低压电器和常用电动机控制电路.ppt
第五章 低压电器和常用电动机控制电路,第一节 常用低压电器第二节 三相异步电动机控制电路,电工电子技术基础 赵承荻、周玲主编 高等教育出版社,应用电动机拖动生产机械，称为电力拖动。利用继电器、接触器实现对电动机和生产设备的控制和保护，称为继电接触控制。,本章主要介绍几种常用的低压电器，基本的控制环节和保护环节的典型电路。,实现继电接触控制的电气设备，统称为控制电器，如刀开关、按钮、继电器、接触器等。下面介绍常用控制电器的用途及电工表示符号。,第五章 低压电器和常用电动机控制电路,一、刀开关,刀开关是一种配电电器，在供配电系统和设备自动控制系统中通常用于电源隔离，有时也可用于不频繁接通和断开小电流配电电路或直接控制小容量电动机的起动和停止。在电力设备自动控制系统中使用最为广泛的有胶壳刀开关、封闭式负荷开关和组合开关。,图5-1所示为胶壳刀开关结构图,一、刀开关,1胶壳刀开关 胶壳刀开关也称为开启式负荷开关，是一种结构简单、应用广泛的手动电器，主要用作电源隔离开关，将电路与电源隔开，以保证操作及检修人员的人身安全。也可作为小容量交流电动机不频繁起动与停止的控制电器。胶壳刀开关由操作手柄、熔体、静触点(触刀夹座)、动触点(触刀片)、瓷底座和胶盖组成。胶盖使电弧不致飞出灼伤操作人员，防止极间电弧短路；熔体对电路起短路保护作用。,图5-1所示为胶壳刀开关结构图,(1)胶壳刀开关安装时，手柄要向上，不得倒装或平装。倒装时，手柄有可能因为振动而自动下落造成误合闸，另外分闸时可能导致电弧灼手。(2)接线时，应将电源线接在上端(静触点)，负载线接在下端(动触点)。这样，拉闸后胶壳刀开关与电源隔离，便于更换熔丝。(3)拉闸与合闸操作时要迅速，一次拉合到位。常用胶壳刀开关的型号有HKl、HK2、HK4和HK8等系列。,三极式开关的图形与文字符号,胶壳刀开关安装及操作注意事项,封闭式负荷开关也称为铁壳开关，它的通断电流容量比胶壳开关要大，它的主要用于配电电路作电源开关、隔离开关之用；在控制电路中，也可用于不频繁起动的28 kW以下三相异步电动机。,2封闭式负荷开关,图5-3 封闭式负荷开关结构图,封闭式负荷开关主要由钢板外壳、动触点(触刀)、静触点(夹座)、储能操作机构、熔断器及灭弧机构等组成。其图形符号和文字符号与胶壳开关相同。,2封闭式负荷开关,一是采用储能合、分闸操作机构，当扳动操作手柄到一定位置时，弹簧储存的能量瞬间爆发出来，推动触刀迅速合闸、分闸，因此触刀动作的速度很快；二是具有机械联锁，当铁盖打开时，不能进行合闸操作，而合闸后不能打开铁盖。,封闭式负荷开关结构图,封闭式负荷开关的操作机构有以下特点,3.组合开关,组合开关又称转换开关，由数层动、静触片组装在绝缘盒而成的。动触点装在转轴上，用手柄转动转轴使动触片与静触片接通与断开。可实现多条线路、不同联接方式的转换。,转换开关中的弹簧可使动、静触片快速断开，利于熄灭电弧。但转换开关的触片通流能力有限，一般用于交流380V、直流220V，电流100A以下的电路中做电源开关。,二、主令电器,主令电器一般不能直接用来控制电动机的起停，主要用于切换控制电路，用它来操动接触器，从而实现对电动机及其他控制对象的起动、停止或工作状态的变换，因此，称这类发布命令的电器为主令电器。主令电器的种类很多，常用的主令电器有控制 按钮、行程开关、接近开关及万能转换开关 等。,1、控制按钮,(b)结构,控制按钮在低压控制电路中用于手动发出控制信号及远距离控制，也称为按钮。按钮常用于接通和断开控制电路。,按钮开关的外形和符号,(a)外形图,用于自动往复控制或限位保护等。,2.行程开关(限位开关),(b)示意图,结构与按钮类似，但其动作要由机械撞击。,(a)外形图,行程开关的外形符号,1熔断器简介 熔断器广泛用于低压供配电系统和控制系统中。当电路发生短路或严重过载时，熔断器中的熔体将自动熔断，从而切断电路，起到保护作用。熔断器结构简单，体积小巧，价格低廉，工作可靠，维护方便，是电气设备重要的保护元件。熔断器的种类很多，按其结构可分为半封闭插入式熔断器、有填料螺旋式熔断器、有填料封闭管式熔断器、无填料封闭管式熔断器、有填料管式快速熔断器、半导体保护熔断器及自复式熔断器等。,三、熔断器,熔断器的图形和文字符号如图所示。熔断器的种类尽管很多，使用场合也不尽相同，但按照功能来区分，它一般可分为熔座(支持件)和熔体两个组成部分。熔座用于安装和固定熔体，而熔体则串联在电路中。当电路发生短路或者严重过载时，过大的电流通过熔体。熔体以其自身产生的热量而熔断，从而切断电路，起到保护作用。,三、熔断器,半封闭插人式熔断器也称为瓷插式熔断器，其结构如图所示。它由瓷质底座和瓷插件两部分构成，熔体安装在瓷插件内。熔体通常用铅锡合金或铅锑合金等制成，有时也用铜丝作为熔体。,三、熔断器,2半封闭插入式熔断器,瓷插式熔断器结构简单，价格低廉，体积小，带电更换熔体方便，且具有较好的保护特性。它主要用于中、小容量的控制电路和小容量低压分支电路中。常用型号有RClA系列，其额定电压380V，额定电流有5A、10A、15A、30A、60A、100A、200A等7个等级。,2半封闭插入式熔断器,螺旋式熔断器的结构如图所示。它由瓷质底座、瓷帽、瓷套和熔体组成。,3螺旋式熔断器,熔体安装在熔体瓷质熔管内，熔管内部充满起灭弧作用的石英砂。熔体自身带有熔体熔断指示装置。螺旋式熔断器是一种有填料封闭管式熔断器，结构较瓷插式熔断器复杂。,螺旋式熔断器具有较好的抗震性能，灭弧效果与断流能力均优于瓷插式熔断器，被广泛用于机床电气控制设备中。螺旋式熔断器接线时要注意，电源进线接在瓷质底座的下接线端上，负载线接在与金属螺纹壳相连的上接线端上。常用螺旋式熔断器的型号有RL6、RL7(取代RLl、RL2)、RLS2(取代RLSl)系列。,3螺旋式熔断器,分有填料封闭管式熔断器和无填料封闭管式熔断器，其中使用较多的是有填料封闭管式熔断器，其结构如图所示。它由瓷质底座、熔体两部分组成，熔体安放在瓷质熔管内，熔管内部充满石英砂填料。这种填料在熔体熔化时能迅速吸收电弧能量，使电弧很快熄灭。,4管式熔断器,有填料封闭管式熔断器具有熔断迅速、分断能力强、无声光现象等良好性能，但结构复杂，价格昂贵。它主要用于供电线路及要求分断能力较高的配电设备中。常用有填料封闭管式熔断器的型号有RT0、RTl2、RTl4、RTl5、RT20等系列。,4管式熔断器,快速熔断器主要用于半导体元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低，只能在极短的时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护器件具有快速熔断能力。快速熔断器的结构与有填料封闭管式熔断器基本相同，如图所示。但熔体材料和形状不同。其熔体一般用银片冲成有V形深槽的变截面形状。,5快速熔断器,快速熔断器主要型号有RS0、RS3、RSl4和RLS2等系列。,交流接触器的外形与结构,四、接触器,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,(a)外形,(b)结构,接触器的结构和用途,用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。,电磁线圈,辅助触点,静铁心,动铁心,电源,电动机,主触点,动断触点,动合触点,复位弹簧,符号,用于主电路 流过的大电流(需加灭弧 装置),用于控制电路流过的小电流(无需加灭弧装置),属于同一器件的线圈和触点用相同的文字表示,接触器技术指标：额定工作电压、电流、触点数目等。,常用的交流接触器有CJ10、CJ12、CJ20和3TB等系列。,低压断路器简称断路器，也称自动开关，用在交、直流低压电网中，既可手动又可电动分合电路，且可对电路或用电设备实现过载、短路和欠电压等保护，因此，断路器可看成是集开关、接触器、按钮、保护电器于一体的一种功能齐全的控制与保护电器。主要用于建筑、住宅的配电电器，也可以用于不频繁起动电动机，应用越来越广泛。,五、低压断路器,如图所示，为几种常见低压断路器的外形图,五、低压断路器,如图所示，操作合闸按钮或扳钮，拉动锁扣与搭钩钩牢，使主触点闭合，接通L1、L2、L3三相交流电路，当主触点闭合后，若L3相电路发生短路或过电流(电流达到或超过过电流脱扣器动作值)事故时，过电流脱扣器的衔铁吸合，驱动杠杆动作，主触点在弹簧的作用下断开；,断路器工作原理,当电路过载时(L3相)，热脱扣器的热元件发热使双金属片产生足够的弯曲，同样推动杠杆动作，从而使主触点切断电路；当电源电压不足(小于欠电压脱扣器释放值)时，欠电压脱扣器的衔铁释放使杠杆动作，主触点切断电路，分励脱扣器用于远距离切断电路。当需要分断电路时，按下分断按钮，分励脱扣器线圈通电，衔铁驱动杠杆动作，使主触点切断电路。,断路器工作原理,六、继电器,继电器和接触器的结构和工作原理大致相同。主要区别在于：接触器的主触点可以通过大电流；继电器的体积和触点容量小，触点数目多，且只能通过小电流。所以，继电器一般用于控制电路中。,时间继电器也称为延时继电器，它在电路中起着使控制电路延时动作的作用，即当继电器的感测机构接收到外界动作信号后，要经过一定时间延时后触点才动作并输出信号去操纵控制电路。时间继电器按动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式（钟表式）和电子式；按延时方式可分为通电延时和断电延时两种。,1.时间继电器,如图所示，为时间继电器的外形及图形和文字符号。通常时间继电器上有好几组辅助触点，所谓瞬动触点即是指当时间继电器的感测机构接收到外界动作信号后，该触点立即动作，,1.时间继电器,2、热继电器,用于电动机的过载保护。,热继电器外形与结构,(a)外形,(b)结构,2、热继电器,热继电器工作原理示意图,发热元件接入电动机主电路，若长时间过载，双金属片被加热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，杠杆被弹簧拉回，动断触点断开。,发热元件,杠杆,2、热继电器,工作原理,结构原理图,双金属片,动断触点,用于电动机的过载保护。,熔断器和热继电器的区别,熔断器和热继电器这两种保护电器都是利用电流的热效应原理作过流保护的，但它们的动作原理不同，用途也有所不同。熔断器由熔体直接受热而在瞬间迅速熔断，主要用做短路保护；为避免在电动机起动时熔断，应选择熔体的额定电流大于电动机的额定电流，因此在电动机过载量不大时，熔断器不会熔断，所以熔断器不宜用做电动机的过载保护。而热继电器动作有一定的惯性，在过流时不可能迅速切断电路，所以绝不能用做短路保护。,第二节 三相异步电动机控制电路,三相异步电动机的运行方式有起动、调速、反转和制动。1起动 起动是指电动机通电后转速从零开始逐渐加速到正常运转的过程。（1）起动电流很大：异步电动机在起动时，定子绕组中流过起动电流约为额定电流的57倍。,一、三相异步电动机的运行,1起动,（2）起动时间很短：在正常情况下，异步电动机的起动时间为几秒到十几秒，短时间的起动大电流一般不会对电动机造成损害(对于频繁起动的电动机则需要注意起动电流对电动机工作寿命的影响)，但它会在电网上造成较大的电压降从而使供电电压下降，影响同一电网上其他用电设备的正常工作，造成正在起动的电动机起动转矩减小，起动时间延长甚至无法起动。,1起动,三相笼型异步电动机的起动方式有两类，即在额定电压下的直接起动和降低起动电压的降压起动。两种方式各有优缺点，可按具体情况正确选用。,直接起动是将电动机三相定子绕组直接接到额定电压的电网上起动电动机，因此又称全压起动。直接起动的优点是所需设备简单，起动时间短，缺点是对电动机及电网有一定的冲击。一般用于十几千瓦的小功率三相异步电动机上。实际使用三相异步电动机时，只要允许采用直接起动，则应优先考虑使用直接起动。,直接起动,降压起动是指起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，起动结束后加额定电压运行的起动方式。降压起动虽然能起到降低电动机起动电流的目的，但由于电动机的转矩与电压的平方成正比，因此降压起动时电动机的转矩减小较多，故降压起动一般适用于电动机空载或轻载起动。常用的降压起动有星形一三角形降压起动、串电阻(电抗)降压起动和自耦变压器(补偿器)降压起动及软起动器起动。,降压起动,调速是用人为的方法改变异步电动机的转速。异步电动机的转速可用下式表示 故异步电动机的转速调节有以下三种方法：(1)改变定子绕组的磁极对数 变极调速(2)改变电动机的转差率s，具体方法有改变电源电压调速和绕线转子异步电动机转子串电阻调速等。(3)改变供电电网的频率 变频调速。这是一种极有发展前途的调速方法，现已得到广泛应用。,2调速,三相异步电动机除了运行于电动机的起动、调速状态外，还时常运行于制动状态。所谓电动机的制动是指在电动机的轴上加一个与其旋转方向相反的转矩，使电动机减速或停转，对位能性负载(起重机下放重物)，制动运行可获得稳定的下降速度。根据制动转矩产生方法的不同，电动机制动可分为机械制动和电气制动两类。机械制动通常是靠摩擦方法产生制动转矩，如电磁抱闸制动。而电气制动依靠使电动机所产生的电磁转矩与电动机的旋转方向相反来实现。三相异步电动机的电气制动有反接制动、能耗制动和再生制动3种。,3制动,二、三相异步电动机的直接起动控制电路,1手动单向运转电路 如图所示为用手动控制电器胶壳刀开关或断路器控制三相异步电动机单向运转的电路。合上刀开关QS（或断路器QF），三相交流电源即加到三想异步电动机定子绕组上，电动机有电而旋转，断开QS，电动机停止运转。熔断器FU作为电路的短路保护。,2接触器控制连续运转电路,如图所示的电路称为“接触器控制连续运转电路”，电路的工作原理和操作过程如下:三相交流电源L1，L2，L3由电源开关QS引入，经熔断器FU、接触器KM主触点、热继电器FR到三相异步电动机的电路称为主电路。而给接触器KM线圈供电的电路称控制电路。,2接触器控制连续运转电路,结构图,主电路,控制电路,2接触器控制连续运转电路,(1)电路,(b)原理图,控制电路,电动机的保护,过载保护,短路保护,零压、欠压保护,主电路,控制电路,电动机的保护,短路保护是因短路电流会引起电器设备绝缘损坏产生强大的电动力，使电动机和电器设备产生机械性损坏，故要求迅速、可靠切断电源。通常采用熔断器 FU和过流继电器等。,欠压是指电动机工作时，引起电流增加甚至使电动机停转，失压(零压)是指电源电压消失而使电动机停转，在电源电压恢复时，电动机可能自动重新起动(亦称自起动)，易造成人身或设备故障。常用的失压和欠压保护有：对接触器实行自锁；用低电压继电器组成失压、欠压保护。,过载保护是为防止三相电动机在运行中电流超过额定值而设置的保护。常采用热继电器FR保护，也可采用自动开关和电流继电器保护。,KM,合上开关QS,起动,(2)控制原理,KM辅助触点闭合自锁。,按下起动按钮SB2,KM线圈通电，,通电,转动,合上开关QS,(2)控制原理,松开起动按钮SB2,利用自身辅助触点，维持线圈通电的作用称自锁,自锁,(2)控制原理,主电路,FR,FU,Q,QS,转动,停车,(2)控制原理,转动,停车,停转,去掉KM辅助触点,实现点动控制。,3.三相异步电动机正反转控制电路,将电动机接到电源的任意两根线对调一下，即可使电动机反转。,需要用两个接触器来实现这一要求。当正转接触器工作时，电动机正转；当反转接触器工作时，将电动机接到电源的任意两根联线对调一下，电动机反转。,SBF和SBR决不允许同时按下，否则造成电源两相短路。,正反转的控制电路,3,M,FR,FU,正转触点,KMR,KMF,KMF,.,KMR,FR,QS,KMF,正转接触器,正转按钮,正反转控制电路必须保证正转、反转接触器不能同时动作。,反转接触器,反转按钮,反转触点,按下SBF,SB,KMF,在同一时间内，两个接触器只允许一个通电工作的控制作用，称为“互锁”。,“互锁”触点,利用接触器的触点实现互锁控制称电气互锁。,缺点：改变转向时必须先按停止按 钮。,KMR,SBF,KMF,KMF,SBR,KMR,KMR,.,.,.,.,.,通电,断开,断电,闭合,利用复合按钮的触点实现互锁控制称机械互锁。,三相异步电动机正反转控制电路,KMF,KMF,SBR,SB,KMR,SBF,KMF,KMR,KMR,机械互锁,KMF,KMF,SBR,SB,KMR,SBF,KMF,KMR,KMR,当电动机正转时，按下反转按钮SBR,先断开,断电,闭合,通电,断开,闭合,闭合,电动机反转,三、三相异步电动机降压起动控制电路,星 一三角降压起动的基本原理是利用电动机定子绕组连接方法的改变来达到降压的目的：如果三相异步电动机在正常运行时定子绕组为三角形联结，则可以在起动时先将定子绕组接成,1星 一三角降压起动电路,星 一三角降压起动的原理,在电源线电压为380V的供电系统中，采用星形联结起动时，加在每相定子绕组上的电压为220V，而起动结束改接为三角形联结运行时，加在每相定子绕组的电压为380V，达到了降压起动的目的。图（b）是采用手动控制的星一三角降压起动电路图。,星 一三角降压起动的特点,星三角降压起动方法比较简单，不需要附加设备，而且没有串电阻起动时的能量损耗。目前功率在4 kW以上的国产三相异步电动机均为三角形联结，就是为了便于采用星三角降压起动方法。但由于在起动时，定子绕组星形联结定子相电压仅为额定电压的1/，因此起动电流和起动转矩均降至全压起动时的1/3。所以仅适用于空载或轻载起动的电动机。,自动Y 起动器,起动过程：,按SB2,KM1通电,KM2断电,绕组Y接,KM1接通电源KM2绕组联接KM3绕组Y联接,动断断开,动断延时断开,电动机Y接起动,KM1接通电源KM2绕组联接KM3绕组Y联接,松开SB2,电机仍处于Y 接起动状态。,KM1接通电源KM2绕组联接KM3绕组Y联接,电机接运行,2.软起动器,软起动器（又称智能电动机控制器SMC）起动。软起动器实际上就是由微处理器来控制双向晶闸管交流调压装置。它通过控制双向晶闸管的导通角来改变起动时加在三相异步电动机定子绕组的电压，以控制电动机的起动特性。常用的是限流软起动控制模式。在该模式下软起动时，SMC的输出电压由零迅速增加，使输出电流（即电动机起动电流）很快上升到34倍电动机额定电流，然后保持输出电流基本不变，而电压则逐步上升，使电动机加速到额定转速。至此起动完毕，电动机全压运行。,2.软起动器,软起动器的电路框图及起动特性曲线如图所示。软起动器起动由于具有起动平滑，加上有完善的电子保护（过流、过载、缺相、漏电等）功能，正在被迅速的采用。常用的有WJR系列、JJR系列、TTR系列等，可用于400KW以下三相异步电动机的降压起动中。,四、三相异步电动机的制动控制电路,1三相异步电动机的电源反接制动 电动机停机后因机械惯性仍继续旋转，此时如果和控制电动机反转一样改变三相电源的相序，电动机的旋转磁场随即反向，产生的电磁转矩与电动机的旋转方向相反，为制动转矩，使电动机很快停下来，这就是反接制动。,反接制动的特点 反接制动简单易行，制动转矩大，效果好。存在的问题是，在开始制动的瞬间，转差率s1，电动机的转子电流比起动时还要大。为限制电流的冲击，往往在定子绕组中串入限流电阻R。此外，在电动机转速降至零附近时，若不及时切断电源，电动机就会反向起动而达不到制动的目的。,反接制动控制的工作原理,如图所示，合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，主接触器KM1线圈通电并自锁，KM1主触点闭合，电动机直接起动并进入正常运行，另外当电动机转速达到120r/min以上时，速度继电器KV动合触点闭合，为电源反接制动停车作好准备。,反接制动控制的工作原理,按下停止按钮SB1，复合按钮SB1先切断KM1线圈电源，再接通KM2线圈电源并自锁，电动机改变电源相序进入反接制动状态（用电阻R限制反接制动电流），当电动机转速下降到90r/min左右时，速度继电器触点KV断开，切断KM2线圈电源，电动机反接制动结束。,三相异步电动机能耗制动控制线路,断电延时继电器,直流电源,断电延时断开,正常运行：,按SB2,动合闭合 自锁,动断断开,KT通电,常开闭合,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,断电延时断开,通电,通电,断电,断电延时继电器,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,通电,通电,断电,断电延时断开,制动时：,按SB1,KM1主触点断开,动合断开,动断闭合,断电,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,断电延时断开,通电,断电,KM1接通电机电源KM2接通直流电源制动开始KT控制切断直流电源时间,动断闭合,动合断开,KT触点断开,断电延时断开,断电,
