第二章 电气控制线路的基本环节资料.docx

1、第二章 电气控制线路的基本环节资料第二章 电气控制线路的基本环节 在工农业、交通运输业等部门中，广泛使用着各种各样的生产机械，它们大都以电动机为动力进行拖动。电动机是通过某种控制方式进行控制的，最常见的是继电接触器控制方式，又称电气控制。 将各种有触点的按钮、继电器、接触器等低压控制电器，用导线按一定的要求和方法连接起来，并能实现某种功能的线路称为电气控制线路。它的作用是：实现对电力拖动系统的启动、调速、反转和制动等运行性能的控制；实现对拖动系统的保护；满足生产工艺的要求；实现生产过程自动化。优点是电路图较直观形象，装置结构简单，价格便宜，抗干扰能力强，运行可靠，可以方便地实现简单和复杂、集中

2、和远距离生产过程的自动控制。缺点是采用固定接线形式，通用性和灵活性较差；采用有触点的开关电器，触点易发生故障。尽管如此，目前电气控制仍然是各类机械设备最基本的控制形式之一。第一节 电气控制线路的绘制 为了表达生产机械电气控制线路的结构、原理等设计意图，同时也便于进行电器元件的安装、调整、使用和维修，需要将电气控制线路中各种电器元件及其联接用规定的图形表达出来，这种图就是电气控制线路图。 电气控制线路图有三种：电气原理图、电气元件布置图、电气安装接线图。各种图纸有其不同的用途和规定的画法，下面分别介绍。一、电气控制线路常用的图形符号和文字符号 电气控制线路图是工程技术的通用语言，为了便于交流与沟

3、通，在绘制电气线路图时，电器元件的图形、文字符号必须符合国家标准。近年来，随着我国经济改革开放，相应地引进了许多国外先进设备。为了便于掌握引进的先进技术和先进设备，便于国际交流和满足国际市场的需要，国家标准局参照国际电工委员会（IEC）颁布的有关文件，制定了我国电气设备有关国家标准，颁布了GB4728-1984电气图用图形符号、GB6988-1987电气制图和GB7159-1987电气技术中的文字符号制定通则。规定从1990年1月1日起，电气控制线路中的图形符号、文字符号必须符合最新的国家标准。表2-1至表2-3列出了三部分常用的电气图形符号和基本文字符号，实际使用时如需要更详细的资料，可查阅

4、有关国家标准。 表2-1常用电气图形符号和基本文字表2-2电气技术中常用基本文字符号表2-3电气技术中常用辅助文字符号在GB7159-1987电气技术中的文字符号制订通则中，规定了电气工程图中的文字符号，分为基本文字符号和辅助文字符号。基本文字符号有单字母和双字母符号。单字母符号表示电气设备、装置和元件的大类，如K为继电器类元件这一大类；双字母符号表示由一个大类的单字母符号与另一个表示元器件某些特性的字母组成，如KT为继电器类元件中的时间继电器，KM为继电器类元件中的接触器。辅助文字符号用来进一步表示电气元器件的功能、状态和特性。二、电气原理图为了便于阅读与分析控制线路，根据简单清晰易懂的原则

5、，采用电器元件展开的形式绘制而成。图中包括所有电器元件的导电部件和接线端点，并不按照电气元件的实际位置来绘制。也不反映电气元件的形状和大小。由于电气原理图结构简单，层次分明，便于研究和分析线路的工作原理等优点，所以无论在设计部门或生产现场都得到了广泛的应用。现以图2-1所示的某机床电气原理图为例来说明电气原理图的规定画法和应注意的事项。图2-1某机床电气原理图1.电气原理图的绘制原则：（1）电气原理图分主电路和辅助电路两个部分。主电路就是从电源到电动机，强电流通过的电路。辅助电路包括控制回路、信号电路、保护电路和照明电路。辅助电路中通过的电流较小，主要由继电器和接触器的线圈、继电器的触头、接触

6、器的辅助触头、按钮、照明灯、信号灯及控制变压器等电器元件组成。（2）电气原理图中，各电器元件不绘实际的外形图，而采用国家统一规定的图形符号和文字符号来表示。（3）在电气原理图中，同一电器的不同部分（如线圈、触点）分散在图中，为了表示同一电器，要在电器的不同部分使用同一文字符号来标明。对于几个同类电器，在表示名称的文字符号后用下标加上一个数字符号，以示区别。（4）所有电器的可动部分均以自然状态绘出。所谓自然状态是指各种电器在没有通电和没有外力作用时的初始开闭状态。对于继电器、接触器的触点，按吸引线圈不通电时的状态绘出，控制器的手柄按处于零位时的状态绘出，按钮，位置开关触点按尚未被压合的状态绘出。

7、（5）在电气原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电气元件一般按动作顺序从上而下，从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。（6）电气原理图上应尽可能减少线条和避免线条交叉。有直接电联系的交叉导线连接点，要用黑色圆点表示。2图面区域的划分 在图2-1中，图纸上方的数字编号1、2、3是区域编号，它是为了便于检索电气线路，方便读图分析避免遗漏而设置的。图区编号也可以设置在图的下方。3.符号位置的索引 符号位置的索引用图号、页号和图区号的组号索引法，索引代号的组成如下： 当某一元件相关的各符号元素出现在不同图号的图纸上，同时每个图号仅有一张图纸时，索引代号中的页号可省去；当某一元件相关的各符号元素出现

8、在同一图号的图纸上，而该图号有几张图纸时，可省去图号；当某一元件相关的各符号元素出现在同一张图纸上的不同图区时，可省略图号和页号。电气原理图中，接触器和继电器线圈与触点的从属关系由下面附图表示。即在原理图中相应线圈的下方，给出触点的文字符号，并在其下面注明相应触点的索引代号，对未使用的触点用“”表示，有时也可采用上述省去触点的表示方法。在图2-1中，KM线圈及K线圈下方的是接触器KM和继电器K相应触点的索引，其各栏的含义见下表2-4。表2-4 接触器和继电器相应触点的索引器件左栏中栏右栏接触器KM主触点在图区号辅助常开触点所在图区号辅助常闭触点所在图区号继电器K常开触点所在图区号常闭触点所在图

9、区号三、电器元件布置图 电器元件布置图主要是用来表明电气设备上所有电器元件的实际位置，为生产机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。以机床的电器元件布置图为例，它主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操纵台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。电器元件布置图可按电气控制系统的复杂程度集中绘制或单独绘制。但在绘制这类图形时，机床轮廓线用细实线或点划线表示，所有可见到的及需要表示清楚的电气设备，均用粗实线绘制出简单的外形轮廓。四、电气安装接线图电气安装接线图是按照电器元件的实际位置和实际接线绘制的，根据电器元件布置最合理。连接导线最经济等原则来设计的。它为安装电气设备、电器

10、元件之间进行配线及检修电气故障等提供了必要的依据。图2-2是根据图2-1电气原理图绘制的接线图。它表示机床电气设备各个单元之间的接线关系，并标注出外部接线所需要的数据。根据机床设备的接线图就可以进行机床电气设备的总装接线。图2-2的虚线方框中部件的接线可根据电气原理图进行。对于某些较为复杂的电器设备，电器安装板上元件较多时，还可绘出安装板的接线图。对于简单设备，仅绘出接线图就可以了。实际工作中，接线图常与电气原理图结合起来使用。图2-2 某机床电气接线图 图2-2表明了电气设备中电源进线、按钮板、照明灯、位置开关、电动机与机床安装板接线端之间的连接关系，也标注了所使用的包塑金属软管的直径和长度

11、，连接导线的根数、截面积及颜色。如按钮板与电器安装板的连接，按钮板上有SB1、SB2、HL1及HL2四个元件，根据图2-1电气原理图，SB1和SB2有一端相连为“3”，HL1与HL2有一端相连为“地”。其余的2、3、4、6、7、15、16通过71mm2的红色线接到安装板上相应的接线端，与安装板上的元件相连。黄绿双色线是接到接地铜排上。所使用的包塑金属软管的直径为15mm长度为1m。第二节 三相笼型异步电动机启动控制线路 三相笼型异步电动机有全压启动和降压启动两种方式，本节先介绍全压启动的控制线路。一、三相笼型异步电动机全压启动的控制线路 在变压器容量允许的情况下，笼型异步电动机应尽可能采用全压

12、启动控制，全压启动的优点是电气设备少，线路简单，这样可提高控制线路的可靠性和减少电器的维修量。缺点是启动电流大，引起供电系统电压波动，可能干扰其他用电设备的正常工作。（一）刀开关全压启动控制 刀开关全压启动控制线路如图2-3所示。图2-3刀开关控制线路 图2-4点动控制线路 工作过程如下：合上刀开关QK，电动机M接通电源全压启动运行，打开刀开关QK，电动机M断电停止运行。这种控制线路适用于小容量，启动不频繁的笼型电动机，如小型台钻、冷却泵、砂轮机等。熔断器在线路中起短路保护作用。（二）接触器全压启动控制（1）点动控制 点动控制线路如图2-4所示。主电路由刀开关QK、熔断器FU、交流接触器KM的

13、主触点和电动机M组成；控制电路由启动按钮SB和交流接触器KM的线圈组成。 工作过程如下： 启动：先合上刀开关QK，按下启动按钮SB，接触器KM线圈通电，KM主触点闭合，电动机M通电全压启动运行。 停机：松开启动按钮SB，KM线圈断电，KM主触点断开，电动机M停转。 由以上分析可知，按下启动按钮，电动机启动运行，松开启动按钮，电动机停转，这种控制就称为点动控制。常用于机床的对刀调整和电动葫芦等。（2）连续控制图2-5是一个常用的最简单、最基本的电动机连续运行控制线路，亦称长动控制线路。主电路由刀开关QK、熔断器FU、接触器KM的主触点、热继电器FR的发热元件和电动机M组成。控制电路由停止按钮SB

14、1、启动按钮SB2、接触器KM的常开辅助触点和线圈、热继电器FR的常闭触点组成。图2-5连续运行控制线路 工作过程如下： 启动：合QK，按SB2，KM线圈通电，KM主触点闭合电动机接通电源启动运行，同时KM辅助触点闭合，松开SB2，自锁或自保。 在连续控制中，当松开SB2后，KM的辅助常开触点闭合仍继续保持通电，从而保证电动机的连续运行，这种依靠接触器自身辅助常开触点而使线圈保持通电的控制方式，称为自锁或自保。起自锁或自保的触点称为自锁或自保触点。 停机：按下SB1，KM线圈断电，主触点及辅助常开触点断开，电动机M断电停转。 线路的保护环节 短路保护：短路时熔断器FU的熔体熔断切断电路起短路保

15、护。 过载保护：采用热继电器FR。由于热继电器的热惯性比较大，即使发热元件流过几倍于额定值的电流，热继电器也不会立即动作。因为在电动机启动时间不会太长的情况下，热继电器是经得起电动机启动电流冲击而不动作的。只有在电动机长期过载时，热继电器才会动作，用它的常闭触点使控制电路断开。 欠电压与失电压保护：依靠接触器KM的自锁环节来实现的。当电源电压低到一定程度或失电压时，接触器KM释放，电动机停止转动。当电源电压恢复正常时，接触器线圈也不会自行通电，只有在操作人员重新按下启动按钮后，电动机才能启动，这又称零电压保护。 控制线路具备了欠电压和失电压保护功能之后，有如下三个方面的优点：（1）防止电源电压

16、严重下降时电动机欠电压运行。（2）防止电源电压恢复时，电动机自行启动而造成设备和人员事故。（3）避免多台电动机同时启动造成电网电压的严重下降。3.点动与长动控制 在生产实践中，有的生产机械需要点动控制，有的生产机械既需要点动控制，又需要长动控制。图2-6示出了几种实现点动的控制线路。图2-6 实现点动的几种控制线路图2-6（a）所示是实现点动的几种控制线路的主电路。图2-6（b）所示是最基本的点动控制。按下按钮SB，接触器KM线圈通电，电动机启动运行；松开按钮SB，接触器KM线圈断电释放，电动机停止运行。图2-6（c）所示是带手动开关SA的点动控制线路。当需要点动时将开关SA打开，由按钮SB2

17、来进行点动控制。当需要连续工作时合上开关SA，将接触器KM的自锁触点接入，即可实现连续控制。图2-6（d）增加了一个复合按钮SB3来实现点动控制。需要点动控制时，按下按钮SB3，其常闭触点先断开自锁电路，再闭合常开触点，接通启动控制线路，接触器KM线圈通电，其主触点闭合，电动机M启动运行，当松开按钮SB3时，接触器KM线圈断电；主触点断开，电动机停止运行。若需要电动机连续运行，则按按钮SB2即可，停机时需按下停止按钮SB1。图2-6（e）所示是利用中间继电器实现点动的控制线路。利用点动启动按钮SB2控制中间继电器KA，KA的常开触点并联在按钮SB3两端控制接触器KM，再控制电动机实现点动。当需

18、要连续控制时按下按钮SB3即可，但停机时需按下停止按钮SB1。二、三相笼型异步电动机减压启动控制电路 三相笼型异步电动机全压启动控制线路简单、经济、操作方便。但对于容量较大的笼型异步电动机（大于10kw）来说，由于启动电流大，会引起较大的电网压降，所以一般采用减压启动的方法，以限制启动电流。减压启动虽可以减小启动电流，但也降低了启动转矩，因此减压启动适用于空载或轻载启动。三相笼型异步电动机的减压启动方法有定子绕组串电阻（或电抗器）启动、自耦变压器减压启动、Y-减压启动。延边三角形减压启动等。（一）定子绕组串电阻降压启动控制图2-7 串电阻降压启动控制线路 按时间原则控制定子绕组串电阻降压启动控

19、制线路如图2-7所示。启动时，在三相定子绕组中串电阻R，使电动机定子绕组电压降低，启动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。 启动过程如下： 合电源开关QK，按启动按钮SB1，接触器KM1得电吸合并自锁，接触器KM1的主触点闭合使电动机M串电阻R启动，在接触器KM1得电同时，时间继电器KT得电吸合，其延时闭合常开触点的延时闭合使接触器KM2不能得电，经一段时间延时后，接触器KM2得电动作并自锁，将主回路R短接，电动机在全压下进入稳定正常运行，同时KM2的常闭触点断开KM1和KT的线圈电路，使KM1和KT释放，即将已完成工作任务的电器从控制线路中切除，其优点是节省电能和延长电器的使用寿

20、命。 启动电阻一般采用由电阻丝绕制的板式电阻或铸铁电阻，电阻功率大，能够通过较大电流，但电能损耗较大，为了节省电能，可采用电抗器代替电阻，但其价格较贵，成本较高。（二）自耦变压器减压启动启动时电动机定子绕组串入自耦变压器，定子绕组得到的电压为自耦变压器的二次电压，启动完毕，自耦变压器被切除，额定电压加于定子绕组，电动机以全压投入运行。按时间原则控制线路如图2-8所示。图2-8 自耦变压器控制线路启动过程如下：合上刀开关QK，按下启动按钮SB2，接触器KM1、KM3和时间继电器KT的线圈通电，接触器KM1常开辅助触头闭合自锁，接触器KM1、KM3主触点闭合将电动机定子绕组经自耦变压器接至电源开始

21、降压启动。时间继电器经一定延时后，其延时常闭触点打开，使接触器KM1、KM3线圈断电，接触器KM1、KM3主触点断开，将自耦变压器从电网上切除。而延时常开触点闭合，使接触器KM2线圈得电，于是电动机直接接到电网上全压运行，完成了整个启动过程。该控制线路对电网的电流冲击小，损耗功率也小，但是自耦变压器价格较贵，主要用于启动较大容量的电动机。（三）Y-降压启动控制图2-9 Y-减压启动控制线路电动机绕组接成三角形时，每相绕组承受的电压是电源的线电压（380V）；而接成星形时，每相绕组承受的电压是电源的相电压（220V）。因此，对于正常运行时定子绕组接成三角形的笼型异步电动机，启动时将电动机定子绕组

22、接成星形，加在电动机每相绕组上的电压为额定电压的，从而减小了启动电流（星形启动电流只是原来三角形接法的）。待启动后按预先整定的时间换接成三角形接法，使电动机在额定电压下正常运行。按时间原则实现Y-减压启动控制线路如图2-9所示。启动过程如下：当启动电动机时，合上刀开关QK，按下启动按钮SB2，接触器KM、KMY与时间继电器KT的线圈同时得电，接触器KMY的主触点将电动机接成星形并经过KM的主触点接至电源，电动机降压启动。当KT的延时值到达时，KMY线圈失电，KM线圈得电，电动机主电路换接为三角形接法，电动机投入正常运转。该线路结构简单、价格低。缺点是启动转矩也相应下降为原来三角形接法的1/3，

23、转矩特性差，因而本线路适用于电网电压380V，额定电压660/380V，Y/接法的电动机轻载启动的场合。（四）延边三角形降压启动控制上面介绍的Y-启动控制有很多优点，但不足的是启动转矩太小，如要求兼取星形连接启动电流小，三角形连接启动转矩大的优点，则可采用延边三角形减压启动。延边三角形减压启动控制线路如图2-10所示。它适用于定子绕组特别设计的电动机，这种电动机共有九个出线头。延边三角形绕组的连接如图2-11所示。启动时将电动机定子绕组接成延边三角形，启动结束后，再换成三角形接法，投入全电压正常运行。图2-10 延边三角形减压启动控制线路图2-11 延边三角形绕组的连接a)原始状态 b)延边三

24、角形连接 c) 三角形连接启动过程如下： 合上刀开关QK，按下启动按钮SB2，接触器KM、KMY与时间继电器KT、同时得电，电动机定子绕组接成延边三角形，并通过KM的主触点将绕组1、2、3分别接至三相电源进行降压启动。当KT的延时值到达时，接触器KMY线圈失电，KM线圈得电，定子绕组接成三角形，电动机加额定电压运行。延边三角形的启动与Y-接法相比，兼顾了二者优点；与自耦变压器接法相比，结构简单，因而这种降压启动的方式得到越来越广泛的应用。综合以上4种减压启动控制线路可见，一般均采用时间继电器，按照时间原则切换电压实现降压启动。由于这种线路工作可靠，受外界因素（如负载，飞轮转动惯量以及电网电压）

25、变化时的影响较小，线路及时间继电器的结构都比较简单，因而被广泛采用。三、三相绕线转子电动机启动控制 三相绕线转子电动机的优点之一是可以在转子绕组中串接电阻或频敏变阻器进行启动，由此达到减小启动电流，提高转子电路的功率因数和启动转矩的目的。在一般要求启动转矩较高的场合，绕线转子异步电动机得到了广泛的应用。（一）转子绕组串接电阻启动控制串接在三相转子电路中的启动电阻，一般都接成星形。在启动前，启动电阻全部接入电路，启动过程中电阻逐段地短接。电阻被短接的方式有三相电阻不平衡短接法和三相电阻平衡短接法两种，所谓不平衡短接是每相的启动电阻轮流被短接，而平衡短接是三相的启动电阻同时被短接。使用凸轮控制器来

26、短接电阻宜采用不平衡短接法，因为凸轮控制器中各对触点闭合顺序一般是按不平衡短接法来设计的，故控制线路简单，如桥式起重机就是采用这种控制方式。使用接触器来短接电阻时宜采用平衡短接法。下面介绍使用接触器控制的平衡短接法启动控制。 图2-12 转子绕组串电阻启动控制线路转子绕组串电阻启动控制线路如图2-12所示。该线路按照电流原则实现控制，利用电流继电器根据电动机转子电流大小的变化来控制电阻的分级切除。KI1KI3为欠电流继电器，其线圈串接于转子电路中。KI1KI3 这3个电流继电器的吸合电流值相同，而释放电流值不同，KI1的释放电流最大先释放，KI2次之，KI3的释放电流值最小最后释放。电动机刚启

27、动时启动电流较大，KI1KI3同时吸合动作，使全部电阻投入。随着电动机转速升高电流减小，KI1KI3依次释放，分别短接电阻，直到将转子串接的电阻全部短接。启动工作过程如下：合上刀开关QK按下启动按钮SB2接触器KM通电，电动机M转子电路串入全部电阻（R1+R2+R3）启动中间继电器KA通电，为接触器KM1KM3通电作准备随着转速的升高，启动电流逐步减小，首先KI1释放KI1常闭触点闭合KM1通电，转子电路中KM1常开触点闭合切除第一级电阻R1然后KI2释放KI2常闭触点闭合KM2通电，转子电路中KM2常开触点闭合切除第二级电阻R2KI3最后释放KI3常闭触点闭合KM3通电，转子电路中KM3常开

28、触点闭合切除最后一级电阻R3，电动机启动过程结束。控制线路中设置了中间继电器KA，是为了保证转子串入全部电阻后电动机才能启动。若没有KA，当启动电流由零上升在尚未到达电流继电器的吸合电流值时，KI1KI3不能吸合，将使接触器KM1KM3同时通电，则转子电路中的电阻（R1+R2+R3）全部被切除，则电动机直接启动。设置KA后，在KM通电后才能使KA通电，KA常开触点闭合，此时启动电流已达到欠电流继电器的吸合值，其常闭触点全部断开，使KM1KM3均处于断电状态，确保转子电路中串入全部电阻，防止了电动机直接启动。（二）转子绕组串接频敏变阻器启动控制在绕线转子电动机的转子绕组串电阻启动过程中，由于逐级

29、减小电阻，启动电流和转矩突然增加，故产生一定的机械冲击力。同时由于串接电阻启动线路复杂，工作不可靠，而且电阻本身比较笨重，能耗大，使控制箱体积较大。从20世纪60年代开始，我国开始推广应用自己研制的频敏变阻器。频敏变阻器的阻抗能够随着转子电流频率的下降自动减小，所以它是绕线转子异步电动机较为理想的一种启动设备。常用于较大容量的绕线式异步电动机的启动控制。频敏变阻器实质上是一个铁心损耗非常大的三相电抗器。它由数片E形钢板叠成，具有铁心和线圈两个部分，分为三相三柱式，每个铁心柱上套有一个绕组，三相绕组连接成星形，将其串接于电动机转子电路中，相当于转子绕组接入一个铁损较大的电抗器，频敏变阻器的等效电

30、路如图2-13所示。图中Rd为绕组直流电阻，R为铁损等效电阻，L为等效电感，R、L值与转子电流频率有关。 图2-13 频敏变阻器的等效电路在启动过程中，转子电流频率是变化的。刚启动时，转速等于0，转差率S=1，转子电流的频率2与电源频率1的关系为2=s1，所以刚启动时2=1，频敏变阻器的电感和电阻为最大，转子电流受到抑制。随着电动机转速的升高而S减小，2下降，频敏变阻器的阻抗也随之减小。所以，绕线转子电动机转子串接频敏电阻器启动时，随着电动机转速的升高，变阻器阻抗也自动逐渐减小，实现了平滑的无级启动。此种启动方式在桥式起重机和空气压缩机等电气设备中获得广泛的应用。转子绕组串接频敏变阻器的启动控

31、制线路如图2-15所示。该线路可以实现自动和手动控制，自动控制时将开关SC扳“自动”位置，手动控制时将开关SC扳“手动”位置。在主电路中，TA为电流互感器，作用是将主电路中的大电流变换成小电流进行测量。另外，在启动过程中，为避免因启动时间较长而使热继电器FR误动作，因而在主电路中，用KA的常闭触点将FR的发热元件短接，启动结束投入正常运行时FR的发热元件才接入电路。 图2-15 转子绕组串接频敏变阻器的启动控制线路启动过程如下：自动控制：将转换开关SC置于“Z”位置合上刀开关QK按下启动按钮SB2接触器KM1和时间继电器KT同时得电接触器KM1主触点闭合电动机M转子电路串入频敏变阻器启动。时间继电器设置时间到达时延时常开触点闭合中间继电器KA得到自锁KA的常开触点闭合接触器KM2通电KM2主触点闭合切除频敏变阻器时间继电器KT断电，启动过程结束。手动控制：将转换开关SC置于“S”位置按下启动按钮SB2接触器KM1通电KM1主触点闭合，电动机M转子电路中串入频敏变阻器启动待电动机启动结束。按下启动按钮SB3中间继电器通电并自锁接触器KM2通电KM2主触点闭合，将频敏变阻器切除，启动过程结束。第三节 三相异步电动机的正反转控制在实际应用中，往往要求生产机械能够实现可逆运行，如工作台前进与后退，主轴的正转和反转，吊钩的上升与下降等等。这就要求电动机可以正