《电机与电气控制》讲义(第六章)

第六章三相异步电动机的基本控制线路本章要点
●三相异步电动机的点动、长动和正反转控制线路
●三相异步电动机的起动、制动和调速控制线路
●三相异步电动机的顺序控制线路。

●三相异步电动机的自动控制原则。

本章难点
●三相异步电动机降压起动控制线路。

随着直流发电机、交流发电机、直流电动机和异步电动机的相继问世，拉开了电气控制技术的帷幕。

在工农业生产中，几乎所有的生产机械都用电动机来拖动，这种拖动方式称为电力拖动。

电力拖动有很多优点，它能实现生产过程的自动控制和远距离控制，可以减轻繁重的体力劳动，由于采取了从集中传动到单独传动、多电机传动等方式的过渡，使生产机械的传动机构大为简化，减少了传动损耗。

简而言之，采用电力拖动可以实现生产过程的自动化，提高生产效率，改善劳动条件，提高产品质量。

各种生产机械对电动机的运行要求不同，常用的有起动、正反转、调速、制动和互锁等。

为了实现这些要求，需要用各种电气元件组成电力拖动控制系统。

目前生产上广泛采用的是由继电器、接触器和按钮等组成的控制系统，这种控制系统称继电接触器控制系统，它具有所用电器结构简单、价格低廉、原理容易掌握、维修方便等优点。

随着生产过程自动化程度的提高，现代电力拖动系统中应用了许多新的控制电路，如电子无触点控制电路、可编程序控制器（简称PLC）、计算机控制技术等，以便对电动机和其它电气设备实施控制过程自动化，但继电接触器控制仍是一种基本控制，被广泛应用于电气行业中。

一个实际的自动控制系统，可能较为复杂，但要完成任何一个复杂的控制过程，都是通过一些基本环节来实现的。

因此，本章主要讨论三相异步电动机的基本控制线路，熟悉这些基本环节，就能更好地分析复杂的控制线路。

第一节三相异步电动机单向运行控制线路
三相异步电动机的单向运行控制线路是继电接触控制线路中最简单而又最常用的一种，这种线路主要用来实现异步电动机的单向起动、自锁、点动等要求。

一、单向运行的点动控制线路
在自动控制中，电动机拖动运动部件沿一个方向运动，称为单向运动。

这是基本控制线路中最简单的一种。

点动俗称“点车”，其特点是按下按钮，电动机就转动，松开按钮，电动机就停转。

它用于机床的刀架调整、试车、电动葫芦的起重电机控制等。

三相异步电动机单方向点动运行可由开关或接触器控制，其控制线路如图3.1所示。

对于容量较小，并且工作要求简单的电动机，如小型台钻、砂轮机、冷却泵电动机等，可采用手动开关在动力电路中接通电源直接起动。

其控制电路如图3.1中（a）图所示。

采用开关控制的电路仅适用于不频繁起动的小容量电机，它不能实现远距离控制和自动控制，也不能实现失压、欠压和过载保护。

(a) 刀开关控制单向运行（b）接触器控制单向运行
图6.1 三相异步电动机单方向点动运行控制线路
图6.1中的（b）图是采用接触器控制的单向运行点动控制线路。

分作主电路和控制电路两大部分，主电路由接触器的主触点接通与断开；控制电路由按钮、接触器吸引线圈组成，控制接触器线圈的通断电，实现对主电路的通断控制。

1．电路的工作原理
起动：合上电源开关QS，按下起动按钮SB1，接触器KM线圈通电，主触点闭合后，电动机接通电源起动。

停止：松开起动按钮SB1，接触器KM线圈失电，主触点断开后，电动机脱离电源停止转动。

2．保护环节：
图中熔断器FU1、FU2分别串联在主电路和控制电路中，起短路保护作用；
刀开关QS起隔离电源的作用，当更换熔断器、检修电动机和控制线路时，用它断开电源，确保操作安全。

二、单向运行起停自锁控制线路
一般生产机械要求电动机起动后能连续运行，由停止按钮控制停止，此为长动。

显然采用点动控制线路是实现不了长动的，为使电动机起动后能连续运行，必须采用自锁环节。

图6.2是三相异步电动机单向连续运行控制线路，它与图6.1（b）图的区别在于电路中增加了一个停止按钮SB2和接触器KM的一个常开辅助触点，该触点与起动按钮SB1并联；并设置了用于过载保护的继电器FR，其热元件串接在主电路中，而常闭触点串接在控制电路中。

图6.2 三相异步电动机单向连续运行控制线路
图中由刀开关QS、熔断器FU1、接触器KM的主触点、热继电器FR的热元件与电动机M构成主电路；停止按钮SB1、起动按钮SB2、接触器KM的吸引线圈及常开辅助触点、热继电器FR的常闭触点与熔断器FU2构成控制电路。

1．电路的工作原理：
起动：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM吸引线圈通电，KM 的主触点闭合，电动机M起动。

同时与SB2并联的KM常开辅助触点闭合，相当于将SB2短接，所以当松开起动按钮SB2后，KM吸引线圈仍然通电，电动机继续运行，实现长动，这种依靠接触器自身的辅助触点来使其线圈保持通电的电路，称为自锁或自保电路，起自锁作用的常开辅助触点称自锁触点。

停止：按下停止按钮SB1，切断KM吸引线圈电路，使线圈失电，常开触点全部断开，切断主电路和控制电路，电动机停转。

当松开停止按钮SB1后，控制电路已经断开，只有再次按下起动按钮SB2按钮，电动机才能重新启动。

2．保护环节：
（1）熔断器FU1、FU2分别串联在主电路和控制电路中，起短路保护作用，但是不起过载保护作用。

（2）热继电器FR具有过载保护作用。

电动机在较长时间过载下FR才动作，其常闭触点断开，使接触器KM吸引线圈断电，主触点断开，切断电动机的电源，实现了过载保护。

（3）接触器KM具有欠压和失压（零压）保护功能，此功能是依靠接触器的电磁机构来实现的。

当电动机正常起动后，由于某种原因使电源电压过分降低，而电动机的电磁转矩与电压的平方成正比（T∝U2），因此使电动机的转速大幅度下降，绕组电流大大增加。

如果电动机长时间在这种欠压状态下工作，将会使电动机严重损坏，为防止电动机在欠压状态下工作的保护叫做欠压保护。

当因某种原因电源电压突然消失而使电动机停转，那么，电源电压恢复时，电动机不应自行起动，否则可能造成人身事故或设备事故，这种保护称为失压保护（也称零电压保护）。

在本电路中，当电动机运行时，若电源电压降至额定电压的85%以下或失压时，接触器吸引线圈产生的磁通大为减小，电磁吸力不够，接触器所有常开触点均断开，自锁作用也解除，电动机脱离电源而停转，所以，接触器具有欠压保护功能。

当电源电压恢复正常时，接触器的吸引线圈不能自动通电，因而电动机不会自行起动，可避免各种意外事故发生。

所以，接触器具有失压（零电压）保护功能。

由此可见，带有自锁功能的控制线路都具有欠压和失压（零电压）保护功能。

三、单向运行既能点动也能长动的控制线路
实际生产中，同一机械设备有时候需要长时间运转，即电动机持续工作；有时候需要手动控制间断工作，这就需要能方便地操作点动和长动的控制线路。

图6.3所示电路是既能实现点动，同时也能实现长动控制的常用控制电路。

（a）开关控制(b) 按钮控制
图6.3 实现点动和长动的控制线路图6.4 多地控制线路图6.3（a）是采用组合开关SA断开或接通自锁回路，实现点动、长动控制。

当需要点动控制时，将开关SA断开，切断自锁回路，此时SB2具有点动按钮的功能，按下或松开SB2即可实现对电动机的点动控制。

当需要连续工作时，闭合开关SA，接通自锁回路，按下SB2后，电动机起动，松开SB2电动机持续工作，只有按下SB1，电动机才停止运行，即实现了电动机连续运行的长动控制。

图6.3（b）是用点动复合按钮的常闭触点断开或接通自锁回路，实现点动、长动控制。

若需要点动控制时，按下点动按钮SB3，其常闭触点先断开，切断自锁回路，而常开触点后闭合，使KM吸引线圈通电，KM的主触点闭合，电动机起动，此时KM的自锁触点虽然闭合，但是SB3常闭触点处于断开状态，所以自锁触点无效。

当松开SB3时，在其常开触点断开而常闭触点尚未闭合的瞬间，KM吸引线圈处于断电状态，自锁触点断开，故当SB3常闭触点恢复闭合时，就不可能使KM的线圈得电，所以实现了点动控制。

若需要连续运行时，只要按连续运行的起动按钮用SB2即可；当需要电动机停转时，则需按下停止按钮SB1，由此实现长动控制。

四、多地控制线路
在大型生产设备上，为使操作人员在不同位置均能进行起、停操作，常常要求组成多地控制线路，接线的原则是将各起动按钮的常开触点并联，各停止按钮的常闭触点串联，分别安装在不同的地方，即可进行多地操作。

如图6. 4所示电路，SB2、SB3、SB4均为起动按钮，SB1、SB5、SB6均为停止按钮。

第二节三相异步电动机正反转控制线路
在生产上往往要求运动部件向正反两个方向运动，例如机床工作台的前进与后退，主轴的正传与反转，起重机的提升与下降等等。

根据电动机工作原理可知，只要改变电动机电源相序，即交换三相电源进线中的任意两根相线，就能改变电动机的转向。

为此可用两个接触器的主触点来对调电动机定子绕组电源的任意两根接线，就可实现电动机的正反转。

如图3.5所示为电动机的正反转控制线路。

图3.5中的（a）图为主电路，当接触器KM1工作时，KM1的三对主触点把三相电源和电动机的定子绕组按顺相序L1、L2、L3连接，电动机正转。

当接触器KM2工作时，则KM2的三对主触点把三相电源和电动机的定子绕组按反相序L3、L2、L1连接，电动机反转。

但是，如果两个接触器同时工作，那么从图中可以看到，将由两根电源线通过它们的主触点而将电源短路了。

所以对正反转控制线路最根本的要求是：必须保证两个接触器不能同时工作。

这种在同一时间里两个接触器只允许其中一个接触器工作的控制作用，称作互锁。

图6.5(b)和(c)两个图是两种有互锁保护的三相异步电动机正反转控制线路。

（a）主电路(b) 电气互锁(c) 双重互锁
图6.5三相异步电动机正反转电气控制线路
一、接触器互锁的正反转控制线路
图6.5（b）控制线路中，分别在接触器KM1 、KM2线圈的支路中串接了对方的一个常闭辅助触点，这样可以保证接触器KM1 、KM2不会同时通电。

这种作用称为互锁，这两个常闭触点称为互锁触点，这种通过接触器常闭触点实现互锁的控制方式称为接触器互锁。

（1）正转控制：如果按下正转起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电且自锁，主触点闭合使电动机正转，与此同时，互锁触点断开，切断了反转接触器KM2线圈的通路，此时按下反转起动按钮SB3将无效。

（2）反转控制：先按下停止按钮SB1, 接触器KM1线圈断电，主触点和自锁触点断开，电动机断电停转。

此时接触器KM1的互锁触点重新闭合，为接通反转控制电路做好准备。

再按下反转起动按钮SB3，接触器KM2线圈通电且自锁，主触点闭合使电动机反转。

与此同时，互锁触点断开，切断了正转接触器KM1线圈的通路，此时按下正转起动按钮SB3将无效。

接触器互锁的优点是安全可靠。

如果发生一个接触器主触点熔焊的故障，因它的互锁触点不能恢复闭合，另一个接触器就不可能通电动作，从而可靠地避免了电源短路的事故。

它的缺点是电动机正转时，欲使其反转，必须先按停止按钮SB1，电动机停下来后再按反转起动按钮SB3，这样虽对保护电动机有利，但操作不够方便。

二、按钮和接触器互锁的正反转控制线路
图6.5（c）控制线路中起动按钮改用复合按钮，将正转起动按钮SB2的常闭触点串接在反转控制回路中，将反转起动按钮SB3的常闭触点串接在正转控制回路中，这样便可以保证正、反转两条控制回路不会同时被接通。

若要电动机由正转变为反转，不需要再按下停止按钮，可直接按下反转起动按钮SB3；反之亦然。

这种电路操作方便，安全可靠，且反转迅速，因此在小容量的电动机正反转控制中应用很广。

但是对于大容量的电动机，由于转动惯量大，马上反转容易引起机械故障，所以还是采用接触器互锁控制线路，先停机再反转，使工作更加可靠
和安全。

三、自动往复运动控制线路
实际生产中，需要某些电气设备实现往返运动。

如机床的工作台、高炉的加料设备等均需自动往复运行，而自动往复的可逆运行通常是利用行程开关来检测往复运动的相对位置，进而通过行程开关的触点控制正反转回路的切换，使电动机实现正反转运行，来实现生产机械的往复运动。

如图6.6所示为机床工作台往复运动的示意图。

图6.6机床工作台往复运动示意图
工作台由电动机拖动，它通过机械传动机构可使工作台向前或向后运动。

在工作台上装有挡铁，机床床身上装有行程开关SQ1、SQ2、SQ3和SQ4。

挡铁分别和SQ1、SQ3、SQ2、SQ4碰撞。

其中SQ1、SQ2分别反映加工原点和加工终点。

SQ3、SQ4起极限保护的作用。

工作台前进至终点B处，或后退至原位A处置，将分别压下SQ2、SQ1，使其触点动作，改变控制电路的通断状态，使电动机正反向运转，实现运动部件的自动往返运动。

如图6.7所示为往复自动循环控制线路。

图6.7 往复自动循环控制电路
按下正向起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电并自锁，电动机正向旋转，拖动工作台前进，到达加工终点，挡铁压下SQ2，其常闭触点断开，KM1失电，电动机停止正转，但SQ2常开触点闭合，又使接触器KM2线圈通电并自锁，电动机反向起动运转，拖动工作台后退，当后退到加工原点，挡铁压下SQ1，使KM2失电，KM1通电并自锁，电动机由反转变为正转，工作台由后退变为前进，如此周而复始地
自动往复工作。

按下停止按钮SB3时，电动机停止，工作台停止运动。

若SQ1、SQ2失灵，则由极限保护行程开关SQ3、SQ4实现保护，避免工作台应超出极限位置而发生事故。

从以上控制过程可以看出，工作台每经过一个自动往复循环，电动机要进行两次反接制动过程，出现较大的反接制动电流和机械冲击力。

因此这种线路只适用于循环周期较长而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，应比一般情况下大些。

第三节鼠笼式异步电动机的起动控制线路
电动机接通电源后由静止状态逐渐加速到稳定运行状态的过程，称为电动机的起动。

三相鼠笼式异步电动机有全压起动和降压起动两种方式。

若将额定电压直接加到电动机定子绕组上，使电动机起动，称为直接起动或全压起动，如前所述的三相异步电动机的单向运行控制线路和正反转控制线路均为全压起动方式。

全压起动所用电气设备少，电路简单，是一种简单、可靠、经济的起动方法。

但是全压起动电流很大，可达电动机额定电流的4 ~ 7倍，过大的起动电流会使电网电压显著降低，直接影响在同一电网工作的其它设备的稳定运行，甚至使其他电动机停转或无法起动。

因此，直接起动电动机的容量受到一定限制。

可根据起动次数、电动机容量、供电变压器容量和机械设备是否允许来分析，也可由下面的经验公式来确定。

（6-1）
式中：Ist----- 电动机起动电流，A；
I N----- 电动机额定电流，A；
S------ 电源容量，kV A；
P N------电动机额定功率，kW；
满足此条件可全压起动，通常电动机容量不超过电源变压器容量的15% ~ 20% 时或电动机容量较小时（10kW以下），允许全压起动。

当电动机容量在10kW以上，或不满足公式3—1时，应采用降压起动。

有时为了减小和限制起动时对机械设备的冲击，即使允许采用全压起动的电机，也往往采用降压起动。

降压起动方法的实质就是在电源电压不变的情况下，起动时降低加在定子绕组上的电压，以减小起动电流；待电动机起动后，再将电压恢复到额定值，使电动机在额定电压下运行。

常用的三相鼠笼式异步电动机降压起动方式有以下四种：定子绕组串接电阻（或电抗器）降压起动、Y--△连接降压起动、自耦变压器降压起动、延边三角形等起动方法。

一、定子电路串电阻（电抗器）降压起动控制线路
1．定子串电阻降压起动自动控制线路
如图6.8是定子串电阻降压起动控制线路。

电动机起动时在三相定子绕组中串接电阻，使定子绕组上电压降低，起动结束后再将电阻短接，使电动机在额定电压下运行。

图中KM1为接通电源接触器，KM2为短接电阻接触器，KT为起动时间继电器，R为降压起动电阻。

图6.8 定子串电阻降压起动控制线路
电路工作原理如下：合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM1通电并自锁，同时时间继电器KT通电，电动机定子串入电阻R进行降压起动。

经一段时间延时后，时间继电器KT的常开延时触点闭合，接触器KM2通电，三对主触点将主电路中的起动电阻R短接，电动机进入全电压运行。

KT的延时长短根据电动机起动过程时间长短来调整。

本电路正常工作时，KM1、KM2、KT均工作，不但消耗了电能，而且增加了出现故障的可能性。

若发生时间继电器KT常开触点不动作的故障，将使电动机长期在降压下运行，造成电动机无法正常工作，甚至烧毁电机。

若在电路中作适当修改，可使电动机起动后，只有KM2工作，KM1、KT均断电，可以达到减少回路损耗的目的，读者可以自行设计达到此要求的控制线路。

2．具有手动与自动控制的定子串电阻控制线路
如图6.9为具有手动与自动控制的定子串电阻降压起动控制线路。

它是在图3.8控制线路的基础上增加了一个选择开关SA，其手柄有两个位置，当手柄置于M位置时为手动控制，当手柄置于A位置时为自动控制。

增设了升压控制按钮SB3，用于完成电动机进入全压运行的控制。

在主电路中KM2主触点跨接在KM1与电阻R两端，在控制回路中设置了KM2自锁触点与联锁触点，这就提高了电路的可靠性。

图6.9 自动与手动串电阻降压起动控制线路
电路工作原理如下：
（1）当进行电动机起动的自动控制时，将选择开关SA的手柄置于A位置，在控制电路中按下起动按钮SB2，KM1线圈通电并自锁，主触点闭合，使电动机串电阻降压起动；KM1的辅助常开触点闭合，使时间继电器KT线圈通电，经过一段延时后，其延时触点闭合，KM2线圈通电并自锁，主触点闭合，将KM1主触点和电阻R短接后，电动机进入全压运行，实现了定子电路串电阻降压起动的自动控制。

（2）当进行电动机起动的手动控制时，将选择开关SA的手柄置于M位置，在控制电路中按下起动按钮SB2，KM1线圈通电并自锁，主触点闭合，使电动机串电阻降压起动；当其转速接近稳定转速时，则按下手控按钮SB3，KM2线圈通电并自锁，将KM1主触点和电阻R短接后，电动机进入全压运行，实现了定子电路串电阻降压起动的手动控制。

在本电路中，电动机起动结束进入正常运行后，KM1、KM2处于断电状态，不仅减少了能耗，而且减少了故障率。

一旦发生时间继电器KT常开触点闭合不上的故障，可将开关SA扳在M位置，按下升压控制按钮SB3，KM2线圈通电，电动机便可进入全压下工作，所以本电路克服了图3.8控制线路的缺点，使电路更加安全可靠。

定子电路串电阻见压起动的方法具有起动平稳、运行可靠、构造简单等优点。

但是由于起动电压的降低，将使起动转矩减小，所以这种方式仅适用于空载起动或轻载起动的场合。

另外，由于存在起动电阻，将使控制柜体积增大，电能损耗增大，所以对于大容量电动机往往采用联接电抗器来实现降压起动。

二、Y--△降压起动控制线路
对于正常运行使定子绕组为三角形联接的三相鼠笼式异步电动机，可采用Y--△降压起动方式达到限制起动电流的目的。

电动机起动时，首先将定子绕组先暂时连接为Y形，进行降压起动。

此时每相绕组承受的电压为全压起动的3
1，起动
电流为全压起动时电流的1/3，起动转矩为全压起动时的1/3。

当起动完毕，电动机转速达到稳定转速时，再将定子绕组接为△形，使电动机在全压下运行。

因为Y--△降压起动时的起动转矩仅为33%的全压起动转矩，所以这种降压起动方式，只适用于轻载或空载下的起动。

常用的Y--△降压起动控制线路有以下几种：
1．两个接触器控制的Y--△降压起动控制线路
如图6.10所示为鼠笼式电动机功率在4 ~ 13 kW时常用的两个接触器构成的Y--△降压起动的控制线路。

图中，KM1为电源接触器，KM2为Y--△形联结接触器，KT为通电延时时间继电器。

图6.10 两个接触器控制的Y--△降压起动的控制线路
电路工作原理如下：
起动时，按下起动按钮SB2，其常闭触点先断开，互锁接触器KM2的线圈回路。

利用KM2的辅助常闭触点将电动机定子绕组接为Y形联结；而SB2的常开触点随即闭合，使接触器KM1的线圈通电，KM1的主触点闭合，将三相电源接入电动机的定子绕组，这时电动机进入降压起动。

在接触器KM1的线圈通电的同时，通电延时时间继电器KT的线圈也已通电，但是触点尚未动作。

经过一定时间的延时后，KT的常闭触点先断开，使接触器KM1的线圈瞬时断电，KM1的主触点断开，电动机定子绕组断开Y形联结，KM1的辅助常闭触点复位,，此时KT的常开触点闭合，使接触器KM2的线圈通电并自锁。

由于KM2的触点的动作，使电动机的定子绕组由Y形联结转为△联结，并使接触器KM1的线圈再次通电，KM1的主触点闭合，给电动机定子绕组接通电源，此时电动机进入△联结下的全压运行。

至此，电动机的Y--△降压起动结束，电动机进入全压下的运行。

停止时，按下停止按钮，KM1、KM2线圈断电，所有触点均复位，电动机脱
离电源，将停止运行。

本电路有以下几个特点：
（1）利用接触器KM2的常闭辅助触点来连接电动机星形中性点，由于电动机三项平衡，星点电流很小，所以虽然是辅助触点，但触点的容量是允许的。

（2）电动机在Y--△降压起动过程中，KM1与KM2换接过程有一间隙，出现短式断电，这种情况可以避免由于电器动作不灵活引起电源短路故障的发生。

但由于机械惯性，在换接成△联结时，电动机电流并不大，对电网没有多大的影响。

（3）将起动按钮SB2的常闭触点串接于KM2的线圈回路中，防止电动机刚刚起动时直接接成△联结起动运行。

2. 三个接触器控制的Y--△降压起动控制线路
如图6.11所示为三个接触器控制的鼠笼式电动机Y--△降压起动的控制线路。

当电动机容量在13kW以上时，可以采用本电路。

图中，KM1为电源接触器，KM2为△形联结接触器，KM3为Y形联结接触器，KT为通电延时时间继电器。

KM2 的常闭触点串接在KM1 和KT的线圈回路中，KM3 的常闭触点串接在KM2 和的线圈回路中，以实现互锁。

图6.11 三个接触器控制的Y--△降压起动的控制线路
线路中用了通电延时时间继电器KT的两个延时触点：一个是通电延时断开的常闭触点，一个是通电延时闭合的常开触点。

电动机起动时，接触器KM1和KM3 工作，电动机接成Y形联结起动；电动机运行时，接触器KM3释放，KM1 和KM2工作，电动机接成△形联结运行。

电路的工作原理如下：
合上电源开关，按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电并自锁，同时使接触器KM3线圈也持续通电，KM3的辅助常闭触点断开，切断KM2线圈；KM1、KM3的主触点闭合，电动机接成Y形联结，接入三相电源进行降压起动。

此时，时间。