电气控制图设计

图6－8　自耦变压器降压启动原理图

图6－9　自耦变压器降压启动控制线路电路图

自耦变压器降压启动控制线路的工作原理如下。合上电源开关QS。

(1)降压启动

降压启动过程如图6－10所示。

图6－10　降压启动过程

(2)全压启动

全压启动过程如图6－11所示。

图6－11　全压启动过程

由图6－10，图6－11可见，指示灯HL1亮，表示电源有电，电动机处于停止状态;指示灯HL2亮，表示电动机处于降压起动状态;指示灯HL3亮，表示电动机处于全压运转状态。

停止时，按下停止按钮SB2，控制电路失电，电动机停转。

自耦变压器降压启动:这种方式通常用于要求启动转矩较大而启动电流较小的场合，采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转矩。如启动电压降至额定电压的65%，其启动电流为全压启动电流的42%，而启动转矩仅为全压启动转矩的42%。

3.Y-Δ降压启动控制线路

Y-Δ降压启动是指电动机启动时，把定子绕组接成Y形，以降低启动电压，限制启动电流。待电动机启动后，再把定子绕组改接成Δ形，使电动机全压运行。凡是在正常运行时定子绕组作Δ形连接的异步电动机，均可采用这种降压启动方法。

时间继电器自动控制Y-Δ降压启动电路如图6－12所示。该线路由三个接触器、一个热继电器、一个时间继电器和两个按钮组成。时间继电器KT用作控制Y形降压启动时间和完成Y-Δ自动切换。

图6－12　Y-Δ降压启动控制线路电路图

Y-Δ启动:Y-Δ启动适用于定子绕组为Δ连接的电动机，采用这种方式启动时，可使每相定子绕组降低到电源电压的58%，启动电流为直接启动时的33%，启动转矩为直接启动时的33%。启动电流小，启动转矩小。

线路的工作原理如图6－13所示。先合上电源开关QS:

图6－13　Y-Δ降压启动控制线路工作原理图

【课后检查】

在什么情况下使用降压起动方式?各种降压起动方式各有哪些优点与缺点?

6.4　三相异步电动机的制动

【学习目标】

1)了解三相异步电动机的制动原理。

2)了解三相异步电动机常用的制动方法。

3)掌握三相异步电动机能耗制动、反接制动工作原理，并能对其工作原理图熟练识图。

引言

三相异步电动机的制动是电动机继电接触控制的重要内容。在许多场合，要求电动机在发出停止指令后，电动机能够迅速停止运行，即实现制动。因而，掌握电动机制动方法，制动原理，熟练掌握制动电路的识图技能是十分必要的，将为今后的工作实践奠定良好的基础。

一、三相异步电动机的制动

三相异步电动机在按下停止按钮后，由于惯性不能立即停止转动，还要继续运转一段时间，这在许多场合是不允许的，否则将发生严重的后果。所谓制动，就是给电动机一个与转动方向相反的转矩使它迅速停转(或限制其转速)。制动的方法一般有两类:机械制动和电气制动。

(一)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叫机械制动。

常用的方法为电磁抱闸制动。

1.电磁抱闸的结构

电磁抱阐主要由两部分组成:制动电磁铁和闸瓦制动器。

制动电磁铁由铁芯、衔铁和线圈三部分组成。闸瓦制动器包括闸轮、闸瓦、杠杆和弹簧等，闸轮与电动机装在同一根转轴上。

断电制动型性能是:当线圈得电时，闸瓦与闸轮分开，无制动作用，当线圈失电时，闸瓦紧紧抱住闸轮制动。

通电制动型的性能是:当线圈得电时，闸瓦紧紧抱住闸轮制动;当线圈失电时，闸瓦与闸轮分开，无制动作用。

2.电磁抱闸制动的特点

优点:电磁抱闸制动，制动力强，广泛应用在起重设备上。它安全可靠，不会因突然断电而发生事故。

缺点:电磁抱闸体积较大，制动器磨损严重，快速制动时会产生振动。

图6－14所示为电磁抱闸制动结构示意图。

图6－14　电磁抱闸制动结构示意图

(二)电气制动

1.能耗制动

(1)能耗制动的原理

电动机能耗制动电气原理如图6－15所示，电动机切断交流电源后，转子因惯性仍继续旋转，立即在两相定子绕组中通入直流电，在定子中即产生一个静止磁场，转子中的导条就切割这个静止磁场而产生感应电流，在静止磁场中受到电磁力的作用。这个力产生的力矩与转子惯性旋转方向相反，称为制动转矩，它迫使转子转速下降。当转子转速降至零，转子不再切割磁场，电动机停转，制动结束。此法是利用转子转动的能量切割磁通而产生制动转矩的，实质是将转子的动能消耗在转子回路的电阻上，故称为能耗制动。

(2)能耗制动的特点

优点:制动力强、制动平稳、无大的冲击;应用能耗制动能使生产机械准确停车，被广泛用于矿井提升和起重机运输等生产机械。

缺点:需要直流电源、电动机功率较大时，制动的直流设备投资大。

图6－15　电动机能耗制动电气原理图

2.反接制动

(1)电源反接制动

工作原理如图6－16所示。

图6－16　电动机反接制动原理图

电源反接，旋转磁场反向，转子绕组切割磁场的方向与电动机状态相反，起制动作用，当转速降至接近零时，利用速度继电器立即切断电源，避免电动机反转。

反接制动的特点:优点是制动力强、停转迅速、无须直流电源;缺点是制动过程冲击大，电能消耗多。

(2)电阻倒拉反接制动

绕线异步电动机提升重物时不改变电源的接线，若不断增加转子电路的电阻，电动机的转子电流下降，电磁转矩减小，转速不断下降，当电阻达到一定值，使转速为零，若再增加电阻，电动机反转。

特点:能量损耗大。

3.电容制动

电容制动是在运行着的异步电动机切断电源后，迅速在定子绕组的端线上接入电容器而实现制动的一种方法。三组电容器可以接成星形或三角形，与定子出线端组成闭合电路(采用三角形连接制动效果较好)。

当旋转着的电动机断开电源时，转子内仍有剩磁，转子具有惯性仍然继续转动，相当于在转子周围形成一个转子旋转磁场，这个磁场切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，通过电容器组成闭合电路，对电容器充电，在定子绕组中形成励磁电流，建立一个磁场，与转子感应电流相互作用，产生一个阻止转子旋转的制动转矩，使电动机迅速停车，完成制动过程。

特点:电容制动对高速、低速运转的电动机均能迅速制动，能量损耗小设备简单，一般用于10 kW以下的小容量电动机。

4.回馈制动

回馈制动即发电回馈制动，当转子转速n超过旋转磁场转速n1时，电动机进入发电机状态，向电网反馈能量，转子所受的力矩迫使转子转速下降，起到制动作用。

如起重机快速下放物体时，重物拖动转子，使其转速超过n1时，转子受到制动，使重物等速下降。

当变速多极电动机从高速挡调到低速挡时，旋转磁场转速突然减小，而转子具有惯性，转速尚未下降时，出现回馈制动。

特点:经济性好，将负载的机械能转换为电能反送电网，但应用范围不广。

6.5　三相异步电动机的调速

【学习目标】

1)了解三相异步电动机的调速原理。

2)了解三相异步电动机常用的调速方法。

3)掌握三相异步电动机改变磁极对数的调速方法。

引言

20世纪50年代以前，电动机运行的基本方式是转速不变的定速拖动。对于控制精度要求不高以及无调速要求的许多场合，定速拖动基本能够满足生产要求。随着工业化进程的发展，对传动方式提出了可调速拖动的更高要求。用直流电动机可方便地进行调速，但直流电动机体积大，造价高，并且无节能效果，而交流电动机体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻，因此对交流电动机的调速具有重大的实用性。

一、三相异步电动机调速原理及方法

所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。

1.转差率调速

改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电动机的定子电压调速，采用电磁转差(或滑差)离合器调速，转子回路串电阻调速以及串极调速。前两种方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗(又称转差功率)，使转子发热，系统效率降低。

2.改变电动机的极对数

通过改变定子绕组的连接方式来实现。变极调速是改变异步电动机的同步转速，所以一般称变极调速的电动机为多速异步电动机。

3.变频调速

通过改变定子绕组的电压供电频率来实现。当转差率s一定时，电动机的转速n基本上正比于f1。很明显，只要有输出频率可平滑调节的变频电源，就能平滑、无极地调节异步电动机的转速。

二、各种调速方法简介

(一)三相异步电动机的降定子电压调速

1.调速原理及机械特性

根据三相异步电动机降低定子电源电压的人为机械特性，在同步转速n1不变的条件下，电磁转矩T∝U2。降低电源电压可以降低转速。可见，当定子电压降低时，稳定运行的转速将降低从而实现了转速的调节。

2.调速方法的特点及特性

1)三相异步电动机降压调速方法比较简单。

2)对于一般的鼠笼式异步电动机，拖动恒转矩负载时，调速范围很小，没多大实用价值。

3)若拖动泵类负载时，如通风机，降压调速有较好调速效果，但在低速运行时，由于转差率s增大，消耗在转子电路的转差功率增大，电机发热严重。

4)低速时，机械性能太软，其调速范围和静差率达不到生产工艺的要求。

(二)变极调速

变极调速中，当定子绕组的接线方式改变的同时，还需要改变定子绕组的相序;即倒换定子电流的相序，以保证变极调速前后电动机的转向不变，即要求磁通旋转方向不变。如图6－17所示是Δ/YY变极对数调速电气原理图。

图6－17　Δ/YY变极对数调速

(三)变频调速

异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。

1.变频调速原理

改变异步电动机定子绕组供电电源的频率f1，可以改变同步转速n1，从而改变转速。如果频率f1连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。

三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为

U1≈E1=4.44f1N1kmΦm

式中，E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势;f1为定子电源频率;N1为定子每相绕组匝数;Km为基波绕组系数，Φm为每极气隙磁通量。

如果改变频率f1，且保持定子电源电压U1不变，则气隙每极磁通Φm将增大，会引起电动机铁芯磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通Φm的目的。对此，需要考虑基频(额定频率)以下的调速和基频以上调速两种情况。

其特点和性能如下。

1)变频调速设备(简称变频器)结构复杂，价格昂贵，容量有限。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格便宜、操作方便等趋势发展。

2)变频器具有机械特性较硬，静差率小，转速稳定性好，调速范围广(可达10∶1)，平滑性高等特点;可实现无极调速。

3)变频调速时，转差率较小，则转差功率损耗较小，效率较高。

4)可以证明，变频调速时，基频下的调速为恒转矩调速方式;基频调速以上时，近似为恒功率调速方式。

5)变频调速器已广泛用于生产机械等很多领域内。

6.6　三相异步电动机常见典型控制电路

【学习目标】

1)了解三相异步电动机的典型控制电路类型。

2)掌握常见三相异步电动机典型控制的电气原理图识图方法。

引言

三相异步电动机作为主要的动力设备在各种场合得到了广泛的应用，因而了解其典型的常见的控制电路，掌握其电气识图能力具有十分重要的意义，通过学习典型控制电路工作原理的分析，举一反三，为今后识读更复杂的电气控制原理图奠定良好的基础。

一、三相笼型异步电动机的正反转控制线路

(一)接触器联锁的正反转控制线路

接触器联锁的正反转控制线路如图6－18所示。

图6－18　接触器联锁的正反转控制线路

必须指出，接触器KM1和KM2的主触头绝不允许同时闭合，否则将造成两相电源(L1相和L3相)短路事故。因此设置实现联锁作用的动断辅助触头，称为联锁触头(或互锁触头)。

线路的工作原理如图6－19，图6－20所示。先合上电源开关QS。

1.正转控制

图6－19　接触器联锁的正转控制过程

2.反转控制

图6－20　接触器联锁的反转控制过程

停止时，按下停止按钮SB3，控制电路失电，KM1(或KM2)主触头分断，电动机M失电停止转动。

(二)按钮、接触器双重联锁的正反转控制线路

为克服接触器联锁正反转控制线路的不足，在接触器联锁的基础上，又增加了按钮联锁，构成按钮、接触器双重联锁正反转控制线路，如图6－21所示。

图6－21　双重联锁的正反转控制线路

线路的工作原理如图6－22、图6－23所示。先合上电源开关QS。

1.正转控制

图6－22　双重联锁的正转控制过程

2.反转控制

图6－23　双重联锁的反转控制过程

若要停止，按下SB3，整个控制电路失电，主触头分断，电动机M失电停止转动。

三、位置控制与自动循环控制线路

(一)位置控制线路(又称行程控制或限位控制线路)

位置控制就是利用生产机械运动部件上的挡铁与位置开关碰撞，使其触头动作，来接通或断开电路，以实现对生产机械运动部件的位置或行程的自动控制。位置控制电路图如图6－24所示。

图6－24　位置控制电路图

线路的工作原理如图6－25，图6－24所示。先合上电源开关QS。

1.行车向前运动

图6－25　行车向前运动过程

2.行车向后运动

图6－26　行车向后运动过程

停车时只需按下SB即可。

(二)自动循环控制线路

有些生产机械，要求工作台在一定的行程内能自动往返运动，以便实现对工件的连续加工，提高生产效率。这就需要电气控制线路能对电动机实现自动转换正反转控制。由位置开关控制的工作台自动往返控制线路如图6－27所示。它的右下角是工作台自动往返运动的示意图。

图6－27　工作台自动往返行程控制线路

自动循环控制线路的工作原理如图6－28所示。先合上QS。

图6－28　自动循环控制线路原理

四、顺序控制与多地控制线路

(一)顺序控制线路

在装有多台电动机的生产机械上，各电动机所起的作用不同，有时需要按一定的顺序起动才能保证操作过程的合理和工作的安全可靠。这些顺序关系反映在控制线路上，称为顺序控制。如图6－29所示为两台电动机的顺序起动控制线路。该线路的控制特点一是顺序起动即M1起动后M2才能起动，二是同时停止。

图6－29　顺序起动控制电路

顺序控制线路也有多种，如图6－30所示是电动机的顺序起动、逆序停止控制线路，其控制特点是起动时必须先起动M1，才能起动M2;停止时必须先停止M2，M1才能停止。

图6－30　电动机顺序起动，逆序停止控制电路

(二)多地控制线路

能在两地或多地控制同一台电动机的控制方式叫电动机的多地控制，如图6－31所示。其中SB11、SB12为安装在甲地的启动按钮和停止按钮;SB21、SB22为安装在乙地的启动按钮和停止按钮。线路的特点是:两地的启动按钮SB11、SB21要并联接在一起;停止按钮SB12、SB22要串联接在一起。这样就可以分别在甲乙两地启动和停止同一台电动机，达到操作方便之目的。

图6－31　两地控制电路图

对三地或多地控制，只要把各地的启动按钮并联、停止按钮串联就可以实现。

实训项目一　电气控制识图

一、实训目的

1)熟练掌握低压元器件的应用。

2)学会分析相关电路的控制原理。

二、实训内容

学会分析以下电气控制线路的工作原理:三相笼型异步电动机的直接起动控制线路，三相笼型异步电动机的正反转控制线路，位置控制与自动循环控制线路，顺序控制与多地控制线路，三相笼型异步电动机降压起动控制电路等。

实训项目二　电气控制图设计

一、实训目的

1)熟练掌握低压元器件的应用。

2)能根据题目要求自主设计电气控制线路。

二、实训内容

根据要求自主设计两个电气控制线路。

题目一:设计一个电气控制电路，要求第一台电动机启动10 s以后，第二台自动启动，运行5 s以后，第一台电动机停止转动，同时第三台电动机启动，再运转15 s后，电动机全部停止转动。

题目二:设计一个电气控制电路，控制一台电动机。要求:

1)可正向点动、长动;

2)可反向点动、长动;

3)有短路和过载保护。

成绩评分标准

成绩评分标准如表6－1所示。

表6－1　成绩评分标准