第8章三相異步電動機繼電接觸控制8.1

常用的低壓控制電器8.3可編程邏輯控制器（PLC）簡介8.2三相異步電動機的基本控制電路本章主要介紹常用的低壓電器的結構、工作原理，及三相異步電動機的起動、調速、制動等基本控制電路，為分析和設計電氣線路打下基礎，最后簡單介紹可編程控制器（PLC）。

由按鈕、開關、接觸器、繼電器等低壓電器組成的控制電路稱為繼電接觸控制電路。利用繼電接觸器控制電路可以控制電動機的工作狀態(tài)，如起動、正反轉、調速、自動往返、制動以及多臺電動機協同動作等，有利于生產過程的自動化和遠距離操作，因此繼電接觸控制在生產中得到了廣泛應用。

常用的低壓電器種類很多，按其操作方式可分為手動電器和自動電器兩類。由運行人員手動操作才動作的電器，稱為手動電器，如刀開關、組合開關、按鈕等；凡是按指令、信號或某個物理量的變化而自動動作的電器，稱為自動電器，如各種繼電器、接觸器和行程開關等。8.1

常用的低壓控制電器按用途分，低壓電器又可分為控制電器和保護電器。用來控制電路的接通、斷開，稱為控制電器，如各種開關、接觸器、繼電器等；用來保護電源和用電設備，稱為保護電器，如熔斷器和熱繼電器等。不少電器既可作為控制電器，也可作為保護電器，它們之間并沒有明顯的界限。

刀開關用于不經常操作的電路中，用來接通或斷開電路，或用來電路與電源隔離，有時也用來直接起，停小功率電動機。1.

刀開關結構：靜插座、手柄、觸刀、鉸鏈支座和絕緣底板等部分。種類：單極（單刀）、雙極（雙刀）和三極（三刀）。8.1

常用的低壓控制電器2.

組合開關組合開關又稱轉換開關，實質上也是一種刀開關，但是它的刀片屬于轉動式。結構：三對靜觸片分別裝于三層絕緣膠木觸點座內，與頂層絕緣板疊裝起來，一端伸出盒外作為接線柱；三個動觸片則套在裝有手柄的絕緣轉動方軸上。轉動手柄即可使三對觸點(彼此相差一定角度)同時接通或斷開；用組合開關直接控制三相交流異步電動機的起動和停止的接線，如圖（b）所示。以HZ10系列組合開關為例類型：組合開關有單極、雙極、三極和多極結構，其圖形符號和文字符號如圖（c）所示。

組合開關一般用于非頻繁的接通和分斷電路、接通電路和負載、測量三相電壓以及控制小容量異步電動機的正反轉和Y/▲起動等。3.按鈕（a）按鈕外形

（b）按鈕結構

（c）按鈕符號

用來短時間地接通或斷開小電流的控制電路，從而控制電動機或其他電氣設備的運行，也稱控制按鈕，外形如圖（a）所示。按鈕的觸點可以含有多對，可以根據需要組合成多組動合和動斷觸點，構成一種多聯按鈕，如雙聯按鈕和三聯按鈕。為了區(qū)別按鈕在電路中所具有的控制功能，一般在實用按鈕的按鈕帽上設置不同的顏色，如起動按鈕一般為綠色，而停止按鈕為紅色。4.熔斷器

熔斷器是一種廣泛應用的簡單而有效的保護電器。熔斷器主要由熔體和安裝熔體的熔管或熔座兩部分組成。熔體由熔點較低的材料如鉛、鋅、錫及鉛錫合金做成絲狀或片狀。熔管是熔體的保護外殼，由陶瓷、絕緣剛紙或玻璃纖維制成，在熔體熔斷時兼起滅弧作用。

在使用中，熔斷器中的熔體（也稱為保險絲）串聯在被保護的電路中，當該電路發(fā)生過載或短路故障時，如果通過熔體的電流達到或超過了某一值，則在熔體上產生的熱量便會使其溫度升高到熔體的熔點，導致熔體自行熔斷，達到保護的目的。瓷插式熔斷器的圖形符號如圖7-4（a）所示，熔斷器的圖形符號如圖7-4（b）所示。8.1常用的低壓控制電器5.交流接觸器

接觸器是一種適用于在低壓配電系統(tǒng)中遠距離控制、頻繁操作交流主電路及大容量控制電路的自動控制開關電器。主要應用于控制交流電動機，電熱設備，電容器組等設備，應用十分廣泛。

接觸器具有強大的執(zhí)行機構，其大容量的主觸頭具有迅速熄滅電弧的能力。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，能根據故障檢測元件所給出的動作信號，迅速、可靠地切斷電源，并有低壓釋放功能。5.交流接觸器

當交流接觸器線圈通電后，在鐵心中產生磁通，由此在銜鐵氣隙處產生吸力，使銜鐵產生閉合動作，主觸點在銜鐵的帶動下也閉合，于是接通了主電路。同時銜鐵還帶動輔助觸點動作，使原來打開的輔助觸點閉合，并使原來閉合的輔助觸點打開。當線圈斷電或電壓顯著降低時，吸力消失或減弱，銜鐵在釋放彈簧的作用下打開，主、副觸點又恢復到原來狀態(tài)。交流接觸器結構及圖形符號如圖7-5所示。

6.

中間接觸器

中間繼電器的觸點多、容量相對較小，一般作為中間控制環(huán)節(jié)，用以傳遞信號或同時控制多個電路，對小功率電動機也可代替接觸器作接通和切斷電源使用。

中間繼電器的結構和動作原理與交流接觸器相似，但沒有主、輔觸點之分。在選用中間繼電器時，主要是考慮電壓等級和觸點數量。中間繼電器的圖形符號文字符號為KA。8.1

常用的低壓控制電器7.熱接觸器

電動機在實際運行中常遇到過載情況。若電動機過載不大，時間較短，電動機繞組不超過允許溫升，這種過載是允許的。但若過載時間長，過載電流大，電動機繞組的溫升就會超過允許值，使電動機繞組絕緣老化，縮短電動機的使用壽命，嚴重時甚至會使電動機繞組燒毀。

熱繼電器就是利用電流的熱效應原理，在出現電動機不能承受的過載時切斷電動機電路，為電動機提供過載保護的保護電器。

熱繼電器可以根據過載電流的大小自動調整動作時間，具有反時限保護特性。即過載電流大，動作時間短，過載電流小，動作時間長，當電動機的工作電流為額定電流時，熱繼電器應長期不動作。7.熱接觸器

熱繼電器主要用于電動機的過載保護、斷相保護、電流不平衡運行的保護及其它電氣設備發(fā)熱狀態(tài)的控制。

熱繼電器的外形結構如圖7-7（a）所示，圖7-7（b）為其圖形符號，其文字符號為FR。8.

低壓斷路器

低壓斷路器用于當電路發(fā)生過載、短路和欠電壓等不正常情況時能自動斷開電路，從而保護電氣設備的保護電器。保護裝置有過電流脫扣器及欠電壓脫扣器，它們都是電磁鐵。過電流脫扣器保護短路及過載，欠電壓脫扣器實現欠電壓保護。圖7-8為低壓斷路器的外形及內部結構。

9.

行程開關（限位開關）

某些生產機械的運動狀態(tài)的轉換，是靠部件運行到一定位置時由行程開關發(fā)出信號進行自動控制的。例如，行車運動到終端位置自動停車、工作臺在指定區(qū)域內的自動往返移動，都是由運動部件運動的位置或行程來控制的，這種控制稱為行程控制。

行程控制是以行程開關代替按鈕用以實現對電動機的起動和停止控制，可分為限位斷電、限位通電和自動往復循環(huán)等控制。

幾種行程開關的外形結構如圖7-9（a）所示，圖形符號如圖7-9（b）所示。行程開關的文字符號為SQ。10.

時間繼電器

繼電器在感受外界信號后，經過一段時間才能使執(zhí)行部分動作的繼電器，叫做時間繼電器，即當吸引線圈通電或斷電以后，其觸頭經過一定延時以后再動作，以控制電路的接通或分斷。它被廣泛用來控制生產過程中按時間原則制定的工藝程序，如作為繞線式異步電動機起動時切斷轉子電阻的加速繼電器，籠型電動機Y／△

起動等。

時間繼電器的種類很多，主要有電磁式、空氣阻尼式、電動式、電子式等幾大類。延時方式有通電延時和斷電延時兩種?？諝庾枘崾綍r間繼電器的外形結構如圖7-10（a）所示。圖7-10

（b）為時間繼電器的圖形符號，其文字符號為KT。8.2

三相異步電動機的基本控制電路8.2.1直接起動控制電路

直接起動即起動時把電動機直接接入電網，加上額定電壓，一般來說，額定功率7kw以下的三相異步電動機都可以直接起動。1.點動控制

合上開關QS，三相電源被引入控制電路，但電動機還不能起動。按下按鈕SB，接觸器KM線圈通電，銜鐵吸合，常開主觸點接通，電動機定子接入三相電源起動運轉。松開按鈕SB，接觸器KM線圈斷電，銜鐵松開，常開主觸點斷開，電動機因斷電而停轉。圖7-10為異步電動機電動點動控制電路。左側為主電路，由電源開關QS、熔斷器FU、接觸器KM的主觸頭和電動機M組成右側為控制電路，由按鈕SB和接觸器KM線圈組成。起動過程：按下起動按鈕SB1，接觸器KM線圈通電，與SB1并聯的KM的輔助常開觸點閉合，以保證松開按鈕SBl后KM線圈持續(xù)通電，串聯在電動機回路中的KM的主觸點持續(xù)閉合，電動機連續(xù)運轉，從而實現連續(xù)運轉控制。與SB1并聯的KM的輔助常開觸點的這種作用稱為自鎖。2.帶自鎖的直接起動控制停止過程：按下停止按鈕SB2，接觸器KM線圈斷電，與SB1并聯的KM的輔助常開觸點斷開，以保證松開按鈕SB2后KM線圈持續(xù)失電，串聯在電動機回路中的KM的主觸點持續(xù)斷開，電動機停轉。

起短路保護的是串接在主電路中的熔斷器FU。一旦電路發(fā)生短路故障，熔體立即熔斷，電動機立即停轉。2.帶自鎖的直接起動控制

起過載保護的是熱繼電器FR。當過載時，熱繼電器的發(fā)熱元件發(fā)熱，將其常閉觸點斷開，使接觸器KM線圈斷電，串聯在電動機回路中的KM的主觸點斷開，電動機停轉。同時KM輔助觸點也斷開，解除自鎖。故障排除后若要重新起動，需按下FR的復位按鈕，使FR的常閉觸點復位（閉合）即可。

起零壓（或欠壓）保護的是接觸器KM本身。當電源暫時斷電或電壓嚴重下降時，接觸器KM線圈的電磁吸力不足，銜鐵自行釋放，使主、輔觸點自行復位，切斷電源，電動機停轉，同時解除自鎖。8.2.2Y/△降壓起動控制

按下起動按鈕SB1，時間繼電器KT和接觸器KM2同時通電吸合，KM2的常開主觸點閉合，把定子繞組連接成星形，其常開輔助觸點閉合，接通接觸器KM1。KM1的常開主觸點閉合，將定子接入電源，電動機在星形連接下起動。KM1的一對常開輔助觸點閉合，進行自鎖。經一定延時，KT的常閉觸點斷開，KM2斷電復位，接觸器KM3通電吸合。KM3的常開主觸點將定子繞組接成三角形，使電動機在額定電壓下正常運行。

與按鈕SB1串聯的KM3的常閉輔助觸點的作用是：當電動機正常運行時，該常閉觸點斷開，切斷了KT、KM2的通路，即使誤按SB1，KT和KM2也不會通電，以免影響電路正常運行。若要停車，則按下停止按鈕SB3，接觸器KM1、KM3同時斷電釋放，電動機脫離電源停止轉動。8.2.3正反轉控制

控制線路能對電動機進行正、反向控制是生產機械的普遍需要，如大多數機床的主軸或進給運動都需要兩個方向運行，故要求電動機能夠正反轉。為了實現正、反轉，在學習三相異步電動機的工作原理時已經知道，只要把電動機定子三相繞組所接電源任意兩相對調，電動機定子相序即可改變，從而電動機就可改變方向。如果我們用兩個接觸器KM1和KM2來完成電動機定子相序的改變，那么由正轉與反轉線路組合起來就成了正反轉控制線路，如圖所示。當正轉接觸器KM1工作時，電動機正轉；當反轉接觸器KM2工作時，由于調換了兩根電源線，所以電動機反轉。異步電動機正反轉控制電路可以分為三個工作過程，分別為正向起動過程、停止過程、反向起動過程。

（1）正向起動過程。按下起動按鈕SB1，正向接觸器KM1得電動作，與SB1并聯的KM1的輔助常開觸點閉合，使得KM1線圈持續(xù)通電，串聯在電動機回路中的KM1主觸點閉合，電動機正轉。（2）停止過程。按下停止按鈕SB3，正向接觸器KM1斷電，與SB1并聯的KM1的輔助觸點斷開，使得KM1線圈持續(xù)失電，串聯在電動機回路中的KM1主觸點斷開，電動機停轉。8.2.3正反轉控制

（3）反向起動過程。按下起動按鈕SB2，反向接觸器KM2得電動作，與SB2并聯的KM2的輔助觸點閉合，使得KM2線圈持續(xù)通電，串聯在電動機回路中的KM2主觸點閉合，使電動機電子繞組與正轉時相比相序反了，電動機反轉。從主回路看，如果KM1、KM2同時通電動作，就會造成主回路短路。在上述線路中如果按了SB1又按了SB2，就會造成上述事故，因此這種線路是不能采用的。

上圖為帶電氣互鎖的異步電動機正反轉控制線路，正轉接觸器KM1的一個動斷輔助觸點串接在反轉接觸器KM2的線圈電路中，而反轉接觸器的一個動斷輔助觸點串接在正轉接觸器的線圈電路中。這兩個動斷觸點稱為聯鎖觸點。這種聯鎖方式稱為電氣聯鎖。該線路把接觸器的動斷輔助觸點互相串聯在對方的控制回路中進行聯鎖控制，這樣當KM1得電時，由于KM1的動斷觸點打開，使KM2不能通電，此時即使按下SB2按鈕，也不能造成短路，反之也是一樣。接觸器輔助觸點這種互相制約的關系稱為“聯鎖”或“互鎖”。8.2.3正反轉控制

這種控制電路有個缺點，就是在正轉過程中要求反轉時，必須先按停止按鈕SB3，讓聯鎖觸點KM1閉合后，才能按反轉起動按鈕使電動機反轉，帶來操作上的不方便。為了解決這個問題，在生產上常采用復式按鈕和觸點聯鎖的控制電路，如右圖所示。當電動機正轉時，按下反轉起動按鈕SB2，它的動斷觸點斷開，而使正轉接觸器的線圈KM1斷電，主觸點KM1斷開。與此同時，串接在反轉控制電路中的動斷輔助觸點KM1恢復閉合，反轉接觸器的線圈通電，KM2主觸點閉合電動機就反轉。同時串接在正轉控制電路中的動斷輔助觸點KM2斷開，起著聯鎖保護。這種聯鎖方式稱為機械式聯鎖。8.2.4行程控制1.限位控制

行程控制：利用行程開關測量運動部件所達到的位置，并將此信號回送控制電路，從而改變運動部件的運動狀態(tài)，以實現對運動部件的限位保護、自動循環(huán)、程序控制、變速和制動等的控制。

當生產機械的運動部件到達預定的位置時壓下行程開關的觸桿，將行程開關SQ的常閉觸點斷開，接觸器線圈斷電，使電動機斷電而停止運行，如圖所示。8.2.4行程控制2.行程往返控制

按下正向起動按鈕SB1，電動機正向起動運行，帶動工作臺向前運動。當運行到SQ2位置時，擋塊壓下SQ2，接觸器KM1斷電釋放，KM2通電吸合，電動機反向起動運行，使工作臺后退。

工作臺退到SQ1位置時，擋塊壓下SQ1，KM2斷電釋放，KM1通電吸合，電動機又正向起動運行，工作臺又向前進，如此一直循環(huán)下去，直到需要停止時按下SB3，KM1和KM2線圈同時斷電釋放，電動機脫離電源停止轉8.3可編程控制器（PLC）

可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController,PLC），是一種以微處理器為核心的電子系統(tǒng)，它是在繼電器控制和計算機控制的基礎上發(fā)展而來的一種新型工業(yè)自動控制裝置。它采用可編程控制器的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算等操作指令，并通過數字式、模擬式輸入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。8.3.1PLC的發(fā)展歷程

1969年，美國數字設備公司（DEC）研制出第一臺可編程控制器，用于通用汽車公司的生產線，取代生產線上的繼電器控制系統(tǒng)，開創(chuàng)了工業(yè)控制的新紀元1971年，日本開始生產可編程控制器，德、英、法等各國相繼開發(fā)了適于本國的可編程控制器，并推廣使用。1974年，我國也開始研制生產可編程控制器。早期的可編程控制器是為取代繼電器-接觸器控制系統(tǒng)而設計的，用于開關量控制，具有邏輯運算、計時、計數等順序控制功能，故稱之為可編程邏輯控制器PLC。隨著微電子技術、計算機技術及數字控制技術的高速發(fā)展，到80年代末，PLC技術已經很成熟，并從開關量邏輯控制擴展到計算機數字控制（CNC）等領域。近年生產的PLC在處理速度、控制功能、通信能力等方面均有新的突破，并向電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化方向發(fā)展，性能價格比不斷提高，成為了工業(yè)自動化的支柱之一。這時候的可編程控制器的功能已不限于邏輯運算，具有了連續(xù)模擬量處理、高速計數、遠程輸入和輸出和網絡通信等功能。國際電工委員會（IEC）將可編程邏輯控制器改稱為可編程控制器PC（ProgrammableController）。后來由于發(fā)現其簡寫與個人計算機（PersonalComputer）相同，所以又重新沿用PLC的簡稱。目前在世界先進工業(yè)國家PLC已經成為工業(yè)控制的標準設備，它的應用幾乎覆蓋了所有的工業(yè)企業(yè)。PLC技術已經成為當今世界的潮流，成為工業(yè)自動化的三大支柱（PLC技術、機器人、計算機輔助設計和制造）之一。8.3.2PLC的結構

PLC硬件系統(tǒng)的基本結構如右圖所示。PLC的主機由CPU、存儲器（EPROM、RAM）、輸入/輸出單元、外設I/O接口、通信接口及電源組成。對于整體式PLC，這些部件都在同一個機殼內。而對于模塊式PLC，各部件獨立封裝，稱為模塊，各模塊通過機架和電纜連接在一起。主機內的各個部分均通過電源總線、控制總線、地址總線和數據總線連接，根據實際控制對象的需要配備一定的外部設備，構成不同的PLC控制系統(tǒng)。常用的外部設備有編程器、打印機、EPROM寫入器等。PLC可以配置通信模塊與上位機及其他的PLC進行通信，構成PLC的分布式控制系統(tǒng)。8.3.3PLC的工作原理PLC有運行模式和停止模式。運行模式：分為內部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理五個階段。停止模式：當處于停止工作模式時，PLC只進行內部處理和同行服務等內容。（1）基本工作模式（2）PLC工作過程a.內部處理階段在此階段，PLC檢查CPU模塊的硬件是否正常，復位監(jiān)視定時器，以及完成一些其它內部工作。b.通信服務階段在此階段，PLC與一些智能模塊通信、響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容等，當PLC處于停止狀態(tài)時，只進行內容處理和通信操作等內容。c.輸入處理階段輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀取所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將所讀取的信息存到輸入映象寄存器中，此時，輸入映象寄存器被刷新。d.程序處理階段按先上后下，先左后右的步序，對梯形圖程序進行逐句掃描并根據采樣到輸入映象寄存器中的結果進行邏輯運算，運算結果再存入有關映象寄存器中。但遇到程序跳轉指令，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。e.輸出刷新階段程序處理完畢后，將所有輸出映象寄存器中各點的狀態(tài)，轉存到輸出鎖存器中，再通過輸出端驅動外部負載。在運行模式下，PLC按上述五個階段進行周而復始的循環(huán)工作，稱為循環(huán)掃描工作方式。8.3.3PLC的工作原理

PLC采用集中采樣、集中輸出、周期性循環(huán)掃描的“串行”工作方式。PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。每一次掃描所用的時間稱為掃描周期或工作周期。PLC運行正常時，掃描周期的長短與CPU的運算速度有關，與I/O點的情況有關，與用戶應用程序的長短及編程情況等均有關。通常用PLC執(zhí)行1K指令所需時間來說明其掃描速度（一般1~10ms/K）。PLC具有輸出滯后的特點，主要是指從PLC的外部輸入信號發(fā)生變化至它所控制的外部輸出信號發(fā)生變化的時間間隔，一般為幾十到100ms。引起輸出滯后的因素主要有輸入模塊的濾波時間、輸出模塊的滯后時間、掃描方式引起的滯后。PLC是集中采樣，在程序處理階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入映象寄存器中的內容也不會變化，要到下一周期的輸入采樣階段才會改變。由于PLC是串行工作，所以PLC的運行結果與梯形圖程序的順序有關。（3）PLC工作方式與特點8.3可編程控制器（PLC）8.3.4PLC的編程語言

PLC的用戶程序是設計人員根據控制系統(tǒng)的工藝控制要求，通過PLC編程語言的編制設計的。根據國際電工委員會制定的工業(yè)控制編程語言標準（IEC1131-3）。PLC的編程語言包括以下五種：梯形圖語言（LD）、指令表語言（IL）、功能模塊圖語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）及結構化文本語言（ST）。8.3.5PLC的主要應用場合

隨著微電子技術的快速發(fā)展，PLC的制造成本不斷下降，而其功能卻大大增強。目前在先進工業(yè)國家中PLC已成為工業(yè)控制的標準設備，應用面幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)，諸如鋼鐵、冶金、采礦、水泥、石油、化工、輕工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保、交通、建筑、食品、娛樂等各行各業(yè)。特別是在輕工行業(yè)中，因生產門類