1.3　机械电气控制的基本电路

1.3.1　电路的绘制原则和保护措施

电气控制系统是由许多电气元件按照一定要求连接而成的。电气线路根据电流和电压的大小可分为主电路和控制电路。为了表达机械设备电气控制系统的结构、原理等设计思路，同时也为了便于电气系统的安装、调整、使用和维修，需要将电气控制系统中各电气元件及其连接用一定图形表示出来，这种图就是电气控制系统图。电气控制系统图就是指根据国家电气制图标准，用规定的电气符号、图线来表示系统中各电气设备、装置、元器件的连接关系的电气工程图。它的布局不像机械图那样必须严格按机件的位置进行布局，而是可根据具体情况灵活多样地绘制。要读懂机械设备电气图样，必须了解机械设备电气制图与识图方法，掌握这种工程语言，并熟悉电路中的保护措施。

1.3.1.1　电气控制电路的绘制原则

电气图通常包括系统图和框图、电气原理图、电气元件布置图、电气安装接线图等。国家标准GB/T 6988—2006～2008《电气技术用文件的编制》规定了电气技术领域中各种图的编制方法，如系统图和框图、电路图、接线图和接线表、功能表图与逻辑图等。

在保证图面布局紧凑、清晰和使用方便的原则下选择图纸幅面尺寸，按国家标准GB/T 14689—1993规定，图纸幅面尺寸及其代号如表1.1所示。应优先选用A0～A4号幅面尺寸，若需要加长的图纸，可采用A3×3～A4×5的幅面，如果上述所列幅面仍不能满足要求，可按照GB/T 14689—2008《技术制图 图纸幅面和格式》的规定加大幅面。

下面介绍电气图中的图样符号、文字符号及接线端子标记等。

（1）图形符号

所有图形符号应符合GB/T 4728—2008～2018《电气简图用图形符号》的规定。当GB/T 4728给出几种形式时，应尽可能采用优选形式；在满足需要的前提下，尽量采用最简单的形式；在同一图号的图中使用同一种形式。上述标准示出的符号方位在不改变符号含义的前提下，符号可根据图面布置的需要旋转或成镜像放置，但文字和指示方向不得倒置。常用的电气图形符号、文字符号如表1.2所示。

（2）文字符号

电气图中的文字符号应符合GB/T 7159《电气技术中的文字符号制订通则》。该标准规定的文字符号适用于电气技术领域中技术文件的编制，用以在电气设备、装置和元器件上或其近旁标明电气设备、装置和元器件的名称、功能、状态和特征。文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。

1）基本文字符号　基本文字符号用以表示电气设备、装置、元器件以及线路的基本名称和特性。基本文字符号有单字母符号与双字母符号两种。

单字母符号用字母将各种电气设备、装置和元器件划分为23大类，每一大类用一个专用单字母符号表示。如“C”表示电容器类，“R”表示电阻器类，“Q”表示电力电路的开关器件等。

双字母符号由一个表示种类的单字母符号与另一字母组成，其组合形式为单字母符号在前、另一字母在后。只有用单字母符号不能满足要求、需要将大类进一步划分时，才采用双字母符号，以便较详细和更具体地表述电气设备、装置和元器件。如“F”表示保护器件类，而“FU”表示熔断器，“FR”表示具有延时动作的限流保护器件，“FV”表示限压保护器件。表1.3为电气技术中常用的基本文字符号。

2）辅助文字符号　辅助文字符号是用以表示电气设备、装置和元器件以及线路的功能、状态和特征的。如“SYN”表示同步，“L”表示限制，“RD”表示红色等。辅助文字符号也可放在表示种类的单字母符号后边组成双字母符号，如“SP”表示压力传感器，“YB”表示电磁制动器。为简化文字符号，若辅助文字符号由两个以上字母组成，允许只采用其第一位字母进行组合，如“MS”表示同步电动机等。辅助文字符号还可以单独使用，如“ON”表示接通，“M”表示中间线，“PE”表示保护接地等。表1.4为电气技术中常用的辅助文字符号。

3）文字符号组合　新的文字符号的组合形式一般为“基本符号+辅助符号+数字符号”，用于说明同一类电气设备、电气元件的不同编号。例如，第一个时间继电器，其符号为KT1；第二组熔断器，其符号为FU2。

4）补充文字符号的原则　规定的基本文字符号和辅助文字符号如不够用，可按国家标准中规定的文字符号组成规律和下述原则予以补充。

①在不违背GB/T 7159标准编制原则的条件下，可采用国际标准中规定的电气技术文字符号。

②在优先采用标准中规定的单字母符号、双字母符号和辅助文字符号前提下，可补充未列出的双字母符号和辅助文字符号。

③文字符号应按有关电气名词术语国家标准或专业标准中规定的英文术语缩写而成。对于基本文字符号不得超过两位字母，对于辅助文字符号一般不能超过三位字母。

④因拉丁字母“I”“O”易同阿拉伯数字“1”和“0”混淆，因此，不允许单独作为文字符号使用。

⑤文字符号的字母采用拉丁字母大写正体字。

1.3.1.2　电气控制电路的保护措施

电气控制的保护是所有电气控制系统不可缺少的组成部分，利用它来保护电动机、电网、电气控制设备及操作人员人身安全等。电气控制系统中常用的保护有短路保护、过载保护、零电压及欠电压保护和弱磁保护等。

1）短路保护　电动机、电器的绝缘、导线的绝缘损坏或电路发生故障，都可能造成短路事故，使电器设备损坏或发生更严重的后果，因此要求一旦发生短路故障，控制电路能迅速地切除电源以进行保护。常用的短路保护元件有熔断器和断路器等。

2）过载保护　过载保护是电流保护，如果超过额定电流则采取断路保护。常用的过载保护元件是热继电器。由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机短时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器做过载保护的同时，还必须有短路保护。做短路保护的熔断器熔体的额定电流不能大于热继电器发热元件额定电流的4倍。

3）过电流保护　过电流往往是由电动机不正确的启动和过大的负载引起的，一般比短路电流要小，电动机运行时产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转启动的重复短时工作的电动机中更是如此。对于三相笼型异步电动机，由于其短时过电流不会产生严重后果，故可不设置过电流保护。

虽然短路、过载和过电流保护都是电流型保护，但由于故障电流、动作值以及保护特性、保护要求以及使用元件不同，它们之间是不能互相替代的。

4）零电压及欠电压保护　在电动机运行中，当电源电压（因某种原因）消失后重新恢复时，如果电动机自行启动，将会损坏生产设备，也可能造成人身事故。对于供电系统的电网，同时有许多电动机及其他用电设备自行启动也会引起不允许的过电流及瞬间网络电压下降。防止电网失电后恢复供电时电动机自行启动的保护叫作零压保护。在电动机运行中，电源电压过低时，如果电动机负载不变，则会造成电动机电流增大，引起电动机发热，甚至烧坏电动机。还会引起电动机转速下降，甚至停转。因此，当电源电压降到允许值以下时，需要采取保护措施，及时切断电源，这就是欠电压保护。通常采用欠电压继电器，或设置专门的零电压继电器来实现。

5）弱磁保护　直流电动机需要磁场有一定强度时才能启动，如果磁场太弱，电动机的启动电流就会很大；直流电动机正在运行时磁场突然减弱或消失，电动机转速就会迅速升高，甚至发生“飞车”。因此需要采取弱磁保护。弱磁保护是通过在电动机励磁回路中串入欠电流继电器来实现的。在电动机运行中，如果励磁电流消失或降低太多，欠电流继电器就会释放，其触点切断主回路接触器线圈的电源，使电动机断电停车。

1.3.2　三相异步电动机控制的基本电路

交流电动机具有结构简单、制造方便、维修容易、价格便宜等优点，所以被广泛使用，如工厂企业中大量使用的各种机床、风机、机械泵、压缩机等。交流异步电动机按照转子的结构形式分为笼型异步电动机和绕线式异步电动机。笼型异步电动机因具有结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、转子惯量小、运行可靠等优点，广泛应用于机床等设备。绕线式异步电动机因其转子采用绕线方式，具有调速简单、成本低的优点，广泛地应用于吊车、卷扬机等中小设备。

（1）交流异步电动机的结构

三相异步电动机主要由定子、转子两大部分构成，定子与转子之间有一定的气隙，如图1.4所示。定子是静止不动的部分，由定子铁芯、定子绕组和机座组成。转子是旋转部分，由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。

笼型电动机的转子绕组与定子绕组大不相同，它是在转子铁芯槽里插入铜条，再将全部铜条焊接在两端铜环上，若将转子铁芯拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个笼子，如图1.5所示，故称为笼型转子。对于中小功率，多采用铝离心浇铸而成。

绕线式异步电动机的转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁芯槽里，转子可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速。笼型异步电动机不能使转子电阻改变而调速，但与绕线式电动机相比，其坚固而价廉。在机床等实际工业现场使用的电动机当中，绝大多数是笼型异步电动机。

（2）异步电动机的工作原理

异步电动机的工作原理如图1.6所示，三相异步电动机旋转磁场的产生如图1.7所示。当定子接三相对称电源后，电动机内就形成圆形旋转磁场，设其为顺时针旋转，速度为n0。若转子不转，转子笼型导条与旋转磁场有相对运动，转子导条中便有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，则导条中便有感应电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。因此，载流导条就在磁场中感生电磁力f，形成电磁转矩T，用左手定则可确定其方向与旋转磁场方向相同。转子便在方向与旋转磁场同方向的力f（电磁转矩T）的作用下，跟随着旋转磁场旋转起来。

转子旋转后，假设其转速为n，只要n<n0，转子导条与磁场之间仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及电磁力f，电磁转矩T仍旧为顺时针方向，转子继续旋转，最终稳定运行在电磁转矩T与负载转矩TL相平衡的状况下。

异步电动机内部磁场的旋转速度n0被称作同步转速。在电动机运行时，电动机轴输出机械功率，异步电动机的实际转速n总是低于旋转磁场转速n0，即转子的旋转速度n总是与同步转速n0不相等，故异步电动机的名称由此而来。另外，由于转子电流的产生和电能的传递是基于电磁感应现象的，故异步电动机也称为感应电动机。

异步电动机的同步转速n0与定子绕组磁极对数p（等于磁极数的一半）成反比，与定子侧电源频率f1成正比（对于交流电动机，其定子侧的物理量习惯用下标1或者下标s表示，其转子侧的物理量习惯用下标2或者下标r表示），因此有n0=60f1/p。

带有负载的电动机转子实际转速n要比电动机的同步转速n0低一些，常用转差率来描述异步电动机的各种不同运行状态。转差率s定义为s=（n0-n）/n0，故近似有n=n0（1-s）。

当电动机为空载（输出的机械转矩近似为零），忽略摩擦转矩，转速近似为n0时，转差率s近似为零。而当电动机为满负载（产生额定转矩）时，则转差率s一般在1%～9%范围内。

（3）电动机的铭牌

铭牌是电动机的身份标识，了解电动机铭牌中有关技术参数的作用和意义，有助于正确地选择、使用和维护它。图1.8是我国用得最多的Y系列三相感应电动机的铭牌。

1）型号　型号如Y-112M-4。

2）额定值

①额定功率PN　指电动机在额定状态运行时，电动机轴上输出的机械功率，单位为kW。

②额定电压UN　指额定运行状态下加在电动机定子绕组上的线电压，单位为V。

③额定电流IN　指电动机在定子绕组上施加额定电压、电动机轴上输出额定功率时的线电流，单位为A。

可以根据电动机的额定电压、电流及功率，利用三相交流电路功率计算公式计算出电动机在额定负载时的功率因数cosϕ。例如图1.8所示铭牌的电动机在额定负载时的功率因数cosϕ=4000/（31/2×380×8.7）=0.699。

④额定频率fN　我国规定工业用电的频率是50Hz，国外有些国家采用60Hz。

⑤额定转速nN　指电动机定子加额定频率的额定电压、轴端输出额定功率时电动机的转速，单位为r/min。根据额定转速与额定频率可以计算出电动机的磁极对数p和额定转差率sN。

3）工作制式　指电动机允许工作的方式，共有S1～S10十种工作制。其中，S1为连续工作制；S2为短时工作制；其他为不同周期或者非周期工作制。

4）噪声值（LW）　指电动机在运行时的最大噪声。一般电动机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。

5）绝缘等级　绝缘等级与电动机内部的绝缘材料有关。它与电动机允许的最高工作温度有关，共分A、B、E、F、H五种等级，其中A级最低，H级最高。当额定环境温度为40℃时，A级允许的最高温升为105℃，H级允许的最高温升为140℃。

6）连接方法　有如图1.9所示的Y/△两种方式。请注意有些电动机只能固定一种接法，有些电动机可以在两种接法间切换，但要注意工作电压，防止错误接线烧坏电动机。高压大中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接线，只有三根引出线。对于中小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来。根据需要可接成Y形或△形，如图1.10所示。此外，需要说明的是，当电动机直接启动时，为了减小启动冲击电流［IQ=（4～7）IN］对电网的影响，常采用如图1.9所示的简单、实用、低成本的Y/△减压启动方法。启动过程用Y联结（KM和KM1闭合，KM2断开，绕组电压为220V），启动过程结束后切换为△联结（KM和KM2闭合，KM1断开，绕组电压为380V）运行。

7）防护等级　IP为防护代号，第一位数字（0～6）规定了电动机防护体的等级标准。第二位数字（0～8）规定了电动机防水的等级标准。如IP00为无防护，数字越大，防护等级越高。

8）其他　对于绕线转子电动机还必须标明转子绕组接法、转子额定电动势及转子额定电流；有些还标明了电动机的转子电阻；有些特殊电动机还标明了冷却方式等。