电机及电气控制技术教案：第15讲

****学院单元教学设计****学年第**学期课程名称：电机与电气控制技术授课班级：****任课教师：所在系部及教研室：研室

第15讲标题：三相笼型异步电动机直接起动控制电路（2学时）授课班级上课时间上课地点多媒体教室教学目的掌握正反转控制电路的工作原理，尤其是自锁、互锁的概念。教学目标能力（技能）目标知识目标能正确分析单向旋转电路和可逆旋转电路的工作原理；能正确对单向旋转电路和可逆旋转电路的电气故障进行分析和判断，并排除其故障。了解三相笼型异步电动机直接起动的条件；掌握自锁、互锁等概念以及实现方法；掌握机械互锁和电气互锁的概念以及实现方法；掌握过载、短路、欠压、失压（零压）保护等概念以及实现方法；掌握限位保护的概念以及实现方法。。重点难点及解决方法重点：自锁、互锁及其实现难点：自动往返控制电路的工作原理解决方法：实例分析法分析其工作过程参考资料【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：3分钟）反转控制电路的工作原理，尤其是自锁、互锁的概念。【步骤二】新知识讲解（时间：80分钟）一、单向旋转直接起动及其控制电路图3-10是三相笼型异步电动机起动时的机械特性，从图上可以看出，电动机定子绕组加正向（正相序）电压时，从A点开始起动，沿特性逐渐加速至B点时，电动机拖动力矩与其所拖动的负载力矩（TL）相等，电动机稳定运行在B点。如果给三相笼型异步电动机的定子绕组加反向（反相序）电压，则电动机反向起动并运行。因此，三相笼型异步电动机单向旋转直接起动只需要给电动机加合适相序的电压即可。图3-11为三相笼型异步电动机直接起动单方向旋转控制电路。它由电源开关QS、熔断器FU1、交流接触器KM的主触头，热继电器FR的热元件与电动机M构成主电路。由起动按钮SB1、停止按钮SB2、交流接触器KM的线圈及其常开辅助触头、热继电器FR的常闭触头和熔断器FU2构成控制回路。1.控制电路的工作原理当电动机M需要起动时，先合上电源开关QS，引入三相电源，此时电动机M尚未接通电源。按下起动按钮SB1，交流接触器KM的线圈得电，使衔铁吸合，同时带动接触器KM的三对主触头闭合，电动机M便接通电源直接起动运转。与此同时与SB1并联的接触器常开辅助触头KM闭合，使接触器KM的线圈经两条路径通电。这样，当松开按钮SB1时，按钮在复位弹簧的作用下恢复断开，接触器KM的线圈仍可通过KM常开辅助触头通电，从而保持电动机的连续运行。像这种当松开起动按钮SB1后，接触器KM通过其常开辅助触头而使线圈保持通电的作用叫做自锁，与起动按钮SB1并联起自锁作用的常开辅助触头叫自锁触头。要使电动机M停止运转，只需按下停止按钮SB2，将控制电路（即接触器线圈回路）切断，这时接触器KM断电释放，KM的三相常开主触头恢复断开，切断三相电源，电动机M失电停止运转。当松开按钮后，SB2的常闭触头在复位弹簧作用下，虽又恢复到原来的常闭状态，但此时接触器的自锁触头在线圈失电后也已恢复断开，所以不再提供通电路径，即接触器线圈已不再能依靠自锁触头通电。此处有修改此处有修改2.电路的保护环节（1）短路保护熔断器FU作为电路的短路保护。（2）过载保护热继电器FR作为电路的过载保护。（3）欠压保护“欠压”是指电路电压低于电动机应加的额定电压。“欠压保护”是指当电路电压下降到某一数值时，电动机能自动脱离电源停转，避免电动机在电压不足的状态下运行而损坏。接触器自锁控制电路即可避免电动机欠压运行。因为当电路电压下降到一定值（一般指低于额定电压85%以下）时，接触器线圈两端的电压也同样下降到此值，从而使接触器线圈磁通减弱，产生的电磁吸力减小。当电磁吸力减小到小于反作用弹簧的拉力时，动铁心被迫释放，主触头、自锁触头同时分断，自动切断主电路和控制电路，电动机失电停转，达到了欠压保护的目的。（4）失压（也叫零压）保护失压保护是指电动机在正常运行中，由于外力某种原因引起突然断电时，能自动切断电动机电源，当重新供电时，保证电动机不能自行起动的一种保护。接触器自锁控制电路可实现失压保护。因为接触器自锁触头和主触头在电源断电时已经断开，使控制电路和主电路都不能接通，所以在电源恢复供电时，电动机就不会自行起动运转，保证了人身和设备的安全。控制电路具备欠、失压保护能力以后，有以下三个方面的优点：第一，防止电压严重下降时电动机低压运行；第二，避免电动机同时起动而造成电压的严重下降；第三，防止电源电压恢复时，电动机突然起动运转造成设备和人身事故。二、可逆旋转控制电路在生产加工过程中，往往要求电动机能够实现可逆运行，即正、反转，如机床工作台的前进与后退；万能铣床主轴的正转与反转；起重机的上升与下降等等。由电动机的原理可知，若改变通入电动机定子绕组的三相电源相序，即把接入电动机三相电源进线中的任意两根对调接线时，电动机就可以反转。所以可逆运行控制电路实质上是两个方向相反的单向运行电路，但为了避免误动作引起电源相间短路，又在这两个相反方向的单向运行电路中加设了必要的联锁。按照电动机可逆运行操作顺序的不同，有“正—停—反”和“正—反—停”两种控制电路。1.电动机“正—停—反”控制电路电动机“正—停—反”控制电路指的是电动机改变运行方向时，必须首先按下停止按钮，然后再按反向起动按钮。接触器联锁的正反转控制电路便是电动机“正—停—反”控制电路，如图3-12所示。电路中采用两个接触器，即正转用的KM1和反转用的KM2。它们分别由正转按钮SB1和反转按钮SB2控制。从主电路中可以看出，这两个接触器的主触头所接通的电源相序不同，KM1按L1—L2—L3相序接线。KM2则按L3—L2—L1相序接线，对调了两相的相序。必须指出，接触器KM1和KM2的主触头绝对不允许同时闭合，否则将造成两相电源（L1相和L3相）短路事故。为了保证一个接触器得电动作时，另一个接触器不能得电动作，在正转控制电路中串接了反转接触器KM2的常闭辅助触头，而在反转控制电路中串接了正转接触器KM1的常闭辅助触头，利用两个接触器的常闭触头KM1、KM2起相互控制作用，即一个接触器通电时，利用其常闭辅助触头的断开来锁住对方线圈的电路。这种利用两个接触器的常闭辅助触头互相控制的方法叫做联锁（或互锁），而两对实现联锁作用的常闭辅助触头称为联锁触头（或互锁触头）。利用电器常闭触头实现的联锁（或互锁）称为电气联锁（或互锁）。电路工作时，先合上电源开关QS。正转时，先按下按钮SB1，接触器KM1线圈得电，根据接触器触头的动作顺序可知，其常闭辅助触头先断开，切断KM2线圈回路，起到联锁作用，然后KM1自锁触头闭合，同时KM1主触头闭合，电动机M起动正转运行。若想反转时，必须先按下停止按钮SB3，使KM1线圈失电，KM1的常开主触头断开，电动机M失电停转，KM1的常开辅助触头断开，解除自锁；KM1的常闭辅助触头恢复闭合，解除对KM2的联锁。然后再按下起动按钮SB2，KM2线圈得电，KM2的常闭辅助触头断开对KM1联锁，KM2的常开主触头闭合，电动机M起动反转运行，KM2的常开辅助触头闭合自锁。需要停止时，按下停止按钮SB3，控制电路失电，KM1（或KM2）主触头断开，电动机M失电停转。从以上分析可知，接触器联锁正反转控制电路存在明显有缺点，即电动机改变转向时，必须先按下停止按钮后，才能按反转起动按钮。为克服电路的不足，可采用电动的“正—反—停”控制电路。2.电动机“正—反—停”电路电动机“正—反—停”电路有两种典型电路。（1）按钮联锁的正反转控制电路图3-13所示为按钮联锁的正反转控制电路。这种控制电路的工作原理与接触器联锁的正反转控制电路的工作原理基本相同，只是把接触器的常闭联锁触头换成了复合按钮的常闭触头，这种电路当电动机从正转改变为反转时，可直接按下反转按钮SB2即可实现，不必先按下停止按钮SB1。由按钮实现的联锁（或互锁）称为机械联锁（或互锁）。当按下反转按钮SB2时，串接在正转控制电路中SB2的常闭触头先分断，使正转接触KM1线圈失电，KM1的主触头和自锁触头分断，电动机M失电停转。SB2的常闭触头分断后，其常开触头才随后闭合，接通反转控制电路，电动机M反转。这样既保证了接触器KM1和KM2的线圈不会同时得电，又可不按停止按钮而直接按反转按钮实现反转。同样，若使电动机从反转运行变为正转运行时，只要直接按下正转按钮SB1即可。这种电路虽然操作方便，但是容易产生电源两相短路故障。如当正转接触器KM1发生熔焊故障时，即使断开接触器线圈回路，主触头也不能分断，这时，若再直接按下反转按钮SB2，KM2线圈得电，触头动作，必然造成电源两相短路故障。因此，为了安全可靠，在实际工作中，经常采用按钮、接触器双重联锁的正反转控制电路。（2）按钮、接触器双重联锁的正反转控制路图3-14所示为按钮接触器双重联锁的正反转控制电路。这种电路中既有接触器的联锁（电气联锁），又有按钮的联锁（机械联锁），保证了电路可靠地工作。因此，在电力拖动系统中被广泛采用。电路工作时，先合上电源开关QS。正转时，先按下起动按钮SB1，SB1的常闭触头先分断，对KM2联锁（切断反转控制电路）；SB1的常开触头后闭合，使KM1线圈得电，KM1的常闭辅助触头先分断，再次对KM2联锁（此时实现双重联锁），KM1的主触头和常开辅助触头后同时闭合，电动机M起动正转运行。若想反转时，直接按下起动按钮SB2，SB2的常闭触头先分断，对KM1联锁，KM1线圈失电，KM1主触头断开，电动机M失电，KM1联锁触头恢复闭合，为KM2线圈得电作好准备；SB2的常开触头后闭合，KM2线圈得电，电动机反转起动运行。需要停止，按下停止按钮SB3，整个控制电路失电，主触头分断，电动机M失电停止正转或反转。该电路当KM1出现熔焊时，由于电气联锁的存在，KM2的线圈不会被接通，可避免出现短路故障。3.位置控制与自动往复行程控制电路在生产实践中，有些生产机械的工作台需要限位控制或者自动往复运动，如摇臂钻床、万能铣床、龙门刨床、导轨磨床等。而实现这种控制要求所依靠的主要电器是位置开关。（1）位置控制（或限位控制）电路图3-15所示是位置控制电路。它是以行程开关作控制元件来控制电动机的自动停止。在正转接触器KM1的线圈回路中，串接正向行程开关SQ1的常闭触头，在反转接触器KM2的线圈回路中，串接反向行程开关SQ2的常闭触头，这便成为具有自动停止的正反转控制电路。这类电路常用作机床设备的行程极限保护及桥式起重机的行程保护等。它的工作原理是：当按下起动按钮SB1后，按触器KM1线圈通电吸合并自锁，电动机正转，拖动运动部件作相应的移动，当位移至规定位置（或极限位置）时，安装在运动部件上的挡铁（撞块）便压下行程开关SQ1，切断KM1线圈回路，KM1断电释放，电动机停止运转，这时即使再按下SB1，KM1也不会吸合。只有按下反转起动按钮SB2，电动机反转，使运动部件退回，挡铁脱离行程开关SQ1，其常闭触头复原，为下次正向起动作准备。反向自动停止的控制原理与正向相同。（2）自动往返行程控制电路在位置控制电路的基础上，将行程开关SQ1的常开触头并联在反转起动按钮SB2的两端，将SQ2的常开触头并联在正转起动按钮SB1的两端，便成为图3-16所示的自动往返行程控制电路了。它的右下角是工作台自动往返运动的示意图。为了使电动机的正反转控制与工作台的左右运动相配合，在控制电路中设置了四个位置开关，即SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，并把它们安装在合适的地方。其中SQ1、SQ2被用来自动换接电动机正反转控制电路，实现工作台的自动往返行程控制；SQ3、SQ4被用来作终端保护，以防止SQ1、SQ2失灵，工作台越过限定位置而造成事故。在工作台的T型槽中装有两块挡铁，挡铁1只能和SQ1、SQ3相碰撞，挡铁2只能和SQ2、SQ4相碰撞。当工作台运动到需要位置时，挡铁碰撞行程开关，使其触头动作，自动换接电动机正反转电路，通过机械传动机构使工作台自动往返运动。电路工作时，先合上电源开关QS。按下起动按钮SB1，KM1线圈得电，KM1联锁触头和自锁触头分别断开和闭合，起到联锁和自锁保护作用，KM1主触头闭合，电动机正转，拖动工作台左移，当运动到限定位置时，挡铁1碰撞行程开关SQ1，SQ1-1（常闭触头）先分断，KM1主触头分断，电动机失电，KM1联锁触头恢复闭合，为KM2线圈得电作好准备，SQ1常开触头（SQ1-2）后闭合，接通KM2线圈回路，KM2主触头闭合，电动机先反接制动停止左移，然后反向起动，拖动工作台右移（SQ1触头复位），当工作台移至限定位置时，挡铁2碰撞行程开关SQ2，SQ2-1（常闭触头）先分断，KM2线圈失电，KM2主触头分断，SQ2-2（常开触头）后闭合，KM1线圈又得电，电动机对右移过程进行制动后又正转，工作台又左移……以后重复上述过程，工作台就在限定的行程内自动往返运动。停止时，按下停止按钮SB3，整个控制电路失电，KM1（或KM2）主触头分断，电动机M失电停转，工作台停止运动。【步骤三】知识和能力的归纳（时间：5分钟）三相笼型感应电动机直接起动时，起动电流大约是电动机额定电流的4－7倍。在电源变压器容量不足够大的情况下，会导致变压器二