第3章繼電接觸器控制電路

【電氣控制線路圖3.1繼電接觸器控制電路基本控制規(guī)律3.2三相異步電動機的啟動控制電路3.3三相異步電動機的調速控制3.4

三相異步電動機的制動控制3.5直流電動機的電氣控制3.6單相異步電動機的控制3.7電氣控制系統(tǒng)常用的保護環(huán)節(jié)3.83.1電氣控制線路圖 常用的電氣控制線路圖有電氣原理圖、電氣布置圖與安裝接線圖，下面簡單介紹其中的電氣原理圖。

1．電氣原理圖的用途 電氣原理圖是表示系統(tǒng)、分系統(tǒng)、成套裝置、設備等實際電路以及各電氣元器件中導線的連接關系和工作原理的圖。繪制電氣原理圖時不必考慮其組成項目的實體尺寸、形狀或位置。電氣原理圖為了解電路的作用、編制接線文件、測試、查找故障、安裝和維修提供了必要的信息。

2．電氣原理圖的內容 電氣原理圖應包含代表電路中元器件的圖形符號、元器件或功能件之間的連接關系、參照代號、端子代號、電路尋跡（信號代號、位置索引標記）和了解功能件必需的補充信息。通常主回路或其中一部分采用單線表示法。

3．繪制電氣原理圖的原則 現以圖3-1所示的電動機啟/停控制電氣原理圖為例來闡明繪制電氣原理圖的原則。

圖3-1電動機啟/停控制電氣原理圖

（1）電氣原理圖的繪制標準 電氣原理圖中所有的元器件都應采用國家統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號和文字符號。

（2）電氣原理圖的組成 電氣原理圖由主電路和輔助電路組成。主電路是從電源到電動機的電路，其中有轉換開關、熔斷器、接觸器主觸頭、熱繼電器發(fā)熱元器件與電動機等。

主電路用粗線繪制在電氣原理圖的左側或上方。輔助電路包括控制電路、照明電路、信號電路及保護電路等。

它們由繼電器、接觸器的電磁線圈，繼電器、接觸器的輔助觸頭，控制按鈕，其他控制元器件觸頭、熔斷器、信號燈及控制開關等組成，用細實線繪制在電氣原理圖的右側或下方。

（3）電源線的畫法 電氣原理圖中直流電源用水平線畫出，一般直流電源的正極畫在電氣原理圖的上方，負極畫在電氣原理圖的下方。

三相交流電源線集中水平畫在電氣原理圖的上方，相序自上而下按照L1、L2、L3排列，中性線（N線）和保護接地線（PE線）排在相線之下。

主電路垂直于電源線畫出，控制電路與信號電路垂直于兩條水平電源線之間畫出。

耗電元器件（如接觸器、繼電器的線圈、電磁鐵線圈、照明燈、信號燈等）直接與下方的水平電源線相接，控制觸頭接在上方的水平電源線與耗電元器件之間。

（4）電氣原理圖中電氣元器件的畫法 電氣原理圖中的各電氣元器件均不畫實際的外形圖，只是畫出其帶電部件，同一電氣元器件上的不同帶電部件是按電路中的連接關系畫出的，但必須按國家標準規(guī)定的圖形符號畫出，并且用同一文字符號標明。

對于幾個同類電器，在表示名稱的文字符號之后加上數字序號，以示區(qū)別。

（5）電氣原理圖中電氣觸頭的畫法 電氣原理圖中各元器件觸頭狀態(tài)均按沒有外力作用時或未通電時觸頭的自然狀態(tài)畫出。

對于接觸器、電磁式繼電器按電磁線圈未通電時的觸頭狀態(tài)畫出；對于控制按鈕、行程開關的觸頭按不受外力作用時的狀態(tài)畫出；對于斷路器和開關電器觸頭按斷開狀態(tài)畫出。

當電氣觸頭的圖形符號垂直放置時，以“左開右閉”的原則繪制，即垂線左側的觸頭為常開觸頭，垂線右側的觸頭為常閉觸頭；當符號為水平放置時，以“上閉下開”的原則繪制，即在水平線上方的觸頭為常閉觸頭，水平線下方的觸頭為常開觸頭。

（6）電氣原理圖的布局 電氣原理圖按功能布置，即同一功能的電氣元器件集中在一起，盡可能按動作順序從上到下或從左到右的原則繪制。

（7）線路連接點、交叉點的繪制 在電路圖中，對于需要測試和拆接的外部引線的端子，采用“空心圓”表示；有直接電聯系的導線連接點，用“實心圓”表示；無直接電聯系的導線交叉點不畫黑圓點。在電氣原理圖中要盡量避免線條的交叉。

（8）電氣原理圖的繪制要求 電氣原理圖的繪制要層次分明，各電器元器件及觸頭的安排要合理，既要做到所用元器件、觸頭最少，耗能最少，又要保證電路運行可靠，節(jié)省連接導線及安裝、維修方便。

4．關于電氣原理圖圖面區(qū)域的劃分 為了便于確定電氣原理圖的內容和組成部分在圖中的位置，有利于檢索電氣線路，因此常在各種幅面的圖紙上分區(qū)。每個分區(qū)內豎邊用大寫的拉丁字母編號，橫邊用阿拉伯數字編號。

編號的順序應從與標題欄相對應的圖幅的左上角開始，分區(qū)代號用該區(qū)的拉丁字母或阿拉伯數字表示，有時為了分析方便，也把數字區(qū)放在圖的下面。

5．繼電器、接觸器觸頭位置的索引 在電氣原理圖中，繼電器、接觸器線圈的下方注有其觸頭在圖中位置的索引代號，索引代號用圖面區(qū)域號表示。其中，左欄為常開觸頭所在的圖區(qū)號，右欄為常閉觸頭所在的圖區(qū)號。

6．電氣原理圖中技術數據的標注 在電氣原理圖中各電氣元器件的相關數據和型號常在電器元器件文字符號下方標注。

圖3-1所示中熱繼電器文字符號FR下方標有6.8～11，此數據為該熱繼電器的動作電流值范圍，而8.4為該繼電器的整定電流值。關于布置圖和接線圖，將在第4章通過具體實例講解。3.2繼電接觸器控制電路基本

控制規(guī)律

3.2.1自鎖和互鎖 自鎖和互鎖統(tǒng)稱為電器的聯鎖控制，在電氣控制中應用十分廣泛。

圖3-2所示是電動機的單向連續(xù)運轉控制線路。這是典型的利用接觸器的自鎖實現連續(xù)運轉的電氣控制線路。

圖3-2電動機單向連續(xù)運轉控制線路圖

圖3-3所示是帶互鎖的三相異步電動機的正/反轉控制線路。

圖3-3按鈕聯鎖正/反轉控制線路圖

3.2.2點動和連續(xù)運行控制線路 在生產實踐中，機械設備有時需要長時間運行，有時需要間斷工作，因而控制電路要有連續(xù)工作和點動工作兩種狀態(tài)。

圖3-4電動機點動控制線路圖

3.2.3多地聯鎖控制線路 多地聯鎖控制線路如圖3-5所示。

圖3-5多地啟動和停止控制線路圖

在一些大型生產機械設備上，要求操作人員在不同的方位進行操作與控制，即實現多地控制。多地控制是用多組啟動按鈕、停止按鈕來進行的，這些按鈕連接的原則是，啟動按鈕的常開觸頭要并聯，即邏輯或的關系；停止按鈕的常閉觸頭要串聯，即邏輯與的關系。

3.2.4自動循環(huán)控制線路 在生產中，某些設備的工作臺需要進行自動往復運行（如平面磨床），而自動往復運行通常是利用行程開關來控制自動往復運動的行程，并由此來控制電動機的正/反轉或電磁閥的通、斷電，從而實現生產機械的自動往復運動。

圖3-6自動往復循環(huán)控制線路圖

3.2.5其他控制線路

1．既能點動又能連續(xù)運行的控制 圖3-7所示的電路既能實現點動又能實現連續(xù)運行的控制。

圖3-7既能點動又能連續(xù)運行的控制電路圖

2．3個接觸器組成的正/反轉電路 圖3-8所示的電路能實現連續(xù)正/反轉運行控制。這個電路由于采用了四斷點電路，能有效熄滅電弧，防止電弧短路。這個電路是“正-反”電路，與“正-停-反”電路是有區(qū)別的。

圖3-83個接觸器組成的正/反轉電路圖3.3三相異步電動機的啟動

控制電路 通常三相異步電動機的啟動有直接啟動（全壓啟動）和減壓啟動兩種方式。

3.3.1直接啟動 所謂直接啟動，就是將電動機的定子繞組通過電源開關或接觸器直接接入電源，在額定電壓下進行啟動，也稱為全壓啟動。

直接啟動因為無需附加啟動設備，并且操作控制簡單、可靠，所以在條件允許的情況下應盡量采用，考慮到目前在大中型廠礦企業(yè)中，變壓器功率已足夠大。因此絕大多數中、小型籠式異步電動機都采用直接啟動。

由于籠式異步電動機的全壓啟動電流很大，空載啟動時的啟動電流為額定電流的4～8倍，帶載啟動時的電流會更大。

特別是大型電動機，若采用全壓啟動時，會引起電網電壓的降低，使電動機的轉矩降低，甚至啟動困難，而且還會影響其他電網中設備的正常工作，所以大型籠式異步電動機不允許采用全壓啟動。

一般而言，電動機啟動時，供電母線上的電壓降落不得超過10%～15%，電動機的最大功率不得超過變壓器的20%～30%。

3.3.2串電阻或電抗減壓啟動

1．串電阻或電抗減壓啟動的原理 異步電動機采用定子電阻或電抗的減壓啟動原理，如圖3-9所示。

圖3-9定子串電阻或電抗的減壓啟動線路圖

定子串電阻或電抗的減壓啟動方法有如下缺點。

①定子串電阻或電抗勢必減小定子繞組的電壓，由于啟動轉矩與定子繞組的電壓的平方成正比，定子串電阻或電抗將在很大程度上減少啟動轉矩，故它只適用于空載或輕載啟動的場合。

②不經濟，在啟動過程中，電阻上消耗的能量大，不適用于經常啟動的電動機，若采用電抗代替電阻，則所需設備費較高，且體積大。

3.3.3星形-三角形減壓啟動 所謂三角形連接（△）就是繞組首尾相連，如圖3-10所示，當接觸器KM2的主觸頭閉合和KM3的主觸頭斷開時，電動機的三相繞組首尾相連組成三角形連接。

圖3-10星形-三角形減壓啟動的線路圖

所謂星形連接（Y）就是繞組只有一個公共連接點，當KM3的主觸頭閉合和KM2的主觸頭斷開時，三相繞組只有一個公共連接點，即KM3的主觸頭處。

1．星形-三角形減壓啟動的原理 星形連接用“Y”表示，三角形連接用“△”表示，星形-三角形連接用“Y-△”表示，同一臺電動機以星形連接啟動時，啟動電壓只有三角形連接的1/，啟動電流只有三角形連接啟動時電流的1/3，因此Y-△啟動能有效地減少啟動電流。

2．星形-三角形減壓啟動的線路圖 圖3-10所示是星形-三角形減壓啟動的線路圖

這種啟動方法的優(yōu)點是設備簡單、經濟，啟動電流小；其缺點是啟動轉矩小，且啟動電壓不能按實際需要調節(jié)，故只適用于空載或輕載啟動的場合，并且只適用于正常運行時定子繞組按三角形連接的異步電動機。

3.3.4自耦變壓器減壓啟動 自耦變壓器減壓啟動的原理如圖3-11所示。

圖3-11自耦變壓器減壓啟動線路圖3.4三相異步電動機的調速控制 三相異步電動機的調速公式為

（3-1）

其中，S為轉差率，n0為理想轉速，為轉子電流頻率，為極對數。通過以上公式就可以得出相應的如下3種調速方法。

3.4.1改變轉差率的調速 改變轉差率的調速方法又分為調壓調速、串電阻調速、串極調速（不是串激電動機調速）和電磁離合器調速4種，下面僅介紹前兩種調速方法。

①調壓調速方法能夠實現無級調速，但當降低電壓時，轉矩也按電壓的平方比例減小，所以調速范圍不大。在定子電路中，串電阻（或電抗）和用晶閘管調壓調速都是屬于這種調速方法。

②串電阻調速方法只適用于繞線式異步電動機，其啟動電阻可兼做調速電阻用，不過此時要考慮穩(wěn)定運行時的發(fā)熱，應適當增大電阻的容量。

轉子電路中串電阻調速簡單可靠，但它是有級調速，隨著轉速的降低，特性逐漸變軟。轉子電路電阻損耗與轉差率成正比，低速時損耗大。所以，這種調速方法大多用在重復短期運轉的生產機械中，如在起重運輸設備中應用非常廣泛。

3.4.2改變極對數的調速

三相異步電動機的轉速為

（3-2）

由上式可知，改變極對數即可改變電動機的轉速。多速電動機啟動時最好先接成低速，然后再換接為高速，這樣可獲得較大的啟動轉矩。多速電動機雖然體積稍大，價格稍高，只能有級調速。

3.4.3變頻調速 異步電動機的轉速正比于定子電源的頻率，若連續(xù)地調節(jié)定子電源頻率，即可實現連續(xù)地改變電動機的轉速。

1．變頻器及其工作原理（1）交－直－交變頻調速的原理 下面以圖3-12說明交－直－交變頻調速的原理，交－直－交變頻調速就是變頻器先將工頻交流電整流成直流電，逆變器在微控制器（如DSP）的控制下，將直流電逆變成不同頻率的交流電。目前市面上的變頻器多是這種原理工作的。

圖3-12變頻器原理圖

【例3-1】如圖3-13所示，若將輸入端L1和L2的電源線對調，三相交流電動機M1的轉向是否會改變？

圖3-13變頻器控制電動機正/反轉、調速和制動控制線路圖

【解】不會。因為將輸入端L1和L2的電源線對調，雖然改變了輸入端電源的相序，但是輸出端電壓的相序并沒有改變，因為輸入端不同相序的電源經過整流后都得到相同的直流電，不會影響輸出端的相序，其原理圖參考圖3-12。

2．變頻器的控制（1）電動機的正/反轉 圖3-13中電動機的正/反轉的控制過程是：當合上按鈕SB1時，接觸器KM1帶電自鎖，為電動機M1的運行作準備。

當按鈕SB4合上時，KA1繼電器帶電自鎖，電動機正轉。當SB3按鈕合上時，先使繼電器KA1的線圈斷電，接著KA2繼電器帶電自鎖，電動機反轉。一般電動機的啟停不是通過通、斷接觸器KM1實現的。

（2）調速 通常變頻器有多種調速方式，下面介紹其中的4種。 ①調節(jié)控制電壓（電流）調速。

【例3-2】在圖3-13的變頻器中，AIN+和AIN?接線端子上有10V的電壓，電動機的額定轉速是1

440r/min，則當電動機的轉速是720r/min時，AIN+和AIN?端子上的控制電壓應該是多少？

【解】首先在變頻器中將模擬量的信號范圍設定為0～10V，再將頻率范圍設置為0～50Hz。可以求得AIN+和AIN?端子上的控制電壓為

所以AIN+和AIN?端子上的控制電壓為5V。 ②鍵盤調速。

③通信調速。通常變頻器可以與其他智能設備（如PLC或計算機）進行通信，具有通信功能的變頻器一般帶有通信接口，如RS-232C、RS-485、現場總線（如PROFIBUS）等接口。 ④多段調速。

（3）制動 使用變頻器時，電動機的制動比較簡單，如圖3-13中，只要在B+和B?端子上連接一個制動電阻即可，當按下SB2按鈕時，系統(tǒng)斷電，制動開始（制動電阻通常作為附件在變頻器供應商處購買）。

3．變頻器的選用 下面舉例說明如何選用變頻器。

圖3-14變頻器控制電動機多段調速線路圖

4．變頻器的其他問題 ①過載保護

②電磁干擾的防護。 變頻器及控制柜內所有的設備都要用粗而短的導線與接地端子排可靠接地。

與變頻器相連的控制設備（如PLC）也應該可靠接地，而且要與變頻器連接到同一個接地網中。

電氣柜中布線時應該強、弱電分開；在強、弱電必須交叉時，兩者之間最好以90°直角交叉。

因為變頻器輸出的三相交流電不是標準的正弦波，有高次諧波，在工作時會對周圍的電子設備產生干擾；防止變頻器被干擾以及防止變頻器干擾其他的設備，可以配備不同型號的濾波器和電抗器，這些附件可以在購買變頻器時一并采購。

③電源及電動機接線的壓著端子應使用帶有絕緣套管的端子。 ④電源一定不能接到變頻器輸出端上（U、V、W），否則會損壞變頻器。

⑤接線后，零碎線頭必須清除干凈。零碎線頭可能造成異常、失靈和故障，必須始終保持變頻器清潔。在控制臺上打孔時，注意不要使碎片粉末等進入變頻器中。

⑥運行一次后想改變接線時，應該切斷電源后過10min以上，用測試工具測試電壓后再進行接線工作。因為斷電后一段時間內電容上仍然有危險的高壓電。

⑦變頻器輸出端的短路或接地會引起變頻器模塊的損壞。 ⑧不可使用變頻器輸入側的電磁接觸器啟動，停止變頻器。

⑨變頻器的輸入輸出信號回路上不可接上許可容量以上的電壓。3.5三相異步電動機的制動控制 三相異步電動機的制動方法有機械制動和電氣制動。其中，電氣制動又有3種制動方式：反接制動、能耗制動和再生發(fā)電制動。

3.5.1機械制動 機械制動就是利用機械裝置使電動機在斷電后迅速停轉的一種方法，較常用的就是電磁抱閘。 圖3-15所示是機械制動線路圖。

圖3-15機械制動線路圖

3.5.2反接制動

1．電源反接（1）電源反接制動的原理 如果正常運行時異步電動機三相電源的相序突然改變，即電源反接，這就改變了旋轉磁場的方向，產生一個反向的電磁轉矩使電動機迅速停止

（2）單向反接制動線路圖

圖3-16單向反接制動線路圖

由于反接制動時電流很大，因此鼠籠式電動機常在定子電路中串接電阻；線繞式電動機則在轉子電路中串接電阻。

3.5.3自勵發(fā)電-短接制動 自勵發(fā)電-短接制動線路如圖3-17所示。

圖3-17自勵發(fā)電-短接制動線路圖

自勵發(fā)電-短接制動采用一相自勵發(fā)電制動、兩相短接制動，既發(fā)揮了自勵發(fā)電制動效果好的優(yōu)點，又發(fā)揮了短接制動線路簡單的優(yōu)點。

3.5.4電容-電磁制動 電容-電磁制動線路如圖3-18所示。

圖3-18電容-電磁制動線路圖

3.5.5能耗制動

1．能耗制動的原理 當電動機脫離三相交流電源后，向定子繞組內通入直流電，建立靜止磁場，轉子以慣性旋轉，轉子的導體切割定子磁場的磁力線，產生轉子感應電動勢和感應電流。轉子的感應電流和靜止磁場的作用產生制動電磁轉矩，達到制動的目的。

2．能耗制動的分類 根據電源的整流方式，能耗制動分為半波整流能耗制動和全波整流能耗制動；根據能耗制動的時間原則，有的能耗控制回路使用時間繼電器，有的則用速度繼電器。

3．速度繼電器控制單向全波整流能耗制動線路 圖3-19所示是速度繼電器控制單向全波整流能耗制動線路。

圖3-19速度繼電器控制單向全波整流能耗制動線路圖

接觸器KM2線圈得電吸合，KM2主觸頭閉合，整流器向電動機的定子繞組提供直流電，建立靜止磁場，電動機進行全波能耗制動。

電動機的速度急劇下降，當電動機的速度低于100r/min時，速度繼電器的常開觸頭斷開，KM2線圈斷電，切斷能耗制動的電源。

4．能耗制動的優(yōu)缺點 能耗制動電源的優(yōu)點是制動準確，能耗的制動平穩(wěn)；其缺點是需要加裝附加電源，制動力矩小，低速時制動力矩更小。

5．能耗制動電源的電壓和電流的計算 直流電流公式：（3-3）

直流電壓公式：（3-4）

式中，為直流電流，為電動機空載電流，為電動機的額定電流，為直流電壓。

【例3-5】有一臺籠型電動機，功率為13kW，額定電壓為380V，額定電流=25A，=9.7A，定子繞組的電阻為0.63，定子繞組為Y接線，這臺電動機采用全波能耗制動時所需的直流電壓、直流電流以及變壓器的二次側電流、二次側電壓和功率是多少？

【解】直流電流為

直流電壓為

變壓器的二次側電流為

變壓器的二次側電壓為

變壓器的功率為3.6直流電動機的電氣控制

3.6.1直流電動機電樞串電阻單向啟動控制

（1）直流電動機電樞串電阻啟動的原因和原理 直流電動機直接啟動時的電流很大，通常達到額定電流的10～20倍，產生很大的啟動轉矩，這本來對于電動機的啟動是有利的，但過大的轉矩容易損壞電動機的電樞繞組和換向器，因此，啟動時在電樞中串入電阻可以減小啟動電流。

另外，他勵直流電動機在弱磁或者零磁時，會產生“飛車”現象，因此電樞在通電以前，先在勵磁回路中接入勵磁電壓，同時還要進行串電阻保護。所以直流電動機的啟動控制是基于串電阻和弱磁保護設計的。

（2）直流電動機電樞串電阻單向啟動控制過程 直流電動機電樞串電阻啟動的方法比較多，有速度原則啟動、電流原則啟動和時間原則啟動，下面將分別介紹。

①速度原則啟動 圖3-20所示為直流電動機電樞串電阻單向啟動線路圖。

圖3-20直流電動機電樞串電阻單向啟動線路圖（速度原則）

當勵磁電路停電時，線圈中產生感應電動勢，繞組MD、電阻R4和二極管VD組成釋放回路，起保護作用，VD又叫做續(xù)流二極管。

②電流原則啟動

圖3-21直流電動機電樞串電阻單向啟動線路圖（電流原則）

③時間原則啟動 時間原則的直流電動機電樞串電阻單向啟動線路如圖3-22所示。

圖3-22直流電動機電樞串電阻單向啟動線路圖（時間原則）

3.6.2直流電動機的可逆運行控制

1．直流電動機的換向原理 只要改變直流電動機電樞或者勵磁繞組的極性，就可以改變直流電動機的旋轉方向。

2．直流電動機的可逆運行控制過程

圖3-23直流電動機的可逆運行線路圖

3.6.3直流電動機的單向運轉能耗制動控制（1）直流電動機的單向運轉能耗制動原理 切斷直流電動機的電源后，直流電動機變成直流發(fā)電機，動能變成電能，而能耗制動就是將這些電能迅速消耗在電阻上，從而達到制動的目的。

（2）直流電動機的單向運轉能耗制動過程

圖3-24直流電動機的單向運轉能耗制動線路圖

3.6.4直流電動機的調速 直流電動機的調速公式如下：

（3-5）

直流電動機有3種調速方式，其中，保持和不變，改變電樞端電壓進行調速的方法稱為“調壓調速”；改變電樞回路電阻進行調速的方法稱為“變電阻調速”。

保持和不變，改變勵磁回路的磁通進行調速的方法稱為“弱磁調速”，由于電動機設計時，磁通通常設計到最大，因此調速時只能向減弱的方向調節(jié)磁通，因此將這種方法稱為“弱磁調速”。3.7單相異步電動機的控制

3.7.1單相異步電動機的啟動 圖3-25單相異步電動機的電容啟動原理圖

圖3-25單相異步電動機的電容啟動原理圖

（1）單相異步電動機的啟動方法分類 單相異步電動機的啟動方法分為單相分相啟動、單相電容啟動、單相電容啟動運轉3種方法。下面詳細介紹單相電容啟動。

（2）單相電容啟動 單相分相啟動與單相電容啟動相比，只是沒有電容，其余相同，其特點是啟動轉矩中等，適用于風機和醫(yī)療器械。 單相電容啟動運轉與單相電容啟動相比，只是沒有離心開關，其余相同。

3.7.2單