电气控制与可编程控制器 第3版 课件 第二章 电气线路的基本控制原则和基本控制环节

第二章电气线路的基本控制原则和基本控制环节

第一节电气控制系统图的类型及有关标准第二节

三相笼型异步电动机全压起动和正反转控制第三节三相笼型异步电动机的降压起动控制第四节三相绕线转子异步电动机起动控制第五节三相异步电动机的制动控制第六节三相笼型异步电动机的有级调速控制第七节

直流电动机的控制第八节电气控制系统的保护环节

电气控制系统是由电气元件按照一定要求联接而成的。电气控制系统图是用图形的方式来表示电气控制系统中的电气元件及其联接关系，图中采用不同的图形符号表示各种电器元件、采用不同的文字符号表示各电器元件的名称、序号或线路的功能、状况和特征，采用不同的线号或接点编号来表示导线与连接等。电气控制系统图表达了生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，是电气系统安装、调整、使用和维修的重要资料。

一、电气控制系统图中的图形符号和文字符号电气控制系统图中，电气元件的图形符号和文字符号都有统一的国家标准。近年来，我国采用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定通则”等新标准，在绘制电气控制系统图时必须严格遵循。第一节电气控制系统图的类型及有关标准二、电气控制系统图电气原理图电器布置图电气安装接线图

（一）电气原理图用规定的图形符号，按主电路和辅助电路相互分开并依据各电器元件动作顺序等原则所绘制的线路图，称为电气原理图。它包括所有电器元件的导电部件和接线端点，不表示电气元件的形状、大小和安装方式。某机床的电气控制原理图

1．绘制电气原理图的原则

1）电气原理图一般分主电路和辅助电路两部分。

2）电气原理图中，所有电元件都应采用国家统一规定的图形符号和文字符号来表示。

3）电气原理图中，各个电器元件和部件在控制线路中的位置，应根据便于阅读的原则安排，同一电器元件的各个部件可以不画在一起。

4）电气原理图中，所有电器的触头都按没有通电和没有受外力作用时的状态绘制。

5）电气原理图中，无论是主电路还是铺助电路都垂直布置，电源电路绘成水平线，主电路绘制在图的左侧，控制电路绘制在图的右侧。控制电路中的耗能元件画在电路的最下端。

6）电气原理图中，有直接电联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示。无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。

2.原理图区域划分图区编号可以设置在图的上方或下方，对应图区编号下方或上方表明它对应电路的功能。

3.符号位置的索引符号位置的索引用图号、页次和图区编号的组合索引法，索引代号组如下：

当某一元件相关的各符号元素出现在不同图号的图纸上，而当每个图号仅有一页图纸时，索引代号可简化成：在原理图中相应线圈的下方，给出触头的文字符号，并在其下面注明相应触头的索引代号，对未使用的触头用“×”表明，有时也可采用上述省去触头的表示法。

对接触器，上述表示法中各栏的含义如下：

右栏 中栏左栏主触头所辅助常开触头辅助常闭触头在图区号所在图区号所在图区号对继电器，上述表示法各栏的含义如下：

左栏右栏辅助常开触头辅助常闭触头所在图区号所在图区号

是接触器KM相应触头的索引。例图中

KM1线圈下方的（二）电器元件布置图电器元件布置图是用来表明电气设备上所有电机、电器的实际位置，为电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的档案资料。

某机床的电器元件布置图

（三）电气安装接线图电气安装接线图是用规定的图形符号，按各电器元件相对位置绘制的实际接线图。在具体施工和检修中能起到原理图所起不到的作用，在生产现场得到了广泛的应用。安装接线图是实际接线安装的准则和依据，它清楚地表示各电器元件的相对位置和它们之间的电气连接，安装接线图不仅要把同一个电器的各个部件画在一起，而且各个部件的布置要尽可能符合该电器的实际情况。各电器元件的表示要与原理图一致，以便核对。同一控制柜中的各电器元件之间的连接可以直接进行，不在同一个控制柜内的各电器元件之间的导线连接，必须通过接线端子进行。安装接线图中，分支导线必须在各电器元件接线端上引出。还应该详细标明导线和所穿管子的型号、规格等。

例如，机床的电气安装接线图对于起动频繁，允许直接起动电动机容量不大于变压器容量的20%。对于不经常起动者，直接起动电动机容量不大于变压器容量的30%。第二节

三相笼型异步电动机全压起动和正反转控制全压起动额定电压直接加到电动机的定子绕组。优点：电路简单缺点：起动电流大通常对容量小于10kW的笼型异步电动机采用直接起动方法。右图为三相笼型异步电动机单向全压直接起动控制电路。一、单向全压直接起动控制电路1.工作原理合QS按下SB2KM线圈得电自锁M起动起动过程：停车过程：按下SB2KM线圈断电M停车自锁2、电路的保护环节

（1）短路保护由熔断器实现电路短路保护。（2）过载保护通过热继电器实现电动机长期过载保护。（3）欠压和失压保护由接触器本身的电磁机构实现。二、电动机的点动控制电路点动：操作者按下起动按钮后，电动机起动运转，松开起动按钮时、电动机就停止转动。右图为几种点动控制电路。图(a)是最基本的点动控制线路。合QS按下SB2KM线圈得电M起动主触头闭合松开SB2KM线圈失电主触头断开M停车

电动机点动控制电路

图(b)是既可以实现点动又可以实现连续运行的控制线路。点动：手动开关SA打开连续工作：合上SA，自锁触头接入，即可实现连续控制。图(c)复合按钮SB3来实现点动控制按钮SB2实现连续控制合QS按下SB2KM得电自锁M起动主触头闭合连续运行：点动运行：合QS按下SB2KM得电M起动主触头闭合松开SB2KM失电M停车

图

d)是利用中间继电器实现点动的控制线路。

点动运行：连续运行：按下SB3KM得电自锁M起动按下SB2KA得电M起动KM得电松开SB2KM断电M停车KA断电

在电动机正反转控制线路中，利用两个接触器的常闭辅助触头互相控制的方法叫做互锁，而两对起互锁作用的触头叫做互锁触头。三、电动机的正、反转控制电路1、电动机“正-停-反”控制电路按下SB2KM1得电自锁M正转合QS正转：反转：按下SB2KM2得电自锁M反转停车：按下SB2KM1失电M停车如图a）所示：

a）正-停-反电路互锁

2、电动机“正-反-停”控制电路其控制电路如图2-6b）所示。按下SB2KM1得电自锁M正转合QS正转：停车：反转：按下SB2KM2得电自锁M反转按下SB2KM1或KM2失电M停车互锁联锁四、自动往返行程控制电路右图为自动往返循环控制典型电路。SQ1为正向转反向行程开关SQ2为反向转正向行程开关如此周而复始。工作原理：按下SB2KM1得电自锁M正转合QS拖动运动部件前进碰SQ1KM1失电KM2得电M反转拖动运动部件后退碰SQ2KM2失电KM1得电M正转上述自动往返运动，运动部件每经过一个循环，电动机要进行两次制动过程，会出现较大的制动电流和机械冲击。因此，这种电路只适用于电动机容量较小、循环周期较长、电动机转轴具有足够刚性的拖动系统。另外，在选择接触器的容量时应比一般情况选择的容量大一些。对于给定容量的电动机，一般用下面的经验公式来估计：一一电动机全电压起动电流(A)

一一电动机额定电流(A)。第三节三相笼型异步电动机的降压起动控制若计算结果满足上述经验公式。一般可以全压起动。否则不允许全压起动。应考虑采用降压起动。常用的降压起动方法定子串电阻（或电抗器）星-三角（Y-D）自耦变压器延边三角形一、定子串电阻降压起动控制

定子串电阻降压起动控制线路a)图工作原理：合上QS按SB2KM1得电自锁KT线圈得电M串R降压起动延时到转速接近额定转速KM2得电短接电阻RM短接R全压运行

电路存在两个缺点：

一是时间继电器长时间得电，对电器不利。二是接触器KM1在与接触器KM2换接以后，仍然得电。这样不但造成能量的浪费，还影响电器的使用寿命。我们可以对以上电路作一下改进，如图b)图所示。起动电阻一般采用由电阻丝绕制的板式电阻或铸铁电阻，电阻功率大，能够通过较大电流，但能量损耗较大，为了节省能量可采用电抗器代替电阻，但其价格较贵，成本较高。二、星-三角（Y-D）降压起动控制条件：额定接法为三角形1、用于13kW以下电动机起动电路下图为两个接触器的星形—三角形降压起动电路。工作原理：合上QS按SB2KM1得电自锁KT线圈得电M接Y型降压起动延时到转速接近额定转速KM2得电自锁M接Δ全压运行

该电路缺点：电动机主电路中采用KM2常闭辅助触头来短接电动机的三相绕组末端，因触头容量小，故该电路仅适用于13kW以下的电动机的起动控制。因此，对于13以上的电动机可以采用以下电路。2、用于13kW以上电动机的起动电路采用了三个接触器的主触头来对电动机进行星形-三角形转换，故工作更为可靠。电路见下页。

三、自耦变压器降压起动控制电路自耦变压器降压起动控制电路。工作原理：合上QS按SB2KM1得电自锁KT线圈得电M降压起动延时到转速接近额定转速KM2得电自锁M全压运行KM1失电一般工厂常用的自耦变压器起动方法是采用成品的补偿降压起动器。这种成品的补偿降压起动器包括手动、自动操作两种形式。手动操作的补偿器有QJ3、QJ5等型号，自动操作的补偿器有XJ01型和CTZ系列等。

XJ01型补偿降压起动器适用于14～28KW电动机，其控制线路见下页图。工作原理自行分析。HL1指示灯指示电动机进入全压正常运行情况HL2指示灯指示从上电至降压起动过程HL3指示灯指示上电至起动前这一段时间自耦变压器降压起动方法特点：

1.适用于起动较大容量的正常工作时接成星形或三角形的电动机。

2.起动转矩可以以通过改变抽头的连接位置得到改变，

3.自耦变压器价格较贵。

4.不允许频繁起动。

a)原始状态b)起动状态c)运行状态四、延边三角形降压起动控制电路下图为延边三角形电动机定子绕组连接图，其中电动机绕组有9个接线端。

延边三角形降压起动电路工作原理：合上QS按SB2KM1得电自锁KT线圈得电M接小Δ降压起动延时到转速接近额定转速KM2得电自锁M接大Δ全压运行KM1失电KM3得电自锁延边三角形降压起动方法的特点：

1.其起动转矩比星形—三角形降压起动时大，并且可以在一定的范围内进行选择。

2.它的起动装置与电动机之间有九条连接导线，所以在生产现场为了节省导线往往将其起动装置和电动机安装在同一工作间内，这在一定程度上限制了起动装置的使用范围。

3.延边三角形接线的电动机的制造工艺复杂。故这种起动方法，目前尚未得到广泛的应用。

第四节三相绕线转子异步电动机起动控制串电阻起动串频敏变阻器起动一、转子串电阻起动控制电路起动电阻都接成星形接法短接方式：三相电阻不平衡短接法和三相电阻平衡短接法。凡是起动电阻应用接触器来短接时，全部采用平衡短接法。按时间控制原则的转子串电阻起动控制电路工作原理：合上QS按下SB2KM1得电自锁KT1线圈得电M转子接三段电阻起动KT1延时时间到KM2得电自锁短接电阻R1KT2线圈得电电动机转速上升KT2延时时间到KM3得电自锁短接电阻R2KT3线圈得电电动机转速上升KT3延时时间到KM4得电自锁短接电阻R3M正常运行该电路存在两个问题：一是时间继电器损坏时，线路将无法实现电动机正常起动和运行。另一方面，在电动机起动过程中逐段减小电阻时，电流及转矩突然增大，产生不必要的机械冲击。下页图是转子绕组按电流原则短接起动电阻的控制电路。它是利用电动机转子电流在起动过程中逐渐变小这一特点来控制电阻切除的。

KI1、KI2、KI3为欠电流继电器，其线圈串接在电动机转子电路中，这三个继电器的吸合电流都一样，但释放电流不一样。其中KI1的释放电流最大，KI2次之，KI3最小。按电流控制原则的转子串电阻起动控制电路工作原理：刚起动时起动电流很大，KI1、KI2、KI3都吸合，它们的常闭触头断开，这时KM2、KM3、KM4不动作，全部电阻串入，M开始降压起动。

1.n逐渐，M转子电流逐渐，KI1首先释放，它的常闭触点闭合，使KM1通电，短接1R；

2.转子电流又重新，随着n，电流再一次下降，使KI2释放，KM2线圈通电，短接2R；

3.如此下去，直到将转子全部电阻短接，M起动完毕。频敏变阻器等效电路二、转子绕组串频敏变阻器起动控制电路转子等效电路如下图所示。起动时，转速n＝0，转子感应电动势频率f2最高(f2=f1)，此时频敏变阻器的电感与电阻均为最大，转子电流相应受到抑制。起动中，当转速逐渐上升时，转子频率逐渐减小。电机运行正常时，f2很低(为5%~10%f1)，又由于其阻抗与f2平方成正比，所以其阻抗变得非常小。采用频敏变阻器的绕线式转子异步电动机控制电路SA扳向“自动”：合上QS按SB2KM1得电自锁KT线圈得电M串RF降压起动延时到主电路串FR工作原理：转速接近额定转速KM2得电M短接RF全压运行KA得电SA扳向“手动”：按SB2KM1得电自锁按SB3M串RF降压起动主电路串FR转速接近额定转速KM2得电M短接RF全压运行KA得电第五节三相异步电动机的制动控制制动机械制动：电磁抱闸电气制动反接制动能耗制动一、反接制动控制电路反接制动是利用改变电动机电源的相序，使定子绕组产生与电动机旋转方向相反的旋转磁场，因而产生制动转矩的一种制动方法。特点：1.制动迅速，效果好；

2.制动电流大，机械冲击大；

3.仅适用于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一定的电阻以限制反接制动电流。

反接制动电阻的接线方法:

1.对称接法多采用此法。

2.不对称接法1、电动机单向运行的反接制动控制电路下页图为电动机单向运行的反接制动控制电路。电动机单向反接制动控制电路起动：按下SB2KM1得电自锁M全压起动转速上升KS闭合制动：按下SB1KM1失电KM2得电自锁M加逆序电源转速迅速下降至100转以下KS复位KM2失电M停车制动电阻2、电动机可逆运行的反接制动控制电路（主电路前图相同）

正向起动：按SB2KM1得电自锁M正转KS1动作

正向制动：按下SB1KM1断电KM2得电自锁M加逆序电源转速迅速下降至100转以下KS1复位KM2断电M停车电动机的反向反接制动请读者自行分析。

具有反接制动电阻的可逆反接制动控制电路

图中电阻R是反接制动电阻，也具有限制起动电流的作用。二、能耗制动控制电路能耗制动，就是在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压，即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的相互作用以达到制动的目的。特点：1.具有消耗能量少；2.制动电流小；3.需要直流电源，控制电路复杂；4.适用于电动机容量较大和起动、制动频繁的场合控制原则：1.时间控制原则；2.速度控制原则。1、单向能耗制动控制电路时间控制原则的单向能耗制动控制电路M正常运行时按下SB1KM1失电M脱离交流电源KM2得电自锁KT线圈得电M能耗制动转速〈100r/min延时到KM2失电切除直流电源制动过程：

速度原则控制的单向能耗制动控制线路该线路与前图控制线路基本相同，仅在控制电路中将时间继电器KT换成了速度继电器KS，并且用KS的常开触头取代了KT延时常闭触头。

2、电动机可逆运行能耗制动控制电路按时间控制原则的可逆运行能耗制动控制电路此电路将正反转电路与能耗制动电路结合在一起。正反转能耗制动按时间原则控制的能耗制动，一般适用于负裁转速比较稳定的生产机械上。对于那些能通过传动系统来实现负载速度变换或者加工零件经常更动的生产机械，采用速度原则控制能耗制动较为合适。电动机可逆运行能耗制动可以采用速度继电器取代时间继电器的速度原则，同样能达到制动的目的。适用场合：对于20kW以下电动机，在制动要求不高时，可采用无变压器单管能耗控制线路，特点：

1.设备简单，体积小；

2.成本低。

3、无变压器的单管能耗制动控制电路整流制动电阻第六节三相笼型异步电动机的有级调速控制从广义上讲，电动机调速可分为两大类：定速电动机与变速联轴节配合的调速方式机械调速自身可调速的电动机无级变速较优有级变速

一、三相笼型异步电动机的有级调速控制原理变频调速变频器实现，鼠笼、绕线式均适用变转差率调速变极对数调速改变P实现鼠笼式适用本节仅介绍笼型异步电动机变极对数调速的基本控制电路。

4／2极的双速异步电动机定子绕组接线示意图:绕线转子异步电动机较适用

a)三角形接法（低速）

b)双星型接法（高速）

P=2P=1a)手动控制的双速电动机控制电路二、双速电动机控制电路1、手动控制控制电路合上QS按下低速SB2KM1得电自锁M低速运行按下高速SB3KM1断电KM2KM3得电并自锁M高速运行b）时间继电器自动控制的双速电动机控制电路2、自动控制的双速电机控制电路其低速运行过程与前相同。高速运行过程：按下高速SB3

KA、KT得电自锁KM1得电自锁M低速起动延时一段时间后KM1断电KM2、KM3得电M高速运行第七节

直流电动机的控制一、直流电动机的基本控制方法按励磁方式串励电枢与励磁串联共用一个电源并励电枢与励磁并联共用一个电源复励他励电枢与励磁电源独立

1、直流电动机的起动控制起动控制的要求：在保证足够大的起动转矩下，尽可能地减小起动电流。起动特点：

①起动电流很大，可达额定电流的10～20倍；②他励和并励直流电动机在弱磁或零磁时会产生“飞车”；③先接入或至少同时施加额定励磁电压，后施加电枢电源；④励磁回路中应设置弱磁保护环节。直流电动机一般不允许直接起动。两种方法：

①保持电动机励磁绕组端电压的极性不变，改变电枢绕组端电压；主电路电流较大，一般不采用。

②保持电枢绕组端电压极性不变，而改变励磁绕组端电压的极性；励磁电流较小，常采用此法。2、直流电动机的正反转控制注意：为了避免改变励磁电压方向过程中，因Φ＝0造成的“飞车”事故，通常要求改变励磁方向的同时要切断电枢绕组电源。另外必须加设阻容吸收装置来消除励磁绕组因触头断开产生的感应电动势。

3、调速控制改变电枢电压改变电枢回路电阻改变励磁电流调速混合调速

4、制动控制能耗制动反接制动再生发电制动

二、他励（包括并励）直流电动机的控制电路

1、电枢回路串电阻的起动与调速控制电路（1）起动前的准备将SA置“0”位合上QF1、QF2KI2常开触头闭合KA吸合自锁KT1线圈也通电

（2）起动

KT2失电将SA板到“3”位KMl得电KTl断电KT2通电KTl延时到KM2得电切除R2M串R1与R2起动M转速上升KT2延时到KM3得电切除R1M正常运行零位零压保护：主令开关SA

电路中二报管V与R串联构成励磁绕组的吸收电路，其作用是在停车时防止由于过大的自感电动势引起励磁绕组的绝缘击穿，并保护其它元件。（3）调速如果想让电动机运行于低速，将SA扳到l或2位，电动机在电枢中串有两段或一段电阻下运行，其转速低于主令控制器处在3位时的转速。其调速过程读者可自行分析。（4）保护环节过载和短路保护：过电流继电器KI1失磁保护：欠电流继电器K12

2.变励磁调速控制电路（1）起动KM2得电自锁KT线圈得电按下SB2M串R4降压起动延时到KM3得电自锁转速上升KM3闭合切除R4M全压运行（2）调速

调节R3，可以改变励磁电流的大小，从而改变磁通，即可改变电动机的转速。（3）停车及制动

正常运行状态下按下SB1KM2和KM3断电M断电KM1得电M和R4开始能耗制动实现制动过程中的强励磁作用电源电压全励磁两端

3、改变励磁电压极性的正反转控制电路

(为MM52125A型导轨磨床的部分电路)（1）正转合电源开关KT得电延时按下SB2KM18得电励磁电流从J到KKT延时到KM17得电自锁电枢电源接通KT线圈断电KM18自锁M正转从起动过程可以看出：保证了先加励磁电流，后加电枢电流。（2）停车按下SB1KM17断电切断M的电枢电源KT线圈得电KT延到KM18失电励磁失电

4、具有能耗制动的正反转控制线路具有能耗制动的正反转控制电路如下页图所示。电路中的电阻R1和R2兼有限流和调速的作用。可以看出整个停车控制中，满足了先切断电枢电源后切断励磁电源这一控制要求。（