電氣控制電路主要由按鈕、繼電器、接觸器等組成。其優點是結構簡單、造價低、抗干擾能力強、調整維護容易等。它不僅可以實現生產過程自動化,而且還可以實現集中控制和遠程控制。
只要搞清楚元器件的結構、特性、動作原理及電路的基本控制方式,抓住接個典型電路,掌握其控制規律,則電氣控制電路就很容易理解了。
根據三相異步電動機的原理,要改變電動機的轉向,只需將電動機接到三相電源的3根電源線中的任意兩根線對調,改變通入電動機的三相電流相序即可。常用的控制電路可采用倒順開關、按鈕、接觸器等電氣元件來實現。
下圖為由兩個啟動按鈕分別控制兩個接觸器來改變通入電動機的三相電流相序,實現電動機正/反轉的控制電路。其中,接觸器KM1用于電動機正轉控制,接觸器KM2用于電動機反轉控制。從主電路可以看出,如果兩個接觸器KM1,KM2由于誤操作而同時工作,6個主觸頭同時閉合,將造成三相電源短路,這是決不允許的。因而,控制電路的設計,必須保證兩個接觸器KM1,KM2在任何情況下只能有一個工作,為此,在正轉控制電路中串入一個反轉接觸器的動斷輔助觸頭KM2,在反轉控制電路中串入一個正轉接觸器的輔助動斷觸頭KM1。這樣,在正轉接觸器KM1工作時,它的動斷輔助觸點KM1斷開,將反轉控制電路切斷;相反,在反轉接觸器KM2工作時,它的動斷輔助觸點KM2斷開,將正轉控制電路切斷。這就保證兩個接觸器KM1和KM2不會同時工作,這種相互制約的控制稱為“互鎖”控制,輔助觸頭KM1和KM2稱為“互鎖”觸頭。
操作時,按正轉啟動按鈕SB2,KM1線圈通電并自鎖,接通正序電源,電動機正轉;當要使電動機反轉時,必須先按下停止按鈕SB1,使KM1斷電,然后再按反轉啟動按鈕SB3,KM2線圈通電并自鎖,實現電動機的反轉。
下圖所示的雙重互鎖正/反轉控制電路,是在上圖所示控制電路的基礎上增加了復合式按鈕的機械“互鎖”環節。這種電路的優點是:如果要使正轉運行的電動機反轉,不必先按停止按鈕SB1,只要直接按下反轉啟動按鈕SB3即可;當然,從反轉運行到正轉運行,也是如此。這種電路具有電氣和機械的雙重“互鎖”功能,不但提高了控制的可靠性,而且既可實現正轉-停止-反轉-停止的控制,又可實現正轉-反轉-停止的控制。
行程控制是按運動部件移動的距離發出指令的一種控制方式。例如:運動部件(如機床工作臺)的左、右、上、下運動,包括行程控制、自動換向、往復循環、終端限位保護等。行程控制用行程開關實現。
行程開關(也稱限位開關)是一種根據生產機械的行程信號進行動作的電氣元件,其結構和工作原理與按鈕相似,同樣有動合觸頭和動斷觸頭。行程開關和按鈕一樣,要連接在控制電路中。
行程開關安裝在固定的基座上,當與裝在被它控制的生產機械運動部件上的撞塊相撞時,撞塊壓下行程開關的滾輪,便發出觸頭通或斷信號;當撞塊離開后,有的行程開關能自動復位(如單輪旋轉式),而有的行程開關不能自動復位(如雙輪旋轉式),后者需依靠另一方向的二次相撞來復位。
三相異步電動機的行程控制電路如下圖a)所示,這基本上是一個電動機正/反轉控制電路,電動機正/反轉帶動運動部件前進、后退;運動部件上的撞塊1、2和行程開關ST1~ST4的安裝位置如下圖b)所示,ST1和ST2是復合式行程開關,具有一個動斷觸頭和一個動合觸頭。ST1用來切斷正轉控制電路并閉合反轉控制電路;相應地,ST2用來切斷反轉控制電路,并閉合正轉控制電路。這樣,行程開關在撞塊1、2的撞擊下,便可控制電動機正/反轉,帶動運動部件前進、后退。行程開關ST3和ST4具有一個動斷觸頭,當撞塊撞擊行程開關ST1或ST2,而ST1或ST2由于故障沒有動作時,運動部件按原來的方向繼續運動使撞塊撞擊ST3或ST4,切斷控制電路,并使電動機停止,從而起到終端限位保護的作用。
生產中,很多加工和控制過程是以時間為依據進行控制的,這類控制都是利用時間繼電器來實現的。
時間繼電器是一種延時動作的繼電器,它從接受信號(如線圈帶電)到執行動作(如觸頭斷開或閉合)具有一定的時間間隔,此時時間間隔可按需要預先整定,以協調和控制生產機械的各種動作。時間繼電器的種類通常有電磁式、電動式、空氣式和電子式等。時間繼電器的觸頭系統有延時動作觸頭和瞬時動作觸頭,其中又分動合觸頭和動斷觸頭。延時動作觸頭又分延時斷開型和延時閉合型。
電動機啟動后控制運行時間的電路如下圖所示。按啟動按鈕SB2,接觸器KM帶電并自鎖,電動機啟動運行。與此同時,時間繼電器KT帶電,并開始計時,當達到預先整定的時間,它的延時動斷觸點KT斷開,切斷接觸器控制電路,電動機停止。同樣,用時間繼電器的延時動作合觸時,可以接通接觸器控制電路,實現時間控制。
時間繼電器的延時時間可根據需要進行整定。如整定為5秒,檢查接線正確后合上主電源。啟動電動機,觀察交流接觸器、時間繼電器和電動機的動作情況;改變時間繼電器的延時時間為10秒,重復上述操作。
如下圖所示,時間繼電器延時時間整定為5秒,檢查接線正確后合上主電源開關QS,按啟動按鈕SB2,電動機M1啟動運轉;時間繼電器KT延時5秒后,其常開觸點閉合,KM2線圈得電,接通KM2主電路,電動機M2運轉,觀察交流接觸器、時間繼電器和電動機的動作情況;改變時間繼電器的延時時間為10秒,重復上述操作,在試驗時,電動機M2可用白熾燈代替。
阻止電動機轉動,使之減速或停轉的措施稱為制動。電動機及其拖動的生產機械具有慣性,電動機切斷電源后并不能立即停止轉動。因此,在要求電動機迅速停轉或準確停在某個位置,或縮短輔助工作及保障安全時。都需要采取制動措施。電氣制動有以下方法:
A)反接制動要求
反接制動是在電動機停轉時,將其所接的三根電源線中的任意兩根對調,由于電源相序改變,會產生一個與原來方向相反的電磁轉矩,這對于慣性作用仍沿原方向旋轉的電動機起到制動作用,當電動機轉速接近零時,斷開電源。這種方法制動轉矩大、制動迅速,但制動電流很大,一般要在定子回路中串入電阻。
B)能耗制動
當電動機停車與交流電源斷開后,立即給定子繞組通入直流電源,產生一個靜止的磁場,而電動機由于慣性作用沿原方向繼續旋轉。根據電磁學理論,轉子繞組中感應的電流與靜止磁場作用,產生一個與原方向相反的制動轉矩,可使電動機迅速停轉。這種方法停轉準確,但制動過程要消耗電能,轉子會發熱,一般要在轉子回路中串入電阻。
A)電磁制動器制動電路
機械制動是利用機械裝置使電動機在切斷電源后迅速停轉。采用比較普遍的機械制動設備是電磁制動器。電磁制動器主要由兩部分組成,及制動電磁鐵和制動瓦制動器。
電磁制動器的控制電路如下圖所示。按下按鈕SB2,接觸器KM線圈得電動作,電動機通電。電磁制動器的線圈YB也通電,鐵心吸引銜鐵而閉合,同時銜鐵克服彈簧拉力,迫使制動杠桿向上移動,從而使制動器的制動瓦與閘輪松開,電動機正常運轉。
按下停止按鈕SB1后,接觸器KM線圈斷電釋放,電動機的電源被切斷,電磁制動器的線圈也同時斷電,銜鐵釋放,在彈簧拉力的作用下使制動瓦緊緊抱住制動輪,電動機就迅速被制動停轉。
這種制動在起重機械上以及要求比較嚴格的設備上被廣泛采用。當重物吊到一定高度,電路突然發生故障斷電時,電動機斷電,電磁制動器線圈也斷電,制動瓦立即抱住制動輪,使電動機迅速制動停轉,從而可以防止重物掉下。另外,也可以利用這一點將重物停留在空中某個位置上。
B)反接制動控制電路
三相異步電動機在改變它的電源相序后,就可以進行反接制動。相序改變,電動機定子的旋轉磁場反向,產生與電動機原轉矩方向相反的反轉矩,因而起到制動作用。
三相異步電動機反接制動電路如下圖所示。當按下按鈕SB1,接觸器KM1吸合,使電動機帶動速度繼電器KS一起旋轉。速度轉動到額定轉速后KS常開觸點閉合,做好制動準備。按下SB2停止按鈕,KM1斷電,其常閉觸頭閉合,KS在電動機慣性作用下觸頭仍閉合,這時,KM2吸合,電動機反接制動。當電動機轉速下降直至停止時,KS斷開,KM2釋放,制動完畢。
下圖是單管整流能耗制動電路。當停車時,按下停止按鈕SB2,KM1,KT失電釋放,這時KT延時斷開觸頭仍然閉合,使制動接觸器KM2得電動作,電源經制動接觸器接到電動機的兩相繞組上,另一相經整流二極管回到零線。達到整定時間后,KT常開觸頭斷開,KM2失電釋放,制動過程結束。在此過程中,產生與轉子轉動相反的力矩,從而使轉子盡快停止,轉子的動能消耗在轉子回路中,因此稱為能耗制動。
這種制動電路結構簡單、體積小、成本低,常用于對制動要求不高的10KW以下電動機中。