常用低压电器与可编程序控制器 第3章

1、第三章三相异步电动机的基本控制环节和基本电路，3.1基本控制环节3.2三相异步电动机的起动控制3.3相异步电动机的制动控制3.4三相异步电动机的转速控制3.5常用机床的电气控制，3.1基本控制环节，3.1.1起动，自锁和点动控制三相异步电动机的起动控制直接起动、降压起动直接启动也称为全压启动，启动时电源电压施加在马达的定子线圈上。 降压启动时，将电源电压降低一定数值后再施加到电机的定子线圈上，等待电机的转速接近同步转速后，再以电源电压运行电机。 软启动是指，使施加在电机定子线圈上的电压从零开始以规定的函数关系逐渐上升，使电机以全电压运行，直到启动过程结束。 图3-1是三相异步电动机的全压启动和

2、慢进控制线。 另外，图3-1三相异步电动机的全电压启动和慢进控制线，此外，从图3-1可知，电路的保险丝FU在电路中发挥了备用短路保护的作用。 (2)热继电器FR在电路中起到电动机过载保护的作用，具有与电动机的容许过载特性相符的反时限特性。 (3)欠电压保护和欠电压保护通过接触器自身的电磁机构实现。 图3-2三相异步电动机的慢进控制(a )用复合按钮控制慢进(b )用中间继电器控制慢进，3.1.2可逆控制和联锁，图3-3三相电动机的可逆控制线，用图3-4复合按钮实现三相电动机的可逆控制，3.1.2 例如，电梯和升降机械不能同时上下移动，机械加工车床的主轴必须用油泵电动机启动，在给齿轮箱供给足够的

3、润滑油后再启动等。 这种相互关联地制约的控制被称为联锁。 如果要求甲接触器工作而乙接触器工作，则需要将甲接触器的常开接触器与乙接触器的线圈电路串联连接。 这样，能够依次展开为需要互锁控制的n个对象。 例如，机械加工车床的主轴旋转时，油泵先启动，齿轮箱需要加油润滑。 润滑泵马达启动后，主要是为了保证拖动马达启动，向控制线提出了依次动作的联锁要求。 在图3-5(a )中，实现了将油泵的电动机接触器KM1的常开接触器与主拖动电动机接触器KM2的线圈电路串联连接，如果KM1先启动，则KM2启动。 在图3-5(b )所示的接合法中，能够省略KM1的常开触头，线路被简化。 这是典型的联锁控制线路，因为类似

4、的过程也存在于许多其他生产设备中。 图3-5三相异步电动机的联锁控制线(a )联锁控制线1 (b )联锁控制线2，3.1.4多点控制，图3-6三点控制线路，3.2三相异步电动机的起动控制，3.2.1星三角形(Y-D )降压起动控制线Y-D形的连接后，由于施加到电动机的各相线圈上的电压是电源电压额定，因此，其启动扭矩直接连接到三角形(d )上，启动电流直接连接到d形上，启动电流对电力网小的电动机启动后，在预先设定的时间内将定子线圈转换为d接线法额定功率在4kW以上的三相异步电动机正常运转时的定子线圈都是d接线法，因此可以采用Y-D降压起动方式。 在Y-D型降压起动控制线的主电路中，电动机定子三相

5、绕组的6根线端被引出，由2个接触器分别控制。 Y-D转换控制电路根据电动机容量的大小、应用等，采用不同的布线方式。如图3-7Y-D型降压起动控制电路、3.2.2自耦合变压器降压起动控制电路的名称所示，自耦合变压器降压起动控制电路用自耦合变压器降压后，启动电动机的降压起动方法。 自耦变压器通常有两个不同的抽头(60%UN，80%UN )，不同抽头的电压比可以得到不同的启动电压和启动扭矩，工程师可以根据需要进行选择。 电动机启动时，从定子线圈得到的电压是自耦合变压器的二次电压。 起动完成后，自耦合变压器被短路，额定电压(自耦合变压器的一次电压)直接施加到定子线圈上，电动机处于全电压正常动作状态。

6、自耦变压器的降压启动方法适合启动大容量电动机，启动扭矩可以通过改变抽头的连接位置来变更。 自耦变压器昂贵，不允许频繁启动。 图3-8是两接触器控制的自耦合减压起动控制电路，电路的动作状况：电源开关QS、HL1点亮，表示电源电压正常。 按下开始按钮SB2，KM1、KT线圈同时通电，接通自我保护的自耦合变压器T1，电动机的定子线圈通过来自自耦合变压器的电力减压启动，同时灯HL1熄灭，HL2点亮，电动机表示减压启动。 当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT动作，其延迟闭合接点KT闭合，向KA线圈通电而进行自我保持.常闭接点打开，切断KM1线圈的电源而断开，切断HL2的电源而熄灭，向KM2线圈通电

7、而进行吸附，切除自耦合变压器由于流过自耦合变压器的公共部分的电流是一次、二次电流的差，所以允许访问辅助接点KM2。 3.2.3三相绕组转子异步电动机的起动控制1转子电路串联电阻起动控制线三相绕组转子异步电动机的优点之一是，转子电路通过滑环的外串联电阻减少起动电流，提高转子电路功率因数和起动转矩。 一般来说，在要求起动扭矩高的情况下，广泛使用起重机机械、卷扬机等绕组转子异步电动机。 在三相绕组转子异步电动机的三相转子电路上，分别串联连接起动电阻或电抗器，加上电源和自动控制电路，构成三相绕组转子异步电动机的起动控制电路。 图3-9是与转子电路串联连接的电阻的启动控制线。 设定并控制欠电流继电器的开

8、路值，利用电机转子电流的大小变化控制电阻切除。 启动前，启动电阻都与电路连接，启动中，启动电阻阶段性地短路。 电阻的短路由不足电流继电器KA1、KA2、KA3和接触器KM2、KM3、KM4三种组合构成。 正常运转时，线路上只有KM1、KM4长期通电，KA1、KA2、KA3的线圈被KM4短路，KM2、KM3的线圈分别被KM3、KM4的常闭触头切断。 另一方面，减少耗电量，更重要的是延长寿命。 欠电流继电器KA1、KA2、KA3的线圈与电动机转子电路串联连接。 这三个继电器的吸入电流相同，但排出电流不同。 其中，KA1的发射电流最大，KA2次、KA3最小。 电动机刚起动后，起动电流大，吸附着KA1

9、、KA2、KA3，它们的常闭触头打开，接触器KM2、KM3、KM4不动作，所有的电阻都与电动机的转子电路连接。 如果电动机的转速上升，电流减少，则KA1首先断开，常闭触点闭合，接触器KM2的线圈通电，使第一级转子电阻R1短路。 此时，随着电动机的转子电流增加，随着旋转速度上升，电流逐渐降低，释放KA2，使接触器KM3线圈通电，使第二级起动电阻R2短路，并且利用该辅助触头使KM2线圈断开，结束运转。 此时，随着电动机的转子电流增加，转速上升，电流进一步降低，断开KA3，向接触器KM4线圈通电，使转子的电阻全部短路，并且利用其辅助触头使KM3线圈断开，结束运转，电动机的起动完成。另外，图3-9转子

10、电路的串联电阻的起动控制电路，起动电阻的段数可以由请求决定，并被设为n段。 短路的方式有三相电阻不平衡短路法和三相电阻平衡短路法两种。 三相电阻不平衡短路是指各相的启动电阻依次短路，三相电阻平衡短路是指三相的启动电阻同时短路。 但是，无论采用不平衡接合法还是平衡短接法，其作用基本相同。 通常采用凸轮控制器或接触器的短路。 在采用凸轮控制器的情况下，凸轮控制器的各对接触件闭合的顺序一般由不平衡短路法设计(由此，控制电路变得简单)，因此一般采用不平衡短路法。 使用接触器短路时，均采用平衡的短路法。 双转子电路串联频率可变电阻起动控制线由图3-9所示的控制线路可知，在绕组转子异步电动机起动中阶段性地

11、减少电阻的情况下，电流和转矩飞跃性地变化，电流和转矩急剧增大，产生一定的机械冲击。 同时，段级数多时，控制线路复杂，工作可靠性下降，而且电阻自身重，控制箱体积和能耗大，中国在1960年代开发了频率变阻器。 频率变阻器基本上是核心损耗非常大的三相电抗器。 它由几块e形硅钢板叠起来，有铁心和线圈两部分，做成开放式，采用星形接线。 将其串联连接在绕组式异步电动机的转子电路上，相当于在其转子线圈上连接铁损大的电抗器。 此时的转子等效电路如图3-10所示。 图3-10的变频器等效电路，变频器的阻抗可以随转子电流频率的降低而自动减少，它是绕组转子异步电动机的理想起动设备，常用于大容量的绕组式异步电动机的起

12、动控制。 RI、l值与转子电流的频率相关。 启动过程中，转子电流的频率会发生变化。 刚启动后，转速为0、滑差率s1、转子电流的频率f2与电源频率f1的关系为f2sf1。 因此，在刚起动后的f2f1中，变阻器的电感和电阻变得最大，转子电流得到抑制。 随着电动机的转速变高，s变小，f2变低，变阻器的阻抗也变小。 因此，当绕组转子的电动机转子串联频率可变电阻起动时，随着电动机的转速提高，可变电阻的阻抗也自动减少，实现了平滑的无级起动。 当电机正常工作时，由于f2是低的(f1的5% )，由于其阻抗与f2的平方成比例，所以其阻抗变小。 由此可知，在起动过程中，从转子等效阻抗和转子电路感应电动势大到小，实

13、现了大致一定扭矩的起动特性。 该启动方式广泛应用于桥式起重机和空压机等电气设备。 另外，图3-11是使用频率变阻器的起动控制线。 这条线路可以自动和手动控制。 自动控制时将开关SA设为“自动”，按下开始按钮SB2，则利用时间继电器KT控制中间继电器KA和接触器KM2的动作，并在适当的时间使变阻器短路。 当开关SA处于“手动”位置时，时间继电器KT不起作用，可以通过按钮SB3手动控制中间继电器KA和接触器KM2的动作。 图3-11频率变阻器起动控制线，3.2.4固体降压发起器，1 .固体降压发起器的工作原理，固体降压发起器由电动机的起动、停止控制装置和软启动控制器构成，其核心部件为软启动控制器，

14、在功率半导体设备和其他电子部件中软启动控制器是利用电力电子技术和自动控制技术(包括计算机技术)，把强电和弱电结合起来的控制技术。 其主要结构是串联连接在电源和被控制电动机之间的三反并联晶闸管及其电子控制电路，利用晶闸管的相移控制原理，控制三反并联晶闸管的导通角，使被控制电动机的输入电压按要求变化，实现不同的启动功能。起动时，使晶闸管的导通角从零逐渐前进，电动机的端子电压从零开始，以预先设定的函数关系逐渐上升，满足起动转矩，使电动机顺利地起动，使电动机的全电压运转，这是软起动控制器的工作原理。 图3-12是软启动控制器的主电路图。 软启动控制器特别适用于各种泵类负载和风扇类负载。 原则上，在不需

15、要调速的各种应用中，笼型异步电动机可以使用软启动控制器。 图3-12软起动控制器的主电路原理图，2软起动控制器的动作特性1 )灯恒流升压起动，图3-13灯恒流升压起动曲线，2 )脉冲步进起动，图3-14脉冲步进起动特性曲线，3 )减速软停止控制，在需要停止电机时通过调节晶闸管的导通角，从全导通状态逐渐减少，逐渐降低电动机的端子电压，切断电源。 这个过程时间很长，被称为软停止控制。 停车时间可以根据实际需要在0120s的范围内调整。 减速软停止控制曲线如图3-14所示。 传统的控制方式都是在瞬时停电下完成的，但有很多应用实例，电机不允许瞬时关机。 例如，高层建筑和大楼的泵系统一瞬间停止，就会产生

16、很大的“水锤”效果，配管和泵会破损。 为了减少和防止“水锤”效果，电动机需要逐渐停止，可以通过软起动控制器来满足该要求。 在泵站中，应用软停车技术可以避免泵站设备损坏，减少维护费用和维护工作量。 4 )节能特性软起动控制器可以根据电动机功率因数的高低，自动地判断电动机的负载率。 在电动机无负载或负载率低的情况下，可以通过相位控制来改变晶闸管的导通角，改变输入电动机的功率，实现节能。 5 )制动特性电机需要快速停止时，软启动控制器具有能量制动功能。 接收到能量制动功能，即制动命令后，软启动控制器改变晶闸管的触发方式，把交流变为直流，在主电路闭合后立即向电动机的定子线圈施加直流电压，利用转子感应电

17、流和静止磁场的作用进行制动。 为了节约成本，有时用一台软启动器控制多台电动机来进行软启动。在这种情况下，可以用一台软启动器来进行软启动。 图3-15是用一台软起动控制两台电机起动、停止的电路。 但是，请注意，两台马达不能同时启动或停止，只能单独启动或停止。 图3-15用一台软起动控制两台电机，三软起动控制器、逆变器软起动控制器和逆变器是目前电机控制中常用的两种不同用途的产品。 变频器用于需要调速的地方(逆变器见3.4.2节)，其输出不仅电压，频率也变化的软启动器实际上是调节器，主要用于电机的启动，其输出只改变电压，不改变频率。 变频器具备软启动的所有功能，但比软启动贵得多，结构也复杂。 3.3

18、相异步电动机的制动控制、3.3.1逆连接制动控制电路的三相异步电动机逆连接制动有两种情况：一种是通过负载扭矩的作用使正连接的电动机反转的逆连接制动，在重力负载的情况下，多适用于例如起重机的电气控制， 该制动器不能使电动机转速为零的另一个是，改变电动机的电源相顺序，使在电动机的定子线圈中产生的旋转磁场与转子的旋转方向相反，产生制动，使电动机的旋转速度急速降低的电源逆接制动器。 电机的转速接近零时，请立即关闭三相电源。 否则，马达就会反向启动。 另外，在反向制动的情况下，转子和定子的旋转磁场的相对速度接近同步转速的2倍，因此反向制动电流相当于电动机全压启动时的起动电流的2倍。 为了防止线圈过热，降低制动冲击，一般在电动机的定子电路上安装逆连接制动电阻。反向接合制动电阻的接合法有对称接合法和非对称接合法两种。 在采用对称电阻接合法的情况下，在限制制动扭矩的同时也限制制动电流，采用非对称制动电阻规律的只有制动扭矩，未施加制动电阻的相还有大的电流。 在反向制动过程中，电网供给的电磁电力