三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制方法

2015-06-05 14:56馬玉忠

石家莊理工職業(yè)學(xué)院學(xué)術(shù)研究 2015年2期

關(guān)鍵詞：控制電路接觸器觸點(diǎn)

馬玉忠

（河北省工業(yè)數(shù)控技工學(xué)校，河北石家莊 050228）

三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制方法

馬玉忠

（河北省工業(yè)數(shù)控技工學(xué)校，河北石家莊 050228）

本文運(yùn)用聯(lián)鎖控制最優(yōu)方案，改進(jìn)了三相異步電動機(jī)的一般繼電器、接觸器和PLC（可編程控制器）正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖控制方法，即對按鈕的常開、常閉觸點(diǎn)和接觸器的常開、常閉輔助觸點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，避免了電流滯后而造成的電源相間短路，從而保證了電路的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

按鈕；繼電接觸器；PLC（可編程控制器）

前言

三相異步電動機(jī)的啟動、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、制動、聯(lián)動等運(yùn)轉(zhuǎn)，靠其控制電路完成。近年來，隨著生產(chǎn)自動化要求的不斷提高，引入電子線路、數(shù)字電路、單片機(jī)等先進(jìn)的控制技術(shù)，相繼出現(xiàn)了許多新的控制電路，如ATM交換控制、PWM脈沖調(diào)寬控制、FM調(diào)頻控制及數(shù)字門控制電路。上述控制電路驅(qū)動機(jī)械工作都離不開繼電接觸器，尤其是三相異步電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，繼電接觸器電路是各種控制電路中必不可少的硬件部分。

1 三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路

根據(jù)電動機(jī)啟動、運(yùn)轉(zhuǎn)的方式，電動機(jī)可分為直接點(diǎn)動控制、常動運(yùn)轉(zhuǎn)控制和借助低壓輔助電器三類。直接點(diǎn)動、常動運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)不在本文的研究范圍之內(nèi)，本文主要探討大功率的三相異步電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路。

中、小功率三相異步電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，可以用倒順開關(guān)來完成三相電源調(diào)換相序，以達(dá)到電機(jī)正反轉(zhuǎn)。但是，這種電路安全性低、穩(wěn)定性差。由于電動機(jī)是感性負(fù)載，關(guān)斷電源和換相瞬間都存在感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電弧。輕者燒壞開關(guān)觸點(diǎn)或電機(jī)，重者危及操作者安全。因此，三相電動機(jī)的控制，最好通過按鈕開關(guān)、繼電接觸器來啟動和運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.1 接觸器控制的正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖電路

一些大型機(jī)床設(shè)備、集裝箱裝卸橋等，其電機(jī)功率往往在幾十千瓦，且操作頻繁，在生產(chǎn)實(shí)踐中常用的是接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制電路，接觸器控制的正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖原理如圖1所示。

圖1 接觸器控制的正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖原理圖

L1、L2、L3三相交流電源

SB1、SB2、SB3順、逆、停三種按鈕

QS斷路器開關(guān)FU1主電路熔斷器

FU2控制回路熔斷器KM1正轉(zhuǎn)接觸器

KM2反轉(zhuǎn)接觸器

KH熱繼電器（過載保護(hù)）M三相異步電動機(jī)

從圖1看出，為了避免兩個(gè)接觸器KM1和KM2同時(shí)動作（同時(shí)通電造成三相電源相間短路），在正反轉(zhuǎn)控制電路中分別串接了對方接觸器的一個(gè)常閉觸點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)接觸器通電動作時(shí)，通過其常閉輔助觸點(diǎn)使另一個(gè)接觸器不能通電，從而保證電路不發(fā)生相間短路[1]。

接觸器動作過程：

（1）先合上QS斷路器開關(guān)。

（2）正轉(zhuǎn)運(yùn)行：按下SB1→KM1線圈通電→KM1主觸點(diǎn)及常開輔助觸點(diǎn)（自鎖觸點(diǎn)）閉合、常閉輔助觸點(diǎn)（聯(lián)鎖觸點(diǎn)）斷開（保證KM2不能通電）→電動機(jī)M通電（L1、L2、L3）正轉(zhuǎn)。

（3）停轉(zhuǎn)運(yùn)行：按下SB3→KM1斷電→KM1主觸點(diǎn)及常開輔助觸點(diǎn)（自鎖觸點(diǎn)）斷開、常閉輔助觸點(diǎn)（聯(lián)鎖觸點(diǎn)）閉合→電動機(jī)M斷電停轉(zhuǎn)。

（4）反轉(zhuǎn)運(yùn)行：按下SB2→KM2線圈通電→KM2主觸點(diǎn)及常開輔助觸點(diǎn)（自鎖觸點(diǎn)）閉合、常閉輔助觸點(diǎn)（聯(lián)鎖觸點(diǎn)）斷開（保證KM1不能通電）→電動機(jī)M通電（L3、L2、L1）反轉(zhuǎn)。

（5）保護(hù)措施：FU1、FU2起短路保護(hù)作用；KM1、KM2線圈起零壓（欠壓）保護(hù)；KM1、KM2常開、常閉輔助觸點(diǎn)起自鎖、聯(lián)鎖保護(hù)作用；KH起過載保護(hù)作用；PE起保護(hù)接地作用。

（6）停止使用：斷開QS斷路器的電源開關(guān)。

這種電路的特點(diǎn)是正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)不能直接切換，即正轉(zhuǎn)—?！崔D(zhuǎn)，它只適應(yīng)不需要頻繁換向的場合。而有一些機(jī)械的電動機(jī)需要頻繁換向，并要求不停止電機(jī)而直接換向。如橋式起重機(jī)械、門式吊裝機(jī)械的快速停止、反接制動和機(jī)床快速停車反接制動，都需要電動機(jī)不按停止按鈕正轉(zhuǎn)立即換反轉(zhuǎn)。顯然上述電路不適應(yīng)這種機(jī)械動作。

1.2 按鈕、接觸器正反轉(zhuǎn)雙重聯(lián)鎖控制電路

為了解決直接按動按鈕而改變電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的問題，并保證換向時(shí)不發(fā)生相間短路，這就需要在三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路加一級按鈕聯(lián)鎖電路。如果不加入按鈕觸點(diǎn)聯(lián)鎖，接觸器線圈電流會在換向瞬間，因滯后動作而發(fā)生相間短路。

如圖2所示的電氣控制方法廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。

圖2 按鈕、接觸器正反轉(zhuǎn)雙重聯(lián)鎖控制原理

按鈕、接觸器正反轉(zhuǎn)雙重聯(lián)鎖控制電路的工作過程：t1時(shí)刻，按下SB1，SB1常開觸點(diǎn)通電，SB2常閉觸點(diǎn)通電，KM2常閉輔助觸點(diǎn)通電，KM1勵(lì)磁線圈通電，KM1主觸點(diǎn)閉合通電，電流通過KH使電動機(jī)M按U、V、W相序正轉(zhuǎn)。在t1時(shí)刻，讓SB1常閉觸點(diǎn)斷開斷電，即使SB2此時(shí)誤動作按下，也不能使KM2通電，不會造成電源相間短路。這是第一層聯(lián)鎖保護(hù)。

當(dāng)KM1勵(lì)磁線圈通電，KM1的串在KM2控制回路常閉輔助觸點(diǎn)斷開斷電，也保證了KM2勵(lì)磁線圈無法通電，從而保護(hù)了電源不短路。這是第二層聯(lián)鎖保護(hù)。

在t2時(shí)刻，松開SB1按鈕，由KM1常開輔助觸點(diǎn)自鎖，完成對KM1的連續(xù)供電，保證了電機(jī)M的連續(xù)正轉(zhuǎn)。按下SB2，同理，電機(jī)就連續(xù)反轉(zhuǎn)。

這種電路適用于電動機(jī)需要頻繁換向的場合，它的切換步驟為：正轉(zhuǎn)—反轉(zhuǎn)—停，換向前不需要按停車按鈕。

主電路在實(shí)際元件接線時(shí)，布線比較容易、簡單：只要求線路走最短捷徑，布線合理，電線不平面交叉，不走架空線，不跨越器件上部。如圖3所示。

圖3 按鈕、接觸器正反轉(zhuǎn)雙重聯(lián)鎖的主回路布線

而控制電路的連接和布線比較復(fù)雜，連接錯(cuò)誤會造成電源短路。如何合理布線和連接器件，需要全面考慮和細(xì)致設(shè)計(jì)。

按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制電路，首先，要考慮控制回路熔斷器FU2和接觸器KM1、KM2、熱繼電器及按鈕盒的關(guān)系。器件布置恰當(dāng)，電線布線會走最短捷徑，少走彎路。按圖3對按鈕、接觸器正反轉(zhuǎn)雙重聯(lián)鎖控制電路進(jìn)行了電器布置，為了清晰地看圖，先把主電路連線去掉，只連接控制回路連線。

第一步：先對控制回路的熔斷器FU2和KM1、KM2的勵(lì)磁線圈電流回路連接。

第二步：給KH的溫控常閉觸點(diǎn)95（97）連線送電，并通過96（98）及接線排給按鈕SB3常閉送電；按鈕盒的分布為1、3點(diǎn)是常開位；2、4位是常閉位。按鈕盒常開、常閉位置詳見圖4所示。

圖4 按鈕盒常開、常閉位置圖

第三步：SB3常閉給SB1常開、常閉和KM1輔助觸點(diǎn)送電位點(diǎn)送電；

第四步：SB1給SB2和KM1常開輔助觸點(diǎn)得電位送電；

第五步：SB2常閉觸點(diǎn)給KM2常閉輔助觸點(diǎn)送電并給KM1勵(lì)磁線圈送電。至此完成電機(jī)正轉(zhuǎn)連接。

按鈕、接觸器反轉(zhuǎn)雙重聯(lián)鎖控制電路的連接步驟為：

第一步：將SB1的常閉下和SB2的常開點(diǎn)上連接，使SB2開關(guān)通電；

第二步：將SB2的常開上，通過接線排和KM2常開輔助觸點(diǎn)送電位連接；

第三步：將SB2的常開下，通過接線排和KM2常開輔助觸點(diǎn)得電位連接；

第四步：將KM2常開輔助觸點(diǎn)得電位和KM1常閉位輔助觸點(diǎn)連接，另一點(diǎn)和KM2勵(lì)磁線圈連接。

至此，按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖反轉(zhuǎn)控制電路連接完成，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。

通過圖5可以看出，按鈕盒需要6根線通過接線端子排，和熱繼電器及接觸器的輔助觸點(diǎn)連接，特別是按鈕盒接線密集，這樣降低了安全保護(hù)性。為了提高各種觸點(diǎn)和接線點(diǎn)的安全可靠，必須重新考慮“按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制原理圖”的結(jié)構(gòu)。

圖5 按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制電路連接圖

1.3 改進(jìn)按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖控制電路

通過分析對比得出：按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖，主要通過他們各自的常閉觸點(diǎn)控制另一方的常開觸點(diǎn)。而其原理圖安排了SB1、SB2的常閉，是上下垂直方向分配；KMI、KM2常閉是水平方向分配，能否同時(shí)統(tǒng)一的方向分配，這首先需要修改它的原理圖控制回路連接。修改后的按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖控制電路原理如圖6所示。

圖6 修改后的按鈕、接觸器雙重聯(lián)鎖控制電路原理圖

（1）將按鈕SB1、SB2常閉的上下垂直方向分配，變?yōu)樗椒较蚍峙?，以SB1、SB2常閉，制約SB2、SB1的常開觸點(diǎn)和KM1、KM2輔助常開觸點(diǎn)，進(jìn)而形成和KM1、KM2輔助常閉觸點(diǎn)的雙重聯(lián)鎖控制。改進(jìn)后的電路，省去了按鈕到接線端子排和接觸器的連線，優(yōu)化了KM1、KM2兩個(gè)接觸器的連線，使整個(gè)線連接簡捷、方便。改進(jìn)后的按鈕、接觸器電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)際連線如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的按鈕、接觸器電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)際連線圖

（2）為了驗(yàn)證電路的可靠性和實(shí)用性，需評測電機(jī)和負(fù)載帶電運(yùn)行情況。首先確定電機(jī)和負(fù)載大小，以M7120型平面磨床主軸電機(jī)為負(fù)載，主軸電機(jī)功率為3kW，按照三相異步電動機(jī)的三角連接最大原理，啟動電流設(shè)計(jì)。三相異步電動機(jī)的三角連接啟動電流：

通過4個(gè)實(shí)例連線制作樣板電路如圖8至圖12所示。證實(shí)上述電路修改合理，帶動負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)正常，且適用于其他控制電路。

圖8 按鈕、繼電接觸器實(shí)物連接圖

圖9 正反轉(zhuǎn)樣板電路教具（實(shí)例1）

圖10 順序啟動樣板電路教具（實(shí)例2）

圖11 Y—△降壓啟動樣板電路（實(shí)例3）

圖12 交流雙速電機(jī)控制電路（實(shí)例4）

2 PLC（可編程邏輯控制器）實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制

繼電接觸器控制電路雖然應(yīng)用廣泛，但存在觸點(diǎn)使用壽命短、體積大、接線繁雜等缺點(diǎn)，特別采用固定接線方式，通用性和靈活性較差。一旦控制要求有所變動，就要重新設(shè)計(jì)安裝，維修也比較麻煩。若選擇PLC去取代繼電接觸器的部分控制電路，可以大大減少三相異步電動機(jī)的控制回路連接，避免了重新設(shè)計(jì)安裝、連接的繁瑣，且提高了電路的穩(wěn)定性、可靠性，延長了驅(qū)動部分主繼電接觸器的壽命。若驅(qū)動使用無觸點(diǎn)電子器件（功率晶閘管、功率場效應(yīng)管，IGBT組合塊），則電路運(yùn)行速度更快。

近幾年，PLC在數(shù)控機(jī)床中中得到推廣應(yīng)用，但這些數(shù)控機(jī)床的PLC的硬件和軟件，沿用著一般電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制的電路原理，即正轉(zhuǎn)—?！崔D(zhuǎn)的方式，這在一定程度上限制了操作進(jìn)程。為改變這一程序，從可編程控制器的結(jié)構(gòu)、程序、梯形圖和命令語言等出發(fā)，重新設(shè)計(jì)PLC。根據(jù)PLC在三相異步電動機(jī)控制中的應(yīng)用方法,給出了控制梯形圖、程序及輸入、輸出接線圖。

2.1 三菱FXIN-40MR型PLC各部分功能概述

（1）輸入部分：指收集被控設(shè)備的信息或操作命令。這些信息或操作命令（如按鈕、位置開關(guān)和傳感器等），須通過輸入接口電路轉(zhuǎn)換成微處理器能處理的數(shù)字信號。

（2）PLC控制部分：實(shí)現(xiàn)電路邏輯運(yùn)算，其作用是根據(jù)實(shí)際程序的控制要求，對輸入信號進(jìn)行處理，將運(yùn)算結(jié)果驅(qū)動輸出。PLC的這種處理過程，可以看作是PLC內(nèi)部的各種繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、數(shù)據(jù)寄存器等多個(gè)觸點(diǎn)和線圈的連接和組合。這些“線圈”、“觸點(diǎn)”與實(shí)際的元件不同，必須通過相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)，常被稱為“軟元件”。PLC常用的編程語言有梯形圖、指令語句表、狀態(tài)流程圖等[2]，詳見表1所示。

表1 常見梯形圖指令及意義

（3）輸出部分：PLC輸出部分是驅(qū)動外部負(fù)載，輸出接線端子排與控制對象連接（有觸點(diǎn)的如繼電器、電磁閥、指示燈；無觸點(diǎn)的如三極管、場效應(yīng)管、晶閘管等），再由外接電路驅(qū)動負(fù)載。

2.2 PLC實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制

（1）PLC實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制要求：按下正轉(zhuǎn)控制按鈕，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；按下停止按鈕，電動機(jī)停轉(zhuǎn)；按下反轉(zhuǎn)控制按鈕，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。主電路圖及PLC連線，如圖13所示。

圖1 3PLC控制三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)電路

（2）確定I/O點(diǎn)數(shù)及分配，如表2所示。

表2 PLC控制三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)及I/O點(diǎn)數(shù)及分配

（3）畫出PLC控制三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)梯形圖，見圖14所示。

圖14 PLC控制三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)程序梯形圖

（4）寫出程序表，如表3所示。

表3 PLC控制三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)程序表

2.3 PLC實(shí)現(xiàn)的三相異步電動機(jī)的雙聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制

（1）PLC實(shí)現(xiàn)的三相異步電動機(jī)的雙聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制要求：按下正轉(zhuǎn)控制按鈕，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；按下反轉(zhuǎn)控制按鈕，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；按下停止按鈕，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。主電路圖及PLC連線，見圖15所示。