第2章电气控制系统的基本电路

第2章电气控制系统的基本控制电路电气控制系统是由电气设备及电气元件按照一定的控制要求连接而成。电气控制系统中的基本电路包括电机（电动机和发电机）的启动、调速和制动等控制电路。电气控制系统基础知识2.1电动机直接启动控制电路2.2电动机的制动控制电路2.3电动机降压启动控制电路2.4电动机的调速控制电路2.5电动机的其他基本控制电路2.6直流电动机的控制电路2.72.1电气控制系统基础知识常用的电气控制系统图有3种：电路图（电气系统图、原理图、线路图）、接线图和元件布置图。电气工程图是根据国家电气制图标准，用规定的图形符号、文字符号以及规定的画法绘制的。2.1.1图形符号和文字符号1．图形符号图形符号由符号要素、限定符号、一般符号以及常用的非电操作控制的动作符号（如机械控制符号等）根据不同的具体器件情况组合构成，如表2-1所示。2．文字符号电气工程图中的文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。基本文字符号有单字母符号和双字母符号，单字母符号表示电气设备、装置和元器件的大类，如K为继电器类元件；双字母符号由一个表示大类的单字母与另一个表示器件某些特性的字母组成。辅助文字符号用来进一步表示电气设备、装置和元器件功能、状态和特征。2.1.2电路图电路图用于表达电路、设备、电气控制系统的组成部分和连接关系。1．概述电路图一般包括主电路和控制电路。主电路是用电设备的驱动电路，在控制电路的控制下，根据控制要求由电源向用电设备供电。控制电路由接触器和继电器线圈，各种电器的动合、动断触点组合构成控制逻辑，实现所需要的控制功能。主电路、控制电路和其他的辅助电路、保护电路一起构成电气控制系统。2．元器件电路图中的所有电器元件一般不是实际的外形图，而采用国家标准规定的图形符号和文字符号表示，同一电器的各个部件可根据需要出现在不同的地方，但必须用相同的文字符号标注。常见的器件状态有如下几种。（1）继电器和接触器的线圈处在非激励状态。（2）断路器和隔离开关在断开位置。（3）零位操作的手动控制开关在零位状态，不带零位的手动控制开关在图中规定位置。（4）机械操作开关和按钮开关在非工作状态或不受力状态。（5）保护类元器件处在设备正常工作状态，特别情况在图上说明。3．图区和触点位置索引工程图样通常采用分区的方式建立坐标，以便于阅读查找。电路图常采用在图的下方沿横坐标方向划分成若干图区，并用数字标明图区，同时在图的上方沿横坐标方向划区，分别标明该区电路的功能。图2-1所示为电动机正反转的电气原理图。图2-1电动机正反转的电气原理图图中接触器线圈下方的触头表是用来说明线圈和触头的从属关系的，其含义如下：KMKM26×2××2主触头所在图区辅助常开触头所在图区辅助常闭触头所在图区对未使用的触头用“×”表示。4．电路图中技术数据的标注电路图中元器件的数据和型号（如热继电器动作电流和整定值的标注、导线截面积等）可用小号字体标注在电器文字符号的下面。2.1.3元件布置图电器元件布置图主要是表明机械设备上所有电气设备和电器元件的实际位置，是电气控制设备制造、安装和维修必不可少的技术文件。图2-2所示为电动机正反转的元件布置图。图2-2电动机正反转的元件布置图2.1.4接线图接线图主要用于安装接线、线路检查、线路维修和故障处理。图2-3所示为电动机正反转的接线图。图2-3电动机正反转的接线图2.2电动机直接启动控制电路电动机通电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启动，三相笼型异步电动机的启动有降压和全压启动两种方式。若将额定电压全部加到电动机定子绕组上使电动机启动，称为全压启动或直接启动。2.2.1电动机的点动控制电动机的点动控制电路是用按钮开关、接触器来控制电动机运转的，是最简单的控制电路，其控制电路如图2-4所示。图2-4电动机点动控制电路1．主电路元器件2．控制回路元器件3．工作原理2.2.2电动机的单向连续运行控制在点动控制的基础上增加停止按钮和交流接触器的辅助常开触头后，即为单向连续运行（又称启保停）控制，其电路图及工作原理参见实训1。2.2.3电动机单向点动与连续运行控制单向点动与连续运行控制是在点动控制与单向连续运行控制的基础上增加一个复合按钮，即为单向点动与连续运行控制电路，其电路图如图2-5所示。图2-5单向点动与连续运行控制电路1．主电路元器件2．控制回路元器件3．工作原理实训1电动机的启保停控制1．实训目的2．实训器材（本章实训器材类似，下略）3．实训电路电动机启保停控制的电路如图2-6所示。图2-6电动机的启保停电路4．电路工作原理5．元件选择和检查6．电路装接遵循“先主后控，先串后并；从上到下，从左到右；上进下出，左进右出。”的原则进行接线。装接电路的工艺要求：“横平竖直，弯成直角；少用导线少交叉，多线并拢一起走。”图2-7接线图7．电路检查（1）主电路的检查（2）控制电路的检查8．通电试车9．实训思考①总结实训过程中应注意的安全事项。②若SB1和SB2都接成常闭（或常开）按钮，会有什么现象？③若将控制回路的380V电源误接成220V，会有什么现象？④KM的自锁触头不接，会有什么后果？2.3电动机的制动控制电路制动可分为机械制动和电气制动：机械制动一般为电磁铁操纵抱闸制动；电气制动是电动机产生一个和转子转动方向相反的电磁转矩，使电动机的转速迅速下降。三相交流异步电动机常用的制动方法有能耗制动、反接制动和发电反馈制动。2.3.1反接制动异步电动机反接制动是改变三相异步电动机定子绕组中三相电源的相序，实现反接制动。图2-8所示为相序互换的反接制动控制电路。反接制动控制电路的工作过程如下。图2-8相序互换的反接制动控制电路2.3.2能耗制动对于10kW以下小容量电动机，且对制动要求不高的场合，常采用半波整流能耗制动，其电路图及电路分析参见实训2。对于10kW以上容量较大的电动机，多采用有变压器全波整流能耗制动的控制电路。实训2电动机的能耗制动控制1．实训目的2．实训电路电动机能耗制动的控制电路如图2-9所示。图2-9电动机能耗制动的控制电路3．电路工作原理其定子绕组的连接如图2-10所示。能耗制动控制电路的工作过程如下。图2-10制动时电动机定子绕组的连接图4．元件选择和检查5．电路装接由图2-10可知，其主电路的接线可以按图2-11所示。其他线路及控制回路则按电路图接线。图2-11半波整流能耗制动主电路实物接线图6．电路检查（1）主回路的检查（2）控制回路的检查7．通电试车8．实训思考①用数字万用表检查二极管与用指针式万用表检查二极管有何区别？②若去掉图2-9中KM2的常闭触头，则电路有什么缺陷？并说出其在电路中的作用？③二极管开路或短路时，会出现什么现象？④轻按SB时，电动机能制动吗？2.4电动机降压启动控制电路降压启动的方法有定子绕组串电阻（或电抗）、星形-三角形（Y/△）、自耦变压器和使用软启动器等。常用的方法是Y/△降压启动和使用软启动器。2.4.1Y/△降压启动Y/△降压启动是笼型三相异步电动机降压启动方法之一。Y/△降压启动控制是指电动机启动时，使定子绕组接成Y，以降低启动电压，限制启动电流；电动机启动后，当转速上升到接近额定值时，再把定子绕组改接为△，使电动机在额定电压下运行。Y/△启动控制分为手动和自动两种，手动Y/△启动控制电路图如图2-12所示。其工作过程如下。图2-12手动Y/△启动控制电路图（1）控制电路通电（2）电动机Y接法降压启动（3）电动机△接法全压运行（4）电动机停转（5）控制电路断电若想实现自动Y/△启动控制，可在控制回路加时间继电器，启动时电动机绕组Y连接，启动完成后，由时间继电器实现电动机绕组由Y连接自动转换成△连接，其电路图及电路分析参见实训3。2.4.2定子串接电阻降压启动图2-13所示为定子串接电阻降压启动控制电路，其工作过程如下。图2-13定子串接电阻降压启动控制电路2.4.3定子串接自耦变压器降压启动在自耦变压器降压启动的控制电路中，电动机启动电流的限制是靠自耦变压器的降压作用来实现的。图2-14所示为定子串接自耦变压器降压启动的控制电路，其电路的工作过程如下。图2-14定子串接自耦变压器降压启动控制电路2.4.4转子绕组串接电阻启动转子回路串接启动电阻，一般接成Y且分成若干段，启动时电阻全部接入，启动过程中逐段切除启动电阻。切除电阻的方法有三相平衡切除法及三相不平衡切除法。三相平衡切除法，即每次每相切除的启动电阻相同，图2-15所示为绕线式电动机转子串接电阻启动的控制电路，其工作过程如下。图2-15绕线式电动机转子串接电阻启动的控制电路2.4.5转子绕组串接频敏变阻器启动绕线转子异步电动机除转子串接电阻启动的控制方式外，还可转子串接频敏变阻器启动。图2-16所示为绕线式电动机转子串接频敏变阻器的控制电路，其电路的工作过程如下。图2-16绕线式电动机转子串接频敏变阻器的控制电路实训3电动机的Y/△降压启动控制1．实训目的2．实训电路电动机Y/△降压启动的控制电路如图2-17所示。图2-17电动机Y/△降压启动的控制电路3．电路工作原理（1）电动机Y降压启动（2）电动机△全压运行（3）电动机停止运行4．元件选择和检查5．电路装接主回路的接线比较复杂，可按图2-18所示进行接线图2-18电动机Y/△降压启动主电路的接线图6．电路检查（1）主电路的检查（2）控制回路的检查7．通电试车8．实训思考①Y/△启动适合什么样的电动机？并分析电动机绕组在启动过程中的连接方式。②电源缺相时，为什么Y启动时电动机不动，到了△连接时，电动机却能转动（只是声音较大）？③Y/△启动时的启动电流为直接启动时的多少倍？若是重载启动，则启动时间一般为多少？④当按下SB1后，若电动机能Y启动，而一松开SB1，电动机即停转，则故障可能出在哪些地方？⑤若按下SB1后，电动机能Y启动，但不能△运转，则故障可能出在哪些地方？2.5电动机的调速控制电路由电动机原理可知，改变极对数可改变电动机的转速n=(1−s)60f/p，多速电动机就是通过改变电动机定子绕组的接线方式而得到不同的极对数，从而达到不同速度的目的。双速、三速电动机是变极调速中最常用的两种形式。2.5.1双速电动机的控制双速电动机定子绕组的连接方式常用的有两种：一种是绕组从单Y改成双Y，即将图2-19（b）所示的连接方式转换成如图2-19（c）所示的连接方式。图2-19双速电动机的定子绕组的接线图另一种是绕组从△改成双Y，即将图2-19（a）所示的连接方式转换成如图2-19（c）所示的连接方式。这两种接法都能使电动机产生的磁极对数减少一半，即使电机的转速提高一倍。图2-20双速电动机的控制电路2.5.2三速电动机的控制图2-21所示为三速电动机的控制电路，其工作过程如下。图2-21三速电动机的控制电路（1）低速运行（2）中、高速运行（3）停止运行2.6电动机的其他基本控制电路电气控制系统除了上述基本电路外，常用的还有电动机的多地控制、正反转控制、行程控制、顺序控制等。2.6.1电动机的多地控制电动机的多地控制是指在多个地方对电动机进行启动和停止的控制，其中两地控制和三地控制是应用最多的控制方式。图2-22所示为两地控制的控制电路，其工作过程如下。图2-22电动机的两地控制电路（1）控制电路通电（2）启动过程（3）停止过程（4）控制电路断电2.6.2电动机的正反转控制在生产和生活中，许多设备需要两个相反的运行方向，如电梯的上升和下降，机床工作台的前进和后退，其本质就是电动机的正反转。要实现电动机的正反转，只要将接至电动机三相电源进线中的任意两相对调接线，即可达到反转的目的。其控制电路及电路分析参见实训4。2.6.3电动机的行程控制有些生产机械，如万能铣床，要求工作台在一定范围内能自动往返运动，以便实现对工件的连续加工，提高生产效率。由行程开关控制的工作台自动往返控制电路称为正反转行程控制，其电路图如图2-23所示。图2-23正反转行程控制电路图其电路的工作过程如下。（1）控制电路通电（2）工作台右移（3）工作台停止右移（左移开始）（4）工作台停止左移（右移开