三相异步电动机的基本控制线路.docx
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三相异步电动机的基本控制线路
第三章三相异步电动机的基本控制线路
在工农业生产中，几乎所有的生产机械都用电动机来拖动，这种拖动方式称为电力拖动。
电力拖动有很多优点，它能实现生产过程的自动控制和远距离控制,可以减轻繁重的体力劳动，由于采取了从集中传动到单独传动、多电机传动等方式的过渡，使生产机械的传动机构大为简化，减少了传动损耗。
对电动机控制的最广泛、最基本、为数最多的方式是继电器接触器的控制方式。
这种控制方式由多种有触点的低压电器根据不同的控制要求以及生产机械对电气控制电路的要求连接而成，能实现对电力拖动系统的起动、反向、制动、调速等运行过程的控制，也能对电力拖动系统进行有效的电气保护，满足生产工艺的要求与实现生产过程自动化。
第一节学习目的和要求
一、学习目的
1.熟练掌握电动机的单向和双向运行控制线路的组成及工作过程。
2.熟练掌握鼠笼式和绕线式电动机的降压起动控制线路的种类及电路组成，及其工作过程。
3.熟练掌握电动机制动中的电气控制线路，特别是反接制动和能耗制动控制线路，掌握其电路组成及工作过程。
4.熟练掌握多台电动机的顺序控制线路，特别是针对不同的控制要求完成不同的顺序控制。
5.了解双速异步电动机实现变极调速的电气控制线路，手动和自动调节完成有极调速的工作过程。
、参考课时
第三章
授课内容
总学时
理论学时
实训学时
第一节
三相异步电动机单向运行控制线路
2
第二节
三相异步电动机正反转控制线路
2
2
第三节
鼠笼式异步电动机的起动控制线路
2
2
第四节
绕线式异步电动机的起动控制线路
2
第五节
鼠笼式异步电动机的制动控制线路
2
2
第六节
多速异步电动机的起动控制线路
2
2
第七节
多台电动机的顺序控制电路
2
2
合计
24
14
10
三、学习要求
1•能熟练分析电气控制线路的基本环节。
2.能结合降压起动、制动、调速的工作原理，很好地理解各种电气控制线路的构成及所完成的功能。
3.在学习低压电器知识的基础上，进一步了解和掌握各种电气元件的组成、功能、各种主要参数的确定。
4•学会选用合适的低压电器进行各种控制线路的连接、调试和运行，以及能进行常见故障的查找和排除。
。
5•能根据具体控制要求，完成有关电气控制线路基本环节的设计、修改和优化。
第二节学习与训练指导
本章要点
三相异步电动机的点动、长动和正反转控制线路三相异步电动机的起动、制动和调速控制线路三相异步电动机的顺序控制线路。
三相异步电动机的自动控制原则。
本章难点
三相异步电动机降压起动控制线路。
本章主要学习电气控制线路的基本环节，如电动机的点动和长动控制线路、电动机的正反转控制线路、起动控制线路（包括直接起动和降压起动）、制动控制线
路（包括反接制动和能耗制动）、调速控制线路以及顺序控制线路，同时学习各种保护环节详细的分析。
一、三相异步电动机点动和长动控制线路
（一）重点内容：
本节重点学习三相异步电动机单向运行控制线路，这是继电一接触器控制线路中最简单而又最常用的一种，这种线路主要用来实现三相异步电动机的单向起动、自锁、点动、长动等控制要求。
因此要很好地掌握点动、长动、自锁等概念。
在自动控制中，电动机拖动运动部件沿一个方向运动，称为单向运行。
这是
基本控制线路中最简单的一种。
如图3.1所示是刀开关控制电动机的电气控制线路，采用开关控制的线路仅适用于不频繁起动的小容量电机，它不能实现远距离控制和自动控制，也不能实现失压、欠压和过载保护。
对起动和停车频繁的电动机，以及需设置必要电气保护环节的控制线路，常采用如图3.2所示的接触器控制的单向运行控制线路。
合上电源开关QS,按下起动按钮SB2,接触器KM吸引线圈通电，KM的主触点闭合，电动机M通电起动。
松开起动按钮SB2后，KM吸引线圈仍然通电，电动机继续运行，实现长动，这是因为与SB2并联的KM常开辅助触点闭合，相当于将SB2短接，这种依靠接触器自身的辅助触点来使其线圈保持通电的电路，称为自锁或自保电路，起自锁作用的常开辅助触点称自锁触点。
按下停止按钮SBi，切断KM吸引线圈电路，使线圈失电，常开触点全部断开，切断主电路和控制电路，电动机断电停转。
松开停止按钮SB1后，控制电路已经断电，只有再次按下起动按钮SB2按钮，电动机才能重新起动。
若在图3.2中断开与SB2并联的KM常开辅助触点如图3.3所示，那么按下起动按钮SB2，接触器KM吸引线圈通电，KM的主触点闭合，电动机M通电起动，松开起动按钮SB2后，KM吸引线圈马上断电，KM的主触点断开，电动机M断电停止，这种运行方式称为点动。
生产实际中，它可用于机床的刀架调整、试车、电动葫芦的起重电机控制等。
图3.3实现电动机点动的控制线路
当有的生产机械需要正常的连续运行即长动外，进行调整工作时还需要进行点
动控制，这就要求控制线路既能实现长动还能实现点动，图3.4列出了几种典型控
制线路。
（a）（b）
图3.4实现点动和长动的控制线路
图3.4中，（a）图是用手动开关断开或接通自锁回路，当需要点动控制时，将开关SA断开，切断自锁回路，SB2可实现对电动机的点动控制。
当需要长动控制时，将开关SA闭合，接通自锁回路，SB2可实现对电动机的长动控制。
（b）图是用复合按钮SB3的常闭触点断开或接通自锁回路，当需要点动控制时，按下点动按钮SB3，其常闭触点先断开，切断自锁回路，其常开触点实现点动控制。
当需要长动控制时，按下长动按钮SB2，复合按钮SB3的常闭触点接通自锁回路，SB2可实现对电动机的长动控制。
比较图3.1和图3.2可知，当因某种原因电源电压突然消失而使电动机停转，那么，电源电压恢复时，图3.1中的电动机又将自行起动，可能会造成人身事故或设备事故，而图3.2中的电动机不会自行起动，必须再重新按下起动按钮，电动机才能运行，避免了人身事故或设备事故的发生，这种保护称为失压保护（也称零电压保护）。
（二）学习方法：
1．以三相异步电动机单向运行控制为切入点，研究最简单的控制线路中的主电路和控制电路，对各组成部分做详尽的了解，为后续内容的学习打下扎实的基础。
2．进行点动、长动、自锁等相关内容的比较和区别，了解其作用和内在联系。
并能掌握实现点动、实现长动、实现既能点动又能长动的多种控制电路。
3．熟练掌握多地控制的含义及实现多地控制的方法。
4．重点掌握欠压保护和失压保护措施，包括欠压和失压状态下工作对设备和人身安全的潜在危害、造成欠压和失压状态的原因、实现欠压和失压保护的原理和措施。
（三）训练要点：
1.了解三相异步电动机的直接起动控制线路的构成，学会正确选择电气元件，确定相对合理的电器元件的参数。
2.练习三相异步电动机控制线路的连接，熟练掌握常用低压电器元件的实际使用方法。
3.熟悉三机异步电动机直接起动的方法、实现点动和长动的相应措施，从实际中认识自锁触点，了解自锁回路的构成。
4．通过模拟失压现象，了解失压保护的重要性。
5.学会各种简单故障的判断和处理。
（四）注意事项：
实际应用中，以电动机为负载的控制线路中，欠压和失压保护是防止生产设备事故和人身伤害事故的一种有效的保护措施，应当引起足够的重视。
三相异步电动机正反转控制线路
（一）重点内容:
本节重点学习电动机的正反转控制线路。
通过改变电动机三相电源的相序，即用两个接触器的主触点来对调电动机定子绕组上三相电源的任意两根接线，来改变电动机的转向，实现电动机的正反转。
同时要掌握通过行程开关，实现工作台自动往返的控制线路。
图3.5三相异步电动机正反转电气控制线路
在图3.5中，（a）图为主电路，通过当接触器KM1三对主触点把三相电源和电动机的定子绕组按顺相序L1、L2、L3连接，，而KM2的三对主触点把三相电源和电动机的定子绕组按反相序L3、L2、L1连接，使电动机可以实现正反两个方向上的运行。
而图3.5（b）中，按下正转起动按钮SB2，接触器KMi线圈通电且自锁，主触点闭合使电动机正转，按下停止按钮SBi，接触器KMi线圈断电，主触点断开，电动机断电停转。
再按下反转起动按钮SB3，接触器KM2线圈通电且自锁，主触点闭合使电动机反转。
但是在（b）图中，若按下正转起动按钮SB2再按下反转起动按钮SB3，或者同时按下SB2和SB3，接触器KMi和KM2线圈都能通电，两个接触器的主触点都会闭合，造成主电路中两相电源短路，因此，对正反转控制线路最基本的要求是：
必须保证两个接触器不能同时工作，以防止电源短路，即进行互锁，使同一时间里只允许两个接触器中一个接触器工作。
所以在图3.5（c）中，接触器KMi、KM2线圈的支路中分别串接了对方的一
个常闭辅助触点。
工作时，按下正转起动按钮SB2，接触器KMi线圈通电，电动
机正转，此时串接在KM2线圈支路中的KMi常闭触点断开，切断了反转接触器KM2线圈的通路，此时按下反转起动按钮SB3将无效。
除非按下停止按钮SBi，接触器KMi线圈断电，KMi常闭触点
复位闭合，再按下反转起动按钮SB3实现电动机的反转，同时，串接在KMi线圈支路中的KM2常闭触点断开，封锁了接触器KMi使它无法通电。
这样的控制线路可以保证接触器KMi、KM2不会同时通电，这种作用称为互
锁，这两个接触器的常闭触点称为互锁触点，这种通过接触器常闭触点实现互锁的控制方式称为接触器互锁，又称为电气互锁。
复合按钮也具有互锁功能，如图3.6所示电路是在如图3.5（c）的基础上，将正转起动按钮SB2和反转起动按钮SB3的常闭触点串接在对方线圈的支路中，构成互相制约的关系，称为机械互锁。
这种电路具有电气、机械双重互锁，它既可实现电动机正转一停止一反转一停止控制，也可实现电动机的正转一反转一停止控制。
图3.7是在正反转控制线路的基础上构成的自动往复控制线路，通过行程开关SQi和SQ2来实现自动往复。
当电动机正转时，拖动工作台前进，到达加工终点，挡铁压下SQ2，其常闭触点断开使电动机停止正转，而SQ2常开触点闭合，又使电动机反转，拖动工作台后退，当后退到加工原点，挡铁压下SQi电动机停止
运行，工作台停止运动。
按钮SB也可使电动机随时停止。
若SQi>SQ2失灵，则由极限保护行程开关SQ3、SQ4实现保护，避免工作台应超出极限位置而发生事故。
（二）学习方法：
1．通过复习电动机正反转运行的基本工作原理，掌握采用两个接触器的触点改变电动机定子绕组电源相序的方法，以达到改变电动机转向的目的。
2．为防止电源被短路，两个接触器不能同时接通电源，以此来加深对互锁环节作用的理解。
3．掌握不同的有互锁环节的控制线路，并学会在不同场合下的正确使用。
4．在掌握电动机正反转控制线路工作原理的基础上，添加行程开关后实现由一台电动机控制的工作台自动往返。
（三）训练要点：
1．学会用接触器的触点来改变三相电源的相序，特别要熟练掌握两个接触器的主触点在主电路中的准确连线，已实现交换任意两根电源相线的目的。
2．从实际中认识互锁触点，了解互锁的作用。
3．采用接触器互锁的电气互锁方式，实现三相异步电动机的正转—停止—反转—停止控制。
4．采用按钮和接触器的电气互锁和机械互锁双重互锁的方式，实现三相异步电动机的正转—反转—停止控制。
（四）注意事项：
三相异步电动机的正反转控制电路中，有两种方式：
（1）正转—停止—反转—停止控制。
（2）正转—反转—停止控制。
实际应用中第二种控制因为操作灵敏，使用方便，所以常应用于小容量电动机。
而对于大型电动机，因为其转动惯量大，转向的直接改变容易引起机械故障，因此一般采用第一种控制，即转向的改变，必须先停止，停稳后再进行反向运行的操作。
三、鼠笼式异步电动机的起动控制线路
（一）重点内容：
本节要学习电动机起动的概念，电动机直接起动必须满足的条件。
电动机接通电源后由静止状态逐渐加速到稳定运行状态的过程，称为电动机的起动。
若将额定电压直接加到电动机定子绕组上，使电动机起动，称为直接起动或全压起动，全压起动电路简单，是一种简单、可靠、经济的起动方法。
但是全压起动电流很大，可达电动机额定电流的4~7倍，过大的起动电流会使电网电压显著降低，直
接影响在同一电网工作的其它设备的稳定运行，甚至使其他电动机停转或无法起动。
因此，直接起动电动机的容量受到一定限制，电动机能否实现直接起动，可根据起动次数、电动机容量、供电变压器容量和机械设备是否允许来分析，也可由下面的经验公式来确定:
式中：
1st---
--电动机起动电流，
A;
In----
-电动机额定电流，
A;
S-----
-电源容量，kVA;
PN——
---电动机额定功率，
kW；
不能满足上述公式时，往往要采用降压起动的方式。
降压起动方法的实质就是在电源电压不变的情况下，起动时降低加在定子绕组上的电压，以减小起动电流；待电动机起动后，再将电压恢复到额定值，使电动机在额定电压下运行。
常用的三相鼠笼式异步电动机降压起动方式有以下四种：
定子绕组串接电阻
（或电抗器）降压起动、丫--△连接降压起动、自耦变压器降压起动、延边三角形等起动方法。
在这四种降压起动方式中，定子绕组串接电阻（或电抗器）降压起动、丫--△
连接降压起动、自耦变压器降压起动比较常用。
1•定子绕组串接电阻（或电抗器）降压起动
图3.8定子串电阻降压起动控制线路之一
图3.8所试电路中，通电后，按下起动按钮SB2，接触器KM1通电并自锁，电动机定子绕组串入电阻R进行降压起动。
经一段时间延时后，时间继电器KT
的常开延时触点闭合，接触器KM2通电，三对主触点将主电路中的起动电阻R短接，电动机进入全电压运行。
KT的延时长短根据电动机起动过程时间长短来调整。
本电路起动完成后，在全压下正常运行时，不仅时间继电器KT、接触器KM2工作，接触器KM1也必须工作，不但消耗了电能，而且增加了出现故障的可能性。
若在电路中作适当修改，如图3.9所示，可使电动机起动后，只有KM2工作，KM1、KT均断电，可以达到减少回路损耗的目的，
1.L.J
图3.9定子串电阻降压起动控制线路之二
图3.9中电动机起动时，接触器KM1工作，而运行时，接触器KM2的主触点将起动电阻R和接触器KM1的主触点均短接，那么，起动时接触器KM1工作，运行时只有接触器KM2工作，由KM2自身的常开触点实现KM2的自锁，而KM2的常闭触点切断KM1线圈的回路，进而切断时间继电器KT线圈的回路，使接触器KM1和时间继电器KT在全压运行时都不工作，减少了电路的损耗。
2.Y--△连接降压起动
正常运行定子绕组为三角形联接的三相鼠笼式异步电动机，可采用丫--△降
压起动方式达到限制起动电流的目的。
如图3.10所示，电动机起动时，KM1、KM3线圈得电，定子绕组先暂时连接为丫形，进行降压起动。
当起动完毕，电动机转速达到稳定转速时，KM1、KM2定子绕组接为△形，使电动机在全压下运行，由星形转为三角形是靠时间继电器KT来实现的。
图3.10三个接触器控制的Y△降压起动的控制线路
合上电源开关，按下起动按钮SB2，使接触器KM1线圈通电并自锁，随即接触器KM3线圈也通电，KMi、KM3的主触点闭合，电动机接成星形联接，接入三相电源进行降压起动。
在KM3线圈通电的同时，时间继电器KT线圈也处于通电状态，经过一段时间的延时后，KT的常闭触点断开，接触器KM3线圈失电，KT的另一对常开触点闭合，接触器KM2线圈通电并自锁，KM2主触点闭合，电动机接成三角形联接，电动机在全电压下运行。
当KM2线圈通电后，常闭触点断开，使KT线圈断电，避免了时间继电器长期工作。
KM2、KM3的常闭触点也为互锁触点，以防止KM2、KM3线圈同时通电，其主触点闭合造成主电路电源短路。
3•自耦变压器降压起动
自耦变压器降压起动的方法是指利用自耦变压器来降低电动机起动电压、限制起动电流的一种三相鼠笼式异步电动机的起动方法。
电动机起动时，使电动机定子绕组和自耦变压器副边相联接，进行减压起动，起动完毕后，使电动机定子绕组和自耦变压器副边脱离，而直接和电源相联接，电动机便进入全电压下正常运行。
如图3.11为两个接触器控制的自耦变压器降压起动控制线路。
途中，通过时间继电器KT和中间继电器KA，自动完成电动机从降压起动到全压运行的过渡。
本电路中接触器KM1与接触器KM2互锁，接触器KM2的常闭触点串接于自耦变压器的副边，接触器KM2的主触点闭合时短接自耦变压器。
当降压起动时，接触器KMi工作，通过其主触点将三相电源接入自耦变压器的原边，接触器KM1与接触器KM2互锁关系，接触器KM2线圈无法通电，保证了自耦变压器的副边通过接触器KM2的常闭触点与电动机的定子绕组相连。
当起动结束进入全压运行时，接触器KM2工作，此时KMi线圈无法通电，不仅使自耦变压器被短接，而且接触器KM2的常闭触点断开，保证了自耦变压器的副边与电动机的定子绕组分离。
但是能实现这样功能的控制线路并不是唯一的，如图3.12也是两个接触器控
制的自耦变压器降压起动控制线路，但是所用的触点有所不同。
电动机定子绕组可以通过接触器KM1主触点和自耦变压器接入电源；也可以通过接触器KM2将三相电源直接进入电动机的定子绕组，而完全脱离自耦变压器。
图3.12两个接触器控制的自耦变压器降压起动控制线路之二
图中起动时，接触器KM1工作，三相电源通过其主触点接入自耦变压器的
原边，同时KM1辅助常开触点闭合，使电源通过自耦变压器的副边接入电动机的
定子绕组。
全压运行时，接触器KM2工作，接触器KMi不工作，使自耦变压器完全脱离电路。
本电路中接触器KMi与接触器KM2互锁由时间继电器KT中状态互为相反
地延时触点来实现，只是在工作过程中，要求时间继电器KT始终通电，不仅通过KT完成降压起动到全压运行的过渡，而且由它的瞬时触点来实现自锁。
所以电路还可以作进一步修改，如图3.13所示：
图3.12与图3.13相比较，主电路没有改变，但是全压运行时，断开了时间继电器KT,电路的自锁由接触器KMi与接触器KM2的辅助常开触点来实现。
（二）难点分析：
电动机降压起动是为了减少起动时的电流，以减少对电网的影响，或者是减少
和限制起动时对机械设备的冲击，在本部分重点学习的三种降压起动控制线路中，起动时所减少的电流是各不相同的，下面将其与直接起动时作出比较。
1•定子绕组串接电阻（或电抗器）降压起动
若直接起动时的定子线电流为1st，降压起动时的定子线电流由所串入电阻的阻值（或电抗器的电抗值）决定，串入电阻的阻值（或电抗器的电抗值）越大，降压越多，起动电流越小，限流效果越明显，反之亦然。
当然，同时也应兼顾起动转矩值。
2.Y--△连接降压起动
若直接起动时，定子绕组的连接为三角形，设流过电网的线电流为Ist^;若降压起动时，定子绕组的连接为星形，设此时流过电网的线电流为IstY。
每相定子绕组的电阻值为R。
直接起动时，定子绕组的连接为三角形，电源的线电压UI就是每相定子绕组
的相电压Up，相电流即为Ip=U，流过电网的线电流lst^=•3lp=..3U；
RR
降压起动时，定子绕组的连接为星形，每相定子绕组的相电压Up二Ul，相
<3
电流即为Ip=也二Ul，流过电网的线电流lstY=Ip二Ul。
Rv'3R、3R
比较IstY与1st△:
—二旦/（73^）=-，即IstY=-IstA。
说明实
1stJ3RR33
行丫--△降压起动时，流过电网的线电流是直接起动时的三分之一。
3•自耦变压器降压起动
一般自耦变压器备有多档电压抽头，可根据电动机的负载情况，选择不同的
起动电压。
设自耦变压器的变比为k,自耦变压器的原边和副边的电压、电流分别为Ui、U2和|1、|2；电动机直接起动时的电流为Ist;电动机降压起动时，电网上流过的起动电流，即自耦变压器原边电流为Isti;电动机起动电流，即自耦变压器副边电流为Ist2。
自耦变压器原边和副边的电压、电流的关系是
U1I2
匕1丄k，当电动机定子
U2I1
绕组经自耦变压器降压起动时，加在绕组上的相电压为
1
-U1,此时电动机定子绕
k
1
组内的起动电流为全压时的1/k，即：
Ist2—Ist。
k
又因为电动机定子绕组与自耦变压器副边相连，而原边接电网电源，因此电
ii
动机从电网吸取的电流为：
Istl=—Ist2=-1-Istokk2
由此可知，利用自耦变压器降压起动时电网流过的起动电流是直接起动时的1/k2o
（三）学习方法：
1.掌握电动机采用直接起动或降压起动的判断方法。
2.熟练掌握定子绕组串接电阻（或电抗器）降压起动的控制线路，学会电路的分析，能熟练应用，并会做简单的改变。
3.在Y--△连接降压起动的控制线路中，有两个接触器控制和三个接触器控制的线路，通过电路的比较，学会分析两种电路的特点，学会区别两种电路的不同之处。
4．了解自耦变压器降压起动、延边三角形起动等降压起动方法，学会分析电路，自行比较电路的优缺点。
（四）训练要点：
1．熟练掌握定子绕组串接电阻降压起动、Y--△连接降压起动这两种降压起动控制线路的构成，能正确选择、调试元器件，独立完成电路的连接，并进行试通。
2．领会在电动机从起动到运行过程中，用通电延时时间继电器或断电延时时间继电器均能自动完成这个过渡过程，但是主电路不变，控制电路应当有所改变。
3．调节时间继电器的动作时间，观察时间继电器动作时间对电动机起动过程的影响。
（五）注意事项：
1.Y--△连接降压起动方式仅适用于额定运行时为三角形连接的电动机。
2.降压起动方式中，起动时降低电动机定子绕组上所加的电压，以减少起动电流，起动结束后，必须加额定电压，使电路能够工作在额定状态，带动额定负载，输出额定功率。
3．电动机从起动到运行可以采用时间继电器来完成自动过渡，虽然采用通电延时时间继电器或断电时间继电器均可，但工作目的是相同的。
四、绕线式异步电动机的起动控制线路
（一）重点内容：
三相绕线式异步电动机的转子中有三相绕组，可以通过滑环串接外接电阻或频敏变阻器，实现降压起动。
按照起动过程中转子串接装置的不同，分为串电阻起动和串频敏变阻器起动两种起动方式。
串电阻起动中包括基于电流原则的起动和基于时间原则的起动控制线路，图
3.14所示电路是基于电流原则的起动控制线路。
在电动机的转子绕组中串接KI1、
KI2、KI3这三个具欠电流继电器的线圈，它们具有相同的吸合电流和不同的释放电流。
在起动瞬间，转子转速为零，转子电流最大，三个电流继电器同时吸合，随着转子转速的逐渐提高，转子电流逐渐减小，KI1、KI2、KI3依次释放，其常闭触点依次复位，使相应的接触器线圈依次通电，通过它们的主触点的
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