电气控制 主 编 汪明添 主 审 邵良成 西南交通大学出版社

第2章 基本电气控制线路 2.1 控制线路的原理图及接线图 2.1.1 电气图形符号、文字符号、接线标记 电气图是一种工程图，是用来描述电气控制设备结构、工作原理和技术要求的图纸。 1. 电气图中的图形符号 所谓的图形符号是一种统称，通常是指用于图样或其他文件表示一个设备或概念图形、标记或字符。图形符号由符号要素、限定符号、一般符号以及常用的非电气操作控制的动作(例如，机械控制符号等)，根据不同的具体器件等构成。 1) 符号要素 符号要素是一种具有确定意义的简单图形，必须同其他图形组合才能构成一个设备或概念的完整符号。例如，三相异步电动机是由定子、转子及各自的引线等几个符号要素构成。

2) 一般符号 用于表示同一类产品和此类产品特性的一种很简单的符号，它们是各类元器件的基本符号。例如，一般电阻器的符号。 3) 限定符号 限定符号是用以提供附加信息的一种加在其他符号上的符号。例如，在电阻器一般符号的基础上，加上不同的限定符号就可组成可变电阻器。 限定符号一般不能单独使用。一般符号有时也可以作为限定符号。例如，电容器的一般符号加到二极管的一般符号上就构成变容二极管的符号。 4)方框符号 方框符号是用以表示元件、设备等的组合及其功能，既不给出元件、设备的细节也不考虑所有连接的一种简单的图形符号。 常用电气图形、文字符号表见表2.1.1。

5)图形符号的几点说明 ①所有符号均应按无电压、无外力的正常状态示出。例如，按钮未按下，闸刀未合闸等。 ②在图形符号中，某些设备元件有多个图形符号，在选用时，应该尽可能选用优选形。在能够表达其含义的情况下，尽可能采用最简单形式，在同一图号的图中使用时，应采用同一形式。图形符号的大小和线条的粗细应基本一致。 ③为了适应不同需求，可将图形符号根据需要放大和缩小，但各符号相互问的比例应该保持不变。图形符号绘制时方位不是强制的，在不改变符号本身含义的前提下，可以将图形符号根据需要旋转或成镜像放置。 ④图形符号中导线符号可以用不同宽度的线条表示，以突出和区分某些电路或连接线。一般常将电源线或主信号导线用加粗的实线表示。

2. 电气图中的文字符号 1)基本文字符号 基本文字符号分为单字母符号和双字母符号。 ①单字母符号。单字母符号是用拉丁字母将各种电器设备、装置和元器件划分为23大类，每一个大类用一个字母表示。例如，“R”代表电阻器。 ②双字母符号。双字母符号是由一个表示种类的单字母与另一字母组成，并且是单字母在前，另一字母在后。参见表2.1.2。例如，“RP”代表电位器，而“FU”表示熔断器等。 2)辅助文字符号 辅助文字符号是用以表示电气设备、装置和元器件以及线路的功能、状态和特征的。通常也是由英文单词的前一两个字母构成。例如，“DC”代表直流。 辅助文字符号一般放在单字母文字符号后面，构成组合双字母符号。例如，“Y”是电气操作机械装置的单字母符号；“B”是代表制动的辅助文字符号，“YB”代表制动电磁铁的组合符号。

3. 电气图中的接线端子标记 三相交流电源引入线采用L1、L2、L3标记，中性线为N。电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U、V、W顺序进行标记，接地端为PE。电动机分支电路各接点标记采用三相文字代号后面加数字来表示，数字中的个位数表示电动机代号，十位数表示该支路接点的代号，从上到下按数值的大小顺序标记。如U11表示M1电动机的第一相的第一个接点代号，U21为第一相的第二个接点代号，以此类推。 电动机绕组首端分别用U1、V1、W1标记，尾端分别用U2、V2、W2标记，双绕组的中点则用 U3、V3、W3标记。 对于数台电动机，在字母前加数字来区别。如对M1电动机，其三相绕组接线端以1U、1V、1W；对M2电动机，其三相绕组接线端则标以2U、2V、2W来区别。 控制电路各线号采用三位或三位以下的数字标志，其顺序一般为从左到右，从上到下，凡是被线圈、触点、电阻、电容等元件所间隔的接线端点，都应标以不同的线号。

2.1.2 电气图的分类与作用 1. 电气原理图 电气原理图是根据控制线路工作原理绘制的。图2.1.1所示CW6132型车床的电气原理图。 1）绘制电气原理图的基本规则 ①原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出。主电路指从电源到电动机绕组的大电流通过的路径。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，由继电器的线圈和触头，接触器的线圈和辅助触点、按钮、照明灯、控制变压器等电气元件组成。通常主电路用粗实线表示，画在左边(或上部)；辅助电路用细实线表示，画在右边(或下部)。 ②各电器元件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准来画，文字符号也采用国家标准。属于同一电器的线圈和触头，都要采用同一文字符号表示。对同类型的电器，在同一电路中的表示可在文字符号后加注阿拉伯数字序号来区分。 ③同一电器元件的各部件根据需要可不画在一起，但文字符号要相同。

图2.1.1 CW6132型车床电气原理图

④所有电器的触头状态，都应按没有通电和没有外力作用时的初始开、关状态画出。例如继电器、接触器的触头，按吸引线圈不通电时的状态画。 ⑤无论是主电路还是控制电路，各电气元件一般按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或者垂直布置。 ⑥有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示， 2）图面区域的划分 电气原理图下方的1、2、3、…数字是图区编号。 图区编号上方的“电源开关及保护···”等字样，表明对应区域上方元件或电路的功能。 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， 索引代号的组成如下：

在电气原理图中，接触器和继电器线圈与触头的从属关系应用附图表示，即在原理图中相应线圈的下方，给出触头的图形符号，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，有时也可采用省去触头图形符号的表示法。 对接触器，附图中各栏的含义如下： 左栏 主触头所在区号 KM中栏 辅助常开（动合）触头所在图区号 右栏 辅助常闭（动断）触头所在图区号 对于继电器，附图中各栏的含义如下： KA 左栏 常开（动合）触头所在图区号 KT 右栏 常闭（动断）触头所在图区号

电气元件布置图主要用来表明各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维护、维修提供必要的资料。 2. 电气元件布置图 电气元件布置图主要用来表明各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维护、维修提供必要的资料。 机床电气元件布置主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操作台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。图2.1.2所示为CW6132型车床电气位置图。 图2.1.2 CW6132型车床电气位置图

3. 电气安装接线图 用电气图的方式表达的图称为接线图。 根据表达对象和用途不同，接线图有单元接线图、互连接线图和端子接线图等。编制规则主要有： 1)在接线图中，一般都应标出项目的相对位置、项目代号、端子间的电连接关系、端子号、导线号、导线类型、截面积等。 2)同一控制盘上的电气元件可直接连接，而盘内元器件与外部元器件连接时必须绕接线端子板进行。 3)接线图中各电气元件图形符号与文字符号均应以原理图为准，并保持一致。 4)互连接线图中的互连关系可用连续线、中断线或线束表示，连接导线应注明导线根数，导线截面积等。一般不表示导线实际走线途径，施工时由操作者根据实际情况选择最佳走线方式。图2.1.3所示为CW6132型车床电气互连接线图。

图2.1.3 CW6132型车床电气互连接线图

2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路 2.2.1 启动条件 电动机接通电源后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。三相鼠笼式异步电动机有全压起动和降压起动两种方式。若将额定电压直接加到电动机定子绕组上，使电动机起动，称为直接起动或全压起动。 全压起动所用电气设备少，电路简单，是一种简单、可靠、经济的起动方法。但是全压起动电流很大，可达电动机额定电流的4~7倍，过大的起动电流会使电网电压显著降低，直接影响在同一电网工作的其它设备的稳定运行，甚至使其他电动机停转或无法起动。因此，直接起动电动机的容量可由下面的经验公式来确定。 (2.2.1) 满足此条件可全压起动，通常电动机容量不超过电源变压器容量的15% ~ 20% 时或电动机容量较小时（10kW以下），允许全压起动。

在自动控制中，电动机拖动运动部件沿一个方向运动，称为单向运动。 2.2.2 单向直接启动控制线路 在自动控制中，电动机拖动运动部件沿一个方向运动，称为单向运动。 1. 刀开关控制线路 对于容量较小，并且工作要求简单的电动机，可采用手动开关在动力电路中接通电源直接起动。其控制电路如图2.2.1所示。 图2.2.1刀开关控制单向运行

点动俗称“点车”，其特点是按下按钮，电动机就转动，松开按钮，电动机就停转。它用于机床的刀架调整、试车、电动葫芦的起重电机控制等。 2. 点动控制线路 点动俗称“点车”，其特点是按下按钮，电动机就转动，松开按钮，电动机就停转。它用于机床的刀架调整、试车、电动葫芦的起重电机控制等。 图2.2.2是采用接触器控制的单向运行点动控制线路。分作主电路和控制电路两大部分，主电路由接触器的主触点接通与断开；控制电路由按钮、接触器吸引线圈组成，控制接触器线圈的通断电，实现对主电路的通断控制。 图2.2.2 接触器控制单向点动线路

3. 长动控制线路 一般生产机械要求电动机起动后能连续运行，即为长动。 图2.2.3是三相异步电动机单向连续运行控制线路。 1）电路的工作原理： 起动：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM吸引线圈通电，KM的主触点闭合，电动机M起动。同时与SB2并联的KM常开辅助触点闭合，相当于将SB2短接，所以当松开起动按钮SB2后，KM吸引线圈仍然通电，电动机继续运行，实现长动，这种依靠接触器自身的辅助触点来使其线圈保持通电的电路，称为自锁或自保电路，起自锁作用的常开辅助触点称自锁触点。 停止：按下停止按钮SB1，切断KM吸引线圈电路，使线圈失电，常开触点全部断开，切断主电路和控制电路，电动机停转。 当松开停止按钮SB1后，控制电路已经断开，只有再次按下起动按钮SB2按钮，电动机才能重新启动。

(a) 主电路 (b) 控制电路 图2.2.3 三相异步电动机单向连续运行控制线路

2）保护环节 ① 熔断器FU1、FU2分别串联在主电路和控制电路中，起短路保护作用，但是不起过载保护作用。 ② 热继电器FR具有过载保护作用。电动机在较长时间过载下FR才动作，其常闭触点断开，使接触器KM吸引线圈断电，主触点断开，切断电动机的电源，实现了过载保护。 ③ 接触器KM具有欠压和失压（零压）保护功能，此功能是依靠接触器的电磁机构来实现的。 电动机的电磁转矩与电压的平方成正比（T∝U2），电动机的转速下降，绕组电流增加。为防止电动机在欠压状态下工作的保护叫做欠压保护。当因某种原因电源电压突然消失而使电动机停转，那么，电源电压恢复时，电动机不应自行起动，否则可能造成人身事故或设备事故，这种保护称为失压保护（也称零电压保护）。 在本电路中，若电源电压降低时，接触器电磁吸力不够，接触器常开触点断开，自锁作用也解除，电动机脱离电源而停转，所以，接触器具有失压（零电压）保护功能。

4. 单向运行既能点动也能长动的控制线路 图2.2.4 (a)是带转换开关SA的长动一点动控制线路。图2.2.4 (b)是利用复合按钮实现的长动一点动控制线路。图2.2.4 (c)是利用中间继电器实现的长动一点动控制线路。因此，电动机长动与点动控制的关键环节是自锁触点是否接入。 (a) (b) (c) 图2.2.4 长动、点动控制线路

接线的原则是将各起动按钮的常开触点并联，各停止按钮的常闭触点串联，分别安装在不同的地方，即可进行多地操作。如图2.2.5所示电路。 5. 多地控制线路 接线的原则是将各起动按钮的常开触点并联，各停止按钮的常闭触点串联，分别安装在不同的地方，即可进行多地操作。如图2.2.5所示电路。 图2.2.5 多地控制线路

2.2.3 三相异步电动机正反转控制线路 根据电动机工作原理可知，只要改变电动机电源相序，即交换三相电源进线中的任意两根相线，就能改变电动机的转向。为此可用两个接触器的主触点来对调电动机定子绕组电源的任意两根接线，就可实现电动机的正反转。如图2.2.6所示为电动机的正反转控制线路。 图2.2.6中的（a）图为主电路，当接触器KM1工作时，KM1的三对主触点把三相电源和电动机的定子绕组按顺相序L1、L2、L3连接，电动机正转。当接触器KM2工作时，则KM2的三对主触点把三相电源和电动机的定子绕组按反相序L3、L2、L1连接，电动机反转。 但是，如果两个接触器同时工作，那么从图中可以看到，将由两根电源线通过它们的主触点而将电源短路了。所以对正反转控制电路最根本的要求是：保证两个接触器不能同时工作，所以线路中必须加设联锁机构。按照电动机正反转操作顺序的不同，三相异步电动机正反转控制电路分“正一停一反”和“正一反一停’’两种控制电路。

(a)主电路 (b)“正一停一反”控制电路 (c)“正一反一停”控制电路 图2.2.6 三相异步电动机正反转控制电路

1.电动机“正一停一反”控制电路 图2.2.6 (b)为电动机“正一停一反”控制电路，主电路中，KM1、KM2分别为实现正、反转的接触器主触点。为防止两个接触器同时得电而导致电源短路，利用两个接触器的常闭触点KM1、KM2分别串接在对方的工作线圈电路中，构成相互制约关系，以保证电路安全可靠的工作。这种在同一时间里两个接触器只允许其中一个接触器工作的相互制约的关系，称为“联锁”，也称为“互锁”，实现联锁的常闭辅助触点称为联锁(或互锁)触点。 2.电动机“正—反—停”控制线路 图2.2.6(c)所示为电动机“正一反一停”控制线路。 在图2.2.6(c)中采用复合按钮来控制电动机的正反转。图2.2.6(b)中由接触器KM1、KM2常闭触点实现的互锁称为“电气互锁”；图2.2.6 (c)中由复合按钮SB2、SB3常闭触点实现的互锁称为“机械互锁”。图2.2.6(c)中既有“电气互锁”，又有“机械互锁”，故称为“双重互锁” 。

3.具有自动往返的正反转控制线路 自动往返的可逆运行通常是利用行程开关来检测往返运动的相对位置，进而控制电动的正反转来实现生产机械的往复运动。 图2.2.7(a)所示为机床工作台往复运动示意图。行程开关SQ1、SQ2分别固定安装在床身上，反映运动的原位与终点。挡铁A、B固定在工作台上，SQ3、SQ4为正反向极限保护用行程开关。

(a)工作台往复运动示意图 (b)主电路 (c)控制电路 图2.2.7机床工作台自动往复运动控制线路

2.2.4 其他控制线路 1.步进控制线路 在自动控制中机械的各个动作是按程序逐次进行的，一个程序执行完成后，便自动转换到下一程序。实现这种有序的控制称为步进控制。线路的特点：以一个继电器的得电和失电去控制某一程序的开始和结束。如图2.2.8所示。 图2.2.8为依次控制4个程序的步进控制线路。图中KA1至KA4分别表示第1至第4个程序的执行继电器。SQ1和SQ4分别表示程序执行完成后所发出的信号，它可以是该程序终了时压动的行程开关，或是某些继电器的触点。本例中用行程开关作为程序终了信号。 这种步进线路是由程序执行后，发出信号实现自动转步的。在实际应用中，也可以利用时间继电器通过时间的设定发出转步信号，实现程序转换。因为这种转步要求每一程序在定时内完成，因此又称为定时步进电路。具体电路这里不作介绍。

图2.2.8 由继电器组成的步进控制线路

2. 顺序控制线路 在多机拖动系统中，各电动机所起的作用是不同的，有时需按一定的顺序起动，才能保证操作过程的合理性和工作的安全可靠。 如图2.2.9所示为几种电动机顺序控制线路。 图2.2.9(b) 电路：电动机M1起动后，KM2线圈才能得电，M2才能起动，以实现M1→M2的顺序控制要求。停机为同时停。 图2.2.9(c) 电路：M1起动后，M2才能起动的控制要求。停机无顺序要求，按下SB1为同时停机，按下SB3为M2单独停机。 图2.2.9(d)线路：M1起动后，M2才能起动；M2停转后，M1才能停转的控制，即M1、M2是顺序起动，逆序停机。 顺序控制线路连接规律：先动作的接触器常开触点串联在后动作的接触器线圈电路中。在多个停止按钮中，先停的接触器常开触点与后停的停止按钮相并联。

(b)控制电路之一 (c)控制电路之二 (d)控制电路之三 图2.2.9 电动机的顺序控制线路

2.3 三相笼型异步电动机的降压启动控制线路 所谓减压起动是指利用起动设备将电压适当降低后加到 电动机的定子绕组上进行起动，待电动机起动运转后，再使 其电压恢复到额定值正常运行。由于电流随电压的降低而减 小，从而达到限制起动电流之目的。由于电动机转矩与电压 平方成正比，故降压起动将导致电动机起动转矩大为降低。 因此降压起动适用于空载或轻载下起动。 笼型异步电动机常用的减压起动方法有四种：定子绕组 串接电阻降压起动；Y／△减压起动；自耦变压器减压起 动；延边三角形减压起动。 2.3.1 定子绕组串接电阻（电抗器）减压起动控制线路 1．定子绕组串电阻降压起动自动控制线路 如图2.3.1(a)是定子绕组串电阻降压起动自动控制线路。电动机起动时在三相定子绕组中串接电阻，使定子绕组上电压降低，起动结束后再将电阻短接，使电动机在额定电压下运行。图中KM1为接通电源接触器，KM2为短接电阻接触器，KT为起动时间继电器，R为降压起动电阻。

(a) (b) 图2.3.1 定子绕组串电阻降压起动控制线路

(c) (d) 图2.3.1 定子绕组串电阻降压起动控制线路

本电路正常工作时，KM1、KM2、KT均工作，不但消耗了电能，而且增加了出现故障的可能性。若发生时间继电器KT常开触点不动作的故障，将使电动机长期在降压下运行，造成电动机无法正常工作，甚至烧毁电机。若在电路中作适当修改，可使电动机起动后，只有KM2工作，KM1、KT均断电，可以达到减少回路损耗的目的。 图2.3.1(b)的线路就解决了这个问题。当KM2线圈得电后，其常闭触点将断开，使KM1线圈断电并失去自保，从而使时间继电器KT断电。即电动机正常工作时，只有KM2线圈通电工作。其具体的工作原理请读者自行分析。

2．具有手动与自动控制的定子绕组串电阻降压起动控制线路 如图2.3.1(d)为具有手动与自动控制的定子绕组串电阻降压起动控制线路。它是在图2.3.1(c)控制线路的基础上增加了一个选择开关SA，其手柄有两个位置，当手柄置于M位置时为手动控制，当手柄置于A位置时为自动控制。增设了升压控制按钮SB3，用于完成电动机进入全压运行的控制。在主电路中KM2主触点跨接在KM1与电阻R两端，在控制回路中设置了KM2自锁触点与联锁触点，这就提高了电路的可靠性。

2.3.2 Y—△降压起动控制线路 凡是正常运行过程中定子绕组接成三角形的三相异步电动机均可采用Y―△减压起动方式来达到限制起动电流的目的，其原理是：起动时，定子绕组首先接成Y型，待转速达到一定值后，再将定子绕组换接成△形，电动机便进入全压正常运行。 Y―△降压起动方式限制起动电流的原理是，当定子绕组接成Y形时，定子每相绕组上得到的电压是额定电的 ，使IY线=1/3 I△线，星形起动时的线电流比三角形直接起动时的线电流降低3倍，从而达到降压起动的目。但由于起动转矩也随之降至全压起动的1／3，故Y一△降压起动仅适用于空载或轻载起动。 常用的Y―△降压起动控制线路有以下几种： 1．两个接触器控制的Y—△降压起动控制线路 图2.3.2所示为电动机容量在4～13kW时采用的控制线路。

(a)主电路 (b)控制电路 图2.3.2 两个接触器控制的Y—△降压起动的控制线路

2. 三个接触器控制的Y—△降压起动控制线路 如图2.3.3所示为三个接触器控制的鼠笼式电动机Y—△ 降压起动的控制线路。 当电动机容量在13kW以上时，可以采用本电路。图中，KM1为电源接触器，KM2为△形联结接触器，KM3为Y形联结接触器，KT为通电延时时间继电器。KM2的常闭触点串接在KM1和KT的线圈回路中，KM3的常闭触点串接在KM2的线圈回路中，以实现互锁。 线路中用了通电延时时间继电器KT的两个延时触点：一个是通电延时断开的常闭触点，一个是通电延时闭合的常开触点。电动机起动时，接触器KM1和KM3工作，电动机接成Y形联结起动；电动机运行时，接触器KM3释放，KM1和KM2工作，电动机接成△形联结运行。

(a)主电路 (b)控制电路 图2.3.3 三个接触器控制的Y—△降压起动控制线路

2.3.3 自耦变压器降压起动控制线路 电动机在启动时，先经自耦降压器降压，限制启动电流，当转速接近额定转速时，切除自耦变压器转入全压运行。 电动机降压启动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次侧电压U2，自耦变压器变压比K=U1／U2＞1，由电机原理可知：当利用自耦变压器将启动时电压降为额定电压的1／K时，电网供给的启动电流减小到1／K2，当然，启动转矩也降为直接启动的1／K2。所以自耦变压器降压启动常用于空载或轻载启动。 实际应用中，常用的自耦变压器启动方法是采用成品的补偿减压启动器。补偿降压启动器包括手动、自动操作两种形式。手动操作的补偿器有QJ3、QJ5、QJl0等型号，其中QJl0系列手动补偿器用于控制10～75 kW八种容量电动机的启动。自动操作的补偿器有XJ01型和CTZ系列等。XJ01型补偿降压启动器适用于14～28 kW电动机，其控制线路如图2.3.4所示。

(a)主电路 (b)控制电路 图2.3.4 XJ01型自动补偿器降压启动控制线路

2.3.4 延边三角形降压起动控制线路 如何克服Y―△降压起动控制线路的起动转矩小的缺 点，同时又保持不用增加起动设备，能得到比较高的起动 转矩呢?延边三角形降压起动方式可以达到上述要求。 1. 延边三角形降压起动控制线路原理 一般的电动机定子绕组为六个出线头(接线头)：V1、U1、W1、W2、U2、V2。延边三角形降压起动电动机三相绕组多了一组中心抽头V3、U3、W3。 起动时，三相绕组的一部分接成三角形，另一部分接成星形，使绕组接成延边三角形，如图2.3.5(b)所示，U3―W2、W3―V2、V3―U2相连，而U1、V1、W1分别接成三相电源Ll、L2、L3。整个绕组接成了一个延长了边的三角形，所以称为延边三角形，由于三相绕组接成了延边三角形，每相绕组所承受的电压比三角形接法时的相电压要低，比星形接法时的相电压要高，介于220～380V之间，起动转矩也大于星形起动时的起动转矩。

(a) 原始状态 (b)延边三角形（启动时） (c)三角形（正常运行时） 图2.3.5延边三角形接法的电动机定子绕组

这种起动方法的起动电压和电流转矩的大小取决于每相绕组的两部分阻抗的比值—定子绕组的抽头比。定子绕组的抽头比就是三条延长边中任何一条边的匝数N1与内三角部分绕组的匝数N2之比，当N1／N2=1/1，电源线电压为380 V，则相电压为264 V。当N1／N2=1/2，线电压为380 V，则相电压为290 V。 从上述数据看出，改变三角形连接时的定子绕组的抽头比，能够改变相电压的大小，从而达到改变或者调节起动转矩的目的 。 2.运行过程 起动过程结束，电动机的转速达到一定值时，再将三相绕组接成三角形，如图2.3.5(c)所示。U1―W2，V1―U2，W1―V2相连后并分别接三相电源L1、L2、L3。 3.延边三角形降压起动线路 图2.3.6为延边三角形降压起动控制线路。

图2.3.6 延边三角形降压起动控制线路

2.4 三相绕线式异步电动机起动控制线路 三相绕线式异步电动机的转子中有三相绕组，通过滑环可以在转子电路中串接外加电阻或频敏变阻器，从而达到减小起动电流和提高起动转矩的目的。按照起动过程中转子串接装置的不同，分为串电阻起动和串频敏变阻器起动两种起动方式。 2.4.1 转子绕组串电阻起动控制线路 串接在转子回路中的起动电阻，一般均接成星形。起动时，起动电阻全部接入，起动过程中，起动电阻逐段被短接。电阻短接的方式有三相电阻平衡短接法和三相电阻不平衡短接法。用接触器控制被短接电阻时，都采用平衡短接法。所谓平衡短接，指转子每相起动电阻同时被短接。不平衡短接，指转子每相起动电阻按先后顺序被短接。常采用凸轮控制器来短接电阻。 绕线式异步电动机转子回路串电阻起动主要有两种：一种是按过程中转子电流变化的电流原则逐段切除转子外加电阻，另一种是按所需起动时间的时间原则逐段切除转子外加电阻。

1．电流原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路 如图2. 4 1．电流原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路 如图2.4.1是电流继电器控制绕线式异步电动机转子串电阻三级起动控制线路。图中KM4为电源接触器；KM1、KM2、KM3为短接转子电阻接触器；R1、R2、R3为转子外接电阻；KA为中间继电器；KI1、KI2、KI3为欠电流继电器，在起动瞬间，转子转速为零，转子电流最大，三个电流继电器同时全部吸合，随着转子转速的逐渐提高，转子电流逐渐减小， KI1、KI2、KI3依次动作，完成逐段切除起动电阻的工作。

图2.4.1 电流原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路 (a)主电路 (b)控制电路

2．时间原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路 如图2.4.2是时间继电器控制绕线式异步电动机转子串电阻三级起动控制线路。图中KM4为电源接触器；KM1、KM2、KM3为短接转子电阻接触器；R1、R2、R3为转子外接电阻； KT1、KT2、KT3为通电延时时间继电器。转子回路三段起动电阻的短接是靠 KT1、KT2、KT3三个时间继电器和KM1、KM2、KM3三个接触器的相互配合来完成的。 本控制线路设置了保证电动机正常起动与延长有关电器寿命的两项措施。其一，接触器KM1、KM2、KM3的常闭触点与起动按钮SB2相串联，可以保证只有在转子电路已经接入全部电阻的条件下，方能进行电动机的起动。其二，利用接触器KM3的常闭触点设置对时间继电器KT1线圈回路的互锁，确保当KM3通电后使电路中的KT1、KT2、KT3、KM1和KM2均断电。

(a) 主电路 (b) 控制电路 图2.4.2 时间原则控制绕线式异步电动机转子串电阻起动控制线路

2.4.2 转子绕组串接频敏变阻器起动控制线路 绕线异步电动机转子回路串接电阻的起动方法：在电动机起动过程中，由于逐段减小电阻，电流和转矩突然增加，会产生一定的机械冲击；同时，由于串接电阻起动线路复杂，工作很不可靠，而且电阻本身比较笨重，能耗大，控制箱体积较大，为此，采用频敏变阻器来替代转子电阻器。频敏变阻器的阻抗能够随着转子电流频率的下降自动减小，所以它是绕线转子异步电动机较为理想的一种起动设备。常用于较大容量的绕线式异步电动机的起动控制。 1.频敏变阻器的工作原理 频敏变阻器实质上是一个铁芯损耗非常大的三相电抗器。在第一章已概要性地介绍了频敏变阻器的结构、原理。它由数片E型钢板叠成，具有铁芯、线圈两个部分，制成开起式，并采用星形接线，将其串接在转子回路中，相当于转子绕组接入一个铁损较大的电抗器，这时的转子等效电路如图2.4.3所示，图中Rd为绕组直流电阻，R为铁损等值电阻，L为等值电感，R、L值与转子电流频率相关。

图2.4.3频敏变阻器的等效电路

在起动过程中，转子频率是变化的，刚起动时，转速n等于零，转子电动势频率f2以最高(f2 = f1=50 Hz)，此时频敏变阻器的电感与电阻均为最大，因此，转子电流相应受到抑制，由于定子电流取决于转子电流，从而使定子电流不致很大。又由于起动中串入转子电路中的频敏变阻器的等效电阻和等效电抗是同步变化的，因而其转子电路的功率因数基本不变，从而保证有足够的起动转矩，这是采用频敏变阻器的另一优点。当转速逐渐上升时，转子频率逐渐减小，当电动机运行正常时以很低，(为5％～10％f1)，又由于其阻抗与f2平方成正比，所以其阻抗变得很小。 2.采用频敏变阻器的起动控制线路 图2.4.4是采用频敏变阻器的起动控制线路，该线路可以实现自动和手动控制，自动控制时将开关SA扳向“自动”位置，当按下起动按钮SB2，利用时间继电器KT、控制中间继电器KA和接触器KM2的动作，在适当的时间将频敏变阻器短接。开关SA扳到“手动”位置时，时间继电器KT不起作用，利用按钮SB3手动控制中间继电器KA和接触器KM2的动作。

图2.4.4 串频敏变阻器的控制线路

3．频敏变阻器的调整 （1）起动电流、起动转矩、以及电动机完成起动过程的时间的调整，均可通过换接抽头，改变匝数的方法来实现。如起动电流过小、起动转矩过小、完成起动时间过长时，可减少频敏变阻器的匝数。 （2）如果刚起动时，起动转矩过大，有机械冲击现象，而起动完毕后，稳定转速又偏低时，应将上、下铁心的气隙调大。具体方法是拧开铁心的拉紧螺栓，在上、下铁心之间增加非磁性垫片。气隙的增大虽使起动电流有所增加，起动转矩稍有减小，但是起动完毕后电动机的转矩会增加，而且稳定运行时的转速也会得到相应的提高。 2.5 三相异步电动机的制动控制线路 使电动机迅速、准确停车的措施，称之为制动。电动机常用 的制动方法有机械制动和电气制动两大类。 2.5.1机械制动 利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法称为机械 制动。机械制动常用的方法有电磁抱闸制动和电磁离合器制动。

电磁抱闸制动装置由电磁操作机构和弹簧力机械抱闸机构组成，图2.5.1为电磁抱闸控制电路。 1. 电磁抱闸制动 电磁抱闸制动装置由电磁操作机构和弹簧力机械抱闸机构组成，图2.5.1为电磁抱闸控制电路。 图2.5.1 电磁抱闸控制电路

2．电磁离合器制动 电磁离合器常用于电气转动和机械制动，用于机械摩擦制动的电磁离合器的动作原理如图2.5.2所示。电磁离合器由电磁机构和动、静摩擦片组成，电磁机构静铁心固定，动铁心与静摩擦片相连，动摩擦片与电动机传动轴通过键和法兰连接。 图2.5.2 电磁离合器的动作原理图 1—静铁心；2—动铁心；3—励磁线圈；4—静摩擦片；5—动摩擦片；6—制动弹簧；7—法兰；8—绳轮轴；9—键

2.5.2 电气制动控制 电气制动是在电动机上产生一个与原转动方向相反的电磁制动转矩，迫使电动机迅速停转。用于快速停车的电气制动方法有反接制动、能耗制动和电容制动。 1.反接制动控制线路 反接制动是利用改变电动机定子电路的电源相序，产生反向转矩，使电动机迅速停机。具体做法就是在切断电动机三相电源的同时，接入反相序电源，即交换电动机定子绕组任意两相电源线的接线顺序，使旋转磁场方向与电动机原来的旋转方向相反，从而产生与转子旋转方向相反的制动转矩，使转子转速很快下降为零，当电动机转速接近零时，立即切断电源以免电动机反转。 为减小制动冲击和防止电动机过热，应在电动机定子电路中串接一定阻值的反接制动电阻。同时，在采用反接制动方法时，还应在电动机转速接近零时，及时切断反向电源，以避免电动机反向再启动。通常用速度继电器来检测电动机转速变化，并自动控制及时切断电源。

如图2.5.3所示为鼠笼式电动机单向运行反接制动的控制线路。 1）单向反接制动控制线路 如图2.5.3所示为鼠笼式电动机单向运行反接制动的控制线路。 图2.5.3 单向运行反接制动的控制线路

2）双向运行的反接制动控制线路 如图2.5.4所示为三相鼠笼式电动机双向运行反接制动的控制线路。图中KM1、KM2为双向运行接触器，KM3为短接电阻的接触器，R为反接制动电阻；KA1、KA2、KA3为中间继电器，KS为速度继电器，其中KS1为正转闭合的常开触点，KS2为反转闭合的常开触点。工作原理如下： 正转起动时，合上电源开关QS，按下正转起动按钮SB2。 制动时，按下停止按钮SB1。 在该反接制动控制电路中，电阻R是制动电阻，同时也具有限制起动电流的作用；热继电器FR接于图中所示位置，起动或制动时均被被短接，确保热继电器不会受到起动电流或制动电流的影响而误动作。

(a) 主电路 (b) 控制电路 图2.5.4 双向运行反接制动的控制线路

2. 能耗制动 能耗制动是指在电动机脱离三相电源之后，给定子绕组任意二相中通入直流电源，以产生直流磁场。利用转子感应电流与直流磁场的作用而达到制动。如图2,5.5所示。 图2.5.5 能耗制动原理图

1）时间原则控制的单向能耗制动控制线路 能耗制动根据时间原则，可用时间继电器来控制。图2.5.6为时间原则控制的单向能耗制动控制线路。图中KM1为单向运行接触器，KM2为能耗制动接触器，KT为时间继电器，T为整流变压器，VC为桥式整流器。 在本电路中，KM2的自锁触点和KT瞬时常开触点相串接，有两个作用，其一、可保证在时间继电器KT发生线圈断线或机械卡住故障时，不致使KM2线圈和定子绕组长期通电；其二、使电路具有手动控制能耗制动的能力，只要压住停止按钮SB1电动机就能实现能耗制动。

(a) 主电路 (b) 控制电路 图2.5.6 时间原则控制的单向能耗制动控制线路

2）速度原则控制的双向运行能耗制动控制线路 能耗制动根据速度原则，可用速度继电器来控制。图2.5.7为速度原则控制的双向能耗制动控制线路。图中KM1、KM2为双向运行接触器，KM3为能耗制动接触器，KS为速度继电器，TC为整流变压器，VC为桥式整流器。 工作如下：在电动机作正向运行时，若需停车，可按下停止按钮SB1，直流电源加到定子绕组，电动机进行正向能耗制动，转子正向转速迅速下降，当降至100r/min时，速度继电器正转闭合的常开触点KS1断开，能耗制动结束。反向起动与反向能耗制动过程和上述正向情况相同。 3）单管能耗制动控制线路 上述两种能耗制动控制电路所需要的直流电源，由带变压器的桥式整流电路提供，为精减能耗制动控制电路的附加设备，对于制动要求不太高、功率在10kW以下的电动机，可采用如图2.5.8所示的无变压器单管能耗制动控制电路，图中KM1为运行接触器，KM2为制动接触器，KT为时间继电器，VD为整流二极管，R为限流电阻。

(a) 主电路 (b) 控制电路 图2.5.7　速度原则控制的双向能耗制动控制线路

(a) 主电路 (b) 控制电路 图2.5.8无变压器单管能耗制动控制电路

3. 三相异步电动机电容制动控制 电容制动是在切断三相异步电动机的交流电源后，在定子绕组上接入电容器，转子内剩磁切割定子绕组产生感应电流，向电容器充电，充电电流在定子绕组中形成磁场，该磁场与转子感应电流相互作用，产生与转向相反的制动力矩，使电动机迅速停转。电容制动控制线路如图2.5.9所示。 电容制动是一种制动迅速、能量损耗小、设备简单、控制方便的方法，一般用于10 kW以下的小容量电动机制动控制，特别适用于存在机械摩擦和阻尼的生产机械和需要多台电动机同时制动的场合。

图2.5.9 电容制动控制线路

2.6 电液控制线路 根据流体介质的不同，液压机械又分为水压和油压两种，常用的多为油压机械。电液控制是指利用电气控制技术按照拖动系统的动作要求对液压传动系统进行控制。 2.6.1液压系统的基础 液压动力滑台主要由滑台、滑座、油缸、油箱等部件组成，流体介质为压力油，是一个典型的基本液压传动系统。 液压传动系统主要由动力装置 (液压泵和驱动电动机)、执行机构(液压缸或液压马达)、控制调节装置(压力阀、调速阀、换向阀等)、辅助装置(油箱、油管、过滤器等)等四部分组成。 液压泵作为液压系统的动力装置，通常在电动机的驱动下工作，用以将油箱中的油泵入相应管路；调节及换向阀可以改变液体油的流向及速度；液压缸(叉简称为油缸)在压力液体的作用下推动缸中的活塞作直线进给和后退，液压马达则将活塞的直线运动转换为旋转运动，通过液压缸中的活塞和液压马达带动机械运动装置作直线或旋转运动；各种液压器件和其他辅助器件一起构成一个完整的液压传动系统。

电磁换向阀是由电磁铁、阀芯和阀体等部分组成，常用的电磁换向阀有二位二通等类型。其中“通”指的是阀门上液体管道的根数；“位”指的是换向阀的工作位置，用方框来表示，方框内的符号表示阀门在该工位的工作状态，“↑”符号表示为液体的通路，“┷”是液体阻塞符号。液压系统常见的图形及文字符号如图2.6.1所示。图(a)为二位二通电磁换向阀，在弹簧力的作用下，该阀工作在右侧工位上，阀门液路畅通，在电磁铁YA的作用下，换向阀工作在左侧工位，该阀门液路阻塞。又如，三位换向阀有三个工位，左右各有一个电磁铁线圈，左侧电磁铁线圈通电时，换向阀工作在左侧工位，右侧电磁铁线圈逋电时，换向阀工作在右侧工位。左、右两侧电磁铁均不通电时，换向阀工作在中间工位。图(b)为压力阀(又称溢流阀)的图形符号，压力阀的虚线表示控制油潞，当控制油路压力超过弹簧力时，阀芯移动使压力阀油路接通，多余液体流出，维持管道液体压力恒定。图(c)为节流阀图形符号，方框中两圆弧表示节流孔道，调节节流孔的大小时，液体流量改变；液体推进活塞(油缸)运动的速度也将改变，所以又称调速阀。

(a) 换向阀 (b) 压力阀 (c)节流阀 图2.6.1 液压系统常见的图形及文字符号 2.6.2 液压动力滑台的自动循环控制 动力滑台是组合机床中用来完成进给运动的动力部件，常见的动力滑台有机械动力滑台和液压动力滑台两种形式。图2.6.2是液压动力滑台的液压原理和工步图，图中液压动力滑台一次自动循环进给的工步由快进、工进、止挡铁停留、快退等状态组成。

图2.6.2 液压动力滑台的液压系统图

液压泵电动机起动工作时，若电磁铁线圈YA1、YA2、YA3均不通电时，压力油经电磁换向阀 YV1(三位五通)的中间工位流回油箱，液压缸的活塞及滑台静止不动。 滑台快进 电磁铁线圈YA1、YA3通电，油泵泵出的压力油经YV1(三位五通电磁换向阀)左侧工位流入液压缸活塞左腔，活塞右腔回油经电磁换向阀YV2．(二位二通)左侧工位也流入液压缸活塞左腔，液压缸的活塞带动滑台从左向右快进。 滑台工进 电磁铁线圈YA1通电，电磁换向阀YV1仍工作在左侧工位；电磁换向阀YV2的电磁铁线圈YA3断电，工作在右侧工位，该阀液路阻塞，液压缸活塞右腔回油必须经过滤网、调速阀(节流阀)流回油箱，回油速度受到抑制，液压缸的活塞带动滑台从左向右，以机加工的速度进给(工进)。 止挡铁停留 滑台工进到活塞被止挡铁挡住时，滑台停滞不前，油泵在继续工作，管道中油的压力提高，使溢流阀开通工作，保持管道压力恒定，滑台在端部短时停留。 滑台快退 当电磁铁换向阀YV1的电磁铁YA2通电时，YV1工作在右侧工位，压力油进入液压缸活塞右腔，左腔回液直接经电磁换向阀YV1返回油箱，活塞带动滑台从右向左快速退回。

液压动力滑台的自动循环控制电路如图2.6.3所示。一次工作循环自动控制过程分析如下： 图2.6.3 液压动力滑台的自动循环控制图

2.7 电气控制电路中常用的保护环节 1.短路保护 电动机绕组的绝缘导线的绝缘损坏或线路发生故障会造成短路现象。短路时电路电流剧增，将导致产生过大的热量，使同一线路上电机、电器及导线绝缘损坏。因此，当电路出现短路电流或者数值接近短路电流时，应立即切断电源。常用的短路保护装置是熔断器和自动开关。 熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路发生短路时，短路电流流过熔体，使之被加热，部分熔体熔解汽化而被熔断，使电源切断达到保护目的。由于熔断器的熔体受老化、环境温度等因素的影响，其动作值不太稳定，用其保护电动机时，可能只有一相熔断器熔断而造成单相运行。因此熔断器常用于动作准确度要求不太高和自动化程度较低系统中。 自动开关用作低压(500 V以下)配电的总电源开关，一旦出现短路，其电流线圈动作会将三相电源同时切断。此外，它还兼有过载、欠压保护。自动开关广泛应用于要求较高的场合，但其结构复杂、操作频率低，价格也较贵。

2.过电流保护 常用的保护装置有自动开关或过电流继电器。图2.7.1为使用过电流继电器实现过电流保护的原理图。由于三相鼠笼电动机本身启动电流较大，因此一般不采用过电流保护，而采用短路保护和过载保护。应当说明的是，在直流电动机或绕线式异步电动机线路中，过电流继电器同时起着短路保护作用。 图2.7.1 过电流保护线路

3.过载保护 过载保护又称热保护。电动机出现过载的主要原因有机械负载超过额定值，以及三相电源断掉一相、欠压运行等。在这种情况下，连续运行的电动机由于电流大于其额定值，使电动机发热；当温升超过其允许值时，甚至将电动机烧毁。常用的过载保护装置为热继电器。 4.零电压和欠电压保护 为了防止电压恢复时电动机自行启动的保护叫零电压保护。 为防止电动机在欠压下工作的保护叫做欠压保护。 零电压和欠电压保护就是当电动机的电源电压下降到一定允许值以下时，立即将电源自动切断，以使电动机脱离电网。待电压恢复正常后再重新启动。 带有自锁环节的电路本身已具备了欠压或零压保护。 为了实现欠压保护也可采用欠电压继电器。将欠电压继电器线圈直接跨接在定子的两相电源线上，用来检测电压大小。当电源电压降低到一定值时线圈释放，切断整个控制电路。

5.弱磁保护 直流电动机使用中一个重要问题是要求在电动机运行时，励磁电流不能突然消失或减少很多；否则将会使电枢电流急剧增加，造成严重后果。过大的电枢电流所产生的电磁转矩使电动机转速迅速升高，甚至发生“飞车”。因此需要弱磁保护。弱磁保护是通过在电动机励磁回路中串入欠电流继电器来实现的。在电动机运行中，如果励磁电流消失或降低太多，欠电流继电器线圈就会断电，其触点切断主电路接触器线圈，使电动机断电停车。 6.超速保护 有些控制系统为了防止生产机械运行超过预定允许的速度，一般超速保护用离心开关来完成，也有用测速发电机的。 除上述主要保护外，控制系统中还有其他各种保护，如行程保护、油压保护和油温保护等，这些一般都是在控制电路中串接一个受这些参量控制的常开触点或常闭触点来实现对控制电路的电源控制。

第二章完