电气控制与PLC应用 第2章 电器控制线路的基本规律.ppt

1、第二章 电器控制线路的基本规律,电器控制电路的绘制 电气控制电路基本环节 三相异步电动机的启动控制 三相异步电动机的制动控制 三相异步电动机的调速控制 电气控制线路中的保护环节,本章小结,第一节 电器控制电路的绘制,电气控制系统图有三种:电器原理图、电器元件布置图、电器安装接线图,按照GB绘制. 一、电气图的图形符号和文字符号 1.图形符号:表示一台设备或概念的图形、 标记或字符.如 “”表示交流. 图形符号,详见表1-6,(P14P15).,图形符号组合示例,2.文字符号:表示电气设备、装置和元器件 种类和功能的字母代码,如Q-开关类。 文字符号,详见表1-6,(P14P15 ). (1)基

2、本文字符号：有单、双字母符号两种. 单字母符号表示电气设备、装置和元器件大类。如K为继电器类元件。 双字母符号是由一个表示种类的单字母符号与另一表示器件某些特性的字母组成 ,如”KT”时间继电器. (2)辅助文字符号:进一步表示电气设备、装置和元器件的功能、状态和特征的,如 KS表示速度继电器, YV表示电磁阀.,部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号,一般三极电源开关,低压断路器,常开触点 常闭触点 复合触点 行程开关,QK,QF,SQ,熔断器,常开 常闭 复合 按钮,FU,SB,线圈 主触点 常开辅助触点 常闭辅助触点 接触器,KM,线圈 常开延时闭合触点 常闭延时打开触点 常开延时打开

3、触点 常闭延时闭合触点 得电延时 时间继电器 失电延时,KT,部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号,常开触点 常闭触点 速度继电器,热元件 常闭触点 热继电器,线圈 常开触点 常闭触点 中间继电器,KS,FR,KA,电磁铁,YA,线圈 常开触点 常闭触点 电压继电器,KU,线圈 常开触点 常闭触点 电流继电器,KI,信号灯,HL,直流电动机,M,变压器,三相 异步电动机,M,转换开关,SA,电气原理图：根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式 绘制的电气图。,方法：不按电器元件实际布置绘制，而是根据电器元件在电路中所起的作用画在不同的部位上。 作用：用于分析研究系统的组成和工作原

4、理，为寻找电气故障提供帮助，同时也是编制电气接线图的依据。 特点：结构简单，层次分明。 主电路：设备的驱动电路，包括从电源到电动机的电路，是强电流通过的部分。 控制电路：由按钮、接触器和继电器的线圈、各种电器的常开、常闭触点等组合构成的控制逻辑电路，实现所需要的控制功能，是弱电流通过的部分。 信号指示电路 保护电路,1.电气原理图的绘制原则,1)原理图一般分主电路和控制电路两部分：主电路用粗线条画在原理图的左边；控制电路用细线条画在原理图的右边。 2)原理图中各电器元件不画出实际的外形图，采用电气图形符号和文字符号表示。 3)同一电器的各个部件可画在不同的地方，用相同的文字符号标注，如KM1

5、、KM2等。 4)原理图中所有电器触点，都按没有通电和没有外力作用时的状态画出。 5)原理图中，各电器元件一般按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。 6)原理图中，有直接电联系的交叉导线连接点，要用黑色圆点表示。 7)多个同一种类的电器元件，可在文字符号后加上数字序号加以区分。 8)元器件的数据和型号，用小号字体标注在电器元件符号的附近，需要标注的元器件的数量比较多时，可以采用设备表的形式统一给出。,2.图区划分 下图为CW6132型普通车床电气原理图,3.符号位置的索引,电器元件布置图：表明电气设备上所有电器和用电设备的实际位置，是电气控制设备制造、装配、调试和维护必不

6、可少的技术文件。,电器元件的布置原则： 1. 体积大和较重的电器元件应装在元件安装板的下方，发热元件应装在上方 2. 强弱电分开，弱电应屏蔽 3. 需经常维护、检修、调整的元件的安装位置不宜过高 4. 布置应整齐、美观、对称 5. 元件之间应留有一定间距,电器元件布置图举例,电器接线图：表示电气设备或装置连接关系的简图，用于电气设备安装接线、电路检查、电路维修和故障处理。,根据电气原理图和电器元件布置图编制 与电气原理图和电器元件布置图配合使用 表示出电气设备和电器元件的相对位置、项目代号、端子号、导线号、导线类型、导线截面积、屏蔽和导线绞合等情况,电气安装接线图举例,第二节 电气控制电路基本

7、环节,一、启动、点动和停止控制环节,1单向全压启动控制线路,(a)开关直接控制 熔断器FU：短路保护 开关Q：闸刀开关、铁壳开关等。 Q选电动机保护用断路器，可实现过载保护，可不用熔断器FU。 适用于不频繁起动的小容量电动机，不能远距离、自动控制。,(b)按钮、接触器控制 熔断器FU：短路保护 开关Q：分断电源（同上）。 热继电器FR：过载保护 合Q，按下SB2，KM线圈得电，主触点闭合，电动机通电起动；自锁触点KM闭合，松开SB2，KM线圈继续得电，保证电动机工作。 按SB1，KM线圈断电，主触点断开，电动机停止，辅助触点断开解除自锁。 失压、欠压保护：意外断电或电源电压跌落太大时，接触器释

8、放，自锁解除。 电源电压恢复正常后，电动机不会自动投入工作。,自锁：依靠接触器(继电器)自身的常开触点来使其线圈长期保持通电的环节叫“自锁”环节。,2电动机的点动控制线路,点动控制：按住按钮时电动机转动工作，手放开按钮时，电动机即停止工作，常用于生产设备的调整。与长动的主要区别是控制电器能否自锁。,图（a）最基本的点动控制线路 起动:按下SBKM得电KM主触点闭合电机M运转. 停机:松开SBKM失电KM主触点断开电机M停止.,(b),(c),(d),控制电路(b)：复合按钮SB3实现的点动控制线路；单独设置一个点动按钮，适用于需经常点动控制操作的场合。 控制电路(c)：旋转开关SA实现的点动控

9、制线路，可实现点动与长动切换；适用于不经常点动控制操作的场合。 控制电路(d) ：中间继电器实现点动的控制线路；单独设置一个点动回路，适用于电动机功率较大并需经常点动控制操作的场合。,二、可逆控制和互锁环节,三相异步电动机正反转控制电路,定子三相绕组电源任意两相对调，改变定子电源相序，可改变电动机旋转方向。,主电路 KM1和KM2分别闭合，定子绕组两相电源对调，电动机转向不同。,(a),(b),(c),控制电路(a)： 相互独立的正转和反转起动控制电路； 按下SB2，正转接触器KM1得电工作； 按下SB3，反转接触器KM2得电工作； 按下SB2、SB3，KM1与KM2同时工作，两相电源短路。,

10、控制电路(b)： 接触器的常闭辅助触点相互串联在对方的控制回路； 一方工作时切断另一方的控制回路，使另一方的起动按钮失去作用； 正、反转接触器互锁，避免了同时接通造成主电路短路。 正、反转切换的过程中间要经过“停”，操作不方便。,控制电路(c)： 既有接触器的互锁，又有按钮的互锁，保证了电路可靠地工作 复合按钮SB2、SB3直接实现由正转变成反转； 互锁：在控制线路中利用正反转接触器常闭辅助触点互相制约工作状态的控制环节，称为“互锁”环节。设置互锁环节是可逆控制线路中防止电源线间短路的保证。,正反转自动循环控制电路：,行程开（ST1、ST3） （ST2、ST4）自动控制电机正反转,电路工作过程

11、：,按下正向起动按钮SB2，接触器KM1得电动作并自锁，电动机正转使工作台前进。 运行到ST2位置，撞块压下ST2，ST2动断触点使KM1断电，ST2的动合触点使KM2得电动作并自锁，电动机反转使工作台后退。 工作台运动到右端点撞块压下ST1时，KM2断电，KM1又得电动作，电动机又正转使工作台前进，这样一直循环。 SB1为停止按钮。SB2与SB3为不同方向的复合起动按钮，改变工作台方向时，不按停止按钮可直接操作。 限位开关ST3、ST4限位保护作用：ST3与ST4安装在极限位置，由于某种故障，工作台到达ST1（或ST2）位置，未能切断KM1（或KM2），工作台将继续移动到极限位置，压下ST3

12、（或ST4），此时最终把控制回路断开，使电动机停止，避免工作台由于越出允许位置所导致的事故。,行程控制：用行程开关按照机械运动部件的位置或位置的变化所进行的 控制，称作按行程原则的自动控制。,三、顺序控制环节,1电路的构成 主电路：电动机M1和M2各由热继电器FRl、FR2进行保护， 接触器 KMl控制电动机M1的起动、停止， 接触器 KM2控制电动机M2的起动、停止， KMl、KM2经熔断器FU和开关Q与电源连接。,两台电动机顺序控制电路,按下SB2+KM1KM1+ 主触点吸合，M1起动。 KM1+ 辅助常开触点吸合，自锁。 按下SB3+KM2KM2+ 主触点吸合，M2起动。 KM2+ 辅助

13、常开触点吸合，自锁。 两台电机都起动之后，要使电机停止运行，可如下操作： 按下SB1-KM1KM1- 主触点释放脱开，M1停止运转。 KM2KM2- 主触点释放脱开，M2停止运转。 如果想先起动M2，操作如下： 按下SB3+KM1-KM2，M2电机无法起动。,1)电路a): 先M1,后M2顺序起动,同时停车,2)电路b): 先M1,后M2顺序起动, 先M2,后M1顺序停车.,起动操作： SB2+KM1KM1+ 主触点吸合，M1起动。 KM1+ 辅助常开触点吸合，自锁。 SB4+KM2KM2+ 主触点吸合，M2起动。 KM2+ 辅助常开触点吸合，自锁。 停车操作： SB3-KM2KM2- 主触点

14、释放脱开，M2停止运转。 SB1-KM1KM1- 主触点释放脱开，M1停止运转。,四、多点控制：多个地点进行控制。,控制电路(a)：起动按钮并联连接，停止按钮串联连接，分别安置在三个地方，就可实现三地操作。 控制电路(b) ：几个操作者都按起动按钮发出主令信号，设备才能起动，停止时则任一点都可以操作，,五、执行元件为电磁阀时的控制线路,当电磁阀YA得电时，油缸活塞杆可在压力油作用下向前推进；若YA失电，电磁阀的阀铁复位，活塞杆自动退回。由于电磁阀YA是无触点执行元件，故需要通过中间继电器来实现控制，如图（b）所示，此为电磁阀控制电路，它可以通过控制电磁阀YA，实现油缸活塞杆的进、退控制。,第三

15、节 三相异步电动机的启动控制,10KW以下的三相异步电动机，通常采用全压起动，即起动时电动机的定子绕组直接接在额定电压的交流电源上。 10KW以上的电动机，因起动电流大，线路压降大，负载端电压降低，影响起动电动机附近电气设备正常运转，故采用减压起动。 减压起动：起动时，降低加在电动机定子绕组上的电压，待电动机起动后再将电压恢复到额定值，使之在额定电压下运转。,常用减压起动方法,定子串电阻减压起动 星形三角形减压起动 自藕变压器减压起动 软起动（固态减压起动） 延边三角形减压起动,1.定子串电阻降压启动控制线路,起动时，定子电路串接电阻降低绕组电压，限制起动电流；起动后电阻短路，电动机全压下运行

16、。不受接线方式限制，设备简单。机械设备点动调整时也常采用，减轻对电网的冲击。,主电路(a) 控制电路(b)： KM2得电，电动机正常运行。 起动后，KM1与KT一直得电，浪费电能。,控制电路(c)：KM2得电，KM1和KT失电，KM2自锁，节能实现控制要求。,全压工作时为三角形接法的电动机，起动时将其定子绕组接成星形，降低电动机的绕组相电压，进而限制起动电流。当反映起动过程结束的定时器发出指令时再将电动机的定子绕组改接成三角形接法实现全压工作。,2.星-三角形降压启动控制线路：,工作过程: 起动:按下SB2-KM1, KM3 得电M星形减压启动,KT 延时闭合后KM2得电,KM3 失电M接成三

17、角形.同时 触点KM2断开KT失电. 停止:按下SB1- KM1, KM2 失电-M停止运转.,QX4系列自动星形三角形启动器电路,控制电路特点：避免短路，节约电能 将KM3的动断辅助触点串联在KM2的线圈控制电路中，只有当KM3的衔铁及触点释放完毕（动断辅助触点接通）后才允许KM2得电。 将KM2的动断辅助触点串联在KM3的线圈控制电路中，只有当KM2的衔铁及触点释放完毕（动断辅助触点接通）后才允许KM3得电，保证电路工作可靠。 起动完成后时间继电器KT已无得电的必要，将KM2的动断辅助触点串联在KT的线圈控制电路中， KT断电，节约能源。,控制电路工作流程,星-三角降压启动控制线路（2）：

18、KM1、KM2、KT,KM2断电时，电动机绕组由KM2的动断辅助触点连接成星形起动。 KM2通电后，电动机绕组由KM2动合主触点连接成三角形正常运行。 辅助触点容量较小，4 13kW的电动机可采用该控制电路。 考虑KM1的主触点承担分断时的大电流，KM2的辅助动断触点只在空载或小电流的情况下断开，避免电弧的烧蚀缩短辅助触点寿命。,星-三角降压启动控制线路（2）工作流程：,按下按钮SB2后电动机先进行星形起动。 起动完成时，时间继电器动作，电动机进行星-三角变换、运行： 第一阶段：KT延时动断触点首先使KM1线圈失电，KM1的主触点断开， KM1的主触点分断电流，KM2动断辅助触点无电弧。 第二

19、阶段：KM2线圈得电，主电路进行星-三角变换，当KM2两个动断辅助触点断开，主触点及辅助动合触点吸合，变换完成。 第三阶段：KM2自锁闭合使KM1线圈再次得电。 第四阶段：KM1主触点再次接通三相电源时，电动机在三角形接法下全压运行。,3.自耦变压器降压启动控制线路,电动机启动时，定子绕组上的电压是自耦变压器的二次端电压，待启动完成后，自耦变压器被切除开，定子绕组重新接上额定电压，电动机在全电压下进入稳态运行。,自耦变压器降压启动控制线路,全压运转:按下SB2KT得电 延时一段时间后触点KT(3-7)闭合KT得电并自锁触点KA(4-5)断开KM1失电释放自藕变压器T切除;在触点KT(4-5)断

20、开的同时,触点KA(10-11)断开, HL2灭,而触点KA(3-8)闭合 KM2得电触点KT(10-14)闭合,HL3亮,M全压运转. 停止:按下SB1KM2,KT失电M停止运转.,工作过程: 起动:按下SB2KM1得电自藕变压器T接入，减压起动,HL1灭 ,HL2亮.,4.固态降压启动器,固态降压启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖的电机控制装置。它可以实现交流异步电动机的软启动、软停止功能，同时还具有过载、缺相、过压、欠压、过热等多项保护功能。,固态降压启动器由电动机的启停控制装置和软启动控制器组成，其核心部件是软启动控制器，它是由功率半导体器件和其它电子

21、元器件组成的。软启动控制器的主要结构是一组串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，利用晶闸管移相控制原理，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，从而实现不同的启动功能。启动时，使晶闸管的导通角从0开始，逐渐前移，电机的端电压从零开始，按预设函数关系逐渐上升，直至达到满足启动转矩而使电动机顺利启动，再使电机全电压运行。,软起动的工作原理 软起动器实际上是一个晶闸管交流调压器。改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程（且可具有限流功能），直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作。,西

22、诺克Sinoco-SS2系列软启动控制器的外形图,ABB公司PST/PSTB,PST系列是应用微处理器的软起动器，该设计应用了最新技术，为电动机提供软起动和软起动功能。PST软起动器标配有多个先进的电动机保护功能。四个按键的键盘和逻辑结构的菜单，使安装、调试以及操作都变得简单：还有10种语言可供选择。 PST软起动器可使用或不使用旁路接触器，在大规格的PSTB370PSTB1050软启动器内置有旁路接触器。,ABB软起动器的主要控制功能： 1.起动时升压时间的设定和控制 PSS型软起动器的起动时升压时间设定范围为：130S；PSD型软起动器的起动时升压时间设定范围为0.560S。2.起动时初始

23、电压的设定和控制 PSS型软起动器的起动时初始电压设定范围为：3070 %电源电压（PSS型软起动器在运用限流功能后，起动时初始电压被固定在40%电源电压）；PSD型软起动器的起动时初始电压设定范围为：1060%电源电压。3.限流功能的设定和控制 PSS型软起动器的限流设定范围：1.54倍电机额定电流。PSD型软起动器的限流设定范围：25倍电机额定电流。4.停止时降压时间的设定和控制 PSS型软起动器的停止时降压时间设定范围为：030S；PSD型软起动器的停止时降压时间设定范围为：5240S。ABB软起动器在得到停止信号后，按照设定的降压时间，输出端由电源电压（PSD型软起动器由设定的级落电压

24、，10030%电源电压）降至初始电压，然后即刻降到零电压。,典型应用,第四节 三相异步电动机的制动控制,电动机制动，迅速停车或准确定位。 机械制动：用机械装置产生机械力来强迫电动机迅速停车。主要有：机械抱闸、液压或气压制动 电气制动：使电动机的磁场转矩方向与电动机旋转方向相反，从而达到制动目的，实质是产生反向制动转矩。主要有： 反接制动、能耗制动、再生制动、电容制动等。,1.反接制动控制,反接制动：利用改变电动机电源的相序，使定子绕组产生相反方向的旋转磁场，因而产生制动转矩的一种制动方法。 特点：制动转矩大、制动迅速、冲击大，常用于10KW以下的电机，当电动机转速接近零时，必须及时切断反相序电

25、源，以防止电机反向再起动，常用速度继电器来检测电动机转速并控制电动机反相序电源的断开。,主电路： 接触器KM1控制电机M正常运转，接触器KM2改变电机M的电源相序.在制动电路中串接了降压电阻R， 控制电路： 由两条控制回路组成。一条控制M正常运转的回路，另一条是控制M反接制动的回路。,电路的工作过程： 起动：按下SB2KM1线圈得电M开始转动，同时 KM1辅助常开触点闭合自锁，KM1辅助常闭触点断开，进行互锁.M处于正常运转，KS的触点闭合,为反接制动作准备。,制动：按下复合按钮SBlKMl线圈失电，KM2线圈由于KS的动合触点在转子惯性转动下仍然闭合而得电并自锁，电动机进入反接制动；当电动机

26、转速接近零时，KS的触点复位断开KM2线圈失电制动结束，停机。,电动机反接制动控制电路,2.能耗制动控制,三相笼型异步电动机切断三相电源的同时，定子绕组接通直流电源转子旋转产生感应电流感应电流使转子产生反向的电磁转矩(即制动转矩)转速为零时再将其切除。,电路的构成： 主电路：变压器T和整流器UR提供制动直流电源，KM2为制动接触器。 控制电路： 由两条控制回路 组成，一条是控制M正常运转，另一条是控制M能耗制动。 根据电动机带负载制动过程时间长短设定时间继电器KT的定时值，实现制动过程的自动控制。,能耗制动控制电路特点： 制动作用强弱与通入直流电流的大小和电动机的转速有关，在同样的转速下电流越

27、大制动作用越强，电流一定时转速越高制动力矩越大。 一般取直流电流为电动机空载电流的34倍，过大会使定子过热。 可调节整流器输出端的可变电阻R，得到合适的制动电流。,电路的工作过程： 起动：按下SB2KMl线圈得电 M开始转动，同时KMl辅助动合触点闭合自锁，KMl辅助动断触点断开，进行互锁。处于正常运转。 制动：按下复合按钮SBlKMl线圈失电电动机M脱离三相交流电源，同时其动合触点使KM2、KT线圈得电KM2主触点闭合接入直流电源进行制动转速接近零时，KT延时时间到KT延时断开的动断触点断开KM2、KT线圈失电，制动过程结束。,能耗制动：制动准确、平稳、能量消耗小。制动力较弱，需要直流电源。

28、 反接制动：制动显著，有冲击，能量消耗较大。,第五节 三相异步电动机的调速控制,调速方法：变极对数、变转差率、变频调速 变极对数：通过接触器触头来改变电动机绕组的接线方式，以获得不同的极对数来达到调速的目的。 变转差率：通过调节定子电压、改变转子电路中的电阻、采用串级调速来实现。 变频调速：改变电动机交流电源的频率而达到调速目的调速方法。,一、双速电动机的控制电路,变极电机分类：双速、三速、四速,4/2极双速电动机三相定子绕组接线示意图,不连续变速，改变变速电动机的多组定子绕组接法，可改变电动机的磁极对数，从而改变其转速。 双速电动机主电路： 定子绕组的出线端D1、D2、D3接电源，D4、D5

29、、D6悬空，绕组为三角形接法，每相绕组中两个线圈串连，成四个极，电动机为低速； 出线端D1、D2、D3短接，D4、D5、D6接电源，绕组为双星形，每相绕组中两个线圈并联，成两个极，电动机为高速。,控制电路(a)：对应主电路(1)。KMl控制低速，KMh控制高速。开关SA实现高、低速选择，转换过程中需重新按起动按钮SB2。 控制电路(b)：对应主电路(1)。复合按钮SB2和SB3实现高、低速控制，两者间可直接转换，操作方便。 控制电路(c)：对应主电路(2)。开关SA选择 “低速”时，接触器KMl动作，电动机为低速运行状态；开关SA选择“高速”时，时间继电器KT的线圈立即得电，瞬动动合触点使KM

30、l动作，电动机低速起动，限制起动电流经过设定的延时时间，KT的延时动断触点断开使KMl释放，同时KT的延时动合触点使KM得电，继而使KMh得电，电动机进入了高速运行状态。,双速电动机控制电路,(1),(2),(a),(b),(c),二、三相异步电动机的变频调速控制,（一）变频调速原理： 由电动机转速公式： n=(1-s)60f1/p1 可知，只要连续改变电动机交流电源频率f1 ，就可实现电动机的连续调速,1. 额定频率以下的调速： 1）须保证m恒定不变，即始终保持U1/f1=常数 2）调速过程中电磁转矩不变，属恒转矩调速 2. 额定频率以上的调速： 随着f1升高m将下降，n上升，属于恒功率调速

31、,异步电机变压变频调速控制特性,（二）三相异步电动机变频调速时的机械特性： 1. U1/f1=常数时的变频调速机械特性 2. U1=U1N时的变频调速机械特性,三相异步电动机变频调速时的机械特性,异步电机的变压变频调速是进行分段控制的；基频以下，采取（恒磁）恒压频比控制方式；基频以上，采取恒压（弱磁升速）控制方式。,（三）变频器（略）,第六节 电气控制线路中的保护环节,一、短路保护: 常用熔断器和低压断路器. 二、过载保护: 常用热继电器. 三、过电流保护: 常用过电流继电器与接触器配合 使用、低压断路器 四、零电压保护: 常用接触器和中间继电器 五、欠电压保护: 常用欠电压继电器. 六、弱磁

32、保护 七、超速保护,保护目的:消除有害因素;保障设备和人身安全. 保护环节:短路、过载、过电流、欠电压与零电压、弱磁保护等.,1.短路保护 电路发生短路时的危害，短路电流会 引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电 动力，使电动机和电路中的各种电气设 备产生机械性损坏， 图a为采用熔断器作短路保护的电路。 图b为采用断路器作为短路保护和过载 保护的电路。 若主电动机容量较小，主电路中的 熔断器可同时作为控制电路的短路保护 若主电动机容量较大，则控制电路 一定要单独设置短路保护熔断器。 若主电路采用三相四线制或对变压器采用中性点接地的三相三线制的供电电路中，必须采用三相短路保护。,短路电路,2. 过电流保护 不正确的起动和过大的冲击负载，常常引起电动机出现很大的过电流。 过电流的危害，导致电机损坏，引起过大的电动机转矩，使机械的转动部件受到损坏。,工作原理： 当电动