機床控制電路的基本環(huán)節(jié)

項目三機床控制電路的基本環(huán)節(jié)3.1

三相異步電動機基本控制線路

3.2

三相籠型異步電動機的啟動控制

3.3

三相繞線式異步電動機的啟動控制

3.4

三相異步電動機的調(diào)速控制

3.5

三相異步電動機的制動控制

3.1

三相異步電動機基本控制線路

3.1.1點動控制

機械設(shè)備手動控制間斷工作，即按下啟動按鈕，電動機轉(zhuǎn)動，松開按鈕，電動機停轉(zhuǎn)，這種控制方式稱為點動。電動機的點動控制線路是最簡單的控制線路，

如圖3-1所示

。圖中SB為啟動按鈕，主電路刀開關(guān)QS起隔離作用，熔斷器FU起短路保護作用，接觸器KM的主觸點控制電動機啟動、運行和停車。

圖3-1

電動機的點動控制線路

3.1.2自鎖控制為使機械設(shè)備長時間運轉(zhuǎn)，即保持持續(xù)工作，需采用電動機的自鎖控制方式。圖3-2所示為電動機的自鎖控制線路，也是最簡單的電動機起、?？刂凭€路。圖中熱繼電器FR用作過載保護。

圖3-2

電動機的自鎖控制線路

合上電源開關(guān)QS，當(dāng)按下啟動按鈕SB2時，接觸器KM線圈通電吸合，接觸器KM主觸點閉合，電動機M啟動運轉(zhuǎn)。松開按鈕SB2時，SB2自動復(fù)位，接觸器KM仍可通過其動合輔助觸點繼續(xù)供電，從而保證電動機的連續(xù)運行。這種依靠接觸器自身輔助觸點而使其線圈保持通電的現(xiàn)象，稱為自鎖或自保持，也叫做電動機的長動控制。這個起自鎖作用的輔助觸點，稱為自鎖觸點。當(dāng)機械設(shè)備要求既能正常持續(xù)工作，又能點動控制時，電路必須同時具有自鎖和點動的控制功能。具有自鎖與點動控制功能的線路如圖3-3所示。

圖3-3具有自鎖與點動控制功能的線路(a)點動控制一;(b)點動控制二;(c)點動控制三

3.1.3互鎖控制在同一時間里兩個接觸器只允許一個工作的控制稱為互鎖控制。圖3-7所示為具有互鎖控制功能的線路。

圖3-4

具有互鎖控制功能的線路

3.1.4正反轉(zhuǎn)控制

1．按鈕控制的電動機正反轉(zhuǎn)控制線路

圖3-7所以即為按鈕控制的正反轉(zhuǎn)控制線路，正反轉(zhuǎn)的控制靠手動操作按鈕實現(xiàn)。主電路中接觸器KM1和KM2構(gòu)成正反轉(zhuǎn)相序接線，圖3-4控制線路中，按下正向啟動按鈕SB2，正向控制接觸器KM1線圈得電動作，其主觸點閉合，電動機正向轉(zhuǎn)動，按下停止按鈕SB1，電動機停轉(zhuǎn);按下反向啟動按鈕SB3，反向接觸器KM2線圈得電動作，其主觸點閉合，主電路定子繞組變正轉(zhuǎn)相序為反轉(zhuǎn)相序，電動機反轉(zhuǎn)。圖3-4控制線路中，當(dāng)變換電動機轉(zhuǎn)向時，必須先按下停止按鈕，停止正轉(zhuǎn)，再按下反向啟動按鈕，方可反向啟動，操作不便。若主電路不變，采用圖3-8中所示控制電路，利用復(fù)合按鈕SB2、SB3可直接實現(xiàn)由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的控制（反之亦然）。

圖3-5

復(fù)合按鈕控制的電動機正反轉(zhuǎn)控制線路

復(fù)合按鈕具有互鎖功能，但工作不可靠，因為在實際使用中，由于短路或大電流的長期作用，接觸器主觸點會被強烈的電弧“燒焊”在一起，或者當(dāng)接觸器的機構(gòu)失靈，使主觸點不能斷開，這時若另一接觸器動作，將會造成電源短路故障。如果采用接觸器的動斷觸點進行互鎖，則不論什么原因，當(dāng)一個接觸器處于吸合狀態(tài)，它的互鎖動斷觸點必將另一接觸器的線圈電路切斷，

從而避免故障的發(fā)生。

2．行程開關(guān)控制的電動機正反轉(zhuǎn)控制線路

行程開關(guān)控制的電動機正反轉(zhuǎn)是機動控制，是由機床的運動部件在工作過程中壓動行程開關(guān)，實現(xiàn)電動機正反轉(zhuǎn)自動切換的。圖3-6所示是機床工作臺往返循環(huán)的控制線路。電動機的正反轉(zhuǎn)可通過SB1、SB2、SB3手動控制，也可用行程開關(guān)實現(xiàn)機動控制。

圖3-6

行程開關(guān)控制的電動機正反轉(zhuǎn)控制線路

3.1.5多地控制

在大型設(shè)備上，為了操作方便，常要求多個地點進行控制操作；在某些機械設(shè)備上，為保證操作安全，需要多個條件滿足，設(shè)備才能開始工作，這樣的控制要求可通過在電路中串聯(lián)或并聯(lián)電器的動斷觸點和動合觸點來實現(xiàn)。圖3-7（a）所示為多地點操作控制線路。SB2、SB3、SB4的動合觸點任一個閉合，可接通KM線圈；SB1、SB5、SB6的動斷觸點任一個打開，即可切斷電路。圖3-7（b）所示為多條件操作控制線路。SB4、SB5、SB6的動合觸點全部閉合，才能接通KM線圈；SB1、SB2、SB3的動斷觸點全部打開，才可切斷電路。

圖3-7多地點和多條件控制線路(a)多地點控制線路;(b)多條件控制線路

3.1.6聯(lián)鎖控制1．順序聯(lián)鎖

實際生產(chǎn)中，有些設(shè)備常要求電動機按一定的順序啟動或停止，如銑床工作臺的進給電動機必須在主軸電動機已啟動工作的條件下才能啟動工作，自動加工設(shè)備必須在前一工步已完成或轉(zhuǎn)換控制條件已具備，方可進入新的工步?？刂圃O(shè)備完成這樣順序起?？刂齐妱訖C的電路，稱為順序聯(lián)鎖控制電路，順序聯(lián)鎖控制也叫條件控制。圖3-8所示為兩臺電動機順序啟動的控制線路。

圖3-8兩臺電動機順序啟動控制線路(a)方案一;(b)方案二

2．操作手柄和行程開關(guān)組合構(gòu)成的聯(lián)鎖

在運動復(fù)雜的設(shè)備上，為防止不同運動之間的干涉，常用操作手柄和行程開關(guān)組合構(gòu)成的聯(lián)鎖控制。這里以某機床工作臺進給運動控制為例，說明這種聯(lián)鎖關(guān)系。機床工作臺由一臺電動機驅(qū)動，通過機械傳動鏈傳動，可完成縱向（左、右兩個方向）和橫向（前、后兩個方向）的進給移動。工作時，工作臺只允許沿一個方向進給移動，因此各方向的進給運動之間必須聯(lián)鎖。工作臺由縱向手柄和行程開關(guān)SQ1、SQ2控制縱向進給，由橫向手柄和行程開關(guān)SQ3、SQ4控制橫向進給。

圖3-9

工作臺進給聯(lián)鎖控制線路

3.2

三相籠型異步電動機的啟動控制

電源容量是否允許電動機在額定電壓下直接啟動，可根據(jù)式(3-1)判斷，若不等式成立，

則可直接啟動，

否則應(yīng)降壓啟動。

（3-1）

3.2.1直接啟動

1．采用開關(guān)直接啟動控制線路

采用閘刀開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)或鐵殼開關(guān)控制電動機直接啟動和停止的控制線路如圖3-10

所示。

圖3-10

開關(guān)直接啟動控制線路

2．采用接觸器直接啟動控制線路

對于容量稍大或啟動頻繁的電動機，接通與斷開電路應(yīng)采用接觸器。圖3-11所示是采用接觸器直接啟動電動機的線路。

圖3-11

接觸器直接啟動控制線路

3.2.2定子串電阻（或電抗器）降壓啟動

電動機啟動時在三相定子電路中串入電阻，使電動機定子繞組電壓降低，限制了啟動電流，待電動機轉(zhuǎn)速上升到一定值時，將電阻切除，使電動機在額定電壓下穩(wěn)定運行。圖3-12所示是定子串電阻降壓啟動控制線路，圖中主電路由KM1、KM2兩組接觸器主觸點構(gòu)成串電阻接線和短接電阻接線。在控制電路中，由時間繼電器按時間原則實現(xiàn)從啟動狀態(tài)到正常工作狀態(tài)的自動切換，這種控制方式叫做時間控制原則。

圖3-12

定子串電阻降壓啟動控制線路

這種啟動方式不受電動機接線方式的限制，設(shè)備簡單，常用于中、小型設(shè)備，也用于限制機床點動調(diào)整時的啟動電流。但是，串電阻降壓啟動時，一般允許啟動電流為額定電流的2～3倍，加在定子繞組上的電壓為全電壓的1/2，啟動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/4，啟動轉(zhuǎn)矩小。因此，串電阻降壓啟動僅適用于對啟動轉(zhuǎn)矩要求不高的生產(chǎn)機械上。另外，由于存在啟動電阻，將使控制柜體積增大，電能損耗大。對于大容量電動機，往往采用串接電抗器來實現(xiàn)降壓啟動。

3.2.3星形-三角形(Ｙ-△)降壓啟動

額定運行為三角形接法且容量較大的電動機可以采用星形-三角形降壓啟動，即電動機啟動時，定子繞組按星形連接，每相繞組的電壓降為三角形連接時的，啟動電流為三角形接法時啟動電流的1/3，在啟動即將結(jié)束時再換接成三角形。圖3-13所示是星形-三角形降壓啟動控制線路。圖3-13

星形-三角形降壓啟動控制線路

3.2.4自耦變壓器降壓啟動

自耦變壓器按星形接線，啟動時將電動機定子繞組接到自耦變壓器二次側(cè)。電動機定子繞組得到的電壓即為自耦變壓器的二次電壓，改變自耦變壓器抽頭的位置可以獲得不同的啟動電壓。在實際應(yīng)用中，自耦變壓器一般有65%、85%等抽頭。當(dāng)啟動即將結(jié)束時將自耦變壓器切除，額定電壓（即自耦變壓器的一次電壓）直接加到電動機定子繞組上，電動機全壓正常運行。

圖3-14所示是自耦變壓器降壓啟動控制線路。圖中接觸器KM1主觸點閉合時，將自耦變壓器接入，電動機定子繞組經(jīng)自耦變壓器供電實現(xiàn)降壓啟動。當(dāng)時間繼電器KT延時時間到時，啟動過程結(jié)束，KM1線圈斷電，而KM2線圈得電，其主觸點閉合，將自耦變壓器切除，電動機全壓運行。

圖3-14

自耦變壓器降壓啟動控制線路

3.2.5延邊三角形降壓啟動

延邊三角形降壓啟動是一種既不增加啟動設(shè)備，又能適當(dāng)增加啟動轉(zhuǎn)矩的一種降壓啟動方法，它適用于定子繞組特別設(shè)計的異步電動機，這種電動機的定子繞組共有9個出線端，如圖3-15所示。電動機定子繞組作延邊三角形接線時，每相繞組承受的電壓比三角形接法時低，又比星形接法高，介于二者之間。這樣既可實現(xiàn)降壓啟動，又可提高啟動轉(zhuǎn)矩。實際應(yīng)用中可根據(jù)啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩的要求，選用不同的抽頭比，但電動機定子繞組制成后抽頭就不能隨意變動。

圖3-15延邊三角形定子繞組接線(a)原始狀態(tài);(b)啟動時;(c)正常運轉(zhuǎn)

延邊三角形降壓啟動控制線路如圖3-16所示。啟動時，按下啟動按鈕SB2后，KM1及KM3通電且自鎖，把電動機定子繞組接成延邊三角形啟動，同時KT通電延時，經(jīng)過一段延時后，KT動作使KM3斷電，電動機接成三角形正常運轉(zhuǎn)。圖3-16延邊三角形降壓啟動控制線路

3.3

三相繞線式異步電動機的啟動控制

3.3.1轉(zhuǎn)子繞組串電阻降壓啟動

轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動控制是在三相轉(zhuǎn)子繞組中分別串接幾級電阻，并按星形方式接線。啟動前，啟動電阻全部接入電路限流；啟動過程中，隨轉(zhuǎn)速升高，啟動電流下降，

啟動電阻逐級短接；至啟動完成時，全部電阻短接，電動機全壓運行。

繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻啟動控制可以采用時間繼電器控制，也可以采用電流繼電器控制。圖3-17所示是時間繼電器控制的啟動線路。圖中轉(zhuǎn)子回路中的三組啟動電阻由接觸器KM2、KM3、KM4在時間繼電器KT1、KT2、KT3的控制下順序被短接，

正常工作時，只有KM1和KM4兩個接觸器的主觸點閉合。

圖3-17

時間繼電器控制的啟動線路

圖3-18所示是由電動機轉(zhuǎn)子電流大小的變化來控制電阻短接的啟動控制線路，這種依據(jù)電流實現(xiàn)自動切換的控制方式叫做電流控制原則。圖中轉(zhuǎn)子繞組中除串接啟動電阻外，還串接有電流繼電器KA2、KA3、KA4的線圈。三個電流繼電器的吸合電流都一樣，但是釋放電流不同，KA2釋放電流最大，KA3次之，KA4最小。剛啟動時，啟動電流很大，電流繼電器全部吸合，因此全部啟動電阻接入。隨著電動機轉(zhuǎn)速升高，電流變小，電流繼電器根據(jù)釋放電流的大小等級依次釋放，使接觸器線圈依次得電，主觸點閉合，逐級短接電阻，直到全部電阻都被短接，

電動機啟動完畢，進入正常運行。

圖3-18

電流繼電器控制的啟動線路

3.3.2轉(zhuǎn)子繞組串頻敏變阻器啟動

頻敏變阻器的結(jié)構(gòu)類似于只有原繞組沒有副繞組的三相變壓器，繞組通常接成Y形，其鐵心是由30～50mm厚的鑄鐵片或鋼板疊成。因此，頻敏變阻器實際上是一個鐵損很大的三相電抗器。它的阻值隨著流過繞組的電流頻率的變化而變化，電流頻率越高，阻抗值越高。轉(zhuǎn)子回路串接頻敏變阻器剛啟動時，轉(zhuǎn)子電流頻率最高，變阻器的阻抗值最大，限制了電動機的啟動電流。隨著電動機轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子電流頻率逐漸降低，變阻器的阻抗也逐漸減少，正常轉(zhuǎn)速時，其阻抗值接近于零。所以，頻敏變阻器相當(dāng)于無級變化的變阻器，控制線路如圖3-22所示。

圖3-19

轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器啟動線路

3.4

三相異步電動機的調(diào)速控制

3.4.1變極調(diào)速1．電動機磁極對數(shù)的產(chǎn)生與變化

籠型異步電動機有兩種改變磁極對數(shù)的方法：一是改變定子繞組的連接，即改變定子繞組中電流流動的方向，形成不同的磁極對數(shù)；二是在定子繞組上設(shè)置具有不同磁極對數(shù)的兩套互相獨立的繞組。當(dāng)一臺電動機需要較多級數(shù)的速度輸出時，也可兩種方法同時采用。

雙速電動機的定子繞組由兩個線圈連接而成，線圈之間有導(dǎo)線引出，如圖3-20所示。常見的定子繞組接線有兩種：一種是由單星形改為雙星形，即將（b）圖連接方式換成（c）圖連接方式；另一種是由三角形改為雙星形，即將（a）圖連接方式換成（c）圖連接方式。當(dāng)每相繞組的兩個線圈串聯(lián)后接入三相電源，電流流動方向及電流分布如（d）圖所示，形成四極低速運行。每相定子繞組的兩個線圈并聯(lián)時，由中間導(dǎo)線端子接入三相電源，其他兩端匯集一點構(gòu)成雙星形連接，電流流動方向及電流分布改變?nèi)纾╡）圖所示，形成二極高速運行。兩種接線方式變換使磁極對數(shù)減少一半，其轉(zhuǎn)速增加一倍。單星形-雙星形切換適用于拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載；三角形-雙星形切換適用于拖動恒功率性質(zhì)的負(fù)載。圖3-20雙速電動機定子繞組接線(a)三角形；(b)星形；(c)雙星形；(d)四極接線電流圖；(e)二極接線電流圖

圖3-21雙速電動機變速控制線路(a)方案一;(b)方案二;(c)方案三

3.3.2變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是通過改變電源頻率從而使電動機的同步轉(zhuǎn)速發(fā)生變化以達到調(diào)速的目的。變頻調(diào)速是借助微電子器件、電力電子器件和控制技術(shù)，先將工頻電源經(jīng)過二極管整流成直流，再由電力電子器件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電源，整個變頻裝置稱為變頻器。變頻器作為一種智能調(diào)速“元件”，它的功能是將頻率、電壓都固定的交流電變換成頻率、電壓都連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。目前廣泛采用的通用變頻器是指能與鼠籠電動機配套使用，能適用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載并具有多種可供選擇的功能的一類變頻器。通用變頻器是組成調(diào)速控制系統(tǒng)的主要部件，

如圖3-22所示。

圖3-22

典型調(diào)速控制系統(tǒng)示意圖

由于把直流電逆變成交流電的環(huán)節(jié)比較容易控制，并且在電動機變頻后的特性等方面比其他方法具有明顯的優(yōu)勢，所以通用變頻器采用了先把頻率、電壓都固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率、電壓都連續(xù)可調(diào)的三相交流電，即交—直—交方式，其基本構(gòu)成及工作原理如圖3-23所示。

圖3-23

變頻器原理圖

變頻器由主電路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成。（1）整流器：它的作用是把三相交流電源整流成直流。（2）逆變器：作用與整流器相反，是將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可變的交流電，實現(xiàn)交流電機變頻調(diào)速。（3）控制電路：由運算電路、檢測電路、驅(qū)動電路、保護電路等組成，均采用大規(guī)模集成電路。

3.3.3改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法有改變電壓和改變定子、轉(zhuǎn)子參數(shù)等。轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過改變電動機轉(zhuǎn)差率來調(diào)速的方法之一，它只適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，

異步電動機的轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比。

圖3-24所示是繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子外接三相電阻進行調(diào)速的控制線路，它由主令控制器和磁力控制盤組成，主要應(yīng)用在起重設(shè)備控制線路中。圖中接觸器KM2用于使電動機正轉(zhuǎn)；接觸器KM1用于使電動機反轉(zhuǎn)；接觸器KM3用于接通電磁鐵YA，實現(xiàn)制動。電動機轉(zhuǎn)子回路中共串有七段電阻，即R1～R7，其中R7為常串電阻，用于軟化機械特性，其余各段電阻的接入與切除分別由接觸器KM4～KM9來控制。

圖3-24

轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的控制線路

3.5

三相異步電動機的制動控制3.5.1機械制動

電動機切斷電源之后，利用機械裝置使電動機迅速停止轉(zhuǎn)動的方法稱為機械制動。常用的機械制動裝置有電磁抱閘和電磁離合器兩種，它們的制動原理基本相同。機械制動又分為斷電制動和通電制動，這里僅介紹電磁抱閘斷電制動。圖3-25所示是電磁抱閘的外形圖，電磁抱閘主要由電磁鐵和閘瓦制動器組成。當(dāng)電磁抱閘線圈通電時，銜鐵吸合動作，克服彈簧力推動杠桿，使閘瓦松開閘輪，電動機能正常運轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)電磁抱閘線圈斷電時，銜鐵與鐵心分離，在彈簧的作用下，閘瓦與閘輪緊緊抱住，電動機被迅速制動而停轉(zhuǎn)。

圖3-25

電磁抱閘的外形結(jié)構(gòu)圖

圖3-26所示為電磁抱閘斷電制動的控制線路。圖中YA為電磁抱閘電磁鐵的線圈。按下SB2，KM線圈通電吸合，YA得電，閘瓦松開閘輪，電動機啟動。按下停止按鈕SB1，KM斷電釋放，電動機和YA同時斷電，電磁抱閘在彈簧作用下，使閘瓦與閘輪緊緊抱住，電動機被迅速制動而停轉(zhuǎn)。圖3-26

電磁抱閘斷電制動控制線路圖

3.6.2電氣制動1．能耗制動

能耗制動是在三相電動機停車切斷三相電源的同時，將一直流電源接入定子繞組產(chǎn)生恒定磁場，使電動機迅速停轉(zhuǎn)的一種制動方法。圖3-27