电气控制电路基本环节.docx

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电气控制电路基本环节

第二章电气控制电路基本环节

主要内容：

电气控制系统图的基本知识，三相异步电动机的起动、联锁、制动控制和保护环节。

重点：

电气原理图的读图和分析方法，电动机的点动控制、连续运转控制、正反转控制、自动循环控制、顺序控制等基本控制电路和控制规律。

在工业、农业、交通运输等部门中，广泛使用着各种生产机械，它们大都以电动机作为动力来进行拖动。

电动机是通过某种自动控制方式来进行控制的，最常见的是继电接触器控制方式。

电气控制线路是把各种有触头的接触器、继电器、按钮、行程开关等电气元件，用导线按一定方式连接起来组成的控制线路。

它的作用是：

实现对电力拖动系统的起动、调速、反转和制动等运行性能的控制，实现对拖动系统的保护，满足生产工艺要求，实现生产过程自动化。

优点：

电路图直观形象，装置结构简单，价格便宜，抗干扰能力强，广泛应用于各类生产设备及控制、远距离控制和生产过程自动控制。

缺点：

由于采用固定的接线方式，其通用性、灵活性较差，不能实现系列化生产；由于采用有触头的开关电器，触头易发生故障，维修量较大等。

第一节电气控制系统图

为了清晰地表达生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，便于电气系统的安装、调试、使用和维护，将电气控制系统中各电气元件及其连接线路用一定的图形符号和文字符号表达出来，这就是电气控制系统图。

常用的电气控制系统图有电气原理图、安装接线图和电器元件布置图三种。

一、电气原理图

电气原理图是根据工作原理而绘制的，不反映元器件的实际位置、大小，只反映元器件之间的连接关系，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析电路的工作原理等优点。

（一）绘制电气原理图的原则

1．电气原理图的组成

电气原理图可分为主电路和辅助电路。

主电路是从电源到电动机或线路末端的电路，是强电流通过的电路。

辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，是小电流通过的电路。

绘制电路图时，主电路用粗线条绘制在原理图的左侧或上方，辅助电路用细线条绘制在原理图的右侧或下方。

2．原理图中电气元器件的画法

电路中各电气元器件均不画实际的外形图，只在原理图中表示出其带电部件，同一电气元件的不同带电部件按在电路中的连接关系分别画出，但必须采用国家标准规定的图形符号画出，并采用国家标准中规定的同一文字符号标明。

对于几个同类电器，在表示名称的文字符号之后加上数字序号，以示区别。

3．原理图中电气触头的画法

原理图中所有电气触头均按没有外力作用时或未通电时触头的自然状态画出。

当电气触头的图形符号垂直放置时，以“左开右闭”原则绘制，当图形符号为水平放置时，以“下开上闭”原则绘制。

4．原理图的布局

电气原理图按功能布局法安排，即同一功能的电气元件集中画在一起，且尽可能按电路动作顺序从上而下或自左至右的原则绘制。

5．线路连接点、交叉点的绘制

在电路图中，对于需要测试和拆接的外部引线的端子，采用“空心圆”表示；有直接电联系的导线联接点，用“实心圆”表示；无直接电联系的导线交叉点不画黑圆点，但在电气图中应尽量避免线条的交叉。

6．原理图的绘制要求

原理图的绘制要层次分明，各电器元件及触头的安排要合理，既要做到所用元件、触头最少，耗能最少，又要保证电路运行可靠，节省连接导线以及安装、维修方便。

（二）关于图面区域的划分

将图分成若干图区，每个分区竖边用大写的拉丁字母编号，横边用阿拉伯数字编号。

编号的顺序应从与标题栏相对应的图幅的左上角开始，有时为了分析方便，也把数字区放在图的下面。

为了方便读图，利于理解电路工作原理，还常在图面区域对应的原理图上方标明该区域的元件或电路的功能。

（三）接触器、继电器触头位置的检索

电气原理图中，在继电器、接触器线圈的下方注有该继电器、接触器相应触头所在图中位置的索引代号，索引代号用图区号表示。

（四）电气原理图中技术数据的标注

电气原理图中各电气元件的相关数据和型号，常在电气元件文字符号下面标注。

如教材图2-1中热继电器文字符号FR下方标有6.8-11A，该数据即为该热继电器的动作电流值范围，而8.4A为该继电器的整定电流值。

二、安装接线图

电气设备的安装接线图，是为了进行电器元件的安装接线、线路检查、线路维修和故障处理而绘制的。

该图应表明电气设备中各电器元件的空间位置，各电器元件的联接情况，而电器元件的联接情况应严格按照电气原理图进行。

电气安装接线图的绘制原则：

1）电气安装接线图中各电气元器件的布置位置均按安装实际情况绘出，元器件所占图面按实际尺寸以统一比例绘制。

2）一个电气元器件中的带电部件，如接触器的线圈、主触头和辅助触头应画在一起，并用点划线框起来，即采用集中表示法。

3）各电气元器件的图形符号、文字符号必须与电气原理图一致，并符合国家标准。

4）各电气元器件上凡需接线的部件端子都应绘出，并予以编号，各端子的标号必须与电气原理图上的导线编号一致。

5）安装接线图中走向相同的多根导线可用单线或线束表示。

CW6132型车床电气安装接线图

三、电器元件布置图

电器元件布置图用来表明电气设备上所有电动机和各电器元件的实际位置。

电器布置图根据电气元器件的外型尺寸绘出，并标明各元器件间距尺寸。

如右图为CW6132型车床电器位置图。

相关国家标准：

✓GB4728—85《电气图常用图形符号》

✓GB5226—85《机床电气设备通用技术条件》

✓GB7159—87《电气技术中的文字符号制定通则》

✓GB6988—86《电气制图》

✓GB5094—85《电气技术中的项目代号》

第二节三相笼式异步电动机的起动控制

笼型三相异步电动机的起动、停止控制线路是应用最广泛的、也是最基本的控制线路。

笼形异步电动机有直接起动和降压起动两种方式，我们分别介绍相应的电气控制线路。

一、直接起动控制

（一）单向旋转直接起动控制

1、开关控制线路

用闸刀开关、转换开关或断路器控制电动机起动和停止，是最简单的手动单向控制线路。

这种控制方式只能适用于容量较小、起动不频繁的电动机，且不能实现远距离控制。

2、接触器控制线路

（1）点动控制

（2）接触器自锁控制（连续运转）

（3）连续与点动混合控制

点动控制按钮：

SB3；连续控制按钮：

SB1

二、可逆旋转控制（正反转）

电动机原理：

改变电动机三相电源的相序，可改变电动机的旋转方向

电路形式：

✓转换开关控制的正反转

✓按钮、接触器控制的正反转

✓位置控制

1.倒顺开关控制正反转控制电路

Ø应用：

5.5KW以下的电动机电路，直接控制电动机正反转。

2.按钮控制正反转控制电路

接触器联锁控制按钮联锁控制

3.位置开关控制

有些生产机械如万能铣床，要求工作台在一定距离内能自动往返，通常利用行程开关控制电动机正反转实现。

二、降压起动控制线路

降压起动的实质：

起动时减小加在定子绕组上的电压，以减小起动电流；起动后再将电压恢复到额定值，电动机进入正常工作状态。

降压起动的方法：

定子绕组串电阻（电抗）起动；自耦变压器降压起动；Y—△降压起动；延边三角形降压起动。

（一）自耦变压器降压起动控制

电动机自耦变压器降压起动是将自耦变压器原边接在电网上，起动时定子绕组接在自耦变压器副边上。

这样，电动机起动时获得的电压为自耦变压器的二次电压。

待电动机转速接近电动机额定转速时，再将电动机定子绕组接在电网上即电动机额定电压上进入正常运转。

此种起动方式适用于较大容量电动机的空载或轻载起动，在自耦变压器二次绕组上有多组抽头，供不同起动场合选用。

1.按钮、接触器控制自耦变压器降压起动

2.时间继电器控制自耦变压器降压起动

（二）星形——三角形降压起动控制

指电动机起动时，把定子绕组接成星形，以降低起动电压，减小起动电流；待电动机起动后，再把定子绕组改接成三角形，使电动机全压运行。

Y—△起动只能用于正常运行时为△形接法的电动机。

时间继电器控制Y—△降压起动－－－三个接触器控制

第三节三相绕线式异步电动机的起动控制

绕线异步电动机的优点：

可以在转子绕组中串接电阻来改善电动机的机械特性，从而达到减小起动电流、增大起动转矩及平滑调速之目的。

绕线异步电动机降压起动原理：

起动时，在转子回路中串入三相起动变阻器，并把起动电阻调到最大值，以减小起动电流，增大起动转矩。

随着电动机转速的升高，起动电阻逐级减小。

起动完毕后，起动电阻减小到零，转子绕组被短接，电动机在额定状态下运行。

一、按时间原则控制转子串电阻起动线路

KT1、KT2、KT3分别控制三个接触器KM2、KM3、KM4按顺序依次吸合，自动切除转子绕组中的三级电阻。

二、按电流原则控制转子串电阻起动线路

三个欠电流继电器的线圈串接在转子回路中，电流继电器的吸合电流一样，但释放电流不同，KA1的释放电流最大，KA2其次，KA3最小。

第四节三相异步电动机的联锁控制

凡是生产线上某些环节或一台设备的某些部件之间具有互相制约或互相配台的控制，均称为联锁控制。

前面已介绍了自锁控制、互锁控制，本节再介绍多地联锁控制和顺序联锁控制。

一、多地联锁控制

在两地或多地控制同一台电动机的控制方式。

Ø连接原则：

起动（常开）按钮并联；停止（常闭）按钮串联

二、顺序联锁控制

要求几台电动机的起动或停止按一定的先后顺序来完成的控制方式。

顺序起动分别停止控制：

顺序起动逆序停止控制：

按时间原则的顺序联锁控制：

第五节三相异步电动机的制动控制

Ø停机制动类型：

机械制动--应用最多的是电磁抱闸制动

电气制动--电动机产生一个与转子转动方向相反的力矩来进行制动

Ø常用的电气制动：

反接制动、能耗制动

一、电源反接制动控制电路

原理：

改变电动机电源相序，使定子绕组产生反向的旋转磁场，形成制动转矩。

要求：

10kW以上电动机的定子电路中串入反接制动电阻，转速接近于零时，及时切断反相序电源，防止反向再起动。

1.单向反接制动的控制

关键是电动机电源相序的改变，且当转速下降接近于零时，能自动将电源切除。

2.可逆运行的反接制动控制

二、能耗制动控制

Ø原理：

电动机脱离三相交流电源后，在定子绕组加直流电源，以产生起阻止旋转作用的静止磁场，达到制动的目的。

Ø特点（与反接制动相比）：

✓消耗的能量小，其制动电流要小得多；

✓适用于电动机能量较大，要求制动平稳和制动频繁的场合；

✓能耗制动需要直流电源整流装置。

1.按时间原则控制的单向能耗制动控制

2.按速度原则控制的电动机可逆运行能耗制动控制

3.无变压器单管能耗制动控制

第六节电气控制系统常用的保护环节

电气控制系统除了要能满足生产机械的加工工艺要求外，还应保证设备长期安全、可靠、无故障地运行，因此保护环节是所有电气控制系统不可缺少的组成部分，用来保护电动机、电网、电气控制设备以及人身安全。

常用的保护环节有短路保护、过载保护、过电流保护、零电压、欠电压和过电压保护以及弱磁保护等。

一、短路保护

要求一旦发生短路故障时，控制电路应能迅速地切断电源。

常用的短路保护元件有熔断器和断路器。

Ø熔断器：

价格便宜，断弧能力强，但是熔体的品质、老化及环境温度等因素对其动作值影响很大，用其保护电动机时，可能只有一相熔体烧断而造成电动机单相运行。

通常熔断器比较适用于对动作准确度和自动化程度要求较低的系统中，如小容量的的笼形电动机、一般的普通交流电源等。

Ø低压断路器：

当出现短路时．其电流线圈动作，将整个开关跳开，三相电源便同时被切断。

断路器还兼有过载保护和欠压保护，不过其结构复杂，价格贵，不宜频繁操作，广泛用在要求较高的场合。

二、过电流保护

电动机不正确地起动或负载转矩剧烈增加会引起电动机过电流运行。

一般情况下这种过电流比短路电流小，不超过6倍额定电流。

在电动机运行过程中产生过电流的可能性比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转起动的重复短时工作的电动机中更是如此。

在过电流情况下，电器元件并不是马上损坏，只要在达到最大允许温升之前，电流值能恢复正常，还是允许的。

但过大的冲击负载会使电动机流过过大的冲击电流，以致损坏电动机；同时，过大的电动机电磁转矩也会使机械的传动部件受到损坏。

因此要瞬时切断电源。

电动机过电流保护常用过电流继电器与接触器配合起来实现。

将过电流继电器线圈串接在被保护电路中，其常闭触头串接在接触器线圈电路中，当电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，其常闭触头断开，使接触器线圈断电，接触器主触头断开来切断电动机电源。

由于笼型电动机起动电流很大，如果要使起动时过电流保护元件不动作，其整定值就要大于起动电流，那么一般的过电流就无法使之动作了。

所以过电流保护常用在直流电动机和绕线式异步电动机上。

若过电流继电器动作电流为1.2倍电动机起动电流，则过电流继电器亦可实现短路保护。

三、过载保护

所谓过载是指电动机的电流大于其额定电流值，但在1.5倍额定电流以内。

引起电动机过载的原因很多，如负载的突然增加、三相异步电动机断相运行或电源电压降低等。

若电动机长期过载运行，其绕组温升将超过允许值，造成绝缘材料老化变脆，寿命减少，严重时会使电机损坏。

过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。

常用的过载保护元件是热继电器。

必须强调指出，短路、过电流、过载保护虽然都是电流保护，但由于故障电流的动作值、保护特性和保护要求以及使用元件的不同，它们之间是不能相互取代的。

四、零电压保护

为了防止电压恢复时电动机自行起动的保护叫做零电压保护。

采用按钮和接触器控制的起停电路就具有零电压保护作用。

因为当电源电压消失时，接触器就会自动释放而切断电动机电源，当电源电压恢复时，由于接触器自锁触头已断开，不会自行起动。

如果不是采用按钮而是用不能自动复位的手动开关来控制接触器，则必须采用专门的零电压继电器来进行保护。

工作过程中一旦失电，零电压继电器释放，其自锁电路断开，电源电压恢复时，不会自行起动。

五、欠电压保护

对于正常运行的电动机，若电源电压过分地降低，将引起一些控制电器的释放，造成控制电路工作不正常，甚至发生事故；电源电压降低后电动机负载不变，将造成电动机电流增大，引起电动机发热，甚至烧坏电动机；电源电压降低还会引起电动机转速下降，甚至停转。

因此，当电动机电源电压降到一定值（60%~80%额定电压）时，应及时切断电动机电源，对电动机进行保护，这种保护称为欠电压保护。

采用按钮和接触器控制的电路同样具有欠电压保护作用。

此外还可采用欠电压继电器来实现欠电压保护。

欠电压继电器的吸合电压通常整定为0.8~0.85UN，释放电压通常整定为0.5~0.7UN。

将欠电压继电器的线圈直接跨接在定子的两相电源线上，其常开触头串接在控制电动机的接触器线圈电路中，当电源电压低于释放值时，欠压继电器动作使接触器释放，接触器主触头短开电动机电源实现欠电压保护。

六、过电压保护

电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流继电器等，在通断时会产生较高的感应电动势，将使电磁线圈绝缘击穿而损坏，因此必须采用过电压保护措施。

通常过电压保护是在线圈两端并联一个电阻、电阻串电容或二极管串电阻，以形成一个放电回路，实现过电压的保护。

七、弱磁保护

直流电动机必须在磁场有一定强度下才能起动，如果磁场太弱，电动机的起动电流就会很大；若直流电动机正在运行时磁场突然减弱或消失，直流电动机转速就会迅速上升，甚至发生“飞车”现象。

为此，应采取弱磁保护。

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。

在电动机运行时，若励磁电流过小，欠电流继电器将释放，其触头断开接触器线圈电路，接触器线圈断电释放，接触器主触头断开直流电动机电枢回路，电动机断开电源而停车，实现保护电动机的目的。

除上述几种保护外，控制系统中还可能有其他各种保护，如超速保护、行程保护、油压（水压）保护、温度保护等。

只要在控制电路中串接上能反映这些参数的控制电器的常开触头或常闭触头，就可实现有关保护。

小结

1、掌握各种电气控制系统图特别是电气原理图的绘制和读图原则。

2、掌握电动机的起、制动方法及其使用场合和特点。

3、电动机的点动控制、连续运转控制、正反转控制、自动循环控制、顺序控制等均是基本控制电路，应牢固掌握。

这些基本控制电路是用各种主令电器、控制电器及各种控制触头按一定逻辑关系的不同组合实现的。

✶控制基本规律是：

1）点动控制与连续运转区别在于自锁触头是否起作用。

2）正反转电路必须设置互锁触头，主电路要确保倒相。

3）当几个条件中只需一个条件满足接触器线圈就通电吸合，这些条件采用并联接法。

4）当几个条件都具备时接触器才通电吸合，那么这些条件应采用串联接法。

5）当要求第一个接触器通电后，第二个接触器才通电，应将第一个接触器的常开触头串接于第二个接触器线圈电路中，或将第二个接触器线圈接于第一个接触器自锁触头之后。

6）当要求第二个接触器断电后，第一个接触器才断电，应将第二个接触器的常开触头并接在第一个接触器停止按钮两端。

4、电动机或控制电路常用的保护环节和所用电气元件为：

短路保护：

熔断器、断路器。

过电流保护：

过电流继电器。

过载保护：

热继电器、断路器。

零电压保护：

按钮控制的接触器、零电压继电器。

欠电压保护：

按钮控制的接触器、欠电压继电器。

欠电流保护：

欠电流继电器。