δ减压起动控制时，在起动过程中，电动机的输出转矩（亦即起动转矩）为电动机全电压工作时的

。

因此，该方法只适合电动机的空载或轻载起动，对于重载起动，则有可能造成电动机“闷车”，需审慎处理。a）三相定子绕组的实际连接关系b）接线盒内各个接线端子的接线方法图2-39星形（Y形）接法

a）三相定子绕组的实际连接关系b）接线盒内各个接线端子的接线方法图2-40三角形（Δ形）接法

图4-20Y/Δ转换减压起动电路

时间继电器KF的定时时间可根据受控电动机的起动时间进行设定。3.软起动器减压起动

所谓软起动和软停车是指，在电动机起动时，将通入电动机定子绕组的电压从零值或某一较小的初始值按照一定的规律，绵软地、柔和地增加，以使电动机柔和地实现起动，待电动机达到额定转速之后，再在额定电压下正常工作；在电动机停车时，并不是突然撤掉全部电源电压，而是按照一定的规律，绵软地、柔和地降低电压，以使电动机柔和地实现停车。

在对三相异步电机进行全压起动时，电源电压是突然地、简单粗暴地加在电动机定子绕组上的，属于硬起动。

相应地，将通过完全撤除电源电压，使电动机自己逐渐停止转动的停车方法，称为自由停车；而将对电动机实施反接制动，使之迅速停止转动的停车方法，称为硬停车。

但在某些对电动机的起动特性要求较高的场合（如自来水泵站），为避免水锤效应，就需要采用软起动和软停车装置对电动机进行控制。

能够实现电动机软起动和软停车的装置，一般称为软起动器。目前，基于移相控制原理的晶闸管式软起动器的应用极为普遍。（1）晶闸管式软起动器的结构原理

软起动器内部设有基于单片机的控制电路。

该控制电路可以根据生产机械的实际需要，按照既定的控制程序，动态调节晶闸管的导通相位（导通角），即基于移相控制原理，实现对软起动器输出电压的动态调节，进而实现电动机的软起动和软停车。图4-23晶闸管式软起动器结构示意图

使用软起动器起动电动机时，晶闸管的导通角逐渐加大，相应地，其输出电压也逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机便工作在额定电压的机械特性上，实现了绵软、平滑的起动，降低了起动电流，避免了起动过流跳闸。

待电动机达到额定转速时，起动过程结束，软起动器自动用旁路接触器（图4-24）取代已完成任务的软起动器，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软起动器的使用寿命，既提高了电动机的工作效率，又使电网避免了谐波污染。（2）软起动器的起动方式

运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。1）斜坡升压软起动方式。

斜坡升压软起动方式适用电动机的空载或轻载起动。图4-25常用的斜坡升压软起动曲线2）斜坡恒流软起动方式。

在起动过程中，电流上升的变化速率（亦即电流上升曲线的斜率）可以根据电动机负载的具体情况做动态调整和设定。电流上升速率越大，则起动转矩也就越大，起动时间也就越短。

斜坡恒流软起动方式是应用最多的软起动方式，尤其适用于风机、水泵类负载的起动。图5-26恒流软起动曲线图3）脉冲冲击起动方式（突跳冲击起动方式）。

在起动初始阶段，通过控制程序使晶闸管在极短的时间内，以较大的导通角导通一段时间，然后再迅速减小导通角，之后再按既定速率线性地加大晶闸管的导通角，转入恒流起动阶段。图4-27脉冲冲击起动曲线

脉冲冲击起动方式有短促的机械冲击，主要用于驱动重载并需克服较大静摩擦力矩的场合，不宜驱动一般负载。（3）软起动器的停车方式1）自由停车。

采用自由停车方式时，软起动器在接到停车命令后，即断开旁路接触器，并禁止晶闸管的调压输出，使电动机依负载惯性逐渐停车。

自由停车方式适用于对停车时间和停车位置（距离）无特殊要求的负载。

软停车方式适用于对停车时间有明确要求的场合，特别适用于控制具有柔性停车要求的泵类负载。图4-28软停车的停车曲线

晶闸管调压器的输出电压由全压逐渐减小，使电动机转速平稳降低，直至停止。

软起动器在接到停车命令后，电动机的供电电路即由旁路接触器切换到晶闸管调压器输出。2）软停车。3）精确停车。

精确停车亦称直流制动停车，一般的软起动器不具备精确停车功能。

精确停车适用于对停车时间和停车位置（距离）有特殊要求的工作场合，目前已经在一定程度上取代了反接制动停车。（4）软起动的特点

与传统降压起动方式相比，软起动的特点主要有以下几个方面：1）无冲击电流。2）恒流起动。3）可根据负载情况及电网继电保护特性，自由地、无级地调整至最佳的起动电流。（5）软起动器的保护功能

软起动器除了能对电动机进行软起动和软停车之外，还具有丰富的保护功能。（6）软起动器适用场合

对于控制笼型异步电动机而言，凡是不需要调速的应用场合，都适合采用软起动器。

目前软起动器的应用范围是交流380V（也可660V），电动机功率从几千瓦到800kW。

软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，以及需要软起动与软停车的场合。

对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载的应用场合，采用软起动器（不带旁路接触器）对电动机实施控制，则具有明显的节能的效果。（7）软起动器的具体应用图4-31所示的电路为用一个软起动器分时起动三台电动机，俗称“一拖三”软起动。4.2.5制动控制

常用的制动方法有机械制动和电气制动两大类。1.机械制动

机械制动是用电磁铁操纵电磁抱闸或电磁制动器，进而对电动机实施制动。按照制动装置的促动器件不同，可分为电磁抱闸制动、电磁制动器制动等几种，但其基本的控制原理是一致的。（a）实物照片

（b）结构示意图图4-32电磁抱闸制动器（1）工作原理

如图4-33所示，对于断电制动型电磁抱闸制动器，当制动电磁铁（图中虚线框所示）线圈未得电时，在弹簧的拉力作用下，闸轮被闸瓦抱住，与之同轴的电动机则不能转动，此时，电动机处于制动状态；当电磁铁的线圈得电时，电磁铁克服弹簧的拉力，使闸瓦与闸轮松开，电动机可以转动。图4-33断电制动型电磁抱闸制动器

如图4-34所示，对于通电制动型电磁抱闸制动器，当电磁铁的线圈未得电时，则闸瓦与闸轮松开，电动机可以转动；当电磁铁线圈通电时，闸轮被闸瓦抱住，与之同轴的电动机则不能转动。图4-34通电制动型电磁抱闸制动器（2）断电制动型电磁抱闸制动器控制电路

断电制动型电磁抱闸制动器在电磁铁线圈一旦断电或未通电时电动机都处于抱闸制动状态，安全性较高。

断电制动型电磁抱闸制动器在电梯，吊车、起重机、卷扬机等设备中应用广泛。（3）通电制动型电磁抱闸制动器控制电路

对于通电制动型电磁抱闸制动器而言，在制动电磁铁线圈未通电时，其制动闸总是处在松开状态，通电后才对电动机实施制动。

通电制动型电磁抱闸制动器在机床等需要经常调整加工件位置的设备应用广泛，以便在电动机未通电时，工人用手扳动机床主轴，进行调整和对刀等操作。图4-36通电制动型电磁抱闸制动器控制电路（请读者自行分析其工作原理）2.电气制动

电气制动是在电动机切断电源后，利用控制电路使电动机产生一个与惯性运转方向相反的制动力矩，促使电动机迅速停车。

按照产生制动力矩的方法不同，电气制动又可分为反接制动、能耗制动、发电回馈制动等几种。（1）反接制动

反接制动是在电动机被按下停止按钮断开三相电源后，改变其三相电源的相序再接入电动机定子绕组中，即产生与转动方向相反的制动力矩，使电动机制动。

在电动机转速接近零时，应及时将反接电源切除，否则电动机会反向旋转。

采用反接制动时，制动效果显著、制动动作迅速，但是，制动冲击也大，故仅适用于10kW以下的小容量电动机。图4-37反接制动控制电路实例为了减小制动冲击电流，一般需要在电路中串入电阻R，该电阻称为反接制动电阻，其阻值可根据实际需要事先调整好。（2）能耗制动

能耗制动是一种应用广泛的电气制动方法。当电动机脱离三相交流电源以后，立即将直流电源接入定子的两相绕组，使绕组中流过直流电流，产生了一个恒定的静止直流磁场。

而此时电动机的转子切割直流磁场，在转子绕组中产生感应电流。

在静止磁场和感应电流相互作用下，产生一个阻碍转子转动的制动力矩，因此电动机转速迅速下降，从而达到制动的目的。

当电动机转速降至零时，转子导体与磁场之间无相对运动，感应电流消失，电动机停转，再将直流电源切除，制动过程即告结束。1）基于时间原则的能耗制动电路。图4-38基于时间原则的能耗制动电路

基于时间原则的能耗制动，适用于负载转速比较稳定的生产机械。2）基于速度原则的能耗制动电路。

基于速度原则的能耗制动，适用于存在机械变速机构，或者加工零件经常变化的生产机械。图4-39基于速度原则的能耗制动电路（请读者自行分析其工作原理）（4）采用软起动器或变频器进行制动控制

采用软起动器或变频器对三相异步电动机进行制动控制，可以获得令人满意的效果，只是总体成本会大大增加。

关于具体的控制方法，请读者参阅软起动器和变频器的相关内容，在此不再赘述。（3）反接制动与能耗制动的比较制动方式反接制动能耗制动制动特点能量消耗大，制动力矩大，制动效果显著，但制动过程中的冲击较大（需要在主回路中串入电阻RA来抑制反接制动电流），不易停在精准的位置上，停车精度较差。能量消耗小，制动力矩较弱，制动平稳、停车位置精确，但需要额外配置直流电源，电路较为复杂。适用场合适合于电动机容量较小（10kW以下）和不频繁起动、制动的场合。适用于电动机容量较大，起动、制动频繁的场合，或者要求制动平稳，要求精准停车的场合。表4-9反接制动与能耗制动的比较4.2.6自动循环控制1.应用场合

在机电传动系统中，往往需要控制某些生产设备的运动部件的行程，并使其在一定范围内做自动往复循环运动，如混凝土搅拌机的提升与降位、桥式吊车的自动往返、龙门刨床和导轨磨床的工作台、动力头滑台以及军警训练用的循环靶车等。

这种基于运动部件行走位置的自动循环控制，亦称位置控制或行程控制，多用行程开关来实现其要求。循环移动靶车2.系统布置图4-40机床工作台自动循环示意图

由于机械式行程开关的故障率较高，故近年来多用光电开关或接近开关取代机械式行程开关，但其控制电路的工作原理是一样的。左侧限位开关BG1，右侧限位开关BG2，左侧极限位置保护开关BG3，右侧极限位置保护开关BG4。图4-41机床工作台自动循环控制电路

电动机每次换向，都经历一次反接制动过程，该控制电路只适用于电动机容量较小、循环周期较长且生产机械（包括电动机转子轴）的刚度较大的机电传动系统中。4.2.7速度控制1.调速方法及应用场合（1）调速方法异步电动机的实际转速——异步电动机的实际转速，r/min；——异步电动机的转差率；——磁极对数（简称极对数）；——电源频率（Hz）。

异步电动机可通过以下三种方法进行调速，即改变转差率

的变转差率调速、改变极对数

的变极调速和改变电动机电源频率

的变频调速。

（式4-2）（2）应用场合调速方法调速特点及应用变转差率调速（1）转子回路串电阻调速。调速范围较小，消耗功率多，效率较低，适用于绕线式异步电动机，特别适用于起重机械。（2）改变电源电压调速。调速范围较小，输出转矩会随着电源电压的降低而大幅度地下降，仅适用于单相电动机（如驱动风扇的电动机）调速，三相电动机一般不采用该方法。（3）串级调速。串级调速只适用于绕线式电动机，但电动机的效率得到提高。（4）电磁调速。电磁调速只适用于滑差电动机，且不宜长期低速运行。变极调速通过改变电动机定子绕组的磁极对数进行调速。变极调速属于有级调速，调速平滑度差，一般多用于金属切削机床，如铣床、镗床、磨床等。变频调速利用变频器，改变施加在电动机上的电源频率进行调速。变频调速的调速范围大，调速的稳定性、平滑性均属优良，机械特性较硬。变频调速属于无级调速，适用于绝大部分三相笼型异步电动机。表4-10异步电动机三种调速方法的特点及应用2.变极调速（1）变极原理

多速电动机是采用改变电动机定子绕组极数的方法来改变电动机的同步转速的，这种调速方法称为变极调速。

笼型异步电动机常用的变极调速方法有两种：其一是改变定子绕组的接线，即改变定子绕组中每相绕组的电流方向（即电流反向法）；其二是在定子绕组上设置具有不同极对数的两套互相独立的绕组，且使每套绕组均具有改变电流方向的能力。

变极调速是有级调速，速度变化是阶跃式的，一般只适用于笼型异步电动机。

用变极调速方式构成的多速电动机一般有双速、三速、四速等几种。双速电动机具有一套定子绕组，而三速、四速电动机具则有两套绕组。

下面以单相绕组为例，说明电流反向法的变极原理。

（a）两个半相绕组串联

（b）生成4个磁极（极对数

）图4-42电流反向法的变极原理（两个半相绕组串联，生成4个磁极）

（a）两个半相绕组并联

（b）生成2个磁极（极对数

）

图4-43电流反向法的变极原理（两个半相绕组并联，生成2个磁极）

由此可见，籍由电流反向法，通过改变定子绕组的接线方法，就可以改变电动机定子绕组的磁极数目，实现定子绕组的变极，进而实现变极调速。（2）双速异步电动机定子绕组的联结

（a）三角形联结（4个磁极，低速运行）

（b）双星形联结（2个磁极，高速运行）图4-44双速异步电动机定子绕组的三角形—双星形联结（恒功率调速）结论：双速异步电动机定子绕组采用三角形联结时，具有4个磁极，用于低速运行；采用双星形联结时，具有2个磁极，用于高速运行。双速异步电动机采用三角形—双星形联结进行调速，适用于需要恒功率调速的场合。

（a）星形联结（4个磁极，低速运行）

（b）双星形联结（2个磁极，高速运行）图4-45双速异步电动机定子绕组的星形—双星形联结（恒转矩调速）结论：双速异步电动机定子绕组采用星形联结时，具有4个磁极，用于低速运行；采用双星形联结时，具有2个磁极，用于高速运行。双速异步电动机采用星形—双星形联结进行调速，适用于需要恒转矩调速的场合。（3）变极之后的反转与调换电源相序

双速异步电动机完成变极之后，必须改变绕组的相序，否则，电动机将反向运转。

双速异步电动机完成变极之后，之所以会改变运转方向，是因为各相绕组在电动机定子内的机械角度是固定不变的（即各相绕组在空间相差的机械角度是恒定的），而各相绕组的电角度却随着磁极数目的变化而变化。

例如，当磁极数目降低一半时，将使各相绕组在空间相差的电角度增加一倍，原来相差120°电角度的绕组，现在相差240°电角度。

如果相序不变，气隙磁场就会反转。相应地，电动机也就会反转。图4-46利用时间继电器控制双速电动机进行调速（4）双速异步电动机自动变速控制电路4.2.8电气控制系统的保护环节

为了确保机电传动系统能够长期、安全、可靠地运行，电气控制系统必须设置保护环节，用以保护电动机、电网、电气设备及人身安全。1.短路保护

常用保护器件是熔断器和低压断路器（自动空气开关）。

发生短路事故时，熔断器由于熔体熔断而切断电路，起保护作用；低压断路器在电路发生短路事故时能自动跳闸，起保护作用。

近年来，具有漏电保护功能的低压断路器的使用日益广泛，对保证人身安全发挥了重要作用。2.过载保护

过载保护常用的保护元件是热继电器和断路器。

热继电器具有过载保护作用而不具有短路保护作用。选择时注意，作为短路保护，熔断器熔体的额定电流一般不应超过热继电器发热元件额定电流的4倍。3.过电流保护

在频繁正反、转，频繁起动、制动的重复、短时工作中，电动机出现过电流现象的几率比发生短路故障的几率更大，应视情加装过电流保护装置。

在工程实践中，常将过电流继电器和与接触器配合使用，以实现电动机的过电流保护。

过电流保护多用于直流电动机或绕线式异步电动机。笼型异步电动机对过电流有较强的耐受能力，可不设置过电流保护装置。4.零电压保护

为防止电网停电后，恢复供电时电动机的自行起动而实行的保护，称为零电压保护，亦称失电压保护。

多利用继电器、接触器或低压断路器实现零电压保护功能，不必单独设置零电压保护措施。5.欠电压保护

为防止电源电压降低到允许值以下，造成电动机的损坏而实行的保护，称为欠电压保护。

常用的欠电压保护器件是欠电压继电器和接触器。当电源电压下降到额定电压的85%以下时，接触器（或欠电压继电器）触点就会释放，自动实现欠电压保护。6.弱磁保护

对于直流电动机，必须设置弱磁保护措施。弱磁保护一般通过欠电流继电器实现。4.3典型机电设备电路分析4.3.1分析方法与步骤1.分析电气控制系统的方法

对生产设备电气控制系统进行分析时，首先需要对设备整体有所了解，才能有效地针对设备的控制要求，分析电气控制系统的组成与功能。（1）机械设备概况调查（2）电气控制系统及电器元件的状况分析（3）机械系统与电气控制系统的关系分析

掌握了机械及电气系统的基本情况之后，即可对设备电气控制系统进行具体的分析。2.分析电气控制系统的步骤（1）设备运动分析基本方法：化整为零，集零为整。

分析生产工艺要求的各种运动及其实现方法，对有液压驱动的设备要进行液压系统工作状态分析。（2）主电路分析

确定动力电路中用电设备的数目、接线状况及控制要求，控制执行件的设置及其动作要求，如接触器主触点的位置，各主触点闭合、断开的动作要求，限流电阻的接入与抛除等。（3）控制电路分析

分析各种控制功能的实现方法及其电路工作原理和特点。4.3.2卧式车床电路分析1.CA6140卧式车床的主要运动形式及控制要求

在金属切削机床中，车床是一种应用极为广泛的通用机床，能够车削各种工件的外圆、内圆、端面、螺纹、螺杆、定型表面，并可以装上钻头、铰刀等进行钻孔和铰孔等加工。

这些加工工作必须要由电气控制系统控制电动机工作，进而驱动机械部件运行来完成。图4-47CA6140卧式车床型号含义国产金属切削机床的型号命名方法应符合GB/T15375-2008《金属切削机床型号编制方法》的规定。图4-48CA6140卧式车床（1）主运动CA6140卧式车床的主运动是电动机驱动主轴，主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动。（2）进给运动CA6140卧式车床的进给运动是刀架带动刀具的直线运动。（3）辅助运动

刀架的快速移动由刀架快速移动电动机驱动，该电动机可直接起动，不需要正、反转和调速。

加工过程中刀具的冷却，由冷却泵电动机泵送的冷却液来完成。

对冷却泵电动机和主轴电动机要实现顺序控制，冷却泵电动机也不需要正、反转和调速控制。2.CA6140卧式车床电路分析图4-49CA6140卧式车床电气原理图4.3.3摇臂钻床电路分析

钻床是一种用途广泛的孔加工机床。

钻床的种类很多，有台式钻床、立式钻床、卧式钻床、多轴钻床、深孔钻床及专用钻床等。

因此，要求钻床的主运动和进给运动要有较宽的调速范围。

摇臂钻床属于立式钻床范畴，适用于单件或批量生产中带有多孔大型工件的孔加工，属于机械加工车间中常见的机床。

除了可以钻削精度要求不高的孔外，还可以用来进行扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、刮平面及攻螺纹等机械加工。1.摇臂钻床的基本结构和控制要求（1）摇臂钻床的基本结构

如图4-50所示，摇臂钻床由底座、外立柱、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。图4-50摇臂钻床结构示意图图4-51摇臂钻床各部分之间的安装关系（2）摇臂钻床的型号含义图4-52Z3040型摇臂钻床型号含义图4-53Z3040型摇臂钻床国产金属切削机床的型号命名方法应符合GB/T15375-2008《金属切削机床型号编制方法》的规定。（3）摇臂钻床的运动形式1）主运动。摇臂钻床的主运动是主轴带动钻头的旋转运动。2）进给运动。摇臂钻床的进给运动是主轴的垂直运动（向下运动）。3）辅助运动。摇臂钻床的辅助运动包括摇臂沿外立柱的升降运动、摇臂与外立柱一起沿内立柱的转动以及主轴箱在摇臂上的水平移动（4）摇臂钻床的控制要求1）由于摇臂钻床的运动部件较多，为简化传动装置，故使用4台电动机进行驱动。主运动（钻头的钻削运动）和进给运动由主轴电动机驱动；摇臂的上升、下降由摇臂升降电动机驱动；摇臂的夹紧、放松由液压泵电动机驱动；冷却液泵由冷却泵电动机驱动。2）为了适应多种加工方式的要求，主轴转速及进给速度应能在较大范围内调整。3）加工螺纹时要求主轴能正、反转。摇臂钻床主轴的正、反转一般是用机械方法实现的，电动机只需单方向运转即可。4）摇臂的上升、下降由摇臂升降电动机驱动，要求摇臂升降电动机能实现正、反转。5）摇臂的夹紧与放松以及立柱的夹紧与放松由液压泵电动机配合液压装置完成，要求液压泵电动机能正、反转。在中小型摇臂钻床上，摇臂（连同外立柱）绕着内立柱轴线的回转运动和主轴箱沿着摇臂导轨的径向移动，均采用手动控制。6）钻削加工时，为对刀具及工件进行冷却，需要一台冷却泵电动机驱动冷却泵，以便泵送冷却液。7）各部分电路之间有必要的保护和联锁。2.摇臂钻床电路分析图4-54Z3040型