電氣控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)1課件

1.4.1異步電動機起動控制電路三相異步電動機結(jié)構簡單、運行可靠、維修方便。與同容量的直流電機比較，具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動慣性小的特點。因此得到廣泛應用。異步電動機有直接起動和降壓起動兩種方式。在供電變壓器容量足夠大時，異步電機可直接起動，否則應采用降壓起動方式。1.4電氣控制系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)

1.4.1.1直接起動控制電路（1）開關直接起動

起動電源接通QS置“開”電動機得電起動停止

QS置“關”電動機失電自由停止問題

無過載保護；電機起動后，突然停電，來電后會自然起動，可能會造成危險。對小型臺鉆、冷卻泵、砂輪機等，可用開關直接起動。

如圖1-56所示。對中小型普通車床的主電動機采用接觸器直接起動。（2）接觸器直接起動起動：合QS按SB2KM線圈得電主觸頭KM（3）閉合電機起動輔助常開觸頭KM（6）閉合自鎖（保）（3）邏輯分析法為了便于用邏輯代數(shù)描述電路，對電器元件狀態(tài)的邏輯表示做如下規(guī)定：用KA、KM、SQ、SB分別表示繼電器、接觸器、行程開關、按鈕的常開（動合）觸頭；用、、、表示其相應的常閉（動斷）觸頭。電路中開關元件的受激狀態(tài)（如繼電器線圈得電，行程開關受壓）為“1”

狀態(tài)；觸頭閉合狀態(tài)為“1”狀態(tài)，斷開狀態(tài)為“0”狀態(tài)。例圖1-56的控制電路，寫出其邏輯表達式：由表達式可知：只有在FR、SB1都閉合（未受激），并且SB2和KM有任一個閉合（動作）時，KM才得電。（4）多地點控制在較大的設備上，為方便操作，常要求能在設備的多個地點進行控制。如圖1-58所示為三地點控制。圖中SB1為急停按鈕，用于緊急情況下停車操作。1.4.1.2降壓起動控制電路

降壓起動，就是起動時降低加在電機定子繞組上的電壓，來限制起動電流，當電機起動到接近額定轉(zhuǎn)速時，再將電壓恢復到額定值。對容量較大的異步電動機，一般都采用降壓起動方式。生產(chǎn)設備中最常見用星-三角形降壓起動和定子串電阻降壓起動。（7）↑起動：QS↓——起動準備SB2↓KM1↓（10）KM1（3）↓KM3↓KT↓KM3（3）↓M—Y起動延時KM3↑（8）↓KT（9）↓KM2↓M—△運行KM2（4）↓（9）↑KT↑（自鎖）（6）KM2、KM3兩個常閉觸頭分別串入對方線圈電路中，使KM2、KM3線圈不能同時得電——互鎖。星-三角降壓起動的優(yōu)點在于星形起動電流是原來三角形接法的1/3，電路簡單，價格便宜。缺點是起動轉(zhuǎn)矩也相應下降為原來三角形接法的1/3，轉(zhuǎn)矩特性差，適用于空載或輕載狀態(tài)下起動。（2）定子串電阻降壓起動控制

起動時在定子電路中串電阻，使繞組電壓降低，起動結(jié)束后再將電阻短接，電動機在額定電壓下正常運行。這種起動方式不受電動機接線形式的限制，設備簡單，因而在中小型生產(chǎn)機械中應用較廣。SB2↓KM1↓KM1（3）↓KT↓M—串R起動延時KT（6）↓KM2↓M—全壓運行KM2（3）↓（6）圖1-60（a）起動過程電機在正常運行期間，KM1、KT一直處于有電狀態(tài)，這是不必要的，可改為圖1-60（b）形式。

圖1-61所示為軟起動器（Softstarter）原理框圖。軟起動設備的功率部分由3對正反并聯(lián)的晶閘管組成，它由控制電路調(diào)節(jié)加到晶閘管上的觸發(fā)脈沖的導通角，來控制加到電動機上的電壓，使加到電動機上的電壓按某一規(guī)律慢慢達到全電壓。通過適當?shù)卦O置控制參數(shù)，可以使電動機的轉(zhuǎn)矩和電流與負載要求得到較好的匹配。軟起動器還有軟制動、節(jié)電和各種保護功能。

使用軟起動器可解決水泵電機起動與停止時管道內(nèi)的水壓波動問題，其起動電流可降至約（3.5~4）IN，可解決起動時風機傳動皮帶打滑及軸承應力過大的問題；可減少壓縮機、離心機、攪動機等設備在起動時對齒輪箱及傳動皮帶的應力，可解決輸送帶起動或停止過程中由于顛簸而造成的產(chǎn)品倒跌及損壞的問題，可減少起動時皮帶打滑引起的皮帶磨損及對齒輪箱的應力。國產(chǎn)的軟起動器有JRl系列交流電動機軟起動控制器，QWJ2系列節(jié)電型無觸頭起動器等。國外生產(chǎn)的有ABB公司的PS系列軟起動器等。軟起動器起動時電壓沿斜坡上升，升至全壓的時間可設定在0.5~60s。軟起動器亦有軟停止功能，其可調(diào)節(jié)的斜坡時間在0.5~240s。不同起動方法下的起動轉(zhuǎn)矩和起動的電機電壓分別如圖1-62，1-63所示。1.4.2異步電動機正反轉(zhuǎn)控制電路生產(chǎn)機械工作部件常需要作兩個相反方向的運動，大都靠電動機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)的原理很簡單，只要將電動機的三相電源中的任意兩相對調(diào)（改變相序）就可使電動機反向運轉(zhuǎn)。圖1-65為正反轉(zhuǎn)按鈕控制的典型電路。在主電路中，KM1、KM2觸頭接法不同，可改變電源的相序。1.4.2.1電動機正反轉(zhuǎn)的按鈕控制圖（a）的工作原理SB2↓KM1↓KM1（3）↓M—正轉(zhuǎn)（7）

與KM2互鎖反轉(zhuǎn)：先停后起KM1↑↓SB3↓KM2（4）↓切斷正轉(zhuǎn)電路KM2↓M—反轉(zhuǎn)（8）↓在生產(chǎn)實踐中，為了減少輔助工時，要求直接實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。可采用（b）圖形式，

用復合按鈕代替單觸頭按鈕，并將復合按鈕的常閉觸頭分別串接對方接觸器控制電路中（互鎖）。即不使用停止按鈕過渡而直接控制正反轉(zhuǎn)。但僅用于小容量電機，且拖動的機械裝置轉(zhuǎn)動慣量又較小的場合。

1.4.3異步電動機制動控制電路異步電動機從切除電源到停轉(zhuǎn)要有一個過程，需要一段時間。許多生產(chǎn)機械要求停車時精確定位或盡可能減少輔助時間，必須采取制動措施。制動停車的方式有機械制動和電氣制動兩大類，機械制動是采用機械施閘來實現(xiàn)制動；電氣制動是使電動機產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子原來轉(zhuǎn)動方向相反的力矩來實現(xiàn)制動，常用的電氣制動方式有能耗制動和反接制動。

1.4.3.1能耗制動控制電路能耗制動是指在異步電動機剛切除三相電源之后，在定子繞組中接入直流電源。由于轉(zhuǎn)子切割固定磁場產(chǎn)生制動力矩，使電機的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⑾脑谵D(zhuǎn)子的制動上，故稱能耗制動。當轉(zhuǎn)于轉(zhuǎn)速為零時，切除直流電源。圖1-67（a）、（b）分別是用復合按鈕手動控制和用時間繼電器自動控制的能耗制動電路。圖（b）制動過程：工作時KM1↓,KM2↑,KT↑。SB1↓KM1↑KM1（3）↑KM2↓KT↓KM2（4）↓切斷交流電源延時KM2↑（8）↓KM2（4）↑（9）接通直流電源切斷直流電源能耗制動比較緩和、平穩(wěn)、準確、功耗小，適用于要求制動平穩(wěn)和起制動頻繁的場合，但需整流設備。

反接制動時，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的相對轉(zhuǎn)速接近轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的兩倍，因此，制動力大，對設備沖擊大，若速度繼電器動作不可靠時，可能引起的反向再起動，因此，反接制動方法主要用于不頻繁起動、制動并對停車位置無準確要求而且傳動機構能承受較大沖擊的設備中，如銑床、鏜床、中型車床等機床。為減小制動電流，在電動機主電路中串接限流電阻R，可防止制動時電動機繞組過熱。反接制動過程的結(jié)束由電動機轉(zhuǎn)速來控制,這種由速度達到一定值而發(fā)出轉(zhuǎn)換信號的控制方式稱為“按速度原則”

的自動控制。

1.4.4雙速異步電動機的高低速控制多速電動機在機床中如車床、銑床、鏜床等都有較多應用。常用來改善機床的調(diào)速性能和簡化機械變速裝置。根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速公式

（1-8）式中，s為轉(zhuǎn)差率；f為電源頻率；p為定子磁極對數(shù)。雙速電機是最簡單的多速電機，常見的接線方式有△/YY和Y/YY兩種。

1.4.4.1Δ／YY接法Δ——1，2，3接電源，4，5，6端子懸空時，每相繞組由兩個線圈串聯(lián)組成，電機呈4極（p＝2）旋轉(zhuǎn)磁場，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。YY——4，5，6接電源，1，2，3短接時，每相繞組有兩個線圈并聯(lián)組成，產(chǎn)生2極（p＝1）旋轉(zhuǎn)磁場，同步轉(zhuǎn)速為3000r／min。圖1-70（c）是實現(xiàn)低、高速自動轉(zhuǎn)換的控制電路。在圖中，當SA開關打到高速時，時間繼電器KT得電，其瞬時動作觸頭閉合，先接通低速電路，使電動機低速起動，KT延時時間到后，其兩個延時觸頭分別斷開低速電路和接通高速電路，使電動機轉(zhuǎn)換到高速運行。圖1-70（a）是用按鈕變換的高、低速電路圖。KM1得電，電機繞組接成△，低速運轉(zhuǎn)；KM2、KM3得電，電機繞組接成YY形，電機高速運轉(zhuǎn)。在低速和高速之間用動斷觸頭互鎖。圖1-70（b）是用開關實現(xiàn)高低速控制。當電動機容量較大時，若直接作高速運轉(zhuǎn)（YY接法），起動電流較大，這時可采用低速起動，再轉(zhuǎn)換到高速運行的控制方式。1.4.5組成控制電路的基本規(guī)律1.4.5.1按聯(lián)鎖控制的規(guī)律（1）正反向接觸器間的聯(lián)鎖控制

如果電路中有兩個接觸器KM1、KM2不能同時接通，就將的各自的常閉觸頭分別串在對方線圈控制電路中，KM1、KM2的常閉觸頭稱為聯(lián)鎖或互鎖觸頭，用復合按鈕代替單觸頭按鈕，并將復合按鈕的常閉觸頭分別串接對方接觸器控制電路中也可實現(xiàn)互鎖，常用在電動機正反轉(zhuǎn)控制中，以防電源短路。如圖1-71。（2）順序起動控制電路生產(chǎn)機械常要求各運動部件之間能夠?qū)崿F(xiàn)按順序工作?？刂茖ο髮刂葡到y(tǒng)提出了按順序工作的聯(lián)鎖要求。如圖1-72是油泵電機先起動，主電機才能起動的控制電路。圖（a）是簡化電路。（3）連續(xù)工作（長動）與點動控制電路

生產(chǎn)機械在工作時需要連續(xù)運轉(zhuǎn)，即所謂長動。但在試車調(diào)整及快速移動時，需要點動。長動可用自鎖電路實現(xiàn)，取消自鎖觸頭或使自鎖觸頭不起作用就可實現(xiàn)點動。

（a）圖為按鈕聯(lián)鎖實現(xiàn)長動與點動的控制電路；此電路若接觸器的釋放時間較長，這一電路可能無法工作。（b）為用開關SA實現(xiàn)長動與點動轉(zhuǎn)換的控制電路；（c）為用中間繼電器實現(xiàn)長動與點動的控制電路。

1.4.5.2按過程變化參量進行控制的規(guī)律為滿足生產(chǎn)工藝的某些要求，在電氣控制方案中還應考慮下述諸方面的問題：采用自動循環(huán)或半自動循環(huán)，手動調(diào)整、工序變更、系統(tǒng)的檢測、各個運動之間的聯(lián)鎖、各種安全保護、故障診斷、信號指標、照明及人機關系等規(guī)律。只用簡單的聯(lián)鎖控制已不能滿足要求，需要根據(jù)生產(chǎn)工藝對控制系統(tǒng)提出的不同要求，正確選擇如實反映控制過程中的變化參量，如時間、速度、電流、行程等來進行控制，來實現(xiàn)各種工藝要求。按控制過程中變化參量進行控制是一種具有普遍性的自動控制基本規(guī)律。圖1-74是按控制過程的變化參量進行控制的結(jié)構框圖。主令信號就是諸如起動、停止按鈕發(fā)出的信號執(zhí)行機構就是諸如接觸器、電磁閥一類電器元件被控對象就是生產(chǎn)機械系統(tǒng)將控制過程中的過程變化參量以及執(zhí)行機構的變化反饋到控制裝置，和主令信號以及同各種中間變量（中間繼電器等）一起進行邏輯運算，然后輸出去控制執(zhí)行機構動作，以驅(qū)動機械系統(tǒng)的運行。過程變化參量分為直接過程變化參量和間接過程變化參量。一般情況下，應盡可能按直接過程變化參量來進行控制。只有在過程變化參量難以直接測量或測量成本太高的情況下，方采用間接過程變化參量進行控制。

例圖1-75示出了鉆削加工時刀架的自動循環(huán)過程。具體要求如下：①自動循環(huán)：刀架能自動地由位置1移動到位置2進行鉆削加工并自動退回位置1；②無進給切削：刀具到達位置2時不再進給，但鉆頭繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進行無進給切削以提高工加工精度。③快速停車：當?shù)都芡顺龊笠罂焖偻＼囈詼p少輔助工時。（1）自動循環(huán)——行程原則控制

控制電路如圖1-76所示。

SQ1和SQ2分別作為刀架運動位置1和2的位置測量元件。刀架“1”SQ1↓SB1↓電機正轉(zhuǎn)SQ2↓電機反轉(zhuǎn)SQ1↓——電機停（2）無進給切削——時間原則控制

為了提高加工精度，去掉毛刺，當?shù)都芤苿拥轿恢?時要求在無進給情況下繼續(xù)切削，達到要求后刀架再開始退回。

采用時間繼電器間接測量無進給切削過程的控制電路是在圖1-76基礎上增加了時間繼電器KT，如圖1-77所示。

（3）快速停車——速度原則控制

為縮短輔助工時，提高生產(chǎn)效率，應準確停車以減少超行程，因此對該控制系統(tǒng)還提出了快速停車的要求。對于異步電動機來講，最簡便的方法是采用反接制動。完整電路如圖1-79。（4）控制方法綜述

上面闡述了按照聯(lián)鎖控制的規(guī)律和按照控制過程變化參量進行控制的基本規(guī)律。根據(jù)一些基本規(guī)律結(jié)合生產(chǎn)機械的要求，就可以組成各式各樣的控制系統(tǒng)。時間控制方式：利用時間繼電器等延時單元，將感測部分接受的輸人信號經(jīng)過延時一段間后才發(fā)出，從而實現(xiàn)電路切換的時間控制。速度控制方式：利用速度繼電器或測速發(fā)電機，間接或直接地檢測某機械部件的運動速度，來實現(xiàn)按速度原則的控制。電流控制方式：借助于電流繼電器，它的動作反映了某一電路中的電流變化，從而實現(xiàn)電流原則的控制。行程控制方式：利用生產(chǎn)機械運動部件與事先安排好位置的行程開關或接近開關進行相互配合，而達到位置控制的作用。如何正確選用這些控制方式是控制電路設計中的一個重要問題。例如，對某些物理量，既可用行程控制方式，也可用時間控制方式。但究竟采用何種控制方式，那就需要根據(jù)實際工作情況來決定。1.4.6電液控制液壓傳動系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)相結(jié)合的電液控制系統(tǒng)在組合機床、自動化機床、生產(chǎn)自動線、數(shù)控機床等的應用越來越廣泛。液壓傳動系統(tǒng)易獲得很大的力矩運動傳遞平穩(wěn)、均勻、準確可靠，控制方便，易于實現(xiàn)自動化。1.4.6.1電磁換向閥液壓傳動系統(tǒng)由四個部分組成：動力裝置（液壓泵）執(zhí)行機構（液壓缸或液壓馬達）控制調(diào)節(jié)裝置（溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等）輔助裝置（油箱、油管、濾油器、壓力計等）換向閥在機床液壓系統(tǒng)中用以改變液流方向，實現(xiàn)運動換向，接通或關斷油路。在電液控制中常用電磁鐵推動換向閥來改變液流方向，電磁換向閥就是利用電磁鐵推動滑閥移動來控制液流流動方向的。

圖1-80中是二位四通電磁閥結(jié)構圖及符號圖。當電磁鐵得電時，閥芯被推向右邊，P與B通，A與O通，即改變了壓力油進入液壓缸的方向，實現(xiàn)了油路的換向。

有四個閥口，閥口O和P均為壓力油口（進油口）A、B為工作油口，接液壓缸右、左兩個腔圖中所示的位置，是當電磁鐵斷電時閥芯在彈簧作用下被推向左邊的情況，即閥口P與A通，B與O通。電磁換向閥的種類很多，圖1-81為各種換向閥的符號圖。符號中方格表示滑閥的位；箭頭表示閥內(nèi)液流方向，符號⊥表示閥內(nèi)通道堵塞。電磁閥有交流電磁閥和直流電磁閥兩種，以電磁鐵所用電源而定。電磁換向閥符號的意義：23D–10B二位三通直流電源流量為10L／min板式連接1.4.6.2液壓動力頭控制電路

動力頭是既能完成進給運動，而且又能同時完成刀具切削運動的動力部件。液壓動力頭的自動工作循環(huán)是由控制電路控制液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)的。圖1-82是一次工作進給液壓系統(tǒng)和控制電路圖。①

動力頭原位停止。SQ1,YA1↑

、YA2↑

、YA3↑②

動力頭快進S置“1”SB1↓KA1↓∨（3）KA1（4）↓YA1↓YA3↓動力頭快進③

動力頭工進SQ3↓SQ3↓KA2↓∨（7）YA1↓YA3↑動力頭工進（5）↓④

動力頭快退SQ4↓SQ4↓KA3↓∨（10）YA2↓動力頭快退KA3（11）↓（4）↓YA1↑KA2↑（3）↓KA1↑SQ1↓停止⑤

動力頭“點動調(diào)整”S置“2”SB1↓KA1↓∨（3）KA1（4）↓YA1↓YA3↓動力頭快進SQ1↑——解除自鎖SB1↑——停SB2↓KA3↓YA2↓動力頭快退在上述控制電路的基礎上，加一延時電路，就可得到這樣的自動工作循環(huán)：快進→工進→延時停留→快退。控制電路如圖1-83所示。實際上就是多加了一個時間繼電器KT，當工進到終點后，壓動開關SQ4，使時間繼電器KA2通電，延時后，才開始快退。1.4.6.3半自動車床刀架縱進、橫進、快退電液控制電路

圖1-84及圖1-85是液壓系統(tǒng)和控制電路圖。SB3↓KM1↓∨（6）YA1↓KM1（3）↓SQ1（9）↓M1—停止M2—起動SB4↓KA1↓∨（9）KA1（7）↓KM2（2）↓KM2↓M1—起動KA1（12）↓—刀架縱移KA2↓KA2（13）↓YA2↓—刀架橫移SQ2（11）↓KT↓延時KT（11）↓KA3↓…YA1↑，YA2↑—刀架退回KA1（7）↑KM2↑1.4.7電動機的保護環(huán)節(jié)電氣控制系統(tǒng)除能滿足生產(chǎn)機械的加工工藝要求外．要想長期的、正常的、無故障的運行，還必須有各種保護措施。保護環(huán)節(jié)是所有機床電氣控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分．利用它來保護電動機、電網(wǎng)、電氣控制設備以及人身安全等。電氣控制系統(tǒng)中常用的保護環(huán)節(jié)有過載保護，短路電流保護、零電壓和欠電壓保護以及弱磁保護等。

1.4.7.1短路保護

電動機繞組的絕緣、導線的絕緣損壞或電路發(fā)生故障時，造成短路現(xiàn)象，產(chǎn)生短路電流并引起電氣設備絕緣損壞和產(chǎn)生強大的電動力使電氣設備損壞。因此在產(chǎn)生短路現(xiàn)象時，必須迅速地將電源切斷。常用的短路保護元件有熔斷器和自動開關。（1）熔斷器保護熔斷器的熔體串聯(lián)在被保護的電路中當電路發(fā)生短路或嚴重過載時，它自動熔斷而切斷電路，達到保護的目的。（2）自動開關保護自動開關又稱自動空氣熔斷器，有短路、過載和欠壓保護。這種開關能在電路發(fā)生上述故障時快速地自動切斷電源。是低壓配電重要的保護元件之一，常作低壓配電盤的總電源開關及電動機變壓器的合閘開關。通常熔斷器比較適用于對動作準確度和自動化程度較差的系統(tǒng)中，如小容量的籠形電動機、一般的普通交流電源等。自動開關，只要發(fā)生短路就會自動跳閘，將三相同時切斷。自動開關結(jié)構復雜，操作頻率低，廣泛用于要求較高的場合。