第2章 电动机的基本控制电路F

第2章电动机的基本控制电路电气控制线路的作用是实现对电力拖动系统的起动、制动和调速等运行性能的控制，满足生产工艺要求，实现生产加工自动化。各种机械设备的加工对象和加工工艺要求不同，电气控制线路就不同。有比较简单的，也有相当复杂的。但任何复杂的电气控制线路。都是由一些比较简单的基本控制环节按需要组合而成。本章就是介绍电动机的基本控制电路和保护电路。2．1电气原理图电力拖动自动控制线路主要由各种低压电器元件和电动机组成。工作在直流1200V、交流1000V及以下的电路中，用来对电能的产生、输送、分配和使用起开关、控制、保护和调节作用的电气设备称之为低压电器。低压电器通常分为低压控制电器和低压配电电器两类。常用的低压控制电器分为12大类：刀开关和转换开关H，熔断器R，自动开关D，控制器K，接触器C，起动器Q，继电器J，主令电器，电阻器Z，变阻器B，调整器T，电磁铁M。电动机主要有直流电动机和三相异步电动机。电力拖动系统中常用电动机有他励或并励直流电动机、三相鼠笼式异步电动机和三相线绕式异步电动机。其中三相鼠笼式异步电动机使用最普遍。1电气符号为了设计、研究分析、安装维修时阅读方便，在绘制电气图时，必须使用国家统一规定的电气符号。电气符号包括图形符号、文字符号和回路标号。电气符号的国家标准有两种，一种称为旧国标，它是从电气元件的结构出发设计的，如GB312-64，GB314-64、GB315-64。一种称为新国标，它是从电气元件的功能出发设计的，如GB4728-85，GB4729-89。我国规定从1990年1月1日开始，统一使用与国际电工委员会（IEC）标准接轨的新国标。最常用的低压电器元件有交流接触器、按钮、熔断器、热继电器等。它们的结构图与电气符号如下所示。交流接触器的结构如图2.1所示，其文字符号为KM，图形符号见图2.2。在图2.1中，1为静铁心，2为线圈，3为动铁心，4为动断辅助触点，5为动合辅助触点。在电气传动图中，接触器用图2.2所示的图形符号来表示，其中包括吸引线圈（a）、动合主触点（b）、动断主触点（c）、动合辅助触点（d）和动断辅助触点（e）。图2.1交流接触器结构图图2.2交流接触器的图形符号图2.3为控制按钮的示意图与图形符号，其文字符号为SB，生产厂家的产品一般为复合按钮。图2.4为熔断器的示意图，其文字符号为FU。图2.5为热继电器结构图，其文字符号为FR。在图2.5中，3为串接入电动机主电路中的发热元件；2为双金属片，双金属片是由两种膨胀系数不同的金属片碾压而成，其一端是固定的，一端是自由端，过度发热便向左弯，推动触点动作；11与12为接在控制电路中的动断触点（其中11是动触点，12是静触点）；5为手动调节旋钮，用于整定动作电流；4为手动复位按钮。一个热继电器内一般有两个（如JRO-40型）或三个（如JR15-20、JR16-20型）加热元件通过双金属片和杠杆系统（图2.2中6所示）作用在同一动断触点上。图2.3控制按钮（a）结构图（b）图形符号图2.4熔断器（a）插入式（b）管式（c）螺旋式图2.5热继电器结构图2电气图机床电气控制图主要分为电气原理图、电气设备安装图、电气接线图等。在这里主要介绍电气原理图。1）电气原理图将各种电气元件用它们的图形符号和文字符号表示，按动作顺序绘制的表明电气控制的图纸称之为电气原理图。电气原理图表示电气控制的工作原理以及各电气元件的作用和相互关系，而不考虑各电气元件实际安装的位置和实际连线情况。电气原理图的绘制一般按以下规则进行：（1）电气控制线路图分为主电路和控制电路。一般主电路图在左侧，控制电路图在右侧。主电路和控制电路可以绘制在一张图纸上，也可以分开画。（2）同一个电气元件的各个部件用同一文字符号表示，可以画在图中的不同位置，或者不同的图纸上。（3）手柄、开关、触点等的位置和状态，均按没有通电、没有施加外力等原始状态画出。（4）各个电气元件的连接导线要编号，编号用国家标准的回路标号表示。普通卧式车床主电动机起动控制的电气原理图如图2.6所示。图2.6电动机起动控制电气原理图2）电气设备安装图表示各种电气设备在机床和电气控制柜的实际安装位置的图纸称之为电气设备安装图。各个电气元件的安装位置是由机床的结构和工作要求决定的，例如，电动机要和被主电路控制电路拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，按钮开关应放在操作方便的地方，其他的电气元件一般都放在机床床身预留的电气控制柜中。3）电气接线图表示各个电气设备之间实际接线情况的图纸称之为电气接线图。绘制电气接线图时应把各个电气元件的各个部分画在一起，如交流接触器的线圈、主触点、辅助触点都画在一起；元件的连接顺序、元件的文字符号和回路标号都必须与电气原理图一致。电气设备安装图和电气接线图是用于安装接线、现场施工和检查维修的。为了便于读者有规律地阅读电气原理图或者拟定简单的电气原理图，下面介绍实际使用的某卧式车床电气原理线路图作为示例,如图2.7所示。（1）电气原理图中，主电路、控制电路、照明电路和信号电路应分开绘制。电源电路绘成水平线，电源相序L1、L2、L3由上而下排列，中性线N的保护地线PE放在相线下面；主电路应垂直电源电路绘出；控制电路、照明电路和信号电路应垂直绘在上下两水平线间。（2）电器的线圈、照明灯、指示灯等耗能元件直接与下水平电源线联接。而控制触点应联接在上水平电源线与耗能元件之间。（3）为了便于读图和检修线路，原理图中分为若干个图区，上方图区配以用中文说明每个部分功能，下方图区用阿拉伯数字编号，以帮助读图。（4）每个接触器线圈的文字符号下面有两条垂直线分成左、中、右三栏，栏中写有受其控制而动作的触点所处图区数字。左栏为主触点所处图区号，中栏为辅助动合触点所处图区号，右栏为辅助动断触点所得图区号。每个继电器线圈的文字符号下面有一条垂直线分成左、右两栏，栏中写有受其控制而动作的触点所处图区数字，左栏为动合触点所处图区号，右栏为动汤触点所处图区号。对于备用触点用记号“ⅹ”标出。图2.7电气原理图示例2．2三相异步电动机的起动控制线路三相异步电动机有直接起动和降压起动两种方式。前面学习过的内容中已经讲解了如何决定电动机的起动方式，这里只介绍电气控制线路如何满足各种起动要求。2．2．1三相鼠笼式异步电动机直接起动控制电路1．直接起动控制线路和保护装置1)起动控制电路分析图2.8是鼠笼式异步电动机直接起动控制线路，只要在图2.1所示线路图中加上一些保护电器便成了生产机械中常用的“不反转的鼠笼式异步电动机控制线路”，它是C6140普通车床主传动电动机的控制线路。它包括一个接触器KM、一个热继电器FR和两个按钮(起动按钮1SB和停止按钮2SB)。图2.8中，QG是三刀开关，FU是熔断器,FR是热继电器。接触器的吸引线圈和一个动合辅助触点KM接在控制电路中，而它的三个动合主触头KM则接在主电路中。图2.8电动机直接起动控制电路其操作过程如下：合上开关QG(作起动准备)，按下起动按钮1SB，接触器KM的吸引线圈得电，衔铁吸上，其接在主电路中的三个主触点KM闭合，电动机接入三相交流电源便转起来，与此同时，接触器KM的辅助触头KM也闭合，将起动按钮1SB短接，这样当松开1SB时接触器仍旧有电，像这样利用电器自己的触点保持自己的线圈得电，从而保证长期工作的线路环节称为自锁环节。这种触点称为自锁触点。按下停止按钮2SB，KM的线圈断电，其主触头打开，电动机便停转，同时KM的辅助触头也打开，故松手后，2SB虽仍闭合，但KM的线圈不能继续得电，从而保证了电动机不会自行起动，若使电动机再次工作，可再按1SB。为了免除电动机、控制电器等电气设备和整个生产机械、操作者受到不正常工作状态的有害影响，使工作更为可靠，在自动控制线路中必须具有完成各种保护作用的保护装置。2)保护装置(1)短路保护装置：短路保护的作用在于防止电动机突然流过短路电流而引起电动机绕组、导线绝缘及机械上的严重损坏，或防止电源损坏。此时，保护装置应立即可靠地使电动机与电源断开。常用的短路保护元件有熔断器、过电流继电器、自动开关等。熔断器一般是根据线路的工作电压和额定电流来选择的；对一般电路、直流电动机和线绕式异步电动机的保护来说，熔断器是按它们的额定电流选择的。但对于鼠笼式异步电动机，却不能这样选，因为，鼠笼式异步电动机直接启动时的起动电流为额定电流的(5~7)倍，按额定电流选择时，熔体将即刻熔断。因此，为了保证所选的熔断器既能起到短路保护作用，又能躲过起动电流,一般按电动机额定电流的（1.5-2.5）倍来选择。（2）过载保护装置：所谓长期过载是指电动机带有比额定负载稍高一点(115%~125%)的负载长期运行，这样会使电动机等电气设备因发热而导致温度升高，甚至会超过设备所允许的温升而使电动机等电气设备的绝缘损坏。所以必须给予保护。长期过载的保护装置目前使用得最多的是热继电器FR。在图2.8中，热继电器FR的发热元件串在电动机的主回路中，而其触点则串在控制电路接触器线圈的回路中。当电动机过载时，热继电器的热元件就发热，将其在控制电路内的动断触点断开，接触器线圈失电，触点断开，电动机停转。在重复短期工作制的情况下，由于热继电器和电动机的特性很难一致，所以不采用热继电器,而选用过流继电器作过载保护。(3)零压(或欠压)保护：零压或欠压保护的作用在于防止因电源电压消失或降低而可能发生的不容许故障。如在车间内常因某种原因使变电所的开关跳闸，暂时停止供电，对于手控电器，此时若未拉开刀开关或转换开关，当电源重新供电时，电动机就会自行启动，将造成设备或人身事故。但在图2.7所示的自动控制线路中，若电源暂停供电或电压降低时，接启动按钮停止按钮自锁触点过载保护的发热元件触器线圈就失电，触点断开，电动机脱离电源而得到保护，过后当电源电压恢复时，不重按启动按钮，电动机就不会自动启动，这种保护称为零压(或欠压)保护。图2.8中是直接利用线路接触器作零压保护的。但当控制线路中采用主令控制器和转换开关时，必须要加零压保护装置，如零压继电器，否则线路无零压保护性能。21）电动机正反转控制电路许多机械设备的机械运动部件，根据工艺要求经常需要进行正反方向两种运动，如在车床上车削螺纹，采用电力拖动时可借电动机的正反转来实现这两种运动。从异步电动机的工作原理可知，将电动机的供电三相交流电源的相序倒接，就可以控制异步电动机做反向运动。为了更换相序，需要使用两个接触器来完成，图2.9为电动机正反转控制线路。图2.9中，图2.9(a)所示的控制线路是这样实现正反转工作的：按下正转起动按钮FSB,正转接触器FKM得电并自锁，电动机正转。当需要电动机反转时，先按停止按钮SB，FKM失电，电动机停止。再按下反转起动按钮RSB，反转接触器RKM得电并自锁，电动机通入反相序的三相电源而反转。但图2.9（a）线路有下述严重不足，若同时按下正向按钮FSB和反向按钮RSB，可以使FKM，RKM接触器同时接通，会造成图中虚线所示的电源相间短路的严重事故。为避免产生上述事故，必须要加以保护，使其中任一接触器工作时，另一接触器即失效不能工作，为此采用图(b)所示的电气互锁，也就是用一个接触器的动断触点串在另一个接触器的线圈回路。在这里应该注意的是，首先要清楚，交流接触器的触点是先断后合型的。也就是说，当接触器线圈得电吸合，动断触点先断开，动合触点后闭合；当接触器线圈失电断开，动合触点先断开，动断触点后闭合。尽管这里动作的先与后在时间上是非常之短，但毕竟还是有先有后的。同学们可以在作实验时仔细观察，或者用起子将接触器的动铁心闭合，就可以看清楚触点的动作顺序。当按下正转起动按钮FSB后，正转接触器FKM动作，使电动机正转。FKM的一个动断触点串联在接触器RKM线圈的控制回路内，它此时先断开，切断了接触器RKM线圈的回路。FKM的一个动合触点后闭合实现自锁。若再按RSB按钮，接触器RKM受FKM的动断触点互锁不能动作，这样就防止了电源短路的事故。当需要电动机反转时，按下图2..9(b)中的停止按钮SB，正转接触器FKM失