电气控制与PLC应用技术(西门子S7-200系列)第二版
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2.2 基本控制电路

三相笼型异步电动机由于结构简单、价格便宜、坚固耐用等优点获得了广泛的应用。在生产实际中,它的应用占到使用电动机的80%以上。本章主要讲解三相笼型异步电动机的控制线路,它一般由继电器、接触器和按钮等有触点电器组成。本节介绍其基本的控制线路。

2.2.1 三相笼型异步电动机全电压启动控制线路

在电力拖动系统中,启停控制是最基本的、最主要的一种控制方式。基本电气控制电路就是控制启动和停止的电路。

2.2.1.1 电动机单向运行控制电路

(1)单向点动控制电路

图2-2所示为三相笼型异步电动机单向点动控制电路。它是一个最简单的控制电路,由刀开关QS、熔断器FU1、接触器KM的常开主触点与电动机M构成主电路。FU1用作电动机M的短路保护。

按钮SB、熔断器FU2、接触器KM的线圈构成控制电路。FU2用作控制电路的短路保护。

电路图中的电器一般不表示出空间位置,同一电器的不同组成部分可不画在一起,但文字符号应标注一致。PE为电动机M的保护接地线。

该电路的工作原理是:启动时,合上刀开关QS,引入三相电源。按下按钮SB,接触器KM线圈得电吸合,主触点KM闭合,电动机M因接通电源启动运转。松开按钮SB,按钮在自身弹簧的作用下恢复到原来断开的位置,接触器KM线圈失电释放,接触器KM主触点断开,电动机失电停止运转。可见,按钮SB兼作停止按钮。

这种“一按(点)就动,一松(放)就停”的电路称为点动控制电路。点动控制电路常用于调整机床、对刀操作等。因短时工作,电路中不设热继电器。

图2-2 单向点动控制电路

(2)单向自锁控制电路

图2-3所示为三相笼型异步电动机单向自锁控制电路。

图2-3 单向自锁控制电路

单向点动控制电路只适用于机床调整、刀具调整。而机械设备工作时,要求电动机连续运行,即要求按下按钮后,电动机就能启动并连续运行,直至加工完毕为止。单向自锁控制电路就是具有这种功能的电路。因此,它是一种常用的简单的控制电路。

①电路的工作原理 启动时,合上QS,引入三相电源。按下启动按钮SB2,交流接触器KM的吸引线圈通电,接触器主触点闭合,电动机因接通电源直接启动运转。同时,与SB2并联的常开辅助触点KM闭合,当手松开,SB2自动复位时,接触器KM的线圈仍可通过接触器KM的常开辅助触点使接触器线圈继续通电,保持电动机连续运行。这种依靠接触器自身辅助触点而使其线圈保持通电的现象称为自锁。起自锁作用的辅助触点称为自锁触点。

要使电动机M停止运转,只要按下停止按钮SB1,将控制电路断开即可。这时,接触器KM线圈断电释放,KM的常开主触点将三相电源切断,电动机M停止旋转。当手松开按钮后,SB1的常闭触点在复位弹簧的作用下,虽恢复到原来的常闭状态,但接触器线圈不再依靠自锁触点通电,因为原来闭合的自锁触点早已随着接触器线圈断电而断开。

②电路的保护环节

• 短路保护 熔断器FU作为电路短路保护,达不到过载保护的目的。为使电动机在启动时熔体不被熔断,熔断器熔体的规格必须根据电动机启动电流大小适当选择。

• 过载保护 热继电器FR具有过载保护作用。使用时,将热继电器的热元件接在电动机的主电路中作为检测元件,用以检测电动机的工作电流,而将热继电器的常闭触点接在控制电路中。当电动机长期过载或严重过载时,热继电器才动作,其常闭控制触点断开,切断控制电路,接触器KM线圈断电释放,电动机停止运转,实现过载保护。

• 欠电压保护与失电压保护 当电源电压由于某种原因而严重欠电压或失电压时,接触器的衔铁自行释放,电动机停止旋转。当电源电压恢复正常时,接触器线圈不能自动通电,只有在操作人员再次按下启动按钮SB2后,电动机才会启动。控制电路具备了欠电压和失电压保护功能后,有如下三个方面的优点:

第一,防止电压严重下降时,电动机低电压运行。

第二,避免电动机同时启动而造成电压严重下降。

第三,防止电源电压恢复时,电动机突然启动运转,造成设备和人身事故。

(3)单向点动、自锁混合控制电路

生产实际中,有的生产机械既需要连续运转进行加工生产,又需要在调整工作时采用点动控制,这就产生了单向点动、自锁混合控制电路,可由图2-4(a)所示电路实现。图2-4中采用了一个复合按钮SB3。点动控制时,按下点动按钮SB3,其常闭触点先断开自锁电路,常开触点后闭合,使接触器KM线圈通电,主触点闭合,电动机启动旋转。当松开SB3时,SB3的常开触点先断开,常闭触点后合上,接触器KM线圈断电,主触点断开,电动机停止转动,实现点动控制。若需要电动机连续运转,按启动按钮SB2即可;停机时,按停止按钮SB1

注意,点动时,若接触器KM的释放时间大于按钮恢复时间,则点动结束;SB3常闭触点复位时,接触器KM的常开触点尚未断开,使接触器自保电路继续通电,无法实现点动。

在图2-4(b)中,按点动按钮SB3时,KM线圈通电,主触点闭合,电动机启动运转。当松开SB3时,KM线圈断电,主触点断开,电动机停止转动。若需要电动机连续运转,按下SB2启动按钮即可,此时中间继电器KA线圈通电吸合并自锁。KA另一对触点接通接触器KM线圈。当需停止电动机运转时,按下停止按钮SB1。由于使用了中间继电器KA,使点动与连续工作联锁可靠。

图2-4 单向点动、自锁混合控制电路

2.2.1.2 电动机正、反转控制电路

(1)正、反转控制电路

有些生产机械常常要求具有上下、左右、前后等相反方向的运动,如机床工作台的往复运动,就要求电动机能可逆运行。由电动机原理可知,将三相异步电动机的三相电源进线中任意两相对调,电动机即可反向运转。因此,可借助接触器改变定子绕组相序来实现正、反向的切换工作,其电路如图2-5所示。

当出现误操作,即同时按正、反向启动按钮SB2和SB3时,若采用图2-5(a)所示线路,造成短路故障,如主电路图中虚线所示,因此正、反向间需要有一种联锁关系。通常采用图2-5(b)所示电路,将其中一个接触器的常闭触点串入另一个接触器线圈电路,则任一接触器线圈先带电后,即使按下相反方向按钮,另一接触器也无法得电。这种联锁通常称做互锁,即两者存在相互制约的关系。工程上通常使用带有机械互锁的可逆接触器,进一步保证两者不能同时通电,提高可靠性。

图2-5(b)所示的电路要实现反转运行,必须先停止正转运行,再按反向启动按钮才行,反之亦然,所以这个电路称做“正—停—反”控制。图2-5(c)所示的电路可以实现不按停止按钮,直接按反向按钮就能使电动机反向工作,所以该电路称为“正—反—停”控制。

图2-5 正、反向控制电路

(2)自动往返控制电路

在生产实践中,有些生产机械的工作台需要自动往返控制。图2-6所示为最基本的自动往复循环控制电路,它是利用行程开关实现往复运动控制的,这通常称做行程控制。

图2-6 自动往复循环控制电路

限位开关SQ1放在左端需要反向的位置,SQ2放在右端需要反向的位置,机械挡铁装在运动部件上。启动时,利用正向或反向启动按钮,如按正转按钮SB2,接触器KM1通电吸合并自锁,电动机正向旋转并带动工作台左移。当工作台移至左端并碰到SQ1时,将SQ1压下,其常闭触点断开,切断KM1接触器线圈电路;同时,使其常开触点闭合,接通反转接触器KM2线圈电路。此时,电动机由正向旋转变为反向旋转,带动工作台向右移动,直到压下SQ2限位开关,电动机由反转变为正转,工作台向左移动。因此,工作台实现自动的往复循环运动。

由上述控制情况可以看出,运动部件每经过一个自动往复循环,电动机要进行两次反接制动,会出现较大的反接制动电流和机械冲击。因此,这种电路只适用于电动机容量较小,循环周期较长,电动机转轴具有足够刚性的拖动系统中。另外,在选择接触器容量时,应比一般情况下选择的容量大一些。

在图2-6中,行程开关SQ3和SQ4安装在工作台往返运动的极限位置上,防止行程开关SQ1和SQ2失灵,工作台继续运动不停止而造成事故,起到极限保护的作用。

机械式行程开关容易损坏,现在多用接近开关或光电开关来取代行程开关实现行程控制。

2.2.2 三相电动机降压启动控制电路

较大容量的电动机直接启动时,启动电流较大,会对电网产生巨大冲击,所以较大容量的电动机一般都采用降压方式来启动。

(1)三相笼型异步电动机降压启动控制电路

三相笼型异步电动机降压启动方式有定子电路串电阻(或电抗)、星形—三角形、自耦变压器、延边三角形和使用软启动器等多种。其中,定子电路串电阻和延边三角形方法已基本不用,常用的方法是星形—三角形降压启动和使用软启动器。

①星形—三角形降压启动控制电路 正常运行时,定子绕组接成三角形的笼型异步电动机,可采用星形—三角形降压启动方式来限制启动电流。

启动时将电动机定子绕组接成星形,加到电动机每相绕组上的电压为额定值的1/,减小了启动电流对电网的影响。当转速接近额定转速时,定子绕组改接成三角形,使电动机在额定电压下正常运转。图2-7(a)所示为星形—三角形转换绕组连接示意图,星形—三角形降压启动电路如图2-7(b)所示。这一电路的设计思想是按时间原则控制启动过程,待启动结束后,按预先整定的时间换接成三角形接法。

图2-7 星形—三角形启动控制电路

当启动电动机时,合上开关QS,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的延时时间到,则KMY线圈失电,KM线圈得电,电动机主回路换接成三角形接法,电动机投入正常运转。

星形—三角形启动的优点是星形启动电流降为原来三角形接法直接启动时的1/3,启动电流为电动机额定电流的2倍左右,启动电流特性好、结构简单、价格低;其缺点是启动转矩相应下降为原来三角形直接启动时的1/3,转矩特性差。因而本电路适用于电动机空载或轻载启动的场合。

②自耦变压器降压启动的控制电路 在自耦变压器降压启动的控制电路中,电动机启动电流的限制是靠自耦变压器降压来实现的。该电路的设计思想也是采用时间继电器完成电动机由启动到正常运行的自动切换。启动时串入自耦变压器,启动结束时自动将其切除。

串联自耦变压器降压启动的控制电路如图2-8所示。当启动电动机时,合上开关QS,按下启动按钮SB2,接触器KM1、KM3与时间继电器KT的线圈同时得电,KM1、KM3主触点闭合,电动机定子绕组经自耦变压器接至电源降压启动。当时间继电器KT延时时间到,一方面其常闭的延时触点打开,KM1、KM3线圈失电,KM1、KM3主触点断开,将自耦变压器切除;另一方面,KT的常开延时触点闭合,接触器线圈KM2得电,KM2主触点闭合,电动机投入正常运转。

串联自耦变压器启动的优点是启动时对电网的电流冲击小,功率损耗小;缺点是自耦变压器结构相对复杂,价格较高。这种方式主要用于较大容量的电动机,以减小启动电流对电网的影响。

图2-8 定子串自耦变压器降压启动控制电路

③软启动 前述几种传统的三相异步电动机的启动电路比较简单,不需要增加额外的启动设备;但其启动电流冲击一般很大,启动转矩较小,而且固定不可调。电动机停机时都是控制接触器触点断开,切断电动机电源,电动机自由停车,造成剧烈的电网波动和机械冲击。在直接启动方式下,启动电流为额定值的4~8倍,启动转矩为额定值的0.5~1.5倍;在定子串电阻降压启动方式下,启动电流为额定值的4.5倍,启动转矩为额定值的0.5~0.75倍;在星形—三角形启动方式下,启动电流为额定值的1.8~2.6倍。在星形—三角形切换时也会出现电流冲击,且启动转矩为额定值的0.5倍。对于自耦变压器降压启动,启动电流为额定值的1.7~4倍,在电压切换时出现电流冲击,启动转矩为额定值的0.4~0.85倍。因而上述方法经常用于对启动特性要求不高的场合。

在一些对启动要求较高的场合,可选用软启动装置。它采用电子启动方法,其主要特点是具有软启动和软停车功能,启动电流、启动转矩可调节,还具有电动机过载保护等功能。

在软启动异步电动机的过程中,软启动器通过控制加到电动机上的电压来控制电动机的启动电流和转矩;启动转矩逐渐增加,转速也逐渐增加。一般软启动器可以通过改变参数设定得到不同的启动特性,以满足不同的负载特性要求。

(2)三相绕线转子异步电动机启动控制电路

绕线转子异步电动机可以通过集电环在转子绕组中串接外加电阻来达到减小启动电流,提高转子电路的功率因数和增加启动转矩的目的。

串接在三相转子绕组中的外加启动电阻一般都接成星形联结。在启动前,外加启动电阻全部接入转子绕组。随着启动过程结束,外接启动电阻被逐段短接。

在图2-9所示主电路中,串接两级启动电阻,启动过程中逐步短接R1R2启动电阻。串接启动电阻的级数越多,启动越平稳。接触器KM2、KM3为加速接触器。

图2-9 绕线转子异步电动机控制电路

在控制过程中,选择电流作为控制参量进行控制的方式称为电流原则。图2-9所示是按电流原则控制绕线转子异步电动机启动的控制电路。它采用电流继电器,并依据电动机转子电流的变化,来自动逐段切除转子绕组中所串的启动电阻。

在图2-9中,K1和K2是电流继电器,其线圈串接在转子电路中。这两个电流继电器的吸合电流的大小相同,但释放电流不一样,K1的释放电流大,K2的释放电流小。刚启动时,转子绕组中的启动电流很大,电流继电器K1和K2都吸合,它们接在控制电路中的常闭触点都断开,外接启动电阻全部接入转子绕组电路;待电动机的转速升高后,转子电流减小,使电流继电器K1先释放,K1的常闭触点复位闭合,使接触器KM2线圈通电吸合,转子电路中KM2的主触点闭合,切除电阻R1;当R1电阻被切除后,转子电流重新增大,使转速平稳。随着转速继续上升,转子电流又会减小,使电流继电器K2释放,它的常闭触点K2复位闭合,接触器KM3线圈通电吸合,转子电路中KM3的主触点闭合,把第二级电阻R2又短接切除。至此,电动机启动过程结束。

中间继电器KA的作用是保证启动时全部启动电阻接入转子绕组的电路,只有在中间继电器KA线圈通电,KA的常开触点闭合后,接触器KM2和KM3线圈才有可能通电吸合,然后才能逐级切除电阻,保证电动机在串入全部启动电阻的情况下启动。

2.2.3 三相异步电动机制动控制电路

三相异步电动机从切除电源到完全停止旋转,由于惯性的作用,总要经过一段时间,这往往不能适应某些机械工艺的要求,如万能铣床、卧式镗床和组合机床等。无论是从提高生产效率,还是从安全及准确定位等方面考虑,都要求能迅速停车,因此要求对电动机进行制动控制。制动控制方法一般有两大类:机械制动和电气制动。机械制动是用机械装置来强迫电动机迅速停车;电气制动实质上是当电动机停车时,给电动机加上一个与原来旋转方向相反的制动转矩,迫使电动机转速迅速下降。由于机械制动比较简单,下面着重介绍电气制动控制电路,包括反接制动和能耗制动。除此之外,如果在系统中已经使用了软启动器或者变频器,这两种智能化的控制设备也可以很容易地实现软制动,完成电动机的制动控制任务。

(1)反接制动控制电路

反接制动是利用改变电动机电源的相序,使定子绕组产生相反方向的旋转磁场,产生制动转矩的一种制动方法。

由于反接制动时,转子与旋转磁场的相对速度接近于2倍的同步转速,所以定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压直接启动时电流的2倍。因此,反接制动的特点之一是制动迅速,效果好,但冲击大,仅适用于10kW以下的小容量电动机。为了减小冲击电流,通常要求串接一定的电阻,以限制反接制动电流。这个电阻称做反接制动电阻。反接制动的另一个要求是在电动机转速接近于零时,及时切断反相序的电源,防止电动机反向再启动。

①电动机单向运行反接制动控制电路 反接制动的关键在于电动机电源相序的改变;且当转速下降到接近于零时,能自动将电源切除。为此,采用速度继电器来检测电动机的速度变化。在120~3000r/min范围内速度继电器触点动作;当转速低于100r/min时,其触点恢复原位。

图2-10所示为带制动电阻的单向反接制动控制电路。启动时,按下启动按钮SB2,接触器KM1线圈通电并自锁,电动机通电旋转。在电动机正常运转时,速度继电器KS的常开触点闭合,为反接制动做好准备。停车时,按下停止按钮SB1,其常闭触点断开,接触器KM1线圈断电,电动机脱离电源。由于此时电动机的惯性转速还很高,KS的常开触点仍然处于闭合状态,所以当SB1常开触点闭合时,反接制动接触器KM2线圈通电并自锁,其主触点闭合,使电动机定子绕组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,电动机转速迅速下降。当电动机转速低于速度继电器动作值时,速度继电器常开触点复位,接触器KM2线圈电路被切断,反接制动结束。

图2-10 单向反接制动的控制电路

②具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制电路 图2-11所示为具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制电路。图中,电阻R是反接制动电阻,同时具有限制启动电流的作用。KS1和KS2分别为速度继电器KS的正转和反转常开触点。

图2-11 具有反接制动电阻的可逆运行反接制动的控制电路

该电路工作原理如下所述:按下正转启动按钮SB2,中间继电器KA3线圈通电并自锁,其常闭触点打开,互锁中间继电器KA4线圈电路。KA3常开触点闭合,使接触器KM1线圈通电,KM1主触点闭合,使定子绕组经3个电阻R接通正序三相电源,电动机开始降压启动。当电动机转速上升到一定值时,速度继电器正转,使常开触点KS1闭合,使中间继电器KA1通电并自锁。这时由于KA1、KA3的常开触点闭合,接触器KM3线圈通电,于是3个电阻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工作转速。在电动机正常运转过程中,若按下停止按钮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点KS1尚未复原,中间继电器KA1仍处于工作状态,所以在接触器KM1常闭触点复位后,接触器KM2线圈通电,其常开触点闭合,使定子绕组经3个电阻R获得反相序三相交流电源,对电动机进行反接制动,电动机转速迅速下降。当电动机转速低于速度继电器动作值时,速度继电器常开触点复位,KA1线圈断电,接触器KM2释放,反接制动过程结束。

电动机反向启动和制动停车过程与正转时相同,此处不再赘述。

(2)能耗制动控制电路

所谓能耗制动,就是在电动机脱离三相交流电源之后,定子绕组上加一个直流电压,即通入直流电流,利用转子感应电流与静止磁场的作用达到制动的目的。根据能耗制动时间控制原则,可用时间继电器进行控制;也可以根据能耗制动速度原则,用速度继电器进行控制。下面分别用单向能耗制动和正反向能耗制动控制电路为例来说明。

①电动机单向运行能耗制动控制电路 图2-12所示为以时间原则控制的单向能耗制动控制电路。在电动机正常运行的时候,若按下停止按钮SB1,电动机由于KM1断电释放而脱离三相交流电源;直流电源则由于接触器KM2线圈通电,使其主触点闭合而加入定子绕组。时间继电器KT线圈与KM2线圈同时通电并自锁,于是电动机进入能耗制动状态。当其转子的惯性速度接近于零时,时间继电器延时打开的常闭触点断开接触器KM2的线圈电路。由于KM2常开辅助触点复位,时间继电器KT线圈的电源也被断开,电动机能耗制动结束。图中,KT的瞬时常开触点的作用是当出现KT线圈断线或机械卡住故障时,电动机在按下按钮SB1后仍能迅速制动,两相的定子绕组不至于长期接入能耗制动的直流电流。所以,在KT发生故障后,该电路具有手动控制能耗制动的能力,即只要使停止按钮处于按下的状态,电动机就能实现能耗制动。

图2-12 以时间原则控制的单向能耗制动电路

图2-13所示为以速度原则控制的单向能耗制动控制电路。该电路与图2-12所示的控制电路基本相同,这里仅是在控制电路中取消了时间继电器KT的线圈及其触点电路,而在电动机轴端安装了速度继电器KS,并且用KS的常开触点取代了KT延时打开的常闭触点。这样一来,该电路中的电动机在刚刚脱离三相交流电源时,由于电动机转子的惯性速度仍然很高,速度继电器KS的常开触点仍然处于闭合状态,所以接触器KA2线圈能够依靠SB1按钮的按下通电自锁。于是,两相定子绕组获得直流电源,电动机进入能耗制动。当电动机转子的惯性速度低于速度继电器KS动作值时,KS常开触点复位,接触器KM2线圈断电释放,能耗制动结束。

图2-13 以速度原则控制的单向能耗制动电路

②电动机可逆运行能耗制动控制电路 图2-14所示为电动机按时间原则控制的可逆运行的能耗制动控制电路。在其正常的正向运转过程中,需要停止时,按下停止按钮SB1,使KM1断电,KM3和KT线圈通电并自锁。

KM3常闭触点断开,起着锁住电动机启动电路的作用;KM3常开触点闭合,使直流电压加至定子绕组,电动机进行正向能耗制动。电动机正向转速迅速下降,当其接近于零时,时间继电器延时打开的常闭触点KT断开接触器KM3线圈电源。由于KM3常开辅助触点复位,时间继电器KT线圈随之失电,电动机正向能耗制动结束。反向启动与反向能耗制动过程与上述正向情况相同。

图2-14 电动机可逆运行的能耗制动控制电路

电动机可逆运行能耗制动也可以以速度原则,用速度继电器取代时间继电器,同样能达到制动目的。读者可自行分析该电路,这里不再详细介绍。

按时间原则控制的能耗制动一般适用于负载转速比较稳定的生产机械。对于那些能够通过传动系统实现负载速度变换,或者加工零件经常变动的生产机械来说,采用速度原则控制的能耗制动较合适。

能耗制动比反接制动消耗的能量少,其制动电流比反接制动电流小得多;但能耗制动的制动效果不及反接制动明显。同时,还需要一个直流电源,控制电路相对复杂,一般适用于电动机容量较大和启动、制动频繁的场合。

2.2.4 三相异步电动机调速控制电路

在很多领域中,要求三相笼型异步电动机的速度为无级调节,其目的是实现自动控制、节能,以提高产品质量和生产效率。电动机调速方法很多,如定子绕组极对数的变极调速和变频调速方式等。变极调速控制最简单,价格便宜,但不能实现无级调速。变频调速控制最复杂,但性能最好,随着其成本日益降低,目前已广泛应用于工业自动控制领域。

(1)基本概念

三相笼型异步电动机的转速公式为

  (2-1)

式中,n0为电动机同步转速;p为极对数;s为转差率;f1为供电电源频率。

从式(2-1)可以看出,三相笼型异步电动机调速的方法有三种:改变极对数p的变极调速、改变转差率s的降压调速和改变电动机供电电源频率f1的变频调速。本节只介绍变极调速,其他调速方法可参考相关书籍。

(2)变极调速控制电路

变极调速电路的设计思想是通过接触器触点改变电动机绕组的接线方式来达到调速的目的。变极电动机一般有双速、三速、四速之分。双速电动机定子装有一套绕组,三速、四速电动机有两套绕组。

下面以电动机单相绕组为例来说明变极原理。图2-15(a)所示为极数等于4(p=2)时的一相绕组的展开图。绕组由相同的两部分串联而成,两部分各称做半相绕组。一个半相绕组的末端X1与另一个半相绕组的首端A2相连接。图2-15(b)所示为绕组的并联连接方式展开图。其磁极数目减少一半,由4极变成2极(p=1)。从图2-15(a)、(b)可以看出,串联时两个半相绕组的电流方向相同,都是从首端进、末端出;改成并联后,两个半相绕组的电流方向相反。当一个半相绕组的电流从首端进、末端出时,另一个半相绕组的电流便从末端进、首端出。因此,改变磁极数目是通过将半相绕组的电流反向来实现的。

图2-15(c)和(d)所示为双速电动机三相绕组连接图。图2-15(c)所示为三角形(四极,低速)与双星形(二极,高速)接法;图2-15(d)所示为星形(四极,低速)与双星形(二级,高速)接法。

图2-15 双速电动机改变极对数的原理

若低速运行时,电动机三相绕组端子的1、2、3端接入三相电源;在高速运行时,4、5、6端接入三相电源,会使电动机因变极而改变旋转方向,因此变极后必须改变绕组的相序。各相绕组在空间相差的机械角度是固定不变的,电角度则随磁极数目改变而改变。例如,磁极数目减少一半,使各相绕组在空间相差的电角度增加1倍,原来相差120°电角度的绕组现在相差240°。如果相序不变,气隙磁场就要反转。

双速电动机调速控制电路如图2-16所示。图中,接触器KM1工作时,电动机为低速运行;接触器KM2、KM3工作时,电动机为高速运行。注意,变换后相序已改变。SB2、SB3分别为低速和高速启动按钮。按低速按钮SB2,接触器KM1通电并自锁,电动机接成三角形,低速运转;若按高速启动按钮SB3,接触器首先使KM1通电自锁,时间继电器KT线圈通电自锁,电动机先低速运转;当KT延时时间到,其常闭触点打开,切断接触器KM1线圈电源,其常开触点闭合,接触器KM2、KM3线圈通电自锁,KM3通电使时间继电器KT线圈断电,故自动切换,使KM2、KM3工作,电动机高速运转。这样“先低速后高速”的控制,目的是限制启动电流。

图2-16 双速电动机改变极控制电路

双速电动机调速的优点是可以适应不同负载性质的要求。如需要恒功率时,可采用三角形—双星形接法;如需要恒转矩调速时,用星形—双星形接法。双速电动机调速电路简单、维修方便;缺点是其调速方式为有级调速。变极调速通常要与机械变速配合使用,以扩大其调速范围。

2.2.5 其他典型三相电动机控制电路

(1)多地点控制电路

对于有些机械和生产设备,由于种种原因,常要在两地或两个以上地点进行操作。例如,对于重型龙门刨床,有时在固定的操作台上控制,有时需要站在机床四周用悬挂按钮控制;又如自动电梯,人在轿厢里时可以控制,人在轿厢外也能控制;在有些场合,为了便于集中管理设备,由中央控制台控制,但每台设备调整、检修时,需要就地控制。

多地点控制电路如图2-17所示。在图中,两地的启动按钮SB3、SB4常开触点并联起来控制接触器KM线圈。只要其中任一按钮闭合,接触器线圈KM就通电吸合。两地的停止按钮SB1、SB2常闭触点串联起来控制接触器KM线圈。只要其中有一个触点断开,接触器KM线圈就断电。推而广之,对于n地控制电路,只要将n地的启动按钮的常开触点并联起来,将n地的停止按钮的常闭触点串联起来控制接触器KM线圈即可。

图2-17 多地点控制电路

(2)顺序控制电路

在生产实践中,常要求各种运动部件之间能够按顺序工作。例如,车床主轴转动时要求油泵先给齿轮箱提供润滑油,即要求保证润滑泵电动机启动后主拖动电动机才允许启动,也就是控制对象对控制电路提出了按顺序工作的联锁要求。如图2-18所示,M1为油泵电动机,M2为主拖动电动机。在图2-18(a)中,将控制油泵电动机的接触器KM1的常开辅助触点串入控制主轴动电动机的接触器KM2的线圈电路中,实现按顺序工作的联锁要求。

图2-18(b)所示是采用时间继电器,按时间顺序启动的控制电路。电路要求电动机M1启动t秒后,电动机M2自动启动。这可利用时间继电器的延时闭合常开触点来实现。按启动按钮SB2,接触器KM1线圈通电并自锁,电动机M1启动,同时时间继电器KT线圈通电。定时t秒到,时间继电器延时闭合的常开触点KT闭合,接触器KM2线圈通电并自锁,电动机M2启动,同时接触器KM2的常闭触点切断时间继电器KT的线圈电源。

图2-18 顺序控制电路