最新常用低压电器与可编程序控制器第3章PPT课件.ppt

常用低压电器与可编程序控常用低压电器与可编程序控制器第制器第3 3章章第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.1 基本控制环节基本控制环节 3.1.1 启动、自锁和点动控制启动、自锁和点动控制 三相异步电动机的启动控制有直接启动、降压启动和软启动等方式。直接启动又称为全压启动，即启动时电源电压全部施加在电动机定子绕组上。降压启动即启动时将电源电压降低一定的数值后再施加到电动机定子绕组上，待电动机的转速接近同步转速后，再使电动机在电源电压下运行。软启动就是使施加到电动机定子绕组上的电压从零开始按预设的函数关系逐渐上升，直至启动过程结束，再使电动机在全电压下运行。图3-1为三相异步电动机全压启动及点动控制线路。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 例如，机械加工车床主轴转动时，需要油泵先启动，给齿轮箱供油润滑。为保证润滑泵电动机启动后主拖动电动机才启动，对控制线路提出了按顺序工作的联锁要求。在图3-5(a)中，是将油泵电动机接触器KM1的常开触头串入主拖动电动机接触器KM2的线圈电路中实现的，只有当KM1先启动，KM2才能启动。在图3-5(b)所示的接法中，可以省去KM1的常开触头，使线路得到简化。类似的工艺过程在许多其他生产设备上同样存在，因此这是一个典型的联锁控制线路。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-5 三相异步电动机联锁控制线路(a)联锁控制线路一；(b)联锁控制线路二 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.1.4 多地点控制多地点控制 图3-6 三地点控制线路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.2 三相异步电动机的启动控制三相异步电动机的启动控制 3.2.1 星星三角形三角形(Y-D)降压启动控制线路降压启动控制线路 Y-D形的降压启动时，将电动机定子绕组连结成星形(Y)，这时加在电动机每相绕组上的电压为电源电压额定值的，因而其启动转矩为三角形(D)连接直接启动转矩的1/3，启动电流降为D形连接直接启动电流的1/3，减小了启动电流对电网的影响。待电动机启动后，按预先设定的时间将定子绕组转换成D形接法，使电动机在额定电压下正常运转。额定功率在4 kW以上的三相异步电动机正常运行时的定子绕组均为D形接法，故都可以采用Y-D形降压启动方式。在Y-D形的降压启动控制线路的主电路中，电动机定子三相绕组6个线头均引出，由两个接触器分别进行控制。Y-D转换控制电路可视电动机容量大小、应用场合等的不同采用不同的接线方式，见图3-7。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-7 Y-D形降压启动控制电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.2.2 自耦变压器降压启动控制线路自耦变压器降压启动控制线路 顾名思义，自耦变压器降压启动控制线路是先通过自耦变压器降压，再启动电动机的降压启动方法。自耦变压器通常有两个不同的抽头(60%UN、80%UN)，利用不同抽头的电压比可得到不同的启动电压和启动转矩，工程人员可根据需要选择。电动机启动时，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压。一旦启动完毕，自耦变压器便被短接，额定电压(即自耦变压器的一次电压)直接加于定子绕组，电动机进入全电压正常工作状态。自耦变压器降压启动方法适用于启动较大容量的电动机，启动转矩可以通过改变抽头的连接位置得到改变。自耦变压器价格较贵，而且不允许频繁启动。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-8 由两接触器控制的自耦减压启动控制电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 电路工作情况：合上电源开关QS，HL1灯亮，表明电源电压正常。按下启动按钮SB2，KM1、KT线圈同时通电并自保；将自耦变压器T1接入，电动机定子绕组经自耦变压器供电作减压启动，同时指示灯HL1灭，HL2亮，显示电动机正作减压启动。当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT动作，其延时闭合触点KT闭合，使KA线圈通电并自保；常闭触点断开，使KM1线圈断电释放，HL2断电熄灭；KM2线圈通电吸合，将自耦变压器切除，电动机在额定电压下正常运转，同时HL3指示灯亮，表明电动机进入正常运转。由于流过自耦变压器公共部分的电流为一、二次电流之差，因此允许辅助触点KM2接入。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.2.3 三相绕线转子异步电动机的启动控制三相绕线转子异步电动机的启动控制 1转子回路串接电阻启动控制线路 三相绕线转子异步电动机的优点之一是转子回路可以通过滑环的外串电阻来达到减小启动电流，提高转子电路功率因数和启动转矩的目的。一般在要求启动转矩较高的场合，如起重机械、卷扬机等，广泛应用绕线转子异步电动机。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 在三相绕线转子异步电动机的三相转子回路中，分别串接启动电阻或电抗器，再加电源及自动控制电路，就构成了三相绕线转子异步电动机的启动控制线路。图3-9是转子回路中串接电阻的启动控制线路。通过设定欠电流继电器的释放值进行控制，并利用电动机转子电流大小的变化来控制电阻切除。在启动前，启动电阻全部被接入电路，在启动过程中，启动电阻逐段地被短接。电阻的短接是采用三只欠电流继电器KA1、KA2、KA3和三只接触器KM2、KM3、KM4的相互配合来完成的。正常运行时，线路中只有KM1、KM4长期通电，KA1、KA2、KA3的线圈被KM4短接，KM2、KM3的线圈分别被KM3、KM4的常闭触头断开。这样一方面减少了耗电，更重要的是能延长它们的使用寿命。欠电流继电器KA1、KA2、KA3线圈串接在电动机转子电路中。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 这三个继电器的吸合电流相同，但释放电流不同。其中KA1的释放电流最大，KA2次之，KA3最小。电动机刚启动时，启动电流很大，KA1、KA2、KA3都吸合，它们的常闭触头断开，接触器KM2、KM3、KM4不动作，全部电阻被接入电动机的转子电路中。当电动机转速升高后电流减小，KA1首先释放，它的常闭触头闭合，使接触器KM2线圈通电，短接第一段转子电阻R1。这时电动机转子电流增加，随着转速的升高，电流逐渐下降，使KA2释放，接触器KM3线圈通电，短接第二段启动电阻R2，同时利用其辅助触头将KM2线圈断电退出运行。这时电动机转子电流又增加，随着转速的继续升高，电流进一步下降，使KA3释放，接触器KM4线圈通电，将转子全部电阻短接，同时利用其辅助触头将KM3线圈断电退出运行，电动机启动完毕。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-9 转子回路中串接电阻的启动控制线路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 启动电阻的分段数量是根据不同要求确定的，可以是n段。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。所谓三相电阻不平衡短接，是指每相的启动电阻轮流被短接；而三相电阻平衡短接是指三相的启动电阻同时被短接。但无论是采用不平衡接法还是平衡短接法，其作用基本相同。通常采用凸轮控制器或接触器短接。采用凸轮控制器时，由于凸轮控制器中各对触头闭合顺序一般按不平衡短接法设计(这样使得控制电路简单)，因此通常采用不平衡短接法。而应用接触器来短接时，全部采用平衡短接法。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2转子回路串频敏变阻器启动控制线路转子回路串频敏变阻器启动控制线路 由图3-9所示的控制线路可见，在绕线转子异步电动机启动过程中逐段减小电阻时，电流及转矩是呈跃变状态变化的，电流及转矩会突然增大产生一定的机械冲击。同时，当分段级数较多时，控制线路复杂，工作可靠性降低，而且电阻本身比较笨重，控制箱体积及能耗很大，因此，我国在20世纪60年代研制出了频敏变阻器来替代启动电阻。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形硅钢片叠成，具有铁心、线圈两个部分，制成开起式，并采用星形接线。将其串接在绕线式异步电动机转子回路中，相当于使其转子绕组接入了一个铁损较大的电抗器。这时的转子等效电路如图3-10所示。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-10 频敏变阻器等效电路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 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，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。RI、L值与转子电流频率相关。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s1，转子电流的频率f2与电源频率f1的关系为f2sf1。所以，刚启动时f2f1，频敏变阻器的电感和电阻均为最大，转子电流受到抑制。随着电动机转速的升高，s减小，f2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变阻器启动时，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。当电动机运行正常时，f2很低(为f1的5%10%)，由于其阻抗与f2的平方成正比，因此其阻抗变得很小。由此可见，在启动过程中，转子等效阻抗及转子回路感应电动势都是由大到小的，这就实现了近似恒转矩的启动特性。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了广泛的应用。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-11是一种采用频敏变阻器的启动控制线路。该线路可以实现自动和手动控制。自动控制时将开关SA扳向“自动”，当按下启动按钮SB2时，利用时间继电器KT，控制中间继电器KA和接触器KM2的动作，在适当的时间将频敏变阻器短接。开关SA扳到“手动”位置时，时间继电器KT不起作用，可利用按钮SB3手动控制中间继电器KA和接触器KM2的动作。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-11 频敏变阻器启动控制线路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.2.4 固态降压启动器固态降压启动器 1.固态降压启动器的工作原理固态降压启动器的工作原理 固态降压启动器由电动机的启、停控制装置和软启动控制器组成，其核心部件是软启动控制器，它由功率半导体器件和其他电子元器件组成。软启动控制器是利用电力电子技术与自动控制技术(包括计算机技术)，将强电和弱电结合起来的控制技术。其主要结构是一组串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，利用晶闸管移相控制原理，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化，从而实现不同的启动功能。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 启动时，使晶闸管的导通角从零开始，逐渐前移，电动机的端电压从零开始，按预设函数关系逐渐上升，直至达到满足启动转矩而使电动机顺利启动，再使电动机全电压运行，这就是软启动控制器的工作原理。图3-12为软启动控制器的主电路原理图。软启动控制器特别适用于各种泵类负载或风机类负载。原则上，凡不需要调速的各种应用场合，鼠笼型异步电动机都可使用软启动控制器。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-12 软启动控制器的主电路原理图 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2软启动控制器的工作特性软启动控制器的工作特性 1)斜坡恒流升压启动斜坡恒流升压启动 图3-13 斜坡恒流升压启动曲线 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2)脉冲阶跃启动 图3-14 脉冲阶跃启动特性曲线 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3)减速软停控制减速软停控制 当电动机需要停机时，并不立即切断电动机的电源，而是通过调节晶闸管的导通角，从全导通状态逐渐减小，从而使电动机的端电压逐渐降低而切断电源。这一过程时间较长，称为软停控制。停车的时间根据实际需要可在0120 s范围内调整。减速软停控制曲线如图3-14所示。传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的，但有许多应用场合，不允许电动机瞬间关机。例如，高层建筑、楼宇的水泵系统，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤”效应，使管道甚至水泵遭到损坏。为减少和防止“水锤”效应，需要电动机逐渐停机，采用软启动控制器能满足这一要求。在泵站中，应用软停车技术可避免泵站设备损坏，减少维修费用和维修工作量。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 4)节能特性节能特性 软启动控制器可以根据电动机功率因数的高低，自动判断电动机的负载率。当电动机处于空载或负载率很低时，可通过相位控制使晶闸管的导通角发生变化，从而改变输入电动机的功率，以达到节能的目的。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 5)制动特性制动特性 当电动机需要快速停机时，软启动控制器具有能耗制动功能。能耗制动功能即当接到制动命令后，软启动控制器改变晶闸管的触发方式，使交流转变为直流；在关闭主电路后，立即将直流电压加到电动机定子绕组上，利用转子感应电流与静止磁场的作用达到制动的目的。从节约资金出发，有时可采用一台软启动器控制多台电动机进行软启动。图3-15是用一台软启动器控制两台电动机的启动、停机电路。但需注意的是，两台电动机不能同时启动或停机，只能单台分别启动或停机。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-15 用一台软启动器控制两台电动机 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3软启动控制器和变频器软启动控制器和变频器 软启动控制器和变频器是目前在电动机控制中经常使用的两种不同用途的产品。变频器用于需要调速的地方(变频器见3.4.2节)，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软启动器实际上是个调压器，主要用于电动机启动，其输出只改变电压而不改变频率。变频器具备软启动器的所有功能，但它的价格比软启动器贵得多，结构也复杂得多。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.3 三相异步电动机的制动控制三相异步电动机的制动控制 3.3.1 反接制动控制电路反接制动控制电路 三相异步电动机反接制动有两种情况：一种是在负载转矩作用下使正转接线的电动机出现反转的倒拉反接制动，它往往应用在重力负载的场合，如桥式起重机的电气控制，这一制动不能实现电动机转速为零；另一种是电源反接制动，即改变电动机电源相序，使电动机定子绕组产生的旋转磁场与转子旋转方向相反，产生制动，使电动机转速迅速下降。当电动机转速接近零时应迅速切断三相电源，否则电动机将反向启动。另外，反接制动时，转子与定子旋转磁场的相对速度接近于2倍的同步转速，以致反接制动电流相当于电动机全压启动时启动电流的2倍。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 为防止绕组过热和减小制动冲击，一般应在电动机定子电路中串入反接制动电阻。反接制动电阻的接法有对称接法与不对称接法两种。采用对称电阻接法时在限制制动转矩的同时也限制了制动电流；而采用不对称制动电阻的接法则只限制了制动转矩，未加制动电阻的那一相仍具有较大的电流。在反接制动过程中，由电网供给的电磁功率和拖动系统的机械功率全都转变为电动机的热损耗，这也限制了异步电动机每小时反接制动的次数。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-16 三相异步电动机单向反接制动控制线路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 启动时，按下启动按钮SB2，接触器KM1通电并自锁，电动机M通电旋转。在电动机正常运转时，速度继电器BV的常开触头闭合，为反接制动作好了准备。停车时，按下停止按钮SB1，接触器KM1线圈断电，电动机M脱离电源。由于此时电动机的惯性很高，速度继电器BV的常开触头依然处于闭合状态，因此SB1常开触头闭合时，反接制动接触器KM2线圈通电并自锁。其主触头闭合，使电动机定子绕组通过反接制动电阻R得到与正常运转相序相反的三相交流电源，电动机进入反接制动状态，使电动机转速迅速下降。当电动机转速接近于零时，速度继电器常开触头复位，接触器KM2线圈电路被切断，反接制动结束。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-17 具有反接制动电阻的正反向反接制动控制线路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-17中电阻R是反接制动电阻，同时也具有限制启动电流的作用。该线路工作原理如下：合上电源开关，按下正转启动按钮SB2，中间继电器KA3线圈通电并自锁，其常闭触头保证互锁中间继电器KA4线圈不被接通；KA3的另一个常开触头闭合，使接触器KM1线圈通电；KM1的主触头闭合，使定子绕组经电阻R接通正序三相电源，电动机开始降压启动。此时虽然中间继电器KA1线圈电路中KM1的常开辅助触头已闭合，但是KA1线仍无法通电，因为速度继电器BV的正转常开触头BV1尚未闭合。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 当电动机转速上升到一定值时，BV的正转常开触头闭合，中间继电器KA1通电并自锁。这时由于KA1、KA3等中间继电器的常开触头均处于闭合状态，接触器KM3线圈通电，于是电阻R被短接，定子绕组直接加以额定电压，电动机转速上升到稳定的工作转速。在电动机正常运行的过程中，若是按下停止按钮SB1，则KA3、KM1、KM3三只线圈相继断电。由于此时电动机转子的惯性转速仍然很高，速度继电器的正转常开触头尚未复原，中间继电器KA1仍处于工作状态，因此接触器KM1的常闭触头复位后，接触器KM2线圈通电，其常开主触头闭合，使定子绕组经电阻R获得反相序的三相交流电源，对电动机进行反接制动。转子速度迅速下降，当其转速小于100 r/min时，BV的正转常开触头恢复断开状态，KA1线圈断电，接触器KM2被释放，反接制动过程结束。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.3.2 能耗制动控制电路能耗制动控制电路 图3-18 用速度继电器控制的单向能耗制动控制线路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 在电动机正常运行时，速度继电器BV的常开接点将闭合。若按下停止按钮SB1，则接触器KM1被释放，电动机脱离三相交流电源。由于电动机转子的惯性很高，因此速度继电器BV的常开触头仍然处于闭合状态。同时，接触器KM2线圈通电，直流电源经接触器KM2的主触头而加入定子绕组。控制电路中KM2的常开接点保持自锁，使电动机进入能耗制动状态。当其转子的转速小于100 r/min时，速度继电器BV的常开触头断开接触器KM2线圈电路，电动机能耗制动结束。能耗制动比反接制动消耗的能量少，其制动电流也比反接制动电流小。但能耗制动的制动效果不如反接制动明显，同时需要一个直流电源，控制线路相对比较复杂。通常能耗制动适用于电动机容量较大和启动、制动频繁的场合。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.4 三相异步电动机的转速控制三相异步电动机的转速控制 根据三相异步电动机的转速公式：得出三相异步电动机的调速可使用改变电动机定子绕组的磁极对数，改变电源频率或改变转差率的方式。改变转差率调速又可分为绕线转子电动机在转子电路中串接电阻调速、绕线转子电动机串级调速、异步电动机交流调压调速等。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.4.1 三相笼型电动机的变极调速三相笼型电动机的变极调速 三相笼型电动机采用改变磁极对数调速。当改变定子极数时，转子极数也同时改变。笼型转子本身没有固定的极数，它的极数随定子极数而定。电动机变极调速的优点是，它既适用于恒功率负载，又适用于恒转矩负载，线路简单，维修方便；缺点是有级调速且价格昂贵。改变定子绕组极对数的方法有：(1)装一套定子绕组，改变它的连接方式，得到不同的极对数。(2)定子槽里装两套极对数不一样的独立绕组。(3)定子槽里装两套极对数不一样的独立绕组，而每套绕组本身又可以改变它的连接方式，得到不同的极对数。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-19 4/2极双速异步电动机定子绕组接线图(a)三角形连接；(b)双星形连接 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 双速电动机用交流接触器连接出线端，以改变电动机转速的控制线路，如图3-20所示。电动机以三角形启动，然后自动地将转速加快到双星形运转。当按下SB2时，时间继电器KT通电，KT的瞬时闭合常开触头立即闭合，使接触器KM1通电，将电动机定子绕组接成三角形启动，并通过中间继电器KA使时间继电器KT断电。经过一定时间后，KT的常开触头断开，接触器KM1断电，而使接触器KM2通电，电动机自动地从三角形变成双星形运转，完成了自动加速的过程。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-20 双速电动机控制线路 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.4.2 异步电动机的变频调速异步电动机的变频调速 1变频调速的基本原理变频调速的基本原理 改变异步电动机的供电频率，即可平滑地调节同步转速，实现调速运行。变频调速是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的。在交流异步电动机的各种调速方法中，变频调速具有调速范围大，稳定性好，运行效率高的特点，已逐步得到推广及应用。通用变频器可以应用于普通的异步电动机调速控制。除此之外，还有高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器等。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 由电动机理论可知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为 (3-1)如果不计定子阻抗压降，则 (3-2)由式(3-2)可见，若端电压U1不变，则随着的升高，气隙磁通将减小。又由转矩公式：(3-3)第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 可以看出，的减小势必会导致电动机允许输出转矩的下降，降低电动机的出力。同时，电动机的最大转矩也将降低，严重时会使电动机堵转。若维持端电压不变而减小，则气隙磁通将增加。这就会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此在许多场合，要求在调频的同时改变定子电压，以维持接近不变。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 1)基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频(电动机额定频率)向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通不变。这就要求在降低供电频率的同时降低感应电动势，保持=常数，即保持电动势与频率之比为常数。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式，但是难于直接检测和直接控制。当和的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可以近似地保持定子电压和频率的比值为常数，即认为，保持=常数。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，和都变小，定子漏阻抗压降不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2)基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况。当频率由额定值向上增大时，电压由于受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变。这样必然会使主磁通随着的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，即近似的恒功率调速方式。上述两种情况综合起来，异步电动机变频调速时的控制特性如图3-21所示。异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子的电压和频率。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-21 异步电动机变频调速时的控制特性 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 根据和的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。保持为常数的恒磁通控制方式适用于调速范围较大的恒转矩性质的负载，例如升降机械、搅拌机、传送带等；保持为常数的恒功率控制方式适用于负载随转速的增高而变小的地方，例如主轴传动、卷绕机等。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2变频器的基本结构变频器的基本结构 图3-22 变频器的基本结构 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 通用变频器主要包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路。1)整流器 电网侧的变流器是整流器，有可控整流桥和不可控整流桥两种。通用变频器大多采用不可控整流桥，它的作用是把三相交流整流成直流。2)逆变器 负载侧的变流器为逆变器。最常见的结构形式是利用六个开关器件组成的三相桥式逆变电路。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3)中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不为1，因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲，所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。通用变频器的中间直流储能环节采用电容器方式。4)控制电路 控制电路由运算电路，信号检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和保护电路等构成。其主要作用是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，接受控制指令及完成各种保护功能等。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.5 常用机床电气控制常用机床电气控制 3.5.1 车床的电气控制车床的电气控制 1.车床结构车床结构 卧式车床主要由床身、主轴变速箱、尾座进给箱、丝杠、光杠、刀架和溜板箱等组成。车削加工的主运动是主轴通过卡盘或顶尖带动工件的旋转运动，它承受车削加工时的主要切削功率；进给运动是溜板带动刀架的纵向或横向直线运动；车床的辅助运动包括刀架的快速进给与快速退回、尾座的移动与工件的夹紧及松开等。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 车削加工时，应根据工件材料、刀具种类、工件尺寸、工艺要求等来选择不同的切削速度，这就要求主轴能在相当大的范围内调速。目前大多数中、小型车床采用三相笼型感应电动机拖动，主轴的变速是靠齿轮箱的机械有级调速来实现的。车削加工时，一般不要求反转，但在加工螺纹时，为避免乱扣，要反转退刀；同时，加工螺纹时，要求工件旋转速度与刀具的移动速度之间有严格的比例关系。为此，车床溜板箱与主轴箱之间通过齿轮传动来连接，而主运动与进给运动由一台电动机拖动。为了提高工作效率，有的车床刀架的快速移动由一台单独的进给电动机拖动。进行车削加工时，刀具的温度高，需用切削液来进行冷却。为此，车床备有一台冷却泵电动机，拖动冷却泵，实现刀具的冷却。有的车床还专门设有润滑泵电动机，对系统进行润滑。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2.车床电气控制车床电气控制 现以C6502型卧式车床电气控制为例进行分析。图3-23为C6502型车床电气控制电路图。C6502型车床是一种中型车床，M1为主轴电动机，它拖动主轴旋转，并通过进给机构实现进给运动；M2为冷却泵电动机，提供切削液；M3为刀架快速移动电动机，它拖动刀架进行快速移动。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-23 C6502型车床电气控制电路图 第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 1)控制电路的特点控制电路的特点(1)主轴电动机M1采用电气正反转控制。(2)M1容量为20 kW，采用电气反接制动，实现快速停车。(3)为便于对刀操作，主轴设有点动控制。(4)采用电流表来检测电动机的负载情况。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2)主轴电动机的控制主轴电动机的控制 (1)主轴正反转控制。由按钮SB2、SB3和接触器KM1、KM2组成主轴电动机正反转控制电路，并由接触器KM3主触点短接反接制动电阻R，实现全压直接启动运转。(2)主轴的点动控制。由主轴点动按钮SB4与接触器KM1控制，并且在主轴电动机M1的主电路中串入电阻R，使M1减压启动和低速运转，获得单方向的低速点动，便于对刀操作。(3)主轴电动机反接制动的停车控制。主轴停车时，由停止按钮SB1与正反转接触器KM1、KM2及反接制动接触器KM3、速度继电器BV构成电动机正反转反接制动控制电路，在BV控制下实现反接制动停车。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 (4)主轴电动机负载检测及保护环节。C6502型车床采用电流表检测主轴电动机定子电流。为防止启动电流的冲击，采用时间继电器KT的常闭通电延时断开触点连接在电流表的两端，为此KT延时应稍长于M1的启动时间。而当M1制动停车时，按下停止按钮SB1，使KM3、KA和KT线圈相继断电释放，KT触点瞬时闭合，将电流表短接，以免使电流表受到反接制动电流的冲击。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3)刀架快速移动的控制刀架快速移动的控制 刀架的快速移动由快速移动电动机M3拖动，由刀架快速移动手柄操作。当扳动刀架快速移动手柄时，压下行程开关SQ，接触器KM5线圈通电吸合，使M3电动机直接启动，拖动刀架快速移动。当将快速移动手柄扳回原位时，SQ不受压，KM5断电释放，M3断电停止，刀架快速移动结束。4)冷却泵电动机的控制冷却泵电动机的控制 由按钮SB5、SB6和接触器KM4构成电动机单方向启动、停止电路，实现对冷却泵电动机M2的控制。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 3.5.2 钻床的电气控制钻床的电气控制 1.钻床的结构钻床的结构 钻床的结构类型很多，有立式钻床、卧式钻床、深孔钻床及多轴钻床等。摇臂钻床是一种立式钻床，它适用于单件或批量生产带有多孔大型零件的孔加工，是一般机械加工车间常用的机床。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 摇臂钻床主要由底座、内立柱、外立柱、摇臂、主轴箱、工作台等组成。内立柱固定在底座上，在它外面空套着外立柱，外立柱可绕着不动的内立柱回转一周。摇臂一端的套筒部分与外立柱滑动配合，借助于丝杠，摇臂可沿外立柱上下移动，但两者不能作相对转动，因此，摇臂只与外立柱一起相对内立柱回转。主轴箱是一个复合部件，它由主电动机、主轴和主轴传动机构、进给和进给变速机构以及机床的操作机构等部分组成。主轴箱安装在摇臂水平导轨上，它可借助手轮操作使其在水平导轨上沿摇臂作径向运动。当进行加工时，由特殊的夹紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，将外立柱紧固在内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头旋转进行切削，同时进行纵向进给。摇臂钻床的主运动为主轴带着钻头的旋转运动；辅助运动有摇臂连同外立柱围绕着内立柱的回转运动，摇臂在外立柱上的上升、下降运动，主轴箱在摇臂上的左右运动等；而主轴的前进移动是机床的进给运动。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 由于摇臂钻床的运动部件较多，因此为简化传动装置，常采用多电动机拖动。摇臂钻床通常设有主电动机、摇臂升降电动机、夹紧放松电动机及冷却泵电动机。主轴变速机构和进给变速机构都装在主轴箱里，主运动与进给运动由一台笼型感应电动机拖动。利用摇臂钻床加工螺纹时，主轴需要正反转。摇臂钻床主轴的正反转一般用机械方法变换，主轴电动机只做单方向旋转。为适应各种形式的加工，钻床的主运动与进给运动要有较大的调速范围。以Z304016型摇臂钻床为例，其主轴的最低转速为40 r/min，最高转速为2000 r/min，调速范围很大。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2.钻床电气控制钻床电气控制 现以Z304016()型摇臂钻床为例，分析其电气控制。图3-24为Z304016()型摇臂钻床电气控制电路图。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-24 Z3040()型摇臂钻床电气控制电路图第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 图3-24 Z3040()型摇臂钻床电气控制电路图第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 1)控制电路的特点控制电路的特点 (1)控制电路设有总启动按钮SB1和总停止按钮SB7，便于操纵和紧急停车。(2)主电路由断路器QF1、QF2进行保护。断路器中的电磁脱扣作为短路保护，从而取代了熔断器。长期运转的主电动机M1与液压泵电动机M3设有热继电器FR1、FR2作为长期过载保护。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 (3)采用4台电动机拖动，它们是主电动机M1、摇臂升降电动机M2、液压泵电动机M3及冷却泵电动机M4。液压泵电动机拖动液压泵供压力油，经液压传动系统实现立柱与主轴箱的放松与夹紧及摇臂的放松与夹紧，并与电气配合，实现摇臂升降与夹紧放松的自动控制。由于这4台电动机容量较小，故均采用直接启动控制。(4)对摇臂的移动必须严格按照“摇臂松开移动摇臂夹紧”的程序进行。为此，要求起夹紧、放松作用的液压泵电动机M3与摇臂升降电动机M2按一定的顺序启动工作，由摇臂松开行程开关SQ2与夹紧行程开关SQ3发出的控制信号进行控制。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 (5)机床具有信号指示装置，对机床的每一主要动作做出显示，这样便于操作和维修。其中，HL1为电源指示灯；HL2为立柱与主轴箱松开指示灯；HL3为立柱与主轴箱夹紧指示灯；HL4为主轴电动机旋转指示灯。(6)摇臂的夹紧、放松与摇臂的升降按自动控制进行，而立柱和主轴箱的夹紧、放松可以单独操作，也可以同时进行，由转换开关SA和按钮SB5或SB6控制。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 2)电气控制电路分析电气控制电路分析 (1)开车前的准备。首先将隔离开关接通，同时将电气控制箱门关好，然后将电源引入开关QF1扳到“接通”位置，引入三相交流电源。此时总电源指示灯HL1亮，表示机床电气电路已进入带电状态。按下总启动按钮SB1，中间继电器KA线圈通电吸合并自保，为主电动机及其他电动机启动做准备，同时触点KA闭合，为其他3个指示灯通电做准备。(2)主电动机的控制。主电动机M1单方向旋转控制电路由启动、停止按钮SB2、SB8和接触器KM1构成。当KM1线圈通电吸合，M1启动旋转时，主电动启动指示灯HL1亮；当M1停转对，HL4灭。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 (3)摇臂升降控制。摇臂的移动前必须先将摇臂松开，移动到位后摇臂自动夹紧。因此，摇臂移动过程是对液压泵电动机M3和摇臂升降电动机M2按一定程序进行自动控制的过程。下面以摇臂上升为例说明。按下摇臂上升按钮SB3(48)，时间继电器KT1线圈通电吸合。触点KT1(1617)闭合，使接触器KM4通电吸合，其主触点闭合，接通电源使液压泵电动机M3正向旋转，供出压力油。压力油经分配阀进入摇臂的松开油腔，推动活塞移动，活塞推动菱形块，将摇臂松开。同时，活塞杆通过弹簧片压动行程开关SQ2，使其触点SQ2(916)断开，使KM4线圈断电释放；另一触点SQ2(910)闭合，使KM2线圈通电吸合。前者使液压泵电动机M3停止转动，后者使摇臂升降电动机M2启动正向旋转，带动摇臂上升移动。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 当摇臂上升到所需位置时，松开摇臂上升按钮SB3，接触器KM2和时间继电器KT1线圈同时断电释放，摇臂升降电动机M2停止，摇臂停止上升。但时间继电器KT1为断电延时型，所以在摇臂停止上升后的13 s，其延时闭合触点KT1(2425)闭合，接触器KM5线圈才通电吸合，使液压泵电动机M3通电反向旋转，供出压力油经分配阀进入摇臂的夹紧油腔，经夹紧机构将摇臂夹紧。在摇臂夹紧的同时，活塞杆通过弹簧片使行程开关SQ3压下，触点SQ3(424)断开，切断接触器KM5的线圈电路，KM5断电释放，液压泵电动机停止转动，完成了摇臂先松开，后移动，再夹紧的整套动作。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 摇臂下降的控制过程与上升相似，读者可自行分析。摇臂升降电动机的正反转接触器KM2、KM3采用电气与机械的双重互锁，确保电路的安全工作。由于摇臂的上升与下降是短时间的调整工作，因此采用点动控制方式。行程开关SQ1与SQ4常闭触点分别串接在按钮SB3、SB4常开按钮之后，起摇臂上升与下降的限位保护作用。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 (4)立柱和主轴箱的松开与夹紧控制。立柱和主轴箱的松开与夹紧既可以同时进行又可以单独进行，由转换开关SA与按钮SB5或SB6控制。转换开关SA有3个位置，扳到中间位置时，立柱和主轴箱的松开或夹紧同时进行；扳到左边位置时，立柱被夹紧或放松；扳到右边位置时，主轴箱单独夹紧或放松。SB5为松开按钮，SB6为夹紧按钮。第3章 三相异步电动机基本控制环节与基本电路 当转换开关SA置于中间位置时，触点SA(2930)与触点SA(2931