第3章電氣圖及繼電接觸器控制基本電路3.4三相異步電動機正、反轉(zhuǎn)控制3.5正、反轉(zhuǎn)自動循環(huán)控制3.3三相異步電動機啟動控制3.1電氣圖的基本知識3.2電氣圖紙規(guī)范3.6三相異步電動機高、低速控制3.7三相異步電動機制動控制3.8繼電接觸器控制電路中的典型環(huán)節(jié)3.9電氣控制線路的分析和設(shè)計方法3.1電氣圖的基本知識3.1.1電氣圖形符號與文字符號國家電氣圖用符號標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電氣圖中圖形符號的畫法。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的圖形符號基本與國際電氣技術(shù)委員會(InternationalElectroTechnicalCommission,IEC)發(fā)布的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相同。表3-1中列出了部分常用電器元件新舊國標(biāo)的圖形符號與文字符號,實際使用時如果需要更詳細(xì)的資料,可以查閱國家標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4728.1~13—2018~2022《電氣簡圖圖形符號》規(guī)定了繪制各種電氣圖用的圖形符號。3.1.2電氣控制系統(tǒng)圖類別4.電器元件選型表電器元件選型表主要列出電氣原理圖中所有電器元件、導(dǎo)線以及端子,同時列出該元件品牌、型號等。一般提供給公司的采購人員。3.電氣端子接線圖電氣端子接線圖表示各電氣設(shè)備之間實際接線的簡圖,主要用于電氣設(shè)備安裝接線,線路檢查和故障處理。1.電氣原理圖電氣原理圖表示電氣控制電路的工作原理以及各電器元件的作用和相互關(guān)系,而不考慮各電器元件實際安裝位置和實際連線情況。電氣原理圖一般分為主電路和控制電路兩部分。2.電氣設(shè)備布置圖電氣設(shè)備布置圖表示各種電氣設(shè)備在機械設(shè)備和電氣控制柜中的實際安裝位置。3.2電氣圖紙規(guī)范3.2.1電氣圖紙繪制軟件目前國內(nèi)用得比較多的電氣圖紙繪制軟件平臺有兩種:AutoCADElectrical,EPLAN(圖3-1、3-2)。AutoCADElectrical軟件可自動執(zhí)行常見設(shè)計任務(wù)并提高繪圖效率。EPLAN是電氣制圖的專門軟件,提供了多種多樣的功能,用以實現(xiàn)快速原理圖設(shè)計、多種報表自動生成、工程項目管理等。3.2.2電氣圖紙規(guī)范1.圖紙尺寸電氣圖紙的基本規(guī)格包括A0、A1、A2、A3和A4。具體尺寸見表3-2。3.2.2電氣圖紙規(guī)范2.圖紙分區(qū)圖紙分區(qū)主要有圖紙分區(qū)區(qū)域、繪圖區(qū)域以及標(biāo)題欄區(qū)域,如圖3-3所示。在繪制、閱讀和使用電氣圖時,往往需要表示電氣圖中各個組成部分在圖上的位置。圖3-3中分區(qū)區(qū)域中的數(shù)字直接定義圖紙的區(qū)域位置。圖中繪圖區(qū)域是電氣原理圖、布置圖、接線圖以及元器件選型表的繪制區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)的一張圖紙還要有標(biāo)題欄,通常畫在圖紙的下方,格式可以根據(jù)需要繪制。標(biāo)題欄中一般要包含設(shè)計、校對、批準(zhǔn)、項目名稱、頁描述、圖號、項目編號、位置及頁數(shù)等。3.2.3電氣圖紙實例現(xiàn)以船舶中經(jīng)常用到的液面控制進行舉例說明,這個液面可以是船舶上水箱的液面,也可以是油船上燃油箱的液面。如圖3-4所示是一個液面控制的電動機手動/自動控制系統(tǒng)示意圖。虛線框里面的電器元件以及連線即為控制柜里的內(nèi)容。圖中通過選擇開關(guān)SA,切換手動控制和自動控制。根據(jù)圖3-4液面控制示意圖,通過EPLAN畫出的系統(tǒng)電氣原理圖、元器件選型表、安裝布置圖、端子接線圖以及電纜規(guī)格圖表如圖3-5、圖3-6、圖3-7、圖3-8以及圖3-9所示。圖紙由公司或單位的電氣工程師繪制,繪制后不同圖紙交給不同部門進行生產(chǎn)加工,加工完成后圖紙?zhí)峤唤o客戶,同時公司存檔供售后服務(wù)使用。3.2.3電氣圖紙實例

圖3-5所示電氣原理圖主要提供給公司或單位施工部門的接線施工人員進行生產(chǎn)。從電路原理圖中可以看出,斷路器還需兼顧短路保護的功能,因此還需要判斷磁脫扣器電流的大小,即接觸器的選型依據(jù)主要是:主觸點的額定電流,可以根據(jù)電動機的功率計算接觸器主觸頭的電流,即熱繼電器的選型依據(jù)主要是:熱繼電器元件的額定電流IRT接近或略大于電動機的額定電流IN,即3.2.3電氣圖紙實例

具體元器件選型表如圖3-6所示。元器件選型表主要提供給公司或單位采購部門的采購人員進行器件購買。3.2.3電氣圖紙實例

圖3-7是控制箱外部和內(nèi)部器件的安裝布置圖,圖中左邊是控制箱外部器件布置,包括指示燈、開關(guān)按鈕以及標(biāo)牌等,布置主要考慮整齊美觀。圖中右邊是控制箱內(nèi)部器件布置,包括斷路器、接觸器、繼電器以及接線端子等,布置主要考慮強、弱電器件分區(qū),布線及進線方便,以及整齊美觀。布置圖主要提供給公司或單位施工部門的接線施工人員進行生產(chǎn)加工。3.2.3電氣圖紙實例

圖3-8所示的端子接線圖主要提供給客戶的現(xiàn)場施工人員進行現(xiàn)場接線加工,主要包括電源連接和控制對象的連接。3.2.3電氣圖紙實例

連接的電纜依據(jù)圖3-9所示的電纜規(guī)格圖表進行購買、放置以及連接。因此圖3-9所示的電纜規(guī)格圖表也是提供給客戶的。3.3三相異步電動機啟動控制3.3.1直接啟動直接啟動有兩種方式:開關(guān)直接啟動和接觸器控制直接啟動。如圖3-10(a)所示,電機M1的控制采用負(fù)荷開關(guān)QS1作為電源開關(guān),不具有短路和過載保護,因此在主電路中要有熔斷器FU1和熱繼電器FR1,開關(guān)SA1控制電動機啟停。如圖3-10(b)所示,電機M2的控制采用斷路器QF1作為電源開關(guān),如果選用的斷路器具有短路和過載保護,那么就可以省掉熔斷器和熱繼電器,開關(guān)SA2控制電動機啟停。開關(guān)在主電路中直接控制電動機的方式適用于不頻繁啟動的小容量電動機,同時也不能遠(yuǎn)距離控制和自動控制。如圖3-10(c)所示,電機M3的控制采用普通的斷路器QF2作為主電路和控制電路的電源開關(guān),因此在主電路中增加了熱繼電器FR2,采用接觸器直接控制M3的啟動、停止。3.3.2減壓啟動1.星形-三角形變換減壓啟動星形-三角形變換減壓啟動電氣控制線路圖如圖3-11所示。正常運行時,三相定子繞組三角形連接,啟動時,三相定子繞組星形連接,啟動完畢后三相定子繞組恢復(fù)至三角形連接。星形-三角形變換減壓啟動可以將啟動電流減小到全壓啟動時的1/3。圖3-11(a)是主電路,圖3-11(b)、圖3-11(c)是控制電路。3.3.2減壓啟動2.定子繞組串電阻減壓啟動定子繞組串電阻減壓啟動電氣控制線路如圖3-12所示。電動機啟動時在三相定子電路中串接電阻可降低繞組電壓,以限制啟動電流;啟動后再將電阻短路,電動機即可在全壓下運行。3.4三相異步電動機正、反轉(zhuǎn)控制3.4三相異步電動機正、反轉(zhuǎn)控制如圖3-13所示是異步電動機正、反轉(zhuǎn)電氣控制電路。圖3-13(a)是主電路,從圖中可以看出,用兩個接觸器KM1和KM2主觸點的導(dǎo)通和關(guān)斷可以完成電動機定子相序的改變。3.5正、反轉(zhuǎn)自動循環(huán)控制3.5正、反轉(zhuǎn)自動循環(huán)控制圖3-14(a)是工作臺自動往返循環(huán)控制示意圖,主要是通過行程開關(guān)來控制電動機的正、反轉(zhuǎn)。SQ1、SQ2、SQ3、SQ4為行程開關(guān),按要求安裝在固定的位置上。工作臺運行到其位置時,撞塊會壓到行程開關(guān),開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化,代替人工按鈕發(fā)出指令。工作臺前進到位后,會碰到行程開關(guān)SQ1,通過行程開關(guān)(相當(dāng)于按了一個按鈕),將正轉(zhuǎn)線路切斷,同時接通反轉(zhuǎn)線路,讓工作臺后退。后退到位后,動作和前面一樣,不再贅述。圖3-14(b)為主電路,圖3-14(c)是控制電路。3.6三相異步電動機高、低速控制3.6三相異步電動機高、低速控制圖3-15中,若定子繞組每相由2匝繞組1和2組成,如采用圖3-15(a)所示順序串接方法,形成了2對極的磁場,假如將圖中每匝繞組的始端與末端改接成圖3-15(b)或(c),則形成了1對極的磁場。由此可見,改變定子繞組的連接方式可獲得磁極對數(shù)的成倍變化。3.6三相異步電動機高、低速控制

三相定子繞組常采用兩種改接方法。圖3-16(a)將一個三角形連接的三相繞組改接為雙星形,其對應(yīng)的極對數(shù)減小了一半,同步轉(zhuǎn)速則增加了一倍,電機轉(zhuǎn)速也就相應(yīng)提高到高速運行。若變極前后電動機繞組內(nèi)均流過額定電流,則變極前后電動機近似恒轉(zhuǎn)矩。圖3-16(b)是將一個星形連接的三相繞組改變成兩個星形的并聯(lián)連接即雙星形,其對應(yīng)的極對數(shù)也減小了一半,同步轉(zhuǎn)速也增加了一倍,電機轉(zhuǎn)速同樣也會相應(yīng)提高到高速運行。同樣若變極前后電動機繞組內(nèi)均流過額定電流,則變極前后近似恒功率。因此從圖3-16可以看出,在低速運行時,電動機三相繞組1、2、3端接入三相電源;在高速運行時,4、5、6端接入三相電源。按照此順序連接會使電動機因變極而改變旋轉(zhuǎn)方向,因此變極后必須改變繞組的相序。3.6三相異步電動機高、低速控制如圖3-17所示籠型異步電動機雙速控制電路工作原理:低速運行:按下SB2,接觸器KM1線圈得電,KM1主觸點閉合,電動機低速運行→松開SB2,KM1輔助觸點閉合自鎖,繼續(xù)低速運行→按下SB1,KM1線圈失電,KM1主觸點斷開,電動機停止。高速運行:按下SB3,接觸器KM1、KT1線圈得,KM1主觸點閉合,電動機低速運行,KT1瞬動觸點閉合→松開SB2,KM1輔助觸點閉合自鎖,繼續(xù)低速運;KT1瞬動觸點閉合自鎖,KT1繼續(xù)得電計時→KT1計時時間到,KT1的延時斷開觸點斷開,KM1線圈失電,KM1主觸點斷開;KT1的延時閉合觸點閉合,KM2、KM3線圈得電,KM2、KM3主觸點閉合,電動機高速運;KM3的輔助常閉觸點斷開,KT1線圈失電,KM2的輔助常開觸點閉合自鎖,KM2、KM3線圈繼續(xù)得電,KM2、KM3主觸點繼續(xù)閉合,電動機繼續(xù)高速運行→按下SB1,KM2、KM3線圈失電,KM2、KM3主觸點斷開,電動機停止。電動機高速運轉(zhuǎn)先低速后高速的控制,目的是限制啟動電流。對容量較大的電動機適合采用這種控制方式。3.7三相異步電動機制動控制3.7.1能耗制動如圖3-18(a)所示為能耗制動主電路,通過變壓器和二極管不控整流配合獲得能耗制動所需的直流電源。如圖3-18(b)所示為能耗制動控制電路原理:按下SB2,接觸器KM1線圈得電,KM1主觸點閉合,電動機直接啟動運行→松開SB2,KM1輔助觸點閉合自鎖,電動機保持運行→按下SB1,KM1線圈失電,KM1主觸點斷開,KM1常閉輔助觸點閉合;接觸器KM2線圈得電,KM2主觸點閉合,電動機定子繞組通入直流電,開始能耗制動→松開SB1,KM2常開輔助觸點閉合自鎖,保持能耗制動狀態(tài);時間繼電器KT1得電開始計時→KT1定時時間到,其延時斷開觸點斷開,KM2、KT1線圈失電,KM2主觸點斷開,能耗制動結(jié)束。3.7.2反接制動圖3-19(a)是由速度繼電器KS進行測速控制的單向運行交流異步電動機反接線路,圖中速度繼電器KS與電動機同軸連接,用以檢測電動機的速度。圖3-19(b)所示為反接制動控制電路原理:按下SB2,接觸器KM1線圈得電,KM1主觸點閉合,電動機直接啟動運行→松開SB2,KM1輔助觸點閉合自鎖,電動機保持運行,當(dāng)速度高于速度繼電器KS設(shè)定轉(zhuǎn)速時,KS常開觸點閉合→按下SB1,KM1線圈失電,KM1主觸點斷開,KM1常閉輔助觸點閉合;此時由于機械慣性作用,電動機仍然保持一定轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速繼電器KS的常開觸點閉合,接觸器KM2線圈得電,KM2主觸點閉合,電動機定子繞組通入反序電源,開始反接制動→松開SB1,KM2常開輔助觸點閉合自鎖,保持反接制動狀態(tài);當(dāng)電動機速度下降到速度繼電器KS設(shè)定轉(zhuǎn)速時,KS常開觸點斷開,KM2線圈失電,KM2主觸點斷開,反接制動結(jié)束。3.8繼電接觸器控制電路中的典型環(huán)節(jié)3.8.1長動和點動控制長動控制是指按下啟動按鈕時,電動機運行,松開按鈕后,電動機仍一直運行。點動控制是指按下按鈕時,電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械運行,松開按鈕時,停止運行。生產(chǎn)機械常需要試車或調(diào)整,此時在控制電路中不僅需要“長動”控制,還需要有“點動”控制。如圖3-20(a)所示,SB2實現(xiàn)長動控制,復(fù)合按鈕SB1實現(xiàn)點動控制。如圖3-20(b)所示,用選擇開關(guān)SA1實現(xiàn)點動和長動控制。如圖3-20(c)所示,用SB2控制中間繼電器實現(xiàn)長動控制,SB3實現(xiàn)點動控制。長動和點動的區(qū)別在于控制線路中是否有自鎖環(huán)節(jié)。3.8.2聯(lián)

鎖聯(lián)鎖控制是電氣控制中的一種線路的聯(lián)動控制方式,它不屬于直接控制(比如按鈕),而是通過線路中繼電器或接觸器的觸點保持或限制自身及其他線路的控制環(huán)節(jié)。在3.3.1直接啟動章節(jié)中介紹的自鎖控制環(huán)節(jié)就屬于聯(lián)鎖控制的一種;在3.3.2.1星形-三角形減壓啟動中介紹的互鎖控制環(huán)節(jié)也屬于聯(lián)鎖控制的一種。下面再介紹一種在順序控制中用到的聯(lián)鎖,如圖3-21所示,電動機M2必須在電動機M1啟動后才能運行,相當(dāng)于給電動機M2啟動加了一個限制條件。在控制接觸器KM2控制電路中串聯(lián)接入接觸器KM1的常開觸點,只有KM1線圈得電后,KM2線圈才能得電。在圖3-21中可以看出,斷路器換成了普通斷路器,在主電路中增加了熔斷器和熱繼電器。因為主電路中需要控制兩臺電動機,都需要過載保護和短路保護,不能用一個斷路器保護兩臺電動機。3.8.3多點控制有些生產(chǎn)機械要求能在兩個或兩個以上地點進行控制,即所謂“多點”控制。例如,船內(nèi)機艙許多水泵電動機不但要求能在泵的附近進行啟?？刂?而且要求能在集中控制室進行遙控操縱,為此可將多點啟動按鈕并接形成“或”邏輯關(guān)系,多點停止按鈕串接形成“與”邏輯關(guān)系。如圖3-22所示為可由兩個地點控制電動機啟停的控制電路。顯然若按SB3、SB4中任一個啟動按鈕,接觸器KM1均通電吸合;若按下SB1、SB2中任一個停止按鈕,接觸器KM1均斷電釋放,從而實現(xiàn)兩地點控制。想要實現(xiàn)多點控制,即啟動按鈕并聯(lián),停止按鈕串聯(lián)。3.8.4主令控制主令控制器是一種主令電器,它可以有不同的手柄工作位置和控制電路數(shù),以滿足不同控制要求,如圖3-23(a)所示。圖3-23(b)、圖3-23(c)所示為主令控制的主電路和控制電路,實現(xiàn)主令控制器控制電動機正、反轉(zhuǎn)。如圖3-23(c)所示控制電路原理:主電路和控制電路的電源開關(guān)合上后,主令控制器處于中間零位,觸點0閉合,欠壓保護中間繼電器KA1線圈得電→主令控制器手柄離開零位向右扳動,觸點(1、2)斷開,KA1常開觸點閉合自鎖;主令控制器的觸點(3、4)閉合,接通正轉(zhuǎn)接觸器KM1,使電動機正向運轉(zhuǎn)→當(dāng)手柄向左扳動時,主令控制器觸點(5、6)閉合,電動機則反向運轉(zhuǎn)。3.9電氣控制線路的分析和設(shè)計方法3.9.1電氣控制線路的分析方法查線讀圖是分析電氣控制線路的基本方法。如前所述,電氣控制線路主要由信號元件,控制元件和執(zhí)行器件組成。閱讀控制線路時,一般可先從電動機主電路著手,查看有哪些主觸點,根據(jù)其組合規(guī)律大致可知電動機是否具有正、反轉(zhuǎn)控制、制動控制等。然后在控制電路中按主電路中控制元件主觸點的文字符號找到相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)(啟動、停止及調(diào)速主令電器)以及環(huán)節(jié)間的聯(lián)系(聯(lián)鎖)。分析控制電路通常由上往下進行,并結(jié)合元件表進行查閱,一般通過操作主令電器查對應(yīng)線路,分析操動主令電器時控制元件的動作順序及開關(guān)觸點信號的傳遞過程,并隨時注意控制元件觸點使執(zhí)行器件有何運動或動作,進而拖動被控機械有何運動。若有自動循環(huán)控制,還要繼續(xù)查閱執(zhí)行器件帶動機械運動時,將使哪些信號元件的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化,又將引起哪些控制元件開關(guān)狀態(tài)的變化,又如何影響執(zhí)行器件及其拖動機械。運用查線讀圖法閱讀、分析控制線路直觀性強,容易掌握,因而得到廣泛的采用。3.9.2電氣控制線路的設(shè)計方法1.主電路設(shè)計動力頭拖動電動機只要求單方向旋轉(zhuǎn),為使兩臺電動機同步啟動,可用接觸器KM3控制。2.控制電路設(shè)計滑臺電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)分別用兩個按鈕SB4與SB5控制,停車則分別用SB2與SB3控制。如圖3-24(b)所示。3.9.2電氣控制線路的設(shè)計方法3.聯(lián)鎖與保護環(huán)節(jié)設(shè)計用限位開關(guān)SQ1的常閉觸點控制滑臺慢速進給到位時的停車;用限位開關(guān)SQ2的常閉觸點控制滑臺快速返回至原位時的自動停車。接觸器