常用控制电路

子模块二　常用控制电路

三相交流电动机是船舶应用最为广泛的一种电气设备，无论在机舱、甲板，还是驾驶台到处都用，它的控制方式也由于其用途不同而千差万别，本节针对三相交流电动机讲解常用控制电路。

一、电气线路图及绘制方法

（一）电气线路图的基本知识

1. 图形及文字符号

电气线路图是一种便于分析系统原理和进行维修的图形。自动控制设备都是根据自动控制原理将电机、电器和自动化元件等部件组成自动控制线路的。自动控制线路各国都有统一的符号和图示法。我国自1990年起实施新制定的电气系统图形符号和文字符号。

2. 安装接线图

安装接线图简称接线图，是安装和维修电气设备必不可少的图纸。安装接线图应包括控制线路的所有电气部件，每一电气部件都应画出它的内部接线图，在内部接线图中通常按照实际布置的位置，用国家颁布的统一符号画出各电器。同一电器的部件必须画在一起，然后按要求用导线连接起来，导线应标明类型、界面尺寸和敷设方法。

3. 电气原理图

由于安装接线图不易了解控制线路的动作原理，尤其是复杂的线路，为此就需要电气原理图，简称原理图。常用电气原理图如图2.37所示。

图2.37　常用电气原理图

（二）绘制电气线路图的原则

① 通常把主电路与辅助电路分开来画，并分别以粗实线和细实线表示。一般主电路画在图的上端或左边，而辅助电路画在图的下端或右边。

② 辅助电路（包括控制、信号及监视电路）中的电源线垂直在两旁或两条平行线紧靠主电路，各分支电路一般按控制电路的动作顺序由上到下平行绘制或从左到右平行绘制，不同作用的电路也可以集中画在一起。

③ 各种元件及其部件在线路的位置是根据便于阅读的原则来安排的，因此同一元件的各个部件往往不是画在一起的。

④ 所有图形符号及文字符号必须按规定的标准画出。所有电器触头按“平常”状态画出（即电器线圈不通电或动作机构没有受外力作用时的状态）。

⑤ 每个电器都必须标有能表明该电器作用的文字符号。例如，KM 接触器，KA 继电器等。如果在一个线路中有些电器的类型和作用相同，则这些电器应该使用统一的文字符号，但是要在文字符号前面加注序号，如1KM、2KM等。

⑥ 两根以上导线的电气连接处画一个圈点表示连接。

⑦ 为了阅读方便，在安装、调整、检修时易于找到有关元件及部件，应对各元件的接线端及导线加注编号。

⑧ 对于主令控制器操纵的线路，为了读图方便，图中应附有主令控制器的触头闭合表或标注其触头的符号。

二、基本控制电路

接下来介绍几种交流电机的基本控制电路。

（一）电动机的点动控制电路

有些设备，在运行过程中，必须要有人监视，如机舱的盘车机、行车和甲板上的舷梯起落机等，都需要点动控制。如图2.38为简单的点动控制电路。

图2.38　三相异步电动机的点动控制电路

合三相电源开关QS，按下启动按钮SB，接触器KM线圈有电，主触头闭合，电动机M起动运转，手松开，接触器失电，主触头断开，电动机停止运转。

想一想　　1. 如果SB按钮换成常闭，会出现什么状况？2. 如果不接FU有什么危害？

（二）连续运行控制电路

大多数鼠笼式电动机的连续控制采用磁力启动器进行控制。磁力启动器是用来远距离控制和保护鼠笼式电动机最简单的成套电器，它由电源开关、熔断器、按钮、交流接触器和热继电器等组成。图2.39就是单向（不可逆）磁力启动器控制电路。

启动电动机时，先将电源开关QS闭合。当按下启动按钮SB₁时，3、4两点接通，接触器KM线圈有电，其常开主触头闭合，电动机M接通电源而直接启动。它的常开辅助KM闭合，当松开SB₁按钮时，控制回路可通过其辅助触头使线圈KM继续通电。凡是接触器（或继电器）利用它自己的辅助触头来保持线圈吸合的，称之为自锁（自保），这个触头称为自锁（自保）触头，起自锁（自保）作用。

图2.39　三相异步电动机的连续运行控制电路

如果要使电动机M停止运转，只需将停止按钮SB₂按下，1、3之间触头断开，接触器KM线圈失电，接触器释放，其常开主触头打开，电动机M停止运转。同时，自锁触头也断开。当SB₂恢复到原来位置时，接触器KM不会动作。只有再操作启动按钮，电动机M才能再启动。

想一想　　1.如果把接触器的常开辅触头换成常闭，会出现什么状况？

　　　　　2.启动按钮与停止按钮互换，会出现什么状况？

（三）多地点控制电路

为操作方便，某些设备往往要求在两个或两个以上的地点对它都能进行操作。例如，机舱的许多泵要求既能在机旁操纵，又能在集中控制室操纵。实现这一要求的就是多地点控制，只要将两个或多个启动按钮和停止按钮分别组成并联和串联电路即可。图2.40的电路就属于两地点控制。

图2.40　两地点控制电路

想一想　　很多人居住在自建的楼房里，上楼下楼开灯很不方便。如何设计一个电路，实现在楼上楼下都可以开灯或者关灯？

（四）正反转控制电路

多种运动状态的生产机械或多个生产机械往往存在着相互制约的关系。比如，对正在进行正转的电动机，要求电动机闭锁其反转控制，反之亦然。这就是电动机的正反转互锁控制，图2.41所示为实现电动机的正反转控制一个实例。线路中的接触器常闭触头KM_F和KM_R构成了电动机正反转电气互锁保护，用于防止正、反转接触器KM_F和KM_R的同时动作。

图2.41　正反转控制电路

练一练

1. 不用两个常闭辅触头有什么危害？

2. 把常开辅触头换成常闭的，再看看会出现什么状况？

（五）连锁控制电路

例如，在船舶主空压机正常工作时，需要冷却水进行冷却，所以要求冷却水泵先运行，冷却水压力建立后才能启动空压机，船舶甲板上的电动起货机中的主拖动电动机，只有在为它冷却的风机电动机启动后才能起动。这就是顺序起动连锁控制，控制电路如图2.42所示。

图2.42　顺序起动连锁控制电路

在图2.42（a）中，接触器KM₁（控制冷却水泵电动机M₁）的自锁触头又是KM₂（控制空压机电动机M₂）的连锁触头。因此，只有在KM₁线圈通电，冷却水泵启动后，KM₂线圈才能通电，空压机才能启动运转。如果KM₁线圈断电，冷却水泵停止供水，由于KM₁触头打开，使KM₂线圈立即断电，空压机停止运转。图2.41（b）是用KM₁的另一个常开辅助触头与KM₂线圈串联，同样能满足上述要求。

练一练

1. 请试着把串在KM₂线圈里的KM₁的常开触头换成常闭的，看看会出现什么状况？

2. 请试着把热继电器的常闭触头串接在KM₁线圈里，思考一下如果M2过载，会出现什么状况？

（六）双位控制电路

在许多无人管理的生产场合，常用到“双位”自动控制。例如船舶辅锅炉的高低水位控制、食品冷库的高低温度控制、空调压缩机的自动启停控制等。图2.43（a）所示的是一种最简单的双位控制的单元电路，KM的动作取决于开关SP的通断。开关SP可以是压力继电器、温度继电器或液位继电器的电触头。当被测介质（压力、温度或液位）处于低限位置时，触头SP闭合，继电器KM获电动作，由KM再去控制有关电器的工作；当被测介质达到高限位置时，触头SP断开，KM失电复位。可以看到，双位控制是由开关SP来实现的，高、低限大小由开关SP的死区大小来决定，因此高、低限的差值不可能太大。在压力等双位控制中，通常使用组合式压力开关，此种压力开关有两对触头，一对是高压触头（为动断触头），一对是低压触头（为动合触头）。使用时按图2.43（b）所示的线路连接，被控对象的高限对应于压力开关SP的高压触头的断开值，而其低限则对应于压力开关SP的低压触头的闭合值。

图2.43　双位控制电路

练一练

图2.43（b）中的KM常开辅触头因故不能闭合，这样会出现什么状况？

（七）行程控制电路

1. 限位控制

当生产机械的运动部件到达预定的位置时压下行程开关的触杆，将常闭触点断开，接触器线圈断电，使电动机断电而停止运行。电路图见图2.44。

2. 行程往返控制

如图2.45所示按下正向启动按钮SB₁，电动机正向启动运行，带动工作台向前运动。当运行到SQ₂位置时，挡块压下SQ₂，接触器KM₁断电释放，KM₂通电吸合，电动机反向启动运行，使工作台后退。工作台退到SQ₁位置时，挡块压下SQ₁，KM₂断电释放，KM₁通电吸合，电动机又正向启动运行，工作台又向前进，如此一直循环下去，直到需要停止时按下SB₃，KM₁和KM₂线圈同时断电释放，电动机脱离电源停止转动。

图2.44　限位控制电路

图2.45　行程往返控制电路

（a）往返运动图；（b）自动往返控制

想一想　　行程往返控制应用于哪些场合？

三、典型控制电路

（一）异步电动机的启动

1. 启动特性分析

（1） 启动电流I _st

在刚启动时，由于旋转磁场对静止的转子有着很大的相对转速，磁力线切割转子导体的速度很快，这时转子绕组中感应出的电动势和产生的转子电流均很大。同时，定子电流必然也很大。一般中小型鼠笼式电动机定子的启动电流可达额定电流的5～7倍。

注意：在实际操作时应尽可能不让电动机频繁启动。如在切削加工时，一般只是用摩擦离合器或电磁离合器将主轴与电机轴脱开，而不将电动机停下来。

（2） 启动转矩T _st

电动机启动时，转子电流I ₂虽然很大，但转子的功率因数cosϕ₂很低，由公式T=C_M ΦI ₂cosϕ₂ x可知，电动机的启动转矩T较小，通常T _st/T _N=1.1～2.0。

启动转矩小可造成以下问题：第一，会延长启动时间；第二，不能在满载下启动。因此，应设法提高启动转矩。但启动转矩如果过大，会使传动机构受到冲击而损坏，所以一般机床的主电动机都是空载启动（启动后再切削），对启动转矩没有什么要求。

综上所述，异步电机的主要缺点是启动电流大而启动转矩小。因此，我们必须采取适当的启动方法，以减小起动电流并保证有足够的启动转矩。

2. 鼠笼式异步电动机的启动方法

（1） 直接启动

图2.46　直接启动控制电路

直接启动又称为全压启动（电路见图2.46），就是利用闸刀开关或接触器将电动机的定子绕组直接加到额定电压下启动。这种方法只用于小容量的电动机或电动机容量远小于供电变压器容量的场合。

直接启动即启动时把电动机直接接入电网，加上额定电压，一般来说，电动机的容量不大于直接供电变压器容量的20%～30%时，都可以直接启动。

① 启动过程

按下启动按钮SB₁，接触器KM线圈通电，与SB₁并联的KM的辅助常开触点闭合，以保证松开按钮SB_l后KM线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM的主触点持续闭合，电动机连续运转，从而实现连续运转控制。

② 停止过程

按下停止按钮SB₂，接触器KM线圈断电，与SB₁并联的KM的辅助常开触点断开，以保证松开按钮SB₂后KM线圈持续失电，串联在电动机回路中的KM的主触点持续断开，电动机停转。

与SB₁并联的KM的辅助常开触点的这种作用称为自锁。

资料卡

直接启动控制中的保护环节

图2.46所示控制电路还可实现短路保护、过载保护和零压保护。

起短路保护作用的是串接在主电路中的熔断器FU。一旦电路发生短路故障，熔体立即熔断，电动机立即停转。

起过载保护作用的是热继电器FR。当过载时，热继电器的发热元件发热，将其常闭触点断开，使接触器KM线圈断电，串联在电动机回路中的KM的主触点断开，电动机停转。同时，KM辅助触点也断开，解除自锁。故障排除后若要重新启动，需按下FR的复位按钮，使FR的常闭触点复位（闭合）即可。

起零压（或欠压）保护作用的是接触器KM本身。当电源暂时断电或电压严重下降时，接触器KM线圈的电磁吸力不足，衔铁自行释放，使主、辅触点自行复位，切断电源，电动机停转，同时解除自锁。

（2） 星三角降压启动

在正常运行时，三相定子绕组接成三角形的三相异步电动机，可以在启动时接成星形。三相异步电动机接成星形启动时，电动机启动完成后，再改接到三角形联接。三相异步电动机接成星形启动时，启动电流只有接成三角形启动电流的1/3，但启动转矩也相应降低。接成星形启动时，启动转矩也只有三角形启动的1/3。

—△换接启动的控制电路的形式比较多，图2.47是其中的一种。控制电路的工作过程如下：启动时，合三相电源开关QS，按下启动按钮SB₁，接触器1KM线圈得电动作，1KM的常开辅助触头闭合自保，同时接触器1KM主触头闭合；此时，由于接触器2KM线圈回路中时间继电器KT的常开延时闭合触点KT₁未闭合的缘故，接触器2KM线圈不能得电，则接触器2KM的常闭触点保持闭合，使时间继电器KT线圈获电开始延时，但时间继电器KT的常闭延时开触点KT₂仍然闭合未打开，则接触器3KM线圈得电动作，接触器3KM主触头闭合；由于接触器1KM主触头与接触器3KM主触头同时闭合，三相异步电动机接成形开始启动。当时间继电器KT延时一到，时间继电器KT的常闭延时开触点KT₂打开，接触器3KM线圈失电，接触器3KM复原，接触器3KM主触头断开，接触器3KM常闭辅触头恢复闭合；同时时间继电器KT的常开延时闭触点KT₁闭合，使接触器2KM线圈得电动作，接触器2KM主触头闭合，三相异步电动机换接成△形开始正常工作；接触器2KM常开辅触头闭合自保；接触器2KM常闭辅触头断开切除时间继电器KT，并与接触器3KM实现互锁控制，启动过程全部结束。

图2.47　—△换接启动控制电路

练一练

1. 把两个时间继电器的触头互换，观察一下会出现什么状况？

2. 在3KM常闭辅触头因故断不开时，会出现什么状况？

（3） 自耦变压器降压启动

自耦变压器降压启动是指电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运行。自耦变压器降压启动控制电路见图2.48。

图2.48　自耦变压器降压启动控制电路

线路工作原理如下：

① 合上电源开关QS。

② 降压启动：按下SB₂，KA线圈得电，KA自锁触头闭合自锁，KT线圈得电，KM₂线圈得电，KM₂主触头闭合，KM₂联锁触头分断对KM₁联锁，电动机M接入TM降压启动。

③ 全压运转：当电动机转速上升到接近额定转速时，KT延时结束，KT常闭触头先分断，KM₂线圈失电，KM₂常闭辅助触头分断对KM₁联锁，KT常开触头后闭合，KM₁线圈得电，KM₁自锁触头闭合自锁，KM₁主触头闭合，电动机M接成Δ全压运行；停止时按下SB₁即可。

（二）正反转控制

1. 简单的正反转控制

简单的正反转控制电路见图2.49。

（1） 正向启动过程

按下启动按钮SB₁，接触器KM₁线圈通电，与SB₁并联的KM₁的辅助常开触点闭合，以保证KM₁线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM₁的主触点持续闭合，电动机连续正向运转。

（2） 停止过程

按下停止按钮SB₃，接触器KM₁线圈断电，与SB₁并联的KM₁的辅助触点断开，以保证KM₁线圈持续失电，串联在电动机回路中的KM₁的主触点持续断开，切断电动机定子电源，电动机停转。

（3） 反向启动过程

按下启动按钮SB₂，接触器KM₂线圈通电，与SB₂并联的KM₂的辅助常开触点闭合，以保证线圈持续通电，串联在电动机回路中的KM₂的主触点持续闭合，电动机连续反向运转。

缺点：KM₁和KM₂线圈不能同时通电，因此不能同时按下SB₁和SB₂，也不能在电动机正转时按下反转启动按钮，或在电动机反转时按下正转启动按钮。如果操作错误，将引起主回路电源短路。

2. 带电气互锁的正反转控制电路

带电气互锁的正反转控制电路见图2.50。

图2.49　简单的正反转控制电路

图2.50　带电气互锁的正反转控制电路

将接触器KM₁的辅助常闭触点串入KM₂的线圈回路中，从而保证在KM₁线圈通电时KM₂线圈回路总是断开的；将接触器KM₂的辅助常闭触点串入KM₁的线圈回路中，从而保证在KM₂线圈通电时KM₁线圈回路总是断开的。这样接触器的辅助常闭触点KM₁和KM₂保证了两个接触器线圈不能同时通电，这种控制方式称为互锁或者联锁，这两个辅助常开触点称为互锁触点或者联锁触点。

缺点：在具体操作时，若电动机处于正转状态，要反转时必须先按停止按钮SB₃，使互锁触点KM₁闭合后按下反转启动按钮SB₂才能使电动机反转；若电动机处于反转状态，要正转时必须先按停止按钮SB₃，使互锁触点KM₂闭合后再按下正转启动按钮SB₁才能使电动机正转。

想一想　　简单的正反转控制电路中，当电机在正转或者反转过程中，不能按下另一个方向的启动按钮，而带电气互锁的正反转控制具有同样的特点，那么“电气互锁”这个控制环节起什么作用呢？

（三）锅炉的水位控制

图2.51所示是某压力水柜给水原理及水泵控制电路图，图中水柜为压力水柜，随着用水量的变化，水、气空间容积在变化，即液位高度和气压都在变化。水位上升，气的空间高度减小，气压增加。如果不考虑漏气损耗，气压大小显然是与水位高低成正比例的，高限水位H _H对应着高限压力，低限水位H _L对应着低限压力。因此，对于像这样密封容器式的双位液位高度的控制，可以采用双位压力的控制方式。

若水位处于图2.51（a）所示的正常水位时，即水位高于H _L，低于H _H，当转换开关打到“自动”位置，如图2.51（b）所示，此时由于KP_H闭合，KP_L断开，接触器KM线圈未得电，水泵电机不运行。随着用水量增加，水位高度和气压逐渐下降。当气压（水位）降到低限H _L以下时，压力继电器低压触点KP_L由正常水位时的“开启”状态转换为“闭合”状态，水泵电机接触器KM线圈得电动作，其常开主触点闭合，水泵启动，向水柜补充水；其常开辅触点闭合，自锁。当气压（水位）升高，并高于低限H _L时，虽然压力继电器KP_L触点打开，但因为接触器KM自锁触点的自锁作用，KM线圈仍通电，所以水泵继续补水，直到气压（水位）升高到高限时，压力继电器高压触点KP_H断开，使接触器KM线圈断电，水泵停止补水。当水位再次降到高限以下时，KP_H恢复闭合，但由于KP_L为“开启”状态，因此接触器KM线圈仍不能得电，直到水位再继续下降到低限以下时，KP_L闭合，水泵方能重新启动补水。这一过程就是压力（水位）检测的双位闭环控制。

图2.51　压力水柜自动控制

（a）密封式压力水柜示意图；（b）自动控制线路

练一练

请将高低压继电器互换，还能否实现双位控制？为什么？

双位控制的其他实例：船舶上的空压机。

两台空压机的主用和备用是不固定的，可以根据实际工作状态进行相互转换。主、备用的转换是通过控制箱上的转换开关实现的。主用空压机的自动控制压力为2.5～3.0MPa，备用空压机的自动控制压力值设定为2.3～2.8MPa。现设定1号空压机为主用空压机，2号空压机为备用空压机，在1号空压机控制箱上的控制位置转换开关置于“就地”位置，合上控制箱电源开关，控制线路有电。同样操作2号控制箱上的开关。现假设此时压缩空气瓶内的压力为2.4MPa。压力继电器闭合触头使空压机主接触器通电动作，空压机启动运行。1号空压机开始向空气瓶内充气。如果此时外界的用气量较大，空气瓶内的压力继续下降，当低于2.3MPa时，2号空压机同样自动启动运行。此时两台空压机同时向空气瓶内充气。两台空压机运行一段时间后，空气瓶内的压力不断升高。当空气瓶内的压力达到备用压力开关的高限设定值2.8MPa时，备用压力继电器的触头断开，使2号备用空压机停止运行。这时主用空压机继续运行，当空气瓶内的压力达到3MPa时，主用压力继电器的触头断开，1号主用空压机停止运行。

在一般情况下，船舶压缩空气的使用量不是很大，一台空压机完全可以满足供应。主用空压机在压力开关的控制下，根据空气瓶内压力变化，自动起停循环工作。