機(jī)電傳動(dòng)控制 第三版 課件 第4-6章 電氣控制系統(tǒng)- 變頻器及其應(yīng)用

機(jī)電傳動(dòng)控制第4章

電氣控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉電氣制圖規(guī)范

熟練掌握籠型三相異步電動(dòng)機(jī)的基本控制環(huán)節(jié)熟悉典型機(jī)電設(shè)備的電氣控制原理，掌握電氣控制電路的分析方法4.1電氣制圖規(guī)范4.1.1電氣制圖標(biāo)準(zhǔn)與圖形文字符號(hào)

電氣制圖用圖形符號(hào)和文字符號(hào)必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,并盡可能與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)是負(fù)責(zé)組織國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定、修訂和管理的政府主管部門(mén)。

我國(guó)是國(guó)際電工委員會(huì)(InternationalElectrotechnicalCommission，IEC)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalOrganizationforStandardization，ISO)的成員國(guó)。

因此，我國(guó)的電氣電工類(lèi)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大多是在參照IEC和ISO所頒布標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定和實(shí)施的。ISO一詞源于希臘語(yǔ)“ISOS”，對(duì)應(yīng)英文“EQUAL”——本意為相等或相同，引申為標(biāo)準(zhǔn)之意。ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織成立于1947年，中國(guó)是ISO的正式成員，代表中國(guó)參加ISO的政府機(jī)構(gòu)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)和國(guó)家質(zhì)量檢驗(yàn)檢疫總局。序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)1GB/T4728電氣簡(jiǎn)圖用圖形符號(hào)2GB/T5465電氣設(shè)備用圖形符號(hào)3GB/T20063簡(jiǎn)圖用圖形符號(hào)4GB/T5094工業(yè)系統(tǒng)、裝置與設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)原則與參照代號(hào)5GB/T20939技術(shù)產(chǎn)品及技術(shù)產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)原則字母代碼——按項(xiàng)目用途和任務(wù)劃分的主類(lèi)和子類(lèi)6GB/T6988電氣技術(shù)用文件的編制表4-1我國(guó)現(xiàn)行的與電氣制圖有關(guān)的主要國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)現(xiàn)行的繪制電氣簡(jiǎn)圖用的圖形符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T4728《電氣簡(jiǎn)圖用圖形符號(hào)》。

我國(guó)現(xiàn)行的繪制電氣系統(tǒng)圖用的圖形符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T5465《電氣設(shè)備用圖形符號(hào)》。

電氣電工類(lèi)元器件的文字符號(hào)一般由2個(gè)字母組成。第一個(gè)字母為主類(lèi)代碼，主類(lèi)代碼的使用按照GB/T5094.2-2003《工業(yè)系統(tǒng)、裝置與設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)原則與參照代號(hào)第2部分項(xiàng)目的分類(lèi)與分類(lèi)碼》的規(guī)定執(zhí)行；第二個(gè)字母為子類(lèi)代碼，子類(lèi)代碼的使用按照GB/T20939-2007《技術(shù)產(chǎn)品及技術(shù)產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)原則字母代碼按項(xiàng)目用途和任務(wù)劃分的主類(lèi)和子類(lèi)》的規(guī)定執(zhí)行。2.電氣制圖用圖形符號(hào)和文字符號(hào)

早年間，我國(guó)電氣制圖用文字符號(hào)執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T7159-1987《電氣技術(shù)中的文字符號(hào)制訂通則》。

目前，我國(guó)電氣制圖用文字符號(hào)執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T5094.2-2003《工業(yè)系統(tǒng)、裝置與設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品——結(jié)構(gòu)原則與參照代號(hào)第2部分項(xiàng)目的分類(lèi)與分類(lèi)碼》和GB/T20939-2007《技術(shù)產(chǎn)品及技術(shù)產(chǎn)品文件結(jié)構(gòu)原則字母代碼按項(xiàng)目用途和任務(wù)劃分的主類(lèi)和子類(lèi)》。

盡管GB/T7159-1987《電氣技術(shù)中的文字符號(hào)制訂通則》已于2005年10月14日正式廢止，但由于國(guó)內(nèi)電氣電工行業(yè)參與國(guó)際貿(mào)易的能力不足，特別是國(guó)內(nèi)教育界的標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)普遍較為薄弱，在國(guó)內(nèi)大多數(shù)電氣電工專(zhuān)業(yè)和機(jī)電專(zhuān)業(yè)教材中，仍然采用GB/T7159-1987作為電氣電工類(lèi)元器件的文字符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。

為貫徹落實(shí)新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（指GB/T5094.2-2003和GB/T20939-2007），增強(qiáng)學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)，本書(shū)全部采用最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣制圖用文字符號(hào)。

我國(guó)現(xiàn)行的電氣制圖用圖形符號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T4728《電氣簡(jiǎn)圖用圖形符號(hào)》。4.1.2電氣系統(tǒng)圖的繪制

常用的電氣控制系統(tǒng)圖有三種，即電氣原理圖、電器位置圖、安裝接線圖。

電氣原理圖、電器位置圖、安裝接線圖分別以不同角度和不同的表達(dá)方式反映同一工程問(wèn)題的不同側(cè)面，其間又有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般情況下需要互相對(duì)照，才能很好地繪制和閱讀。1.電氣原理圖

電氣原理圖是電氣控制系統(tǒng)圖中最重要的工程圖。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在繪制電氣控制系統(tǒng)的電氣原理圖時(shí)，必須按其工作順序排列，用圖形和文字符號(hào)詳細(xì)表示控制裝置、電路的基本構(gòu)成和連接關(guān)系，但并不反映電器元件的實(shí)際尺寸和安裝位置。圖4-1某液壓機(jī)床的電氣原理圖2.電器位置圖

電器位置圖（圖4-2）表達(dá)各個(gè)電器元件的實(shí)際安裝位置，電器位置圖的設(shè)計(jì)依據(jù)是電氣原理圖。

電器位置圖是按照電器元件的實(shí)際安裝位置繪制的，根據(jù)電器元件布置最合理、連接導(dǎo)線少等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖4-2電器位置圖3.安裝接線圖

安裝接線圖（圖4-3）是按照電器元件的實(shí)際位置和實(shí)際接線繪制的，是表達(dá)電器元件、部件、組件或成套裝置之間的連接關(guān)系的圖紙，同時(shí)也是電氣安裝接線、線路檢查及維修的依據(jù)。

為表明電氣設(shè)備各單元之間的接線關(guān)系，要標(biāo)出所需的數(shù)據(jù)（如接線端子號(hào)，連接導(dǎo)線參數(shù)等），以便于安裝接線、線路檢查、線路維修和故障處理。

電氣原理圖以表明電氣設(shè)備、裝置和控制元件之間的相互控制關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，使人能清晰明了地分析出電路工作原理和工作過(guò)程為目標(biāo)，而安裝線圖以表明電氣設(shè)備、裝置和控制元件的具體接線為出發(fā)點(diǎn)，以接線方便、布線合理為目標(biāo)。圖4-3安裝接線圖4.1.3電氣原理圖的閱讀方法1.看主電路的步驟2.看輔助電路的步驟3.查線看圖法的讀圖要點(diǎn)4.1.4安裝接線圖的閱讀方法1.注意事項(xiàng)2.讀圖方法4.2基本控制環(huán)節(jié)4.2.1全壓起動(dòng)控制1.采用開(kāi)啟式刀開(kāi)關(guān)直接控制圖4-4開(kāi)啟式刀開(kāi)關(guān)控制電路

該電路沒(méi)有電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)功能，一旦發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載，電動(dòng)機(jī)有被燒毀的可能。

另外，當(dāng)電源系統(tǒng)出現(xiàn)失電壓、欠電壓故障時(shí)，該電路也無(wú)法實(shí)施有效的保護(hù)。圖4-5組合開(kāi)關(guān)控制電路

采用開(kāi)啟式刀開(kāi)關(guān)或組合開(kāi)關(guān)直接控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停車(chē)，控制方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

但其缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，即保護(hù)功能不完善，操作也不方便。特別是對(duì)于某些需要頻繁操作、且電源電壓波動(dòng)較大的電動(dòng)機(jī)，上述電路難以保障使用安全。

采用開(kāi)啟式刀開(kāi)關(guān)只能控制容量在10kW以下的電動(dòng)機(jī)，如三相電風(fēng)扇、砂輪機(jī)、排灌水泵等容量較小，且操作不頻繁的設(shè)備。2.采用接觸器進(jìn)行控制

這是最基本的，也是最經(jīng)典的電動(dòng)機(jī)控制電路，任何具有其它特點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)控制電路，均可在該電路的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)。任何一個(gè)電氣工程師都要將該控制電路牢記于心。圖4-6采用接觸器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行起-保-?？刂?.采用接觸器進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制（1）單純的電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制電路圖4-7單純的電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制電路（2）既可點(diǎn)動(dòng)又可長(zhǎng)動(dòng)的控制電路圖4-8既可點(diǎn)動(dòng)又可長(zhǎng)動(dòng)的控制電路（轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SF3）

圖4-9是一種利用復(fù)合按鈕實(shí)現(xiàn)的既可點(diǎn)動(dòng)又可長(zhǎng)動(dòng)的控制電路。

復(fù)合按鈕在結(jié)構(gòu)上可以確保達(dá)成以下要求：當(dāng)按下復(fù)合按鈕時(shí)，其常閉觸點(diǎn)先行斷開(kāi)，此后，其常開(kāi)觸點(diǎn)才會(huì)閉合，即存在一個(gè)時(shí)間差；當(dāng)松開(kāi)復(fù)合按鈕時(shí)，其常開(kāi)觸點(diǎn)先行斷開(kāi)，此后，其常閉觸點(diǎn)才會(huì)閉合，也存在一個(gè)時(shí)間差。

復(fù)合按鈕的兩對(duì)觸點(diǎn)狀態(tài)切換的時(shí)間差，遠(yuǎn)大于接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)切換所需要的時(shí)長(zhǎng)，足以確保接觸器觸點(diǎn)狀態(tài)完成切換。圖4-9既可點(diǎn)動(dòng)又可長(zhǎng)動(dòng)的控制電路（復(fù)合按鈕SF3）4.采用接觸器進(jìn)行多地點(diǎn)控制

對(duì)于某些大型機(jī)電設(shè)備，出于操作方便并確保運(yùn)行安全的考慮，往往需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行多地點(diǎn)的起動(dòng)和停車(chē)控制。例如大型龍門(mén)刨床、數(shù)控加工中心的操作及機(jī)電設(shè)備進(jìn)行調(diào)整、檢修時(shí)，均有上述要求。（1）常規(guī)的多地點(diǎn)控制電路圖4-10多地點(diǎn)控制電路（常規(guī)）（2）具有“剝奪控制權(quán)”功能的多地點(diǎn)控制電路

起動(dòng)按鈕SF2和停止按鈕SF1布置在甲地（如大型機(jī)電設(shè)備的操作臺(tái)），而起動(dòng)按鈕SF4和停止按鈕SF3布置在乙地（如檢修人員所在的機(jī)電設(shè)備內(nèi)部），藉此可在甲、乙地對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)—保持—停車(chē)控制。

位置開(kāi)關(guān)BG安裝在機(jī)電設(shè)備檢修門(mén)的門(mén)框上，用于檢測(cè)檢修門(mén)是否打開(kāi)。只要檢修人員打開(kāi)檢修門(mén)，則位置開(kāi)關(guān)BG的常閉觸點(diǎn)即斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)即閉合。圖4-11具有“剝奪控制權(quán)”功能的多地點(diǎn)控制電路4.2.2正、反轉(zhuǎn)控制

在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件需要做正、反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的情況，如機(jī)床工作臺(tái)的前進(jìn)與后退、機(jī)床主軸的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、起重機(jī)吊鉤的上升與下降等。

為解決這一問(wèn)題，可以在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置倒擋，也可以設(shè)置正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)離合器。但比較而言，通過(guò)電路設(shè)計(jì)，使電動(dòng)機(jī)可以根據(jù)實(shí)際需要做正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，這一方案才是最優(yōu)的。

由電機(jī)學(xué)可知，對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)而言，只要將三相電源中任意兩相的相序進(jìn)行調(diào)換，電動(dòng)機(jī)輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)方向即可改變。

也就是說(shuō)，只要將三相電源中任意兩相的相序進(jìn)行調(diào)換，就可以實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。1.采用倒順開(kāi)關(guān)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)控制

倒順開(kāi)關(guān)（亦稱(chēng)順逆開(kāi)關(guān)或可逆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，圖4-12）是一種專(zhuān)門(mén)用于進(jìn)行電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制的手動(dòng)電器。

銑床主軸電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制就是采用倒順開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的。圖4-12倒順開(kāi)關(guān)（亦稱(chēng)順逆開(kāi)關(guān)或可逆轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)）實(shí)物照片

倒順開(kāi)關(guān)的操作手柄具有順、停、倒三個(gè)位置，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、停車(chē)和反轉(zhuǎn)控制，其控制電路如圖4-13所示。圖4-13采用倒順開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制

該電路不允許越程操作*，否則會(huì)造成劇烈的機(jī)械沖擊和反向電流沖擊（相當(dāng)于存在一個(gè)電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)的過(guò)程）。2.采用接觸器進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)控制

基于“只要將三相電源中任意兩相的相序進(jìn)行調(diào)換，就可以實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制”這一原理，可以采用兩個(gè)接觸器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)控制，其控制電路如圖4-14所示。圖4-14正、反轉(zhuǎn)控制電路（無(wú)互鎖功能）

具有正、反轉(zhuǎn)互鎖功能，安全、實(shí)用的三相異步電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制電路，如圖4-15所示。圖4-15正、反轉(zhuǎn)控制電路（有互鎖功能）圖4-15正、反轉(zhuǎn)控制電路（有互鎖功能的正—停—反控制電路）在機(jī)電傳動(dòng)控制電路中，這種“勢(shì)不兩立，不共戴天”，互相壓制、互相制約的控制關(guān)系稱(chēng)為互鎖（亦稱(chēng)聯(lián)鎖）關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)互鎖關(guān)系的觸點(diǎn)稱(chēng)為互鎖觸點(diǎn)。

通過(guò)設(shè)置互鎖觸點(diǎn)來(lái)構(gòu)建互鎖關(guān)系，以確保在控制邏輯上彼此對(duì)立的電路能夠正常工作，而不致出現(xiàn)故障隱患，這一設(shè)計(jì)思想，在機(jī)電傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用極為普遍。接觸器觸點(diǎn)QA1和QA2互為互鎖觸點(diǎn)。圖4-16正、反轉(zhuǎn)控制電路（有互鎖的正—反—?？刂齐娐罚?/p>

正—?！纯刂齐娐吩诓僮魃媳容^麻煩，生產(chǎn)機(jī)械的準(zhǔn)備工時(shí)較長(zhǎng)，不利于生產(chǎn)效率的提高，而正—反—停可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的直接切換，而不再需要中間的停車(chē)環(huán)節(jié)，但換向沖擊較大。4.2.3順序控制

在某些機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，出于生產(chǎn)工藝的需要，往往要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)必須按照一定的先后順序進(jìn)行起動(dòng)或停車(chē)。

例如，在磨床上要求潤(rùn)滑油泵電動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后，主軸電動(dòng)機(jī)方能起動(dòng)；在龍門(mén)刨床上要求工作臺(tái)移動(dòng)之前，導(dǎo)軌潤(rùn)滑油泵電動(dòng)機(jī)必須先行起動(dòng)（兵馬未動(dòng)，糧草先行）；在銑床上要求主軸旋轉(zhuǎn)之后，工作臺(tái)方可移動(dòng)等。

上述機(jī)電設(shè)備均對(duì)其自身的多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)順序提出了要求。

對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，使之按照既定的工作順序進(jìn)行起動(dòng)和停車(chē)，稱(chēng)為順序控制。

順序控制可以是基于事件的，也可以是基于時(shí)間的。1.基于事件的順序控制

下面以磨床潤(rùn)滑油泵電動(dòng)機(jī)（MA1）和主軸電動(dòng)機(jī)（MA2）的控制為例，闡述基于事件的順序控制電路的工作原理。圖4-17基于事件的順序控制（合理的設(shè)計(jì)）圖4-18基于事件的順序控制（不合理的設(shè)計(jì)）

如此設(shè)計(jì)電路，會(huì)極大地加重接觸器QA1和熔斷器FA1的負(fù)擔(dān)，使其使用壽命顯著縮短。因此，該電路既不合理，也不可行。2.基于時(shí)間的順序控制

當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械要求兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)既有起動(dòng)順序的要求，又有起動(dòng)間隔時(shí)間的要求時(shí)，則可采用時(shí)間繼電器，設(shè)計(jì)基于時(shí)間的順序控制（簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)序控制）電路，以實(shí)現(xiàn)上述要求。

例如，要求電動(dòng)機(jī)MA1必須先行起動(dòng)，且電動(dòng)機(jī)MA1起動(dòng)10s后，電動(dòng)機(jī)MA2自動(dòng)起動(dòng)。圖4-19所示的時(shí)序控制電路就能實(shí)現(xiàn)上述要求。圖4-19基于時(shí)間的順序控制電路（棄之如敝履，過(guò)河拆橋、卸磨殺驢）

時(shí)間繼電器KF的延時(shí)時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際需要，在其延時(shí)范圍內(nèi)事先設(shè)定。對(duì)于本例而言，可事先將延時(shí)時(shí)間t1設(shè)定為10s，即可達(dá)成控制要求。4.2.4減壓起動(dòng)控制1.起動(dòng)方式判據(jù)

電動(dòng)機(jī)接通電源后轉(zhuǎn)子軸由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程，稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。

前面介紹的控制電路，都屬于全壓起動(dòng)電路。所謂全壓起動(dòng)，是指電動(dòng)機(jī)起動(dòng)伊始，就將額定電壓接在電動(dòng)機(jī)的定子繞組上。

采用全壓起動(dòng)時(shí)，控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流大（可達(dá)額定電流的5~7倍），會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降（俗稱(chēng)搶電），影響與該電動(dòng)機(jī)同網(wǎng)工作的其他電氣設(shè)備（包括電動(dòng)機(jī)）的正常工作。

特別是多臺(tái)電動(dòng)機(jī)共用一個(gè)電源變壓器、且全壓起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，這一問(wèn)題就顯得尤為突出，甚至可能導(dǎo)致已經(jīng)處于工作狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)因電網(wǎng)電壓下降太多而自動(dòng)停車(chē)。

為避免上述問(wèn)題，對(duì)于容量較大的電動(dòng)機(jī)，就不允許采用全壓起動(dòng)方式進(jìn)行起動(dòng)，而應(yīng)采用減壓起動(dòng)（亦稱(chēng)降壓起動(dòng)）方式——即在起動(dòng)時(shí)，主動(dòng)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓，待完成起動(dòng)過(guò)程之后，再使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)。起動(dòng)方式判據(jù)

式中，

——電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，A；

——電動(dòng)機(jī)的額定電流，A；

——電源變壓器的容量，kVA；

——電動(dòng)機(jī)的容量，kW。

若滿足上述判據(jù)，則電動(dòng)機(jī)可以直接進(jìn)行全壓起動(dòng)；若不滿足上述判據(jù)，則電動(dòng)機(jī)就應(yīng)進(jìn)行減壓起動(dòng)。（式4-1）

大量的工程實(shí)踐表明，容量在10kW以下的三相異步電動(dòng)機(jī)，通?？梢圆捎萌珘浩饎?dòng)方式，而容量在10kW以上的電動(dòng)機(jī)，必須采用減壓起動(dòng)方式。

常用的減壓起動(dòng)方法有：定子串電阻（或電抗器）減壓起動(dòng)、星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動(dòng)、自耦變壓器減壓起動(dòng)、延邊三角形減壓起動(dòng)、軟起動(dòng)器減壓起動(dòng)和變頻器減壓起動(dòng)等。

隨著機(jī)電控制技術(shù)的進(jìn)步，定子串電阻減壓起動(dòng)（能耗過(guò)大）、自耦變壓器減壓起動(dòng)（設(shè)備成本高）、延邊三角形減壓起動(dòng)（電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜）等減壓起動(dòng)方法已經(jīng)被逐步淘汰。

目前，應(yīng)用較多的只有星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動(dòng)、軟起動(dòng)器減壓起動(dòng)和變頻器減壓起動(dòng)等幾種方式。2.星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動(dòng)

所謂Y/Δ轉(zhuǎn)換減壓起動(dòng)是指，在起動(dòng)時(shí)，首先利用接觸器將三相定子繞組接成星形。

此時(shí)，起動(dòng)電壓為額定電壓的

，即220V；起動(dòng)電流為全電壓起動(dòng)電流的

，實(shí)現(xiàn)了減壓起動(dòng)。待完成起動(dòng)過(guò)程之后，再利用接觸器將定子繞組接成三角形，恢復(fù)380V的正常工作電壓。

采用Y/Δ減壓起動(dòng)控制時(shí)，在起動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩（亦即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩）為電動(dòng)機(jī)全電壓工作時(shí)的

。

因此，該方法只適合電動(dòng)機(jī)的空載或輕載起動(dòng)，對(duì)于重載起動(dòng)，則有可能造成電動(dòng)機(jī)“悶車(chē)”，需審慎處理。a）三相定子繞組的實(shí)際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個(gè)接線端子的接線方法圖2-39星形（Y形）接法

a）三相定子繞組的實(shí)際連接關(guān)系b）接線盒內(nèi)各個(gè)接線端子的接線方法圖2-40三角形（Δ形）接法

圖4-20Y/Δ轉(zhuǎn)換減壓起動(dòng)電路

時(shí)間繼電器KF的定時(shí)時(shí)間可根據(jù)受控電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定。3.軟起動(dòng)器減壓起動(dòng)

所謂軟起動(dòng)和軟停車(chē)是指，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，將通入電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓從零值或某一較小的初始值按照一定的規(guī)律，綿軟地、柔和地增加，以使電動(dòng)機(jī)柔和地實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，待電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速之后，再在額定電壓下正常工作；在電動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)，并不是突然撤掉全部電源電壓，而是按照一定的規(guī)律，綿軟地、柔和地降低電壓，以使電動(dòng)機(jī)柔和地實(shí)現(xiàn)停車(chē)。

在對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行全壓起動(dòng)時(shí)，電源電壓是突然地、簡(jiǎn)單粗暴地加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的，屬于硬起動(dòng)。

相應(yīng)地，將通過(guò)完全撤除電源電壓，使電動(dòng)機(jī)自己逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)的停車(chē)方法，稱(chēng)為自由停車(chē)；而將對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施反接制動(dòng)，使之迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)的停車(chē)方法，稱(chēng)為硬停車(chē)。

但在某些對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性要求較高的場(chǎng)合（如自來(lái)水泵站），為避免水錘效應(yīng)，就需要采用軟起動(dòng)和軟停車(chē)裝置對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)和軟停車(chē)的裝置，一般稱(chēng)為軟起動(dòng)器。目前，基于移相控制原理的晶閘管式軟起動(dòng)器的應(yīng)用極為普遍。（1）晶閘管式軟起動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理

軟起動(dòng)器內(nèi)部設(shè)有基于單片機(jī)的控制電路。

該控制電路可以根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的實(shí)際需要，按照既定的控制程序，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通相位（導(dǎo)通角），即基于移相控制原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟起動(dòng)器輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和軟停車(chē)。圖4-23晶閘管式軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

使用軟起動(dòng)器起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角逐漸加大，相應(yīng)地，其輸出電壓也逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)便工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)了綿軟、平滑的起動(dòng)，降低了起動(dòng)電流，避免了起動(dòng)過(guò)流跳閘。

待電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，軟起動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器（圖4-24）取代已完成任務(wù)的軟起動(dòng)器，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長(zhǎng)軟起動(dòng)器的使用壽命，既提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。（2）軟起動(dòng)器的起動(dòng)方式

運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電動(dòng)機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。1）斜坡升壓軟起動(dòng)方式。

斜坡升壓軟起動(dòng)方式適用電動(dòng)機(jī)的空載或輕載起動(dòng)。圖4-25常用的斜坡升壓軟起動(dòng)曲線2）斜坡恒流軟起動(dòng)方式。

在起動(dòng)過(guò)程中，電流上升的變化速率（亦即電流上升曲線的斜率）可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的具體情況做動(dòng)態(tài)調(diào)整和設(shè)定。電流上升速率越大，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也就越大，起動(dòng)時(shí)間也就越短。

斜坡恒流軟起動(dòng)方式是應(yīng)用最多的軟起動(dòng)方式，尤其適用于風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載的起動(dòng)。圖5-26恒流軟起動(dòng)曲線圖3）脈沖沖擊起動(dòng)方式（突跳沖擊起動(dòng)方式）。

在起動(dòng)初始階段，通過(guò)控制程序使晶閘管在極短的時(shí)間內(nèi)，以較大的導(dǎo)通角導(dǎo)通一段時(shí)間，然后再迅速減小導(dǎo)通角，之后再按既定速率線性地加大晶閘管的導(dǎo)通角，轉(zhuǎn)入恒流起動(dòng)階段。圖4-27脈沖沖擊起動(dòng)曲線

脈沖沖擊起動(dòng)方式有短促的機(jī)械沖擊，主要用于驅(qū)動(dòng)重載并需克服較大靜摩擦力矩的場(chǎng)合，不宜驅(qū)動(dòng)一般負(fù)載。（3）軟起動(dòng)器的停車(chē)方式1）自由停車(chē)。

采用自由停車(chē)方式時(shí)，軟起動(dòng)器在接到停車(chē)命令后，即斷開(kāi)旁路接觸器，并禁止晶閘管的調(diào)壓輸出，使電動(dòng)機(jī)依負(fù)載慣性逐漸停車(chē)。

自由停車(chē)方式適用于對(duì)停車(chē)時(shí)間和停車(chē)位置（距離）無(wú)特殊要求的負(fù)載。

軟停車(chē)方式適用于對(duì)停車(chē)時(shí)間有明確要求的場(chǎng)合，特別適用于控制具有柔性停車(chē)要求的泵類(lèi)負(fù)載。圖4-28軟停車(chē)的停車(chē)曲線

晶閘管調(diào)壓器的輸出電壓由全壓逐漸減小，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)降低，直至停止。

軟起動(dòng)器在接到停車(chē)命令后，電動(dòng)機(jī)的供電電路即由旁路接觸器切換到晶閘管調(diào)壓器輸出。2）軟停車(chē)。3）精確停車(chē)。

精確停車(chē)亦稱(chēng)直流制動(dòng)停車(chē)，一般的軟起動(dòng)器不具備精確停車(chē)功能。

精確停車(chē)適用于對(duì)停車(chē)時(shí)間和停車(chē)位置（距離）有特殊要求的工作場(chǎng)合，目前已經(jīng)在一定程度上取代了反接制動(dòng)停車(chē)。（4）軟起動(dòng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方式相比，軟起動(dòng)的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：1）無(wú)沖擊電流。2）恒流起動(dòng)。3）可根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性，自由地、無(wú)級(jí)地調(diào)整至最佳的起動(dòng)電流。（5）軟起動(dòng)器的保護(hù)功能

軟起動(dòng)器除了能對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行軟起動(dòng)和軟停車(chē)之外，還具有豐富的保護(hù)功能。（6）軟起動(dòng)器適用場(chǎng)合

對(duì)于控制籠型異步電動(dòng)機(jī)而言，凡是不需要調(diào)速的應(yīng)用場(chǎng)合，都適合采用軟起動(dòng)器。

目前軟起動(dòng)器的應(yīng)用范圍是交流380V（也可660V），電動(dòng)機(jī)功率從幾千瓦到800kW。

軟起動(dòng)器特別適用于各種泵類(lèi)負(fù)載或風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載，以及需要軟起動(dòng)與軟停車(chē)的場(chǎng)合。

對(duì)于變負(fù)載工況、電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，只有短時(shí)或瞬間處于重載的應(yīng)用場(chǎng)合，采用軟起動(dòng)器（不帶旁路接觸器）對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施控制，則具有明顯的節(jié)能的效果。（7）軟起動(dòng)器的具體應(yīng)用圖4-31所示的電路為用一個(gè)軟起動(dòng)器分時(shí)起動(dòng)三臺(tái)電動(dòng)機(jī)，俗稱(chēng)“一拖三”軟起動(dòng)。4.2.5制動(dòng)控制

常用的制動(dòng)方法有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩大類(lèi)。1.機(jī)械制動(dòng)

機(jī)械制動(dòng)是用電磁鐵操縱電磁抱閘或電磁制動(dòng)器，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施制動(dòng)。按照制動(dòng)裝置的促動(dòng)器件不同，可分為電磁抱閘制動(dòng)、電磁制動(dòng)器制動(dòng)等幾種，但其基本的控制原理是一致的。（a）實(shí)物照片

（b）結(jié)構(gòu)示意圖圖4-32電磁抱閘制動(dòng)器（1）工作原理

如圖4-33所示，對(duì)于斷電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器，當(dāng)制動(dòng)電磁鐵（圖中虛線框所示）線圈未得電時(shí)，在彈簧的拉力作用下，閘輪被閘瓦抱住，與之同軸的電動(dòng)機(jī)則不能轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)電磁鐵的線圈得電時(shí)，電磁鐵克服彈簧的拉力，使閘瓦與閘輪松開(kāi)，電動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-33斷電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器

如圖4-34所示，對(duì)于通電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器，當(dāng)電磁鐵的線圈未得電時(shí)，則閘瓦與閘輪松開(kāi)，電動(dòng)機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)電磁鐵線圈通電時(shí)，閘輪被閘瓦抱住，與之同軸的電動(dòng)機(jī)則不能轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4-34通電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器（2）斷電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器控制電路

斷電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器在電磁鐵線圈一旦斷電或未通電時(shí)電動(dòng)機(jī)都處于抱閘制動(dòng)狀態(tài)，安全性較高。

斷電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器在電梯，吊車(chē)、起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用廣泛。（3）通電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器控制電路

對(duì)于通電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器而言，在制動(dòng)電磁鐵線圈未通電時(shí)，其制動(dòng)閘總是處在松開(kāi)狀態(tài)，通電后才對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施制動(dòng)。

通電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器在機(jī)床等需要經(jīng)常調(diào)整加工件位置的設(shè)備應(yīng)用廣泛，以便在電動(dòng)機(jī)未通電時(shí)，工人用手扳動(dòng)機(jī)床主軸，進(jìn)行調(diào)整和對(duì)刀等操作。圖4-36通電制動(dòng)型電磁抱閘制動(dòng)器控制電路（請(qǐng)讀者自行分析其工作原理）2.電氣制動(dòng)

電氣制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)切斷電源后，利用控制電路使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與慣性運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)力矩，促使電動(dòng)機(jī)迅速停車(chē)。

按照產(chǎn)生制動(dòng)力矩的方法不同，電氣制動(dòng)又可分為反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)、發(fā)電回饋制動(dòng)等幾種。（1）反接制動(dòng)

反接制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)被按下停止按鈕斷開(kāi)三相電源后，改變其三相電源的相序再接入電動(dòng)機(jī)定子繞組中，即產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩，使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)。

在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近零時(shí)，應(yīng)及時(shí)將反接電源切除，否則電動(dòng)機(jī)會(huì)反向旋轉(zhuǎn)。

采用反接制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)效果顯著、制動(dòng)動(dòng)作迅速，但是，制動(dòng)沖擊也大，故僅適用于10kW以下的小容量電動(dòng)機(jī)。圖4-37反接制動(dòng)控制電路實(shí)例為了減小制動(dòng)沖擊電流，一般需要在電路中串入電阻R，該電阻稱(chēng)為反接制動(dòng)電阻，其阻值可根據(jù)實(shí)際需要事先調(diào)整好。（2）能耗制動(dòng)

能耗制動(dòng)是一種應(yīng)用廣泛的電氣制動(dòng)方法。當(dāng)電動(dòng)機(jī)脫離三相交流電源以后，立即將直流電源接入定子的兩相繞組，使繞組中流過(guò)直流電流，產(chǎn)生了一個(gè)恒定的靜止直流磁場(chǎng)。

而此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子切割直流磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

在靜止磁場(chǎng)和感應(yīng)電流相互作用下，產(chǎn)生一個(gè)阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)力矩，因此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，從而達(dá)到制動(dòng)的目的。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至零時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場(chǎng)之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電流消失，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，再將直流電源切除，制動(dòng)過(guò)程即告結(jié)束。1）基于時(shí)間原則的能耗制動(dòng)電路。圖4-38基于時(shí)間原則的能耗制動(dòng)電路

基于時(shí)間原則的能耗制動(dòng)，適用于負(fù)載轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定的生產(chǎn)機(jī)械。2）基于速度原則的能耗制動(dòng)電路。

基于速度原則的能耗制動(dòng)，適用于存在機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，或者加工零件經(jīng)常變化的生產(chǎn)機(jī)械。圖4-39基于速度原則的能耗制動(dòng)電路（請(qǐng)讀者自行分析其工作原理）（4）采用軟起動(dòng)器或變頻器進(jìn)行制動(dòng)控制

采用軟起動(dòng)器或變頻器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)控制，可以獲得令人滿意的效果，只是總體成本會(huì)大大增加。

關(guān)于具體的控制方法，請(qǐng)讀者參閱軟起動(dòng)器和變頻器的相關(guān)內(nèi)容，在此不再贅述。（3）反接制動(dòng)與能耗制動(dòng)的比較制動(dòng)方式反接制動(dòng)能耗制動(dòng)制動(dòng)特點(diǎn)能量消耗大，制動(dòng)力矩大，制動(dòng)效果顯著，但制動(dòng)過(guò)程中的沖擊較大（需要在主回路中串入電阻RA來(lái)抑制反接制動(dòng)電流），不易停在精準(zhǔn)的位置上，停車(chē)精度較差。能量消耗小，制動(dòng)力矩較弱，制動(dòng)平穩(wěn)、停車(chē)位置精確，但需要額外配置直流電源，電路較為復(fù)雜。適用場(chǎng)合適合于電動(dòng)機(jī)容量較?。?0kW以下）和不頻繁起動(dòng)、制動(dòng)的場(chǎng)合。適用于電動(dòng)機(jī)容量較大，起動(dòng)、制動(dòng)頻繁的場(chǎng)合，或者要求制動(dòng)平穩(wěn)，要求精準(zhǔn)停車(chē)的場(chǎng)合。表4-9反接制動(dòng)與能耗制動(dòng)的比較4.2.6自動(dòng)循環(huán)控制1.應(yīng)用場(chǎng)合

在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，往往需要控制某些生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件的行程，并使其在一定范圍內(nèi)做自動(dòng)往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，如混凝土攪拌機(jī)的提升與降位、橋式吊車(chē)的自動(dòng)往返、龍門(mén)刨床和導(dǎo)軌磨床的工作臺(tái)、動(dòng)力頭滑臺(tái)以及軍警訓(xùn)練用的循環(huán)靶車(chē)等。

這種基于運(yùn)動(dòng)部件行走位置的自動(dòng)循環(huán)控制，亦稱(chēng)位置控制或行程控制，多用行程開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)其要求。循環(huán)移動(dòng)靶車(chē)2.系統(tǒng)布置圖4-40機(jī)床工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)示意圖

由于機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)的故障率較高，故近年來(lái)多用光電開(kāi)關(guān)或接近開(kāi)關(guān)取代機(jī)械式行程開(kāi)關(guān)，但其控制電路的工作原理是一樣的。左側(cè)限位開(kāi)關(guān)BG1，右側(cè)限位開(kāi)關(guān)BG2，左側(cè)極限位置保護(hù)開(kāi)關(guān)BG3，右側(cè)極限位置保護(hù)開(kāi)關(guān)BG4。圖4-41機(jī)床工作臺(tái)自動(dòng)循環(huán)控制電路

電動(dòng)機(jī)每次換向，都經(jīng)歷一次反接制動(dòng)過(guò)程，該控制電路只適用于電動(dòng)機(jī)容量較小、循環(huán)周期較長(zhǎng)且生產(chǎn)機(jī)械（包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸）的剛度較大的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中。4.2.7速度控制1.調(diào)速方法及應(yīng)用場(chǎng)合（1）調(diào)速方法異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速——異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；——磁極對(duì)數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)極對(duì)數(shù)）；——電源頻率（Hz）。

異步電動(dòng)機(jī)可通過(guò)以下三種方法進(jìn)行調(diào)速，即改變轉(zhuǎn)差率

的變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、改變極對(duì)數(shù)

的變極調(diào)速和改變電動(dòng)機(jī)電源頻率

的變頻調(diào)速。

（式4-2）（2）應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)速方法調(diào)速特點(diǎn)及應(yīng)用變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（1）轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速。調(diào)速范圍較小，消耗功率多，效率較低，適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，特別適用于起重機(jī)械。（2）改變電源電壓調(diào)速。調(diào)速范圍較小，輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著電源電壓的降低而大幅度地下降，僅適用于單相電動(dòng)機(jī)（如驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)）調(diào)速，三相電動(dòng)機(jī)一般不采用該方法。（3）串級(jí)調(diào)速。串級(jí)調(diào)速只適用于繞線式電動(dòng)機(jī)，但電動(dòng)機(jī)的效率得到提高。（4）電磁調(diào)速。電磁調(diào)速只適用于滑差電動(dòng)機(jī)，且不宜長(zhǎng)期低速運(yùn)行。變極調(diào)速通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)進(jìn)行調(diào)速。變極調(diào)速屬于有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑度差，一般多用于金屬切削機(jī)床，如銑床、鏜床、磨床等。變頻調(diào)速利用變頻器，改變施加在電動(dòng)機(jī)上的電源頻率進(jìn)行調(diào)速。變頻調(diào)速的調(diào)速范圍大，調(diào)速的穩(wěn)定性、平滑性均屬優(yōu)良，機(jī)械特性較硬。變頻調(diào)速屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，適用于絕大部分三相籠型異步電動(dòng)機(jī)。表4-10異步電動(dòng)機(jī)三種調(diào)速方法的特點(diǎn)及應(yīng)用2.變極調(diào)速（1）變極原理

多速電動(dòng)機(jī)是采用改變電動(dòng)機(jī)定子繞組極數(shù)的方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速的，這種調(diào)速方法稱(chēng)為變極調(diào)速。

籠型異步電動(dòng)機(jī)常用的變極調(diào)速方法有兩種：其一是改變定子繞組的接線，即改變定子繞組中每相繞組的電流方向（即電流反向法）；其二是在定子繞組上設(shè)置具有不同極對(duì)數(shù)的兩套互相獨(dú)立的繞組，且使每套繞組均具有改變電流方向的能力。

變極調(diào)速是有級(jí)調(diào)速，速度變化是階躍式的，一般只適用于籠型異步電動(dòng)機(jī)。

用變極調(diào)速方式構(gòu)成的多速電動(dòng)機(jī)一般有雙速、三速、四速等幾種。雙速電動(dòng)機(jī)具有一套定子繞組，而三速、四速電動(dòng)機(jī)具則有兩套繞組。

下面以單相繞組為例，說(shuō)明電流反向法的變極原理。

（a）兩個(gè)半相繞組串聯(lián)

（b）生成4個(gè)磁極（極對(duì)數(shù)

）圖4-42電流反向法的變極原理（兩個(gè)半相繞組串聯(lián)，生成4個(gè)磁極）

（a）兩個(gè)半相繞組并聯(lián)

（b）生成2個(gè)磁極（極對(duì)數(shù)

）

圖4-43電流反向法的變極原理（兩個(gè)半相繞組并聯(lián)，生成2個(gè)磁極）

由此可見(jiàn)，籍由電流反向法，通過(guò)改變定子繞組的接線方法，就可以改變電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極數(shù)目，實(shí)現(xiàn)定子繞組的變極，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變極調(diào)速。（2）雙速異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的聯(lián)結(jié)

（a）三角形聯(lián)結(jié)（4個(gè)磁極，低速運(yùn)行）

（b）雙星形聯(lián)結(jié)（2個(gè)磁極，高速運(yùn)行）圖4-44雙速異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的三角形—雙星形聯(lián)結(jié)（恒功率調(diào)速）結(jié)論：雙速異步電動(dòng)機(jī)定子繞組采用三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，具有4個(gè)磁極，用于低速運(yùn)行；采用雙星形聯(lián)結(jié)時(shí)，具有2個(gè)磁極，用于高速運(yùn)行。雙速異步電動(dòng)機(jī)采用三角形—雙星形聯(lián)結(jié)進(jìn)行調(diào)速，適用于需要恒功率調(diào)速的場(chǎng)合。

（a）星形聯(lián)結(jié)（4個(gè)磁極，低速運(yùn)行）

（b）雙星形聯(lián)結(jié)（2個(gè)磁極，高速運(yùn)行）圖4-45雙速異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的星形—雙星形聯(lián)結(jié)（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）結(jié)論：雙速異步電動(dòng)機(jī)定子繞組采用星形聯(lián)結(jié)時(shí)，具有4個(gè)磁極，用于低速運(yùn)行；采用雙星形聯(lián)結(jié)時(shí)，具有2個(gè)磁極，用于高速運(yùn)行。雙速異步電動(dòng)機(jī)采用星形—雙星形聯(lián)結(jié)進(jìn)行調(diào)速，適用于需要恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的場(chǎng)合。（3）變極之后的反轉(zhuǎn)與調(diào)換電源相序

雙速異步電動(dòng)機(jī)完成變極之后，必須改變繞組的相序，否則，電動(dòng)機(jī)將反向運(yùn)轉(zhuǎn)。

雙速異步電動(dòng)機(jī)完成變極之后，之所以會(huì)改變運(yùn)轉(zhuǎn)方向，是因?yàn)楦飨嗬@組在電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)的機(jī)械角度是固定不變的（即各相繞組在空間相差的機(jī)械角度是恒定的），而各相繞組的電角度卻隨著磁極數(shù)目的變化而變化。

例如，當(dāng)磁極數(shù)目降低一半時(shí)，將使各相繞組在空間相差的電角度增加一倍，原來(lái)相差120°電角度的繞組，現(xiàn)在相差240°電角度。

如果相序不變，氣隙磁場(chǎng)就會(huì)反轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，電動(dòng)機(jī)也就會(huì)反轉(zhuǎn)。圖4-46利用時(shí)間繼電器控制雙速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速（4）雙速異步電動(dòng)機(jī)自動(dòng)變速控制電路4.2.8電氣控制系統(tǒng)的保護(hù)環(huán)節(jié)

為了確保機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、安全、可靠地運(yùn)行，電氣控制系統(tǒng)必須設(shè)置保護(hù)環(huán)節(jié)，用以保護(hù)電動(dòng)機(jī)、電網(wǎng)、電氣設(shè)備及人身安全。1.短路保護(hù)

常用保護(hù)器件是熔斷器和低壓斷路器（自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)）。

發(fā)生短路事故時(shí)，熔斷器由于熔體熔斷而切斷電路，起保護(hù)作用；低壓斷路器在電路發(fā)生短路事故時(shí)能自動(dòng)跳閘，起保護(hù)作用。

近年來(lái)，具有漏電保護(hù)功能的低壓斷路器的使用日益廣泛，對(duì)保證人身安全發(fā)揮了重要作用。2.過(guò)載保護(hù)

過(guò)載保護(hù)常用的保護(hù)元件是熱繼電器和斷路器。

熱繼電器具有過(guò)載保護(hù)作用而不具有短路保護(hù)作用。選擇時(shí)注意，作為短路保護(hù)，熔斷器熔體的額定電流一般不應(yīng)超過(guò)熱繼電器發(fā)熱元件額定電流的4倍。3.過(guò)電流保護(hù)

在頻繁正反、轉(zhuǎn)，頻繁起動(dòng)、制動(dòng)的重復(fù)、短時(shí)工作中，電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象的幾率比發(fā)生短路故障的幾率更大，應(yīng)視情加裝過(guò)電流保護(hù)裝置。

在工程實(shí)踐中，常將過(guò)電流繼電器和與接觸器配合使用，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)電流保護(hù)。

過(guò)電流保護(hù)多用于直流電動(dòng)機(jī)或繞線式異步電動(dòng)機(jī)?；\型異步電動(dòng)機(jī)對(duì)過(guò)電流有較強(qiáng)的耐受能力，可不設(shè)置過(guò)電流保護(hù)裝置。4.零電壓保護(hù)

為防止電網(wǎng)停電后，恢復(fù)供電時(shí)電動(dòng)機(jī)的自行起動(dòng)而實(shí)行的保護(hù)，稱(chēng)為零電壓保護(hù)，亦稱(chēng)失電壓保護(hù)。

多利用繼電器、接觸器或低壓斷路器實(shí)現(xiàn)零電壓保護(hù)功能，不必單獨(dú)設(shè)置零電壓保護(hù)措施。5.欠電壓保護(hù)

為防止電源電壓降低到允許值以下，造成電動(dòng)機(jī)的損壞而實(shí)行的保護(hù)，稱(chēng)為欠電壓保護(hù)。

常用的欠電壓保護(hù)器件是欠電壓繼電器和接觸器。當(dāng)電源電壓下降到額定電壓的85%以下時(shí)，接觸器（或欠電壓繼電器）觸點(diǎn)就會(huì)釋放，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)欠電壓保護(hù)。6.弱磁保護(hù)

對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，必須設(shè)置弱磁保護(hù)措施。弱磁保護(hù)一般通過(guò)欠電流繼電器實(shí)現(xiàn)。4.3典型機(jī)電設(shè)備電路分析4.3.1分析方法與步驟1.分析電氣控制系統(tǒng)的方法

對(duì)生產(chǎn)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，首先需要對(duì)設(shè)備整體有所了解，才能有效地針對(duì)設(shè)備的控制要求，分析電氣控制系統(tǒng)的組成與功能。（1）機(jī)械設(shè)備概況調(diào)查（2）電氣控制系統(tǒng)及電器元件的狀況分析（3）機(jī)械系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)的關(guān)系分析

掌握了機(jī)械及電氣系統(tǒng)的基本情況之后，即可對(duì)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行具體的分析。2.分析電氣控制系統(tǒng)的步驟（1）設(shè)備運(yùn)動(dòng)分析基本方法：化整為零，集零為整。

分析生產(chǎn)工藝要求的各種運(yùn)動(dòng)及其實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)有液壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)備要進(jìn)行液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)分析。（2）主電路分析

確定動(dòng)力電路中用電設(shè)備的數(shù)目、接線狀況及控制要求，控制執(zhí)行件的設(shè)置及其動(dòng)作要求，如接觸器主觸點(diǎn)的位置，各主觸點(diǎn)閉合、斷開(kāi)的動(dòng)作要求，限流電阻的接入與拋除等。（3）控制電路分析

分析各種控制功能的實(shí)現(xiàn)方法及其電路工作原理和特點(diǎn)。4.3.2臥式車(chē)床電路分析1.CA6140臥式車(chē)床的主要運(yùn)動(dòng)形式及控制要求

在金屬切削機(jī)床中，車(chē)床是一種應(yīng)用極為廣泛的通用機(jī)床，能夠車(chē)削各種工件的外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋、螺桿、定型表面，并可以裝上鉆頭、鉸刀等進(jìn)行鉆孔和鉸孔等加工。

這些加工工作必須要由電氣控制系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件運(yùn)行來(lái)完成。圖4-47CA6140臥式車(chē)床型號(hào)含義國(guó)產(chǎn)金屬切削機(jī)床的型號(hào)命名方法應(yīng)符合GB/T15375-2008《金屬切削機(jī)床型號(hào)編制方法》的規(guī)定。圖4-48CA6140臥式車(chē)床（1）主運(yùn)動(dòng)CA6140臥式車(chē)床的主運(yùn)動(dòng)是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，主軸通過(guò)卡盤(pán)或頂尖帶動(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)CA6140臥式車(chē)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是刀架帶動(dòng)刀具的直線運(yùn)動(dòng)。（3）輔助運(yùn)動(dòng)

刀架的快速移動(dòng)由刀架快速移動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電動(dòng)機(jī)可直接起動(dòng)，不需要正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速。

加工過(guò)程中刀具的冷卻，由冷卻泵電動(dòng)機(jī)泵送的冷卻液來(lái)完成。

對(duì)冷卻泵電動(dòng)機(jī)和主軸電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)順序控制，冷卻泵電動(dòng)機(jī)也不需要正、反轉(zhuǎn)和調(diào)速控制。2.CA6140臥式車(chē)床電路分析圖4-49CA6140臥式車(chē)床電氣原理圖4.3.3搖臂鉆床電路分析

鉆床是一種用途廣泛的孔加工機(jī)床。

鉆床的種類(lèi)很多，有臺(tái)式鉆床、立式鉆床、臥式鉆床、多軸鉆床、深孔鉆床及專(zhuān)用鉆床等。

因此，要求鉆床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要有較寬的調(diào)速范圍。

搖臂鉆床屬于立式鉆床范疇，適用于單件或批量生產(chǎn)中帶有多孔大型工件的孔加工，屬于機(jī)械加工車(chē)間中常見(jiàn)的機(jī)床。

除了可以鉆削精度要求不高的孔外，還可以用來(lái)進(jìn)行擴(kuò)孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、刮平面及攻螺紋等機(jī)械加工。1.搖臂鉆床的基本結(jié)構(gòu)和控制要求（1）搖臂鉆床的基本結(jié)構(gòu)

如圖4-50所示，搖臂鉆床由底座、外立柱、內(nèi)立柱、搖臂、主軸箱、工作臺(tái)等部分組成。圖4-50搖臂鉆床結(jié)構(gòu)示意圖圖4-51搖臂鉆床各部分之間的安裝關(guān)系（2）搖臂鉆床的型號(hào)含義圖4-52Z3040型搖臂鉆床型號(hào)含義圖4-53Z3040型搖臂鉆床國(guó)產(chǎn)金屬切削機(jī)床的型號(hào)命名方法應(yīng)符合GB/T15375-2008《金屬切削機(jī)床型號(hào)編制方法》的規(guī)定。（3）搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)形式1）主運(yùn)動(dòng)。搖臂鉆床的主運(yùn)動(dòng)是主軸帶動(dòng)鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。搖臂鉆床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是主軸的垂直運(yùn)動(dòng)（向下運(yùn)動(dòng)）。3）輔助運(yùn)動(dòng)。搖臂鉆床的輔助運(yùn)動(dòng)包括搖臂沿外立柱的升降運(yùn)動(dòng)、搖臂與外立柱一起沿內(nèi)立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)以及主軸箱在搖臂上的水平移動(dòng)（4）搖臂鉆床的控制要求1）由于搖臂鉆床的運(yùn)動(dòng)部件較多，為簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置，故使用4臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)（鉆頭的鉆削運(yùn)動(dòng)）和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；搖臂的上升、下降由搖臂升降電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；搖臂的夾緊、放松由液壓泵電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；冷卻液泵由冷卻泵電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。2）為了適應(yīng)多種加工方式的要求，主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度應(yīng)能在較大范圍內(nèi)調(diào)整。3）加工螺紋時(shí)要求主軸能正、反轉(zhuǎn)。搖臂鉆床主軸的正、反轉(zhuǎn)一般是用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)的，電動(dòng)機(jī)只需單方向運(yùn)轉(zhuǎn)即可。4）搖臂的上升、下降由搖臂升降電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求搖臂升降電動(dòng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)。5）搖臂的夾緊與放松以及立柱的夾緊與放松由液壓泵電動(dòng)機(jī)配合液壓裝置完成，要求液壓泵電動(dòng)機(jī)能正、反轉(zhuǎn)。在中小型搖臂鉆床上，搖臂（連同外立柱）繞著內(nèi)立柱軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和主軸箱沿著搖臂導(dǎo)軌的徑向移動(dòng)，均采用手動(dòng)控制。6）鉆削加工時(shí)，為對(duì)刀具及工件進(jìn)行冷卻，需要一臺(tái)冷卻泵電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻泵，以便泵送冷卻液。7）各部分電路之間有必要的保護(hù)和聯(lián)鎖。2.搖臂鉆床電路分析圖4-54Z3040型搖臂鉆床電氣控制系統(tǒng)原理圖4-55Z3040型搖臂鉆床夾緊與放松機(jī)構(gòu)的液壓原理4.3.4萬(wàn)能銑床電路分析1.萬(wàn)能銑床的基本結(jié)構(gòu)與控制要求

銑床可以用來(lái)加工平面、斜面和溝槽等，如果裝上分度頭還可以銑削直齒齒輪和螺旋面。

銑床的種類(lèi)很多，有臥式銑床、立式銑床、龍門(mén)銑床、仿形銑床及各種專(zhuān)用銑床。其中，臥式萬(wàn)能銑床在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。（1）臥式萬(wàn)能銑床的基本結(jié)構(gòu)

臥式萬(wàn)能銑床主要由底座、床身、懸梁、刀桿掛腳、可升降的工作臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)升降臺(tái)）、滑座及工作臺(tái)等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖4-56所示。1—底座；2—主軸電動(dòng)機(jī)；3—床身；4—主軸；5—懸梁；6—刀桿掛腳；7—工作臺(tái)縱向進(jìn)給手動(dòng)手輪；8—左右進(jìn)給手柄；9—滑座；10—工作臺(tái)橫向進(jìn)給手動(dòng)手輪；11—工作臺(tái)升降進(jìn)給手動(dòng)搖把；12—進(jìn)給變速手柄及變速盤(pán)；13—升降臺(tái)；14—進(jìn)給電動(dòng)機(jī)；15—主軸變速盤(pán)；16—主軸變速手柄圖4-56臥式萬(wàn)能銑床的基本結(jié)構(gòu)（2）臥式萬(wàn)能銑床的型號(hào)含義圖4-59X6132型臥式萬(wàn)能升降臺(tái)銑床（3）臥式萬(wàn)能銑床的運(yùn)動(dòng)形式X6132型臥式萬(wàn)能銑床共有三臺(tái)電動(dòng)機(jī)，主軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)銑刀旋轉(zhuǎn)，對(duì)工件進(jìn)行銑削，是銑床的主運(yùn)動(dòng)。

工件安裝在工作臺(tái)上，工件可隨工作臺(tái)作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，也可沿滑座導(dǎo)軌作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，還可隨升降臺(tái)作垂直方向的運(yùn)動(dòng)。因此工件在工作臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由進(jìn)給電動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

銑床的輔助運(yùn)動(dòng)為工件與銑刀相對(duì)位置的調(diào)整及工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、懸梁及刀桿支架的水平移動(dòng)。（4）臥式萬(wàn)能銑床的驅(qū)動(dòng)形式

銑床的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和冷卻泵電動(dòng)機(jī)組成。主軸電動(dòng)機(jī)通過(guò)主軸變速箱驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，并由齒輪變速箱變速，以適應(yīng)銑削工藝對(duì)轉(zhuǎn)速的要求，主軸電動(dòng)機(jī)不需要調(diào)速。

銑床要求預(yù)先選定主軸電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，在加工過(guò)程中則不需要主軸反轉(zhuǎn)。主軸上裝有飛輪，以提高主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的均勻性，抑制銑削加工時(shí)產(chǎn)生的主軸振動(dòng)。

進(jìn)給電動(dòng)機(jī)作為工作臺(tái)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及快速移動(dòng)的動(dòng)力，要求能夠正、反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的正、反向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；通過(guò)進(jìn)給變速箱，可獲得不同的進(jìn)給速度。（5）臥式萬(wàn)能銑床的控制要求1）銑床的主運(yùn)動(dòng)由一臺(tái)籠型異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直接起動(dòng)，能夠正、反轉(zhuǎn)，并設(shè)有電氣制動(dòng)環(huán)節(jié)，能夠進(jìn)行變速?zèng)_動(dòng)。2）工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和快速移動(dòng)均由同一臺(tái)籠型異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，直接起動(dòng)，能夠正、反轉(zhuǎn)，也要求有變速?zèng)_動(dòng)功能。3）冷卻泵電動(dòng)機(jī)只要求單向運(yùn)轉(zhuǎn)。4）三臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間有聯(lián)鎖控制，即主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)之后，才能對(duì)其余兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)。2．萬(wàn)能銑床電路分析（1）主電路分析X6132型臥式萬(wàn)能銑床主電路共有三臺(tái)電動(dòng)機(jī)。其中MA1是主軸電動(dòng)機(jī)，由接觸器QA1控制起動(dòng)與停車(chē)。MA1的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)在起動(dòng)前用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SF10選擇。

接觸器QA2及電阻R和速度繼電器BS組成反接制動(dòng)電路，熱繼電器BB1作為MA1的過(guò)載保護(hù)。

進(jìn)給電動(dòng)機(jī)MA2由接觸器QA3和QA4控制，用熱繼電器BB2作為MA2的過(guò)載保護(hù)。

冷卻泵電動(dòng)機(jī)MA3由接觸器QA6控制，用熱繼電器BB3作為MA3的過(guò)載保護(hù)。

三相交流電源通過(guò)低壓斷路器QA0引入，熔斷器FA1為總電源的短路保護(hù)，MA2與MA3共用熔斷器FA2作為短路保護(hù)。圖4-60X6132型臥式萬(wàn)能銑床電路原理圖（1/2）圖4-60X6132型臥式萬(wàn)能銑床電路原理圖（2/2）（2）控制電路分析1）主軸電動(dòng)機(jī)的控制。①主軸電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。②主軸電動(dòng)機(jī)的停車(chē)及反接制動(dòng)。③主軸變速時(shí)，主軸電動(dòng)機(jī)MA1的瞬時(shí)點(diǎn)動(dòng)控制。2）工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的控制。①工作臺(tái)垂直（上下）和橫向（前后）運(yùn)動(dòng)的控制。②工作臺(tái)縱向（左右）運(yùn)動(dòng)的控制。③工作臺(tái)的快速移動(dòng)。④進(jìn)給變速時(shí)的瞬時(shí)點(diǎn)動(dòng)控制。3）圓工作臺(tái)的控制。4）冷卻泵電動(dòng)機(jī)的控制。（3）照明電路3.常見(jiàn)故障分析（1）主軸停車(chē)時(shí)沒(méi)有制動(dòng)（2）主軸停車(chē)后產(chǎn)生短時(shí)反向運(yùn)轉(zhuǎn)（3）工作臺(tái)各個(gè)方向都不能進(jìn)給（4）工作臺(tái)不能左右進(jìn)給GAMEOVER機(jī)電傳動(dòng)控制第5章

可編程序控制器及其應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)

熟悉可編程序控制器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

熟練掌握可編程序控制器的常用指令和編程方法能夠根據(jù)機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的需要，構(gòu)建以PLC為核心的控制系統(tǒng)5.1概述5.1.1PLC的特點(diǎn)與分類(lèi)1．PLC的定義

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicalController，PLC）是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電接觸器常規(guī)控制理念相結(jié)合的產(chǎn)物，即采用了微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)，又融合了繼電器-接觸器系統(tǒng)的控制思想，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的一種新型控制器。PLC專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。2．PLC的產(chǎn)生和發(fā)展PLC的產(chǎn)生和發(fā)展基于消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品多樣化的需求，得益于工業(yè)生產(chǎn)的柔性化需求。特別是汽車(chē)制造業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，直接導(dǎo)致了PLC的誕生。1968年，美國(guó)美國(guó)通用汽車(chē)公司（GeneralMotorsCorporation，GM）面向全社會(huì)提出了對(duì)這一擬議中的新型控制器的采購(gòu)計(jì)劃，并提出了十條招標(biāo)要求，簡(jiǎn)稱(chēng)“GM十條”：1）編程簡(jiǎn)單，可在現(xiàn)場(chǎng)修改控制程序；2）維護(hù)方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；3）可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；4）體積小于繼電器控制系統(tǒng)；5）數(shù)據(jù)可以直接輸入管理計(jì)算機(jī)；6）成本可與繼電器系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)；7）輸入可為工頻電源（AC115V）；8）輸出可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（AC115V）；9）通用性強(qiáng)，系統(tǒng)易于擴(kuò)展；10）用戶(hù)存儲(chǔ)器容量大于4K。

“GM十條”一經(jīng)提出，便引起強(qiáng)烈反響，直接引發(fā)了一場(chǎng)新型控制器的開(kāi)發(fā)浪潮。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司（DigitalEquipmentCorporation，DEC）率先研制出了滿足“GM十條”要求的、第一臺(tái)可編程序邏輯控制器，在美國(guó)通用汽車(chē)公司的生產(chǎn)線上試用成功，取得了滿意的控制效果，可編程序控制器PLC自此誕生。如今，PLC已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中電子控制裝置的主導(dǎo)產(chǎn)品。3．PLC的特點(diǎn)圖5-1PLC技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電器接觸器技術(shù)的高度融合1）通用性強(qiáng)。2）接線簡(jiǎn)單。3）編程容易。4）抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。5）容量大，體積小，重量輕，功耗少，成本低，維修方便。

對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，采用繼電器、接觸器電路（簡(jiǎn)稱(chēng)繼電電路）控制時(shí)，接線繁雜、混亂，相應(yīng)地，故障率也高。采用繼電電路控制的控制系統(tǒng)

（a）繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的接線

（b）PLC控制系統(tǒng)的接線圖5-2繼電電路與PLC電路的接線比較4．PLC的分類(lèi)（1）按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)

按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)，PLC可分為整體式和模塊式兩大類(lèi)。1）整體式PLC。整體式PLC將電源、中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器及輸入/輸出接口（I/O接口）等各個(gè)功能集成在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價(jià)格低。

小型PLC多采用整體式結(jié)構(gòu)，如西門(mén)子（Siemens）公司的S7-200系列PLC、歐姆龍（OMRON）公司的CPM2A系列PLC、三菱FX系列PLC等。圖5-3西門(mén)子S7-200系列PLC（CPU224CN）

整體式PLC一般都配有許多專(zhuān)用的特殊功能模塊，如模擬量I/O模塊、通信模塊等。2）模塊式PLC。模塊式PLC將電源、CPU、存儲(chǔ)器及I/O接口等各個(gè)功能系統(tǒng)各自做成獨(dú)立的模塊，再將這些獨(dú)立模塊安裝在同一底板或框架上。圖5-4西門(mén)子SIMATICS7-300系列PLC（CPU313C-2DP）（2）按I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)容量分類(lèi)1）小型PLC。小型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)以下，存儲(chǔ)器容量一般為2K左右。2）中型PLC。中型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)一般在256～2048點(diǎn)之間，存儲(chǔ)器容量一般在2K～8K。3）大型PLC。大型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)一般在2048點(diǎn)以上，存儲(chǔ)器容量一般為8K以上。5.1.2PLC的結(jié)構(gòu)組成PLC由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，兩者互相配合、協(xié)同工作，共同完成PLC的控制任務(wù)。1．PLC的硬件系統(tǒng)PLC硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖5-5所示。從宏觀上看，PLC大體由輸入部分、邏輯處理部分、輸出部分、外部設(shè)備等組成。圖5-5PLC硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

具體來(lái)說(shuō)，PLC硬件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：（1）中央處理器（2）存儲(chǔ)器（3）電源（4）輸入/輸出接口PLC內(nèi)部輸入電路的作用是將PLC外部電路（如行程開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合PLC輸入要求的電壓信號(hào)，通過(guò)光電耦合電路送至PLC內(nèi)部電路。輸入電路有直流輸入電路、交流輸入電路和交直流輸入電路三種。

輸入電路通常以光電耦合（光電隔離）和阻容濾波（用電阻和電容組合構(gòu)成的濾波電路）的方式提高抗干擾能力，根據(jù)輸入信號(hào)形式的不同，可分為模擬量I/O單元、數(shù)字量I/O單元兩大類(lèi)。1）輸入接口電路。

由于生產(chǎn)過(guò)程中使用的各種開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等輸入器件是直接接到PLC輸入接口電路上的，為防止由于觸點(diǎn)抖動(dòng)或干擾脈沖引起錯(cuò)誤的輸入信號(hào)，輸入接口電路必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

在PLC中，一般采用光電耦合和阻容濾波方式提高抗干擾能力。圖5-6直流輸入接口電路2）輸出接口電路。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的元件不同，可將輸出接口電路分為繼電器輸出、晶體管（或場(chǎng)效應(yīng)管）輸出、雙向晶閘管輸出三種。①繼電器輸出接口電路。

輸出接口電路既可驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又可驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力一般在2A左右。圖5-7繼電器輸出接口電路②晶體管輸出接口電路。

晶體管（或場(chǎng)效應(yīng)管）輸出接口電路只可驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，執(zhí)行速度快，壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)是過(guò)載能力較差。適合在直流供電、輸出量變化快的場(chǎng)合選用。圖5-8晶體管輸出接口電路③雙向晶閘管輸出接口電路。

雙向晶閘管輸出接口電路適合驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，其驅(qū)動(dòng)能力為1A左右。

雙向晶閘管輸出接口電路適合在交流供電、輸出量變化快的場(chǎng)合選用。圖5-9雙向晶閘管輸出接口電路3）I/O電路的保護(hù)措施。①在PLC輸入端并聯(lián)一個(gè)旁路電阻來(lái)分流，使流入PLC的電流小于1.3mA，以避免PLC產(chǎn)生誤動(dòng)作。②應(yīng)在輸出回路串聯(lián)熔斷器。③對(duì)于大電感或頻繁關(guān)斷的感性負(fù)載，應(yīng)使用外部抑制電路。一般采用阻容濾波電路或二極管吸收電路，即可解決上述問(wèn)題。（5）外部設(shè)備接口（6）I/O擴(kuò)展接口（7）編程器2．PLC的軟件系統(tǒng)（1）系統(tǒng)程序PLC的系統(tǒng)程序有三種，即系統(tǒng)管理程序、用戶(hù)程序編輯和指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)子程序和調(diào)用管理程序。

系統(tǒng)管理程序用于系統(tǒng)管理，包括PLC的運(yùn)行管理（各種操作的時(shí)間分配），存儲(chǔ)空間的管理（生成用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)）和系統(tǒng)自診斷管理（如電源、系統(tǒng)出錯(cuò)、程序語(yǔ)法等）。

用戶(hù)程序編輯程序用于將用戶(hù)程序變成內(nèi)碼形式，以便于程序的修改和調(diào)試；指令解釋程序用于將編程語(yǔ)言變成機(jī)器語(yǔ)言，以便CPU操作。

為提高運(yùn)行速度，在程序執(zhí)行中，某些信息處理（如I/O處理）或特殊運(yùn)算等，是通過(guò)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)子程序來(lái)完成的。（2）用戶(hù)程序

用戶(hù)根據(jù)系統(tǒng)配置和控制要求編寫(xiě)的程序稱(chēng)為用戶(hù)程序。用戶(hù)程序是PLC用于工業(yè)控制的重要環(huán)節(jié)。PLC的編程語(yǔ)言多種多樣，不同的PLC廠家、不同系列的PLC，采用的編程語(yǔ)言不盡相同。

常用的編程語(yǔ)言有梯形圖、語(yǔ)句表、邏輯圖、功能表圖以及高級(jí)語(yǔ)言（如C語(yǔ)言）幾種。5.1.3PLC的工作原理1．PLC的工作特點(diǎn)PLC的工作方式有兩個(gè)顯著特點(diǎn)，其一是周期性順序掃描，其二是信號(hào)集中批處理。PLC通電后，需要對(duì)軟硬件做初始化工作。為了使PLC的輸出能及時(shí)地響應(yīng)各種輸入信號(hào)，初始化后反復(fù)不停地分步處理各種不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱(chēng)為周期性順序掃描工作方式。PLC在運(yùn)行過(guò)程中，總是處在不斷循環(huán)的順序掃描過(guò)程中，每次掃描所用的時(shí)間稱(chēng)為掃描時(shí)間，又稱(chēng)為掃描周期或工作周期。

由于PLC的I/O點(diǎn)數(shù)較多，采用集中批處理的方法，可簡(jiǎn)化操作過(guò)程，便于控制，提高系統(tǒng)可靠性。

因此，PLC的另一個(gè)主要特點(diǎn)就是對(duì)輸入采樣、執(zhí)行用戶(hù)程序、輸出刷新實(shí)施集中批處理。2．PLC的工作流程PLC的工作流程如圖5-10所示。圖5-10PLC的工作流程圖PLC的工作流程（即掃描過(guò)程）主要包括輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段。（1）輸入采樣階段圖5-11PLC掃描過(guò)程的核心內(nèi)容（2）程序執(zhí)行階段

（3）輸出刷新階段5.1.4PLC的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、冶金、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車(chē)、輕工、輕紡、交通運(yùn)輸、糧食加工、釀造、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)行業(yè)。1.開(kāi)關(guān)量的邏輯控制2.模擬量控制3.運(yùn)動(dòng)控制4.過(guò)程控制5.數(shù)據(jù)處理6.通信及聯(lián)網(wǎng)5.2西門(mén)子S7-200系列PLC

可編程序控制器產(chǎn)品眾多，不同廠家、不同系列、不同型號(hào)的PLC，具體的功能和結(jié)構(gòu)均有所不同，但其工作原理和基本組成是一致的。

德國(guó)西門(mén)子（SIEMENS）公司應(yīng)用微處理器技術(shù)生產(chǎn)的SIMATIC可編程序控制器主要有S5和S7兩大系列。5.2.1PLC的構(gòu)成S7-200系列PLC的使用范圍可以覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括各種機(jī)床、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品、化工、環(huán)保、電梯、中央空調(diào)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、傳送帶系統(tǒng)和壓縮機(jī)控制系統(tǒng)等等。S7-200系列PLC有CPU21X和CPU22X兩代產(chǎn)品，其中CPU22X系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226四個(gè)基本型號(hào)。下面以CPU224型PLC為重點(diǎn)，介紹小型PLC的組成。1.主機(jī)圖5-12CPU224型PLC主機(jī)的結(jié)構(gòu)外形1-輸入信號(hào)指示燈；2-通信接口；3-存儲(chǔ)器卡蓋板（內(nèi)有存儲(chǔ)器卡接口）；4-輸出信號(hào)指示燈；5-PLC工作狀態(tài)指示燈（SF/DIAG、RUN、STOP）；6-產(chǎn)品標(biāo)識(shí)（產(chǎn)品制造商及型號(hào)系列）；7-輸出端子接線蓋板（內(nèi)藏輸出接線端子及外部電源接線端子）；8-產(chǎn)品標(biāo)識(shí)（產(chǎn)品具體型號(hào)及輸出接口類(lèi)型）；9-擴(kuò)展I/O接口蓋板（內(nèi)藏?cái)U(kuò)展I/O接口、RUN/TERM/STOP開(kāi)關(guān)及電位器）；10-產(chǎn)品標(biāo)識(shí)（產(chǎn)品系列號(hào)）；11-輸入端子接線蓋板（內(nèi)藏輸入接線端子及傳感器電源接線端子）圖5-13CPU224主機(jī)輸入/輸出端子的分布CPU224主機(jī)箱外部設(shè)有RS-485通訊接口，用于連接文本/圖形顯示器、PLC網(wǎng)絡(luò)等外部設(shè)備（圖5-14）；還設(shè)有工作方式選擇開(kāi)關(guān)、模擬電位器、I/O擴(kuò)展接口、工作狀態(tài)指示燈和用戶(hù)程序存儲(chǔ)卡、I/O接線端子排及發(fā)光指示燈等。圖5-14RS-485通訊接口與外部設(shè)備的連接2.基本I/OCPU22X系列PLC具有兩種不同的電源供電電壓，輸出電路分為繼電器輸出和晶體管DC輸出兩大類(lèi)。CPU22X系列PLC可提供4個(gè)不同型號(hào)的CPU供用戶(hù)選用，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5-1。3.I/O擴(kuò)展模塊S7-200系列PLC的主機(jī)上已經(jīng)集成了一定數(shù)量的I/O點(diǎn)，可以滿足用戶(hù)的基本需求。如果用戶(hù)的實(shí)際控制I/O點(diǎn)多于主機(jī)自帶的I/O點(diǎn)時(shí)，則需要對(duì)系統(tǒng)做必要的擴(kuò)展。CPU221無(wú)I/O擴(kuò)展能力，CPU222最多可連接兩個(gè)擴(kuò)展模塊（數(shù)字量或模擬量），CPU224和CPU226最多可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊。S7-200系列PLC的可供選擇的I/O擴(kuò)展模塊的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5-2。4.熱電偶/熱電阻擴(kuò)展模塊

熱電偶/熱電阻擴(kuò)展模塊EM231是為CPU222、CPU224和CPU226專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，用于連接熱電偶/熱電阻。5.通信擴(kuò)展模塊

除主機(jī)上集成有通信接口之外，S7-200系列PLC還可以通過(guò)通信擴(kuò)展模塊（PROFIBUS-DP擴(kuò)展從站模塊EM277或AS-i接口擴(kuò)展模塊CP243-2）聯(lián)成更大的網(wǎng)絡(luò)。5.2.2數(shù)據(jù)類(lèi)型和尋址方法1.數(shù)據(jù)類(lèi)型S7-200系列PLC的指令參數(shù)所使用的基本數(shù)據(jù)有1位布爾型（BOOL）、8位字節(jié)型（BYTE）、16位無(wú)符號(hào)整數(shù)（WORD）、16位有符號(hào)整數(shù)（INT）、32位無(wú)符號(hào)雙字整數(shù)（DWORD）、32位有符號(hào)雙字整數(shù)（DINT）、32位實(shí)數(shù)型（REAL）等若干類(lèi)型。2.尋址方式S7-200系列PLC采用分區(qū)與字節(jié)號(hào)相結(jié)合的方法對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行編排地址號(hào)。PLC處理的數(shù)據(jù)可以是二進(jìn)制的某一位，也可以是一個(gè)字節(jié)或是多個(gè)字節(jié)。操作數(shù)不同，尋址方式亦不同。1）位尋址。位尋址（bit）亦稱(chēng)字節(jié).位尋址，一個(gè)字節(jié)擁有8個(gè)位。位尋址的表達(dá)方法如圖5-15所示（a）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中某一位的表示方法

（b）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中某一位的具體地址

圖5-15位尋址的表達(dá)方法2）字節(jié)尋址。字節(jié)尋址（8bit）以存儲(chǔ)器標(biāo)識(shí)符、字節(jié)標(biāo)識(shí)符、字節(jié)地址組合而成。圖5-16輸入字節(jié)IB3（Byte）的構(gòu)成3）字尋址。字尋址（16bit）以存儲(chǔ)器標(biāo)識(shí)符、字標(biāo)識(shí)符、字節(jié)地址組合而成。

相鄰的兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)字，一個(gè)字中的兩個(gè)字節(jié)的地址必須連續(xù)，且低位字節(jié)在一個(gè)字中應(yīng)該是高8位，高位字節(jié)在一個(gè)字中應(yīng)該是低8位。

如圖5-16所示，輸入字節(jié)IB3（Byte）由IB3.0~IB3.7這8位構(gòu)成。

如圖5-17所示，IW14表示由IB14和IB15組成的一個(gè)字。其中，I為寄存器的標(biāo)識(shí)符，W表示字（Word），14為起始字節(jié)的地址。IW14中的IB14應(yīng)該是高8位，IB15應(yīng)該是低8位。圖5-17輸入字IW14（Word）的構(gòu)成4）雙字尋址。

雙字尋址（32bit）以存儲(chǔ)器標(biāo)識(shí)符、雙字標(biāo)識(shí)符、字節(jié)地址組合而成。

相鄰的四個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)雙字，一個(gè)雙字中的四個(gè)字節(jié)的地址必須連續(xù)，且最低位字節(jié)在一個(gè)雙字中應(yīng)該是最高8位，最高位字節(jié)在一個(gè)雙字中應(yīng)該是最低8位。

如圖5-18所示，ID12表示由IB12~IB15組成的一個(gè)雙字。其中，I為寄存器的標(biāo)識(shí)符，D表示雙字（DoubleWord），12為起始字節(jié)的地址。ID12中的IB12應(yīng)該是最高8位，IB15應(yīng)該是最低8位。圖5-18輸入雙字ID12（DoubleWord）的構(gòu)成5.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)

根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，PLC將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)劃分為若干個(gè)不同的區(qū)域，稱(chēng)之為某某數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)或某某寄存器。PLC采用通道的概念來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元稱(chēng)為通道，每個(gè)通道具由8個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)地