第2章 交流电机控制电路设计基础

2.1 异步鼠笼电机的启动与停车控制电路

通常异步鼠笼电机的启动与停止的控制都是通过按钮实现的，在图2-1所示的主电路图中，QF是一个低压断路器，它在此是异步鼠笼电机M的供电电源开关。KM是交流接触器，在断路器接通的条件下，可以通过对接触器线圈的得电与失电的控制，实现对电机的启/停控制。而图2-1中的控制电路，就正好满足了对电机的启/停控制的要求。

电路中有一个带有常开触点的按钮SB1，在电路中作用是启动电动机M的按钮；一个带有常闭触点的按钮SB2，在电路中的作用是对电机进行停车控制。电机的具体启停控制过程如下：

（1）启动。启动按钮SB1按下后，按钮SB1的常开触点接通，这时A相电经由熔断器FU1和按钮SB2的常闭触点，送到接触器KM的线圈，接触器线圈的另一端，经由热继电器FR的常闭触点和熔断器FU2到C相电，从而形成接触器线圈的供电回路，接触器得电动作，其主触点吸合，电动机M启动并工作。

（2）运行。电机通过启动按钮启动后，操作人员会放开启动按钮SB1，启动按钮SB1回到原来的常开状态，原来启动时的电路通路，因启动按钮的复位被断开。这时，与启动按钮并联的接触器KM的常开辅助触点，因接触器线圈得电而吸合，使接触器的线圈通过其本身的触点继续得电，电动机M继续工作。这种利用接触器的辅助触点，与启动按钮常开触点并联形成的控制电路，通常称为自锁控制电路。

（3）保护。

① 过载保护。在控制电路中，将热继电器FR的常闭辅助触点，串联在接触器KM的线圈控制回路中。当电机过载，电流增大时，热继电器FR内的热感受元件受热后，会使双金属片弯曲加重，并最终将自身的常闭辅助触点断开，从而断开接触器KM的线圈供电回路，接触器失电复位，电机被保护断电停车。

② 断路器的保护作用。主电路中的给电机供电的断路器QF，也可对电机实现短路等保护作用。

③ 控制电路中的保护。因为在控制电路回路中，其电源处的A、C相电均设计有熔断器（FU1和FU2），当控制电路出现短路、过载等现象时，熔断器被熔断，控制电路缺相，接触器会因KM线圈电压降低失电复位、电机M被保护停车。

（4）停车。电机运行后，如果需要停车，可按下停车按钮SB2，SB2常闭触点断开，使接触器线圈的控制回路开路，接触器线圈失电复位，电机M停车。

（5）电机的工作状态指示。

① 电机工作指示。当接触器KM线圈得电吸合时，其常开触点动作吸合，指示灯HL1因电路接通点亮，表示电机工作。

② 电机过载指示。当电机M过载，热继电器动作，使串联在接触器线圈回路的热继电器FR的常闭触点断开，接触器KM线圈失电复位的同时，热继电器FR的常开触点接通了指示灯HL2的电路，HL2灯亮，表示电机过载。

2.2 交流异步鼠笼电机的正转与反转控制电路

在工厂或其他电气设备中，有许多情况，是需要对交流异步鼠笼电机进行正反转控制的，如车床的往复运动、电梯或提升机的上下运行等。

按照交流异步电机的工作原理，如果交流异步电机的正转时，其交流电源的相序为A-B-C，那么，把电源的相序调整为C-B-A后，就可以使电机反转。根据这样的要求，可以得到图2-2所示的交流异步电机的正/反转的主电路图。

在图2-2的主电路图中，设有一个电机正转时应该吸合的接触器KM1，以保证电机M的供电，满足A-B-C的相序要求；另设一个电机反转时应该吸合的接触器KM2，以满足电机反转所需的C-B-A的电源相序。电机的正/反转控制电路的控制过程和特点有以下几点。

（1）正转启动。正转启动按钮SB1按下，其常开触点动作闭合，正转接触器KM1线圈回路接通，线圈得电，主触点接通，电机以A-B-C的相序正转启动。

（2）正转运行。电机正向启动后，工作人员将正转启动按钮SB1放开，正转启动按钮触点复位，这时正转接触器KM1的线圈，因电路中正转接触器KM1的辅助触点动作所形成的自锁控制电路而继续得电，保证了电机正常的正转运行。

（3）正向停车。当电机正转工作结束，需使其停车时，可按下停车按钮SB3，串联在正转接触器线圈回路中的停车按钮的常闭触点动作断开，使正转接触器线圈的控制回路断电，线圈失电，主触点复位，电机正向停车。

（4）反转启动。按下反转启动按钮SB2，使SB2的常开触点动作闭合，接触器KM2线圈得电并动作，主电路中电源经KM2的主触点给电机供电，电机反转启动。

（5）反转运行。电机反向启动后，操作人员放开反向启动按钮SB2，反向启动按钮复位断开，这时与反转启动按钮SB2并联的接触器KM2的常开辅助触点，因其线圈得电而闭合，形成自锁控制，可以继续给反向运行接触器KM2线圈供电，使电机继续反向运行。

（6）反向停车。按下停车按钮SB3，串联在反向运行接触器KM2线圈回路的停车按钮的常闭触点动作断开，线圈失电复位，电机反向供电主电路断开，电机停车。

（7）正/反转运行的闭锁控制。由于电机的正/反向运行时的供电电源的相序是不同的，如果正向运行接触器和反向运行接触器发生同时吸合动作，将会发生短路现象，给生产和设备造成严重后果，这是不允许的。因此，为防止此类现象的发生，在正/反转各接触器线圈的控制电路中，必须进行电气闭锁。图2-2的控制电路，就可满足这一闭锁要求。具体方法是，将反向运行接触器KM2的常闭辅助触点，串联在正向运行接触器KM1的线圈供电回路中；同时，将正向运行接触器KM1的常闭辅助触点，串联在反向运行接触器KM2的线圈供电回路中，这样，就可保证电机的正转接触器KM1吸合时，使反转接触器KM2的线圈回路断电；反之，电机的反转接触器KM2吸合时，可保证使正转接触器KM1线圈断电。这种闭锁控制，在电气控制电路中是经常使用的方法。

（8）电机的保护。交流电机的正转和反转的区别，就是电机供电相序的不同，因此对电机而言，不论正转的保护，还是反转的保护，二者要求是一样的，即它的过载保护和电源供电的保护只需一个热继电器和一台断路器就可满足要求，这和图2-1所示的保护是一样的。

（9）控制电路的保护。电路中仍然采用了图2-1中选用熔断器的保护方法。

（10）电机工况的指示。由于电机有正向和反向两种运行情况，所以应该对其分别进行指示。在图2-2中，利用正向运行接触器KM1的常开辅助触点，控制电机正向运行指示灯HL1；反向运行接触器KM2常开辅助触点，控制电机反向运行指示灯HL2，即可实现分别对电机的正转和反转运行进行指示。另外，利用正转和反转的两个接触器的常闭辅助触点进行串联，控制指示灯HL4，可以表示电机的停车状态。和图2-1一样，电路中利用热继电器的常开触点，连接指示灯HL3，表示电机过载。

（11）停车按钮的选择。图2-2电路中，停车按钮SB3使用了两个彼此独立的常闭触点，其中一个串联在正向启动运行接触器KM1的线圈控制回路中，另一个串联在反向启动运行接触器KM2的线圈控制回路中，从而使控制实现了用一个按钮，控制两种方式的停车。这种控制方式在工业现场的应用中也是常见的。但是，如果需要，也可以设计两个停车按钮，对电机的正转和反转分别进行停车控制。

2.3 电机的点动控制电路

所谓点动控制是指，运行按钮按下时，电机运行，按钮放开，电机停车。和图2-1中电机启/停的控制、图2-2中电机正/反转的控制是有区别的，在电机的点动控制电路中，是不需要专门设置停车按钮的。

电机的点动控制在工厂的应用中也是经常需要的，如在行车的控制电路中，行车体的行走、吊钩的上下移动和前后移动均采用点动的控制方式。

在图2-3所示的一台电机的单方向的点动控制电路和主电路中，电机点动的主电路和图2-1的主电路图完全一样，二者的区别在控制电路中。点动控制不再需要接触器的常开辅助触点进行自锁控制，也不需要停车按钮，电机的启/停完全由按钮SB控制实现。即按钮SB按下，按钮SB的常开触点闭合，接触器KM线圈得电，电机运行；按钮SB放开，其常开触点断开，接触器KM线圈失电，电机停车。电机点动控制的特点就是，电机的运行完全是依靠按钮SB进行，不再需要其他的辅助触点。

将图2-3中的电机单方向点动控制电路，改成图2-4所示的电机的正/反向点动控制电路，就可以变成工厂行车的前、后行走的控制电路。一个行车，一般有三台电机，其中一台负责行车的前后行走，一台负责吊钩的左右行走，一台负责吊钩的上下移动。

电机和控制电路的保护，采用了和上面叙述中相同的保护方法。需要说明的是，在行车的控制电路中，有时候因为控制是在手操控制盒上进行，为了简单，手操控制盒上一般没有指示灯。

2.4 两台电机的顺序启动与同时停车的控制电路

工业上的现场，经常需要对多台设备彼此间，进行顺序启动和停车的控制，以防止设备运行时发生故障。图2-5所示的电路，是按照两台电机顺序启动，同时停车的控制要求所提供的。控制过程如下：

（1）1#电机的启动与运行。1#电机的启动按钮SB1按下，其常开触点闭合，控制1#电机启停的接触器KM1的线圈得电，接触器KM1吸合，1#电机启动并运行。同时，利用KM1的常开辅助触点，与SB1的触点并联，形成1#电机的自锁控制。

（2）2#电机的启动与运行。当KM1吸合后，串联在与2#电机启/停相关联的接触器KM2线圈回路的常开触点KM1闭合，这时按下2#电机的启动按钮SB2，接触器KM2的线圈得电，2#电机启动并运行。同时，利用KM2的常开辅助触点，与2QA的触点并联，形成2#电机的自锁控制。

（3）1#、2#两台电机的停车。在1#、2#电机运行的情况下，按下停车按钮SB3，分别串联在KM1和KM2线圈回路的停车按钮的两个常闭触点同时动作，使KM1和KM2线圈断电，两台电机均停车。

（4）电路中顺序控制的特点。这里的顺序控制是，在1#电机没有启动运行的条件下，2#电机是无法启动运行的。因为在2#电机的接触器KM2的线圈控制回路中，串联了1#电机接触器KM1的常开辅助触点，当KM1不吸合，1#电机不工作时，KM2的线圈控制回路在KM1的闭锁下是断开的，KM2是无法吸合工作的。

（5）电机的保护。电路中的两台电机对应着两台设备，因而对设备的保护也应该分别进行。图2-5中，两台电机分别设计了与其本身参数相关的断路器和热继电器，予以进行过载、短路等保护，对控制电路中应该的保护，则仍然参照上面的做法，利用熔断器进行保护。通常，在控制电路中，也可进行微型断路器加熔断器的双重保护方法。

2.5 带有自耦变压器的降压启动控制电路

一般的交流异步电机，启动时的电流，是正常运行时的5～7倍。当电机功率比较小时，电机的直接启动，对电网冲击不大，可以直接启动，不必采取其他的辅助措施。如果电机的功率比较大，并且启动时对电网的冲击不能忽略，这时就不能采取直接启动的方法，而必须采用相关的辅助措施，以降低电机的启动电流。通常鼠笼电机启动时，较为常见的降低电机启动电流的方法有两种:一种是利用自耦变压器的降压原理，启动时对电机进行降压启动，启动结束后，自动切除自耦变压器的降压电路，接通正常电压电路，使电机运行；另一种降压启动的方法是，利用电机工作时，Y-△电路的电压关系，进行降压启动。以电机的额定电压为3Φ380V AC为例，当电机的三相绕组接成Y形接法时，电机每相绕组所承受的电压为；如果把电机的绕组接成△形接法，则电机每相绕组所承受的电压为380V。因此，电机启动时，先将电机的三相绕组，按照Y形接法供电；启动结束，将电机由Y形接法供电转换成△形接法供电，电机可以以正常的电压运行。这就是通常所说的Y-△降压启动方式。

下面对图2-6中的带有自耦变压器的降压启动电路的控制过程进行详细的分析。

主电路图。在主电路图中，电机M的供电有两条电路:一条是从电源经断路器QF、接触器KM1、热继电器FR到电机M，这是电机的正常运行供电电路；另一条是从电源经断路器QF、接触器KM2进到自耦变压器ZOB，再由自耦变压器的中间抽头出来，经热继电器FR到电机M，这是电机的降压供电电路。一般自耦变压器三个绕组的中间出线抽头，每组有两个（一个是65%，一个是80%），这样可以使电机启动时的供电电压，按照额定电压的65%或80%进行启动，以降低电机的启动电流，同时也可避免电机的启动电压太低，造成电机得不到足够的启动力矩而启动失败。

控制电路图。在图2-6的控制电路中，将电机从启动到运行的电路切换与控制，分成自动和手动两种控制方法。所谓自动，是指按下启动按钮SB1，电机经由自耦变压器ZOB降压供电启动，并将此过程延时6～12s。待电机完全启动后，电路可以自动实现从自耦变压器的降压启动供电方式，转换到运行时的电网电压供电方式上。而手动控制，则是按下启动按钮SB1，电机经由自耦变压器ZOB供电，进行降压启动和运行（这一点和自动方式一样），但是，这时的电路控制，将不会把启动时的自耦变压器降压供电的电路断开，转换到正常运行时的电网全压供电方式上。要想实现这种转换，就必须由人工通过运行按钮SB3进行转换。图2-6中的这种自动和手动两种电路控制方式的电路闭锁控制，是通过一个转换开关SK实现的，即当转换开关SK转到自动方式时，电路的A点和停车按钮SB2是接通的，电路的S点和停车按钮SB2是断开的；当转换开关转到手动时，电路的A点和停车按钮SB2是断开的，电路的S点和停车按钮SB2是接通的。A点和S点是不会发生短路接通现象的。

1.电机的自动启动控制

将转换开关打到自动位置，A点与停车按钮SB2电路接通。

（1）降压启动。按下启动按钮SB1，接触器KM3线圈得电，其主触点动作，使自耦变压器的中心点接通，同时KM3的辅助触点接通，也使接触器KM2线圈得电，KM2的主触点接通，将电源接入自耦变压器ZOB，并分别从其三个绕组的中间抽头接进电机定子绕组，电机得电启动。

（2）启动过程的延时控制。在接触器KM2线圈处并联有一个时间继电器KT的线圈，当接触器KM2线圈得电时，时间继电器KT的线圈也得电并开始定时。在时间继电器定时期间，控制电路的控制关系不发生任何变化，电机始终处在由自耦变压器降压供电的状态中。

（3）从降压启动供电电路到运行供电电路的转换控制。当时间继电器KT的定时时间到，控制电路中时间继电器KT的常开延时触点动作，给中间继电器KA的线圈供电，中间继电器KA在控制电路中的常闭触点动作，切断了接触器KM3、KM2和时间继电器KT的线圈供电回路，使电机的自耦变压器降压的供电电路，因接触器KM3、KM2的复位而断开。同时，中间继电器KA的常开触点闭合，使接触器KM1的线圈得电，电机在接触器KM1的主触点接通状态下，以正常的电压供电方式运行，电路切换控制结束。

（4）中间继电器KA的自保持控制电路。由于中间继电器KA的常闭触点动作，将接触器KM3和KM2的线圈断电的同时，也将时间继电器KT的线圈断电，时间继电器KT的常开延时触点也会复位断开。因此，控制电路中，增加了中间继电器KA的自保持控制电路，这样就可以保证时间继电器KT的延时触点断开时，由中间继电器KA的常开触点继续给其线圈供电，使电机能维持正常运行。

（5）电机停车。按下停车按钮SB2，停车按钮的常闭触点断开，控制电路缺相（C相电缺相），接触器因线圈失电而断开，电机停车。

2.电机的手动启动和运行转换

将转换开关打到手动位置，S点与停车按钮SB2电路接通。

（1）降压启动。启动过程同自动方式。

（2）启动过程的延时控制。电机启动后，虽然时间继电器KT线圈还可以得电并进行定时，但是在手动控制电路中（停车按钮SB2和S点之间）没有时间继电器的延时触点，所以时间继电器不能延时控制中间继电器KA的线圈，而必须由操作人员延时等待，待启动完全后，操作人员手动操作完成由启动电路到运行电路的切换。

（3）由启动电路到运行电路的转换控制。启动过程结束，操作人员通过运行按钮SB3，使中间继电器KA线圈得电，并通过中间继电器KA的常闭触点，断开接触器KM2、KM3的线圈回路，切断电机的降压启动供电电路；同时中间继电器的常开触点闭合，使接触器KM1的线圈得电，电机转入经接触器KM1回路供电的正常运行。

（4）中间继电器KA的自保持控制电路。同自动方式。

3.电机的保护

和前面的电机保护原理一样，图2-6的主电路中仍然采用了断路器和热继电器的保护方法，虽然电机启动时，启动电流大于其额定电流，但是因为启动过程很快，断路器和热继电器均可躲过启动电流的冲击，不会造成启动失败。在控制电路中，把热继电器FR的常闭触点，串联在电源回路中的A相电路中，一旦电机过载，热继电器动作保护时，可以切断A相电，使控制电路缺相，接触器线圈欠压，触点复位。另外，控制电路中还设计了熔断器FU1和FU2，分别将其串到C、A两相电源中，对控制电路进行保护。

4.设备工况的指示

电路中分别用指示灯HL1、HL2、HL3、HL4表示电机处在启动、运行、过载和停车等状态。

习题2

2-1 利用时间继电器延时原理，设计一个具有如下控制功能电路，启动按钮按下，电机启动，延时60s后，电机自动停车，并且停车后还可再重复上述过程。要求控制电路采用220V AC电，并且电路中应该有相应的保护措施和设备工矿指示功能。

2-2 在2.4节中的两台电机的顺序启动与同时停车的控制电路中，将两台电机的运行、停车、过载等指示灯电路补充完整。

2-3 设计电机正/反转控制电路，要求如下：

（1）正转启动按钮按下，反转停止，并且正转运行；

（2）反转启动按钮按下，正转停止，并且反转运行；

（3）停车按钮按下，电机停车。

画出所要求的主电路图和控制电路图。

提示:正转按钮闭锁反转控制电路，反转按钮闭锁正转控制电路。

2-4 根据图2-7，画出Y-△降压控制电路的主电路图和控制电路图。要求：

（1）电机启动时为Y形方式，10s启动结束后转为△形运行，并画出启动、运行、过载等指示灯电路。

（2）启动结束后的运行转换，应有手动和自动两种控制方式。手动方式为按钮运行转换，自动方式为定时运行转换，定时时间为10s。

（3）手动和自动两种控制方式应用转换开关实现互相闭锁。