任务三 降压启动控制电路的分析与安装调试
一、任务要求
有1台皮带运输机，由一台电动机拖动，电动机功率为7.5kW，电压为380V，三角形接法，额定转速1440r/min。按照以下要求完成控制电路的设计与安装。
① 系统启动平稳且启动电流应较小，以减小对电网的冲击，要求电动机采用降压启动方式；
② 系统可实现连续正反转；
③ 有短路、过载、欠压和失压保护。
二、相关知识
电动机的启动方式分为全压启动和降压启动两种，全压启动是指加在电动机定子绕组上的电压为额定电压，又称直接启动。前面任务中的电动机自锁控制和正反转控制线路都属于直接启动。电动机的直接启动电路简单，但启动电流大（约为启动电流的4～7倍），会对电网其他设备造成一定的影响，因此当电动机功率较大时（大于7kW），需采取降压启动方式，以降低启动电流。
所谓降压启动，就是利用某些设备或采用电动机定子绕组换接的方法，降低启动时加在电动机定子绕组上的电压，启动结束后再将电压恢复到额定值，使电动机在正常电压下运行。因为电枢电流和电压成正比，所以降低电压可以减小启动电流，不致在电路中产生过大的电压降，减少对电路电压的影响。不过，因为电动机的电磁转矩和端电压平方成正比，所以电动机的启动转矩也就减小了，因此，降压启动一般需要在空载或轻载下启动。
（一）时间继电器
时间继电器是一种利用电磁或机械原理实现触点延时接通和断开的自动控制电器。常用的时间继电器主要有空气阻尼式、电子式、电磁式、电动式继电器。
1．空气阻尼式时间继电器
（1）结构
空气阻尼式时间继电器主要由电磁系统、延时机构、触点系统、空气室、传动机构、基座等组成，其外形如图1-39所示，外部结构如图1-40所示。
图1-39 空气阻尼式时间继电器外形
图1-40 空气阻尼式时间继电器的外部结构
（2）工作原理
图1-41所示为空气阻尼式时间继电器的工作原理。当线圈1通电后，衔铁3吸合，微动开关16受压，其触点动作无延时，活塞杆6在塔形弹簧8的作用下，带动活塞12及橡胶膜10向上移动，但由于橡胶膜下方气室的空气稀薄，形成负压，因此活塞杆6只能缓慢地向上移动，其移动的速度视进气孔的大小而定，可通过调节螺杆13进行调整。经过一定的延时后，活塞杆才能移动到最上端。这时通过杠杆7压动微动开关15，使其常闭触点断开，常开触点闭合，起到通电延时作用。
图1-41 空气阻尼式时间继电器的工作原理
1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—反力弹簧；5—推板；6—活塞杆；7—杠杆；8—塔形弹簧；
9—弱弹簧；10—橡胶膜；11—空气室壁；12—活塞；13—调节螺杆；14—进气孔；15，16—微动开关
当线圈1断电时，电磁吸力消失，衔铁3在反力弹簧4的作用下释放，并通过活塞杆6将活塞12推向下端，这时橡胶膜10下方气室内的空气通过橡胶膜10、弱弹簧9和活塞12肩部所形成的单向阀，迅速地从橡胶膜上方的气室缝隙中排掉，微动开关15、16能迅速复位，无延时。
（3）时间继电器的电气符号
时间继电器的电气符号如图1-42～图1-45所示。
图1-42 通电延时的各类触点电气符号
图1-43 断电延时的各类触点电气符号
图1-44 通电延时继电器线圈的电气符号
图1-45 断电延时继电器线圈的电气符号
（4）空气阻尼式时间继电器的特点
优点：延时范围较大，且不受电压和频率波动的影响；可以做成通电和断电两种延时形式；结构简单、寿命长、价格低。
缺点：延时误差大，难以精确地整定延时值，且延时值易受周围环境温度、尘埃等的影响，对延时精度要求较高的场合不宜采用。
（5）型号含义
型号含义如下：
2．电子式时间继电器
电子式时间继电器也称为半导体时间继电器，具有结构简单、延时范围广（可达0.1s～9999min）、精度高、体积小、消耗功率小、调整方便及寿命长等优点，其应用越来越广泛。
电子式时间继电器按原理分为阻容式和数字式两类，阻容式时间继电器以RC电路充电时电容器上的电压逐步上升的原理为基础，有单结晶体管式和场效应管式两种。
电子式时间继电器按延时方式可分为通电延时型、断电延时型及带瞬动触点的通电延时型。图1-46所示为JS20系列时间继电器的外形和接线示意图。
图1-46 JS20系列时间继电器的外形和接线示意图
3．直流电磁式时间继电器
直流电磁式时间继电器用于直流电气控制电路中，它的结构简单，运行可靠，寿命长；缺点是延时时间短。
（二）三相异步电动机的降压启动控制电路
1．定子电路串电阻降压启动控制
在电动机启动时，在定子电路中串接电阻，使加在电动机定子绕组上的电压降低，启动结束后再将电阻切除，使电动机在额定电压下运行。这种启动方式主要用于正常运行时定子绕组接成Y型的笼型异步电动机。图1-47是这种启动方式的电路图。
工作原理：合上刀开关QS，按下按钮SB2，KM1线圈得电自锁，其常开主触点闭合，电动机启动，KT线圈得电；当电动机的转速接近正常转速时，到达KT的整定时间后，其常开延时触点闭合，KM2线圈得电自锁，KM2的常开主触点闭合，将R短接，电动机全压运转。
图1-47 定子电路串电阻降压启动控制电路图
降压启动用的电阻一般采用ZX1、ZX2系列铸铁电阻，其阻值小、功率大，可允许通过较大的电流。
各元器件工作顺序如下：
2. Y-△降压启动控制
采用Y-△降压启动控制时，电动机在启动时将绕组接成星形连接，启动结束后自动换接成三角形接法。该启动方式仅适用于正常运行时定子绕组接成三角形的笼型异步电动机。
图1-48是用两个接触器和一个时间继电器自动完成Y-△转换的启动控制电路。由图可知，按下SB2后，接触器KM1得电并自锁，同时KT、KM3也得电，KM1、KM3主触点同时闭合，电动机以星形接法启动。当电动机转速接近正常转速时，到达通电延时型时间继电器KT的整定时间，其延时动断触点断开，KM3线圈断电，延时动合触点闭合，KM2线圈得电，同时KT线圈也失电。这时，KM1、KM2主触点处于闭合状态，电动机绕组转换为三角形连接，电动机全压运行。图中把KM2、KM3的动断触点串联到对方线圈电路中，构成“互锁”电路，避免KM2与KM3同时闭合，引起电源短路。
图1-48 异步电动机Y-△降压启动控制电路
在电动机的Y-△启动过程中，绕组的自动切换由时间继电器KT延时动作来控制。这种控制方式称为按时间原则控制，它在机床自动控制中得到广泛应用。KT延时的长短应根据启动过程所需时间来整定。
3．自耦变压器降压启动控制
正常运行时定子绕组接成Y型的笼型异步电动机，还可用自耦变压器降压启动。电动机启动时，定子绕组加上自耦变压器的二次电压，一旦启动完成就切除自耦变压器，定子绕组加上额定电压正常运行。
自耦变压器二次绕组有多个抽头，能输出多种电源电压，启动时能产生多种转矩，一般比Y-△启动时的启动转矩大得多。自耦变压器虽然价格较贵，而且不允许频繁启动，但仍是三相笼型异步电动机常用的一种降压启动装置。
图1-49为一种三相笼型异步电动机自耦变压器降压启动控制电路。
图1-49 三相笼型异步电动机自耦变压器降压启动控制电路
其工作过程如下。
合上电源开关QS，按下按钮SB2，KM1线圈得电，自耦变压器作Y连接，同时KM2得电自锁，电动机降压启动，KT线圈得电自锁；当电动机的转速接近正常工作转速时，到达KT的整定时间，KT的常闭延时触点先断开，KM1、KM2先后失电，自耦变压器T被切除，KT的常开延时触点后闭合，在KM1的常闭辅助触点复位的前提下，KM3得电自锁，电动机全压运转。
电路中KM1、KM3的常闭辅助触点的作用是：防止KM1、KM2、KM3同时得电，使自耦变压器T的绕组电流过大，从而导致其损坏。
三、任务实施
（一）控制电路的设计
根据控制要求，设计控制电路，其电路如图1-50所示。
图1-50 控制电路图
（二）电路的安装与调试
① 按图1-50所示将所需要的元器件配齐，并使用电工工具对元件进行质量检验；
② 画出元件的布置图和安装接线图；
③ 按照电气控制线路安装主电路和控制电路；
④ 检查主电路和控制电路的连接情况；
⑤ 检查无误后通电试车。为保证人身安全，在通电试车时，要认真执行安全操作规程的有关规定，经老师检查并现场监督。
四、知识与能力扩展
继电器是根据一定的信号（如电流、电压、时间和速度等物理量）变化来接通或分断小电流电路的自动控制电器。继电器实质上是一种传递信号的电器，它根据特定形式的输入信号而动作，从而达到控制目的。继电器一般不用来控制主电路，而是通过接触器或其他电器来对主电路进行控制。
低压控制系统中的继电器大部分是电磁式继电器，电磁式继电器的结构组成和工作原理与电磁式接触器相似，也是由电磁机构和触点系统两个主要部分组成。电流继电器和电压继电器都属于电磁式继电器。
（一）电流继电器
根据继电器线圈中电流的大小而接通或断开电路的继电器叫作电流继电器。使用时，电流继电器的线圈串入主电路，用来感测主电路的电流；触点接于控制电路，为执行元件。为了使串入电流继电器线圈后电路能正常工作，电流继电器线圈的匝数要少，导线要粗，阻抗要小。电流继电器的外形如图1-51所示。电流继电器反映的是电流信号，常用的电流继电器有过电流继电器和欠电流继电器两种。
图1-51 电流继电器的外形
过电流继电器在电路正常工作时衔铁不吸合。当被保护线路的电流高于额定值并达到过电流继电器的整定值时，衔铁吸合，触点机构动作，其常开触点闭合，常闭触点断开。过电流继电器主要用于电动机、发电机或其他负载的过载及短路保护。
欠电路继电器在电路正常工作时其衔铁是吸合的，其常开触点闭合，常闭触点断开。只有当电流降低到某一整定值时，衔铁才释放，其触点恢复。欠电流继电器常用于直流电动机励磁电路和电磁吸盘的弱磁保护。
电流继电器电气符号如图1-52所示。
图1-52 电流继电器电气符号
（二）电压继电器
电压继电器的线圈并联接入主电路，用来感测主电路的电压，触点接于控制电路，为执行元件。电压继电器根据线圈两端电压的大小接通或断开电路，线圈的导线细，匝数多，阻抗大。电压继电器分为过电压继电器和欠电压继电器两种，分别用于电路的过电压或欠电压保护。电压继电器的外形如图1-53所示，电气符号如图1-54所示。
图1-53 电压继电器的外形图
图1-54 电压继电器的电气符号
（三）速度继电器
速度继电器在转速达到规定值时动作，其作用是与接触器配合，实现对电动机的反接制动，所以又称为反制动继电器。速度继电器主要由转子、定子和触点三部分组成。图1-55所示为速度继电器的结构原理图。
图1-55 速度继电器的结构原理图
1—螺钉；2—反力弹簧；3—常闭触点；4—动触点；5—常开触点；
6—返回杠杆；7—杠杆；8—定子导体；9—定子；10—转轴；11—转子
速度继电器的转轴与电动机的轴相连，当电动机转动时，速度继电器的转子随着一起转动，产生旋转磁场，定子绕组便切割磁力线产生感应电动势，而后产生感应电流，载流导体在转子磁场作用下产生电磁转矩，使定子开始转动。当定子转过一定角度后，带动杠杆推动触点，使常闭触点断开，常开触点闭合。杠杆推动触点的同时也压缩反力弹簧，阻止定子继续转动。当电动机转速下降时，转子速度也下降，定子导体内感应电流减小，转矩减小。当转速下降到一定值时，电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子返回到原来位置，对应的触点复位。调节螺钉可以调节反力弹簧的反作用力大小，从而调节触点动作时所需转子的转速。
速度继电器的表示方法为：
速度继电器的电气符号如图1-56所示。
图1-56 速度继电器图形、文字符号
（四）电动机的制动控制电路
三相异步电动机断电后，由于惯性作用，自由停车时间较长。而某些生产工艺过程则要求电动机在某一个时间段内能迅速而准确地停车，如镗床、车床的主电动机需快速停车，起重机为使重物停位准确及现场安全要求也需要能迅速停车，因此需要对电动机采用快速、可靠的制动控制方法，使之迅速停转。
电动机制动的方法主要有机械制动和电气制动两种。机械制动是采用机械抱闸制动；电气制动是用电气的办法，使电动机产生一个与转子原转动方向相反的力矩，迫使电动机迅速制动而停转，常用的电气制动方法有反接制动和能耗制动。
1．反接制动
反接制动是指在切断电动机的三相电源后，立即接上与原电源相序相反的三相交流电源，以形成与原来转速方向相反的电磁力矩，利用这个制动力矩迫使电动机迅速停止转动。
图1-57为反接制动控制电路。由于反接制动的电流较大，由此引起的制动冲击力也较大，所以在主电路中串入限流电阻R。控制电路中，使用了速度继电器KS，它与电动机同轴。当电动机转速上升到一定数值时，速度继电器的常开触点闭合，为制动做好准备。制动时转速迅速下降，当转速下降到接近于零时，速度继电器的常开触点断开，接触器KM2线圈断电，防止电动机反转。
图1-57 反接制动控制电路
反接制动工作过程如下。
按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电并自锁，KM1主触点闭合，电动机进行全压启动。当电动机转速上升到100r/min时（此数值可调），KV的常开触点闭合。但是由于接触器KM2线圈支路的互锁触点KM1断开，所以KM2线圈不会得电。
按下停止按钮SB1，接触器KM1线圈失电，KM1主触点断开，电动机失电惯性运转。同时KM1常闭触点闭合，KM2线圈得电，KM2主触点闭合将电动机电源反接。当转速下降到接近于零时，KV常开触点断开，使KM2线圈失电，从而切断电动机的反接电源，电动机停止运转。
2．能耗制动
能耗制动是将正在运转的电动机脱离三相交流电源后，给定子绕组加一直流电源，以产生一个静止磁场，利用转子感应电流与静止磁场的作用产生反向电磁力矩，迫使电动机制动停转。
图1-58为能耗制动控制电路，它利用时间继电器的延时作用实现能耗制动。UF为单相桥式整流器，TR为整流变压器。
图1-58 能耗制动控制电路
工作原理如下。
① 按下启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电自锁，KM2常闭触点互锁，电动机运转。
② 按下停止按钮SB1，使接触器KM1线圈失电，从而切断交流电源，接触器KM2线圈得电，KM2常开辅助触点接通直流电源，同时时间继电器KT得电，经过一定延时后，时间继电器KT常闭触点断开，使KM2线圈失电，断开直流电源，制动结束。