任务2.3 电气控制电路基本控制规律分析
知识与能力目标
1)熟悉部分低压电器的结构和工作原理。
2)了解电气控制系统图的相关知识。
3)掌握三相异步电动机的典型控制电路，会进行电路分析。
4)学会三相异步电动机的典型控制电路的安装与调试。
2.3.1 部分低压电器认知及应用
凡是能自动或手动接通和断开电路，以及对电路或非电路现象能进行切换、控制、保护、检测、变换和调节的元器件统称为电器。按工作电压高低，电器可分为高压电器和低压电器两大类。高压电器是指额定电压3kV及以上的电器；低压电器是指交流电压1000V或直流电压1200V以下的电器。低压电器是电力拖动自动控制系统的基本组成元件。
1.低压电器的分类
(1)按动作方式分类
1)自动电器：依靠本身参数的变化或外来信号的作用，自动完成接通或分断等动作的电器。如接触器、继电器。
2)手动电器：用手直接操作来进行切换的电器。如刀开关、控制器及转换开关等。
(2)按用途分类
1)控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。如接触器、继电器、主令电器、控制器和电磁铁等。
2)配电电器：用于电能的输送和分配的电器。如隔离开关、刀开关、熔断器和自动开关等。
(3)按电器的执行功能分类，可分为有触点电器和无触点电器。
2.低压电器的产品标准及选用
低压电器产品标准内容包括产品的用途、适用范围、环境条件、技术性能要求、试验项目和方法、包装运输的要求等，可归纳为“三化、四统一”，即标准化、系列化、通用化，统一型号规格、统一技术条件、统一外形及其安装尺寸、统一易损零部件。这是制造厂制造及用户验收的依据。
正确选用低压电器的要求：选用合理，使用正确，兼顾技术和经济。
选用的一般原则：安全原则、经济原则。
3.常用术语
1)闭合时间：开关电器从闭合操作开始瞬间起到所有极的触点都接触瞬间为止的时间间隔。
2)断开时间：开关电器从断开操作开始瞬间起到所有极的触点都分开为止的时间间隔。
3)通断时间：从电流开始在开关电器一个极流过瞬间起到所有的电弧最终熄灭瞬间为止的时间间隔。
4)分断能力：电器在规定的条件下，能在给定的电压下分断的预期分断电流值。
5)接通能力：开关电器在规定的条件下，能在给定的电压下接通的预期电流值。
6)通断能力：开关电器在规定的条件下，能在给定电压下接通和分断的预期电流值。
7)操作频率：开关电器在每小时内可能实现的最高操作循环次数。
8)通电持续率：电器的有载时间和工作周期之比，常用百分数表示。
9)机械寿命：机械开关电器在需要修理或更换机械零件前所能承受的无载操作循环次数。
10)电气寿命：在规定的正常工作条件下，机械开关电器不需要修理或更换零件的负载操作循环次数。
图2-49 按钮的典型结构
1、2—常闭触点 3、4—常开触点 5—桥式触点 6—复位弹簧 7—按钮帽
4.控制按钮
控制按钮简称为按钮，是最常用的主令电器，按钮的典型结构如图2-49所示。它既有常开触点，也有常闭触点。常态时在复位弹簧的作用下，由桥式动触点将静触点1、2闭合，静触点3、4断开。当按下按钮时，桥式动触点将1、2分断，3、4闭合。1、2被称为常闭触点或动断触点，3、4被称为常开触点或动合触点。
为标明按钮的作用，避免误操作，通常将按钮帽做成红、绿、黑、黄、蓝、白、灰等颜色。国标GB 5229—85对按钮颜色作了如下规定。
1)“停止”和“急停”按钮必须是红色的。当按下红色按钮时，必须使设备停止工作或断电。
2)“起动”按钮的颜色是绿色的。
3)“起动”与“停止”交替动作的按钮的颜色必须是黑白、白色或灰色，不得用红色和绿色。
4)“点动”按钮必须是黑色的。
5)“复位”按钮(如保护继电器的复位按钮)必须是蓝色的。当复位按钮还具有停止作用时，则必须是红色的。
常用的按钮有LA2、LA18、LA19、LA20及新型号LA25等系列。引进生产的有瑞士EAO系列、德国LAZ系列等产品。其中LA2系列有一对常开和一对常闭触点，具有结构简单、动作可靠、坚固耐用等优点。LA18系列按钮采用积木式结构，触点数量可按需要进行拼装。LA19系列为按钮开关与信号灯的组合，按钮兼作信号灯灯罩，用透明塑料制成，按钮的图形符号和文字符号如图2-50所示。
图2-50 按钮的图形和文字符号
a)常开按钮 b)常闭按钮 c)复合按钮
5.接触器
接触器是目前电气控制电路中使用最广泛的一种开关类电器，它由主令电器操动其电磁线圈动作，从而使其触点动作，实现对被控设备主电路的控制(接通或断开)。接触器是用来频繁接通和切断电动机或其他负载主电路的一种自动切换电器。接触器具有通断电流能力强、动作迅速、操作安全、能频繁地动作和远距离操动等优点，被广泛应用于各类电气设备的控制中。它由触点系统、电磁机构、弹簧、灭弧装置和支架底座等组成。通常分为交流接触器和直流接触器两类，使用最多的是交流接触器，交流接触器主触点能够通断的电流范围为10～630A。
(1)组成
交流接触器的结构主要由三大部分组成，即电磁机构、触点系统和灭弧装置(如图2-51所示)。
电磁系统——电磁系统用来操纵触点的闭合和分断。包含衔铁(或称动铁心)、磁轭(或称静铁心)、线圈和释放弹簧。
触点系统和灭弧装置——包含三对主触点、数对辅助触点、灭弧罩和支持件等。主触点通过主电流，辅助触点的额定电流一般为5A，用于控制电路中，每对主触点(辅助触点)均由动、静触点组成。灭弧系统一般为用陶土制作的灭弧罩，用来熄灭主触点在断开电路时产生的电弧。
结构件——如底座等。
(2)工作原理
图2-51 交流接触器的结构图
1—动触点 2—静触点 3—衔铁 4—弹簧 5—线圈 6—铁心 7—垫毡 8—触点弹簧 9—灭弧罩 10—触点压力弹簧
当线圈接通电源时，其电流产生磁场，铁心被磁化，吸引衔铁，使它有向着铁心运动的趋势，当吸力增大到足以克服释放弹簧的反作用力时，衔铁就带动与它作刚性连接的动触点，实现动静触点之间的闭合或断开。此时主触点的动触点共同向着铁心运动，并最终使主触点的动触点和静触点互相接触，便把主电路接通。一旦切断线圈的电源，或者线圈电压突然消失或显著降低，衔铁就会因磁场消失或过弱，因而在释放弹簧的作用下脱离磁轭，返回原位，与此同时，主触点的动触点也脱离静触点，把电路切断。
交流接触器的电磁线圈通入交流励磁电流，由于磁导体在交流励磁时有铁损，所以必须用硅钢片叠装，以降低铁损，减少发热，交流电磁铁的线圈都有框架，并且厚而短，以此来减弱铁心间的热传导。
直流电磁铁用直流电励磁，铁心不会发热，都用整块软钢制成，但线圈通电还是会发热的，所以一般线圈没有骨架，且做成细长形，以利于线圈散热。
(3)交流电磁铁的分磁环
由于交流励磁电流每个周期有两次过零点，它产生的磁通和电磁吸力也有为零的时刻，而衔铁上所受释放弹簧的反作用力都是始终存在的。故在每一周期内总有一段时间电磁力将小于反作用力，致使衔铁释放，脱离铁心。然而，衔铁很快又因电磁吸力大于反力而被铁心吸过去，这样，就产生了衔铁的振动和噪声。振动会使电磁铁加速磨损和损坏，噪声会污染环境，令操作人员难以忍受。为消除衔铁振动和噪声，交流电磁铁的铁心端面都嵌有一铜质分磁环(又称为短路环)，如图2-52所示，分磁环的作用在于使环内和环外磁通产生一个相位差，从而两个磁通产生的电磁力的合力就不会等于零，可以消除衔铁的振动和噪声。
(4)接触器的触点系统
包括主触点——通过电动机等负载电流，有三对(交流接触器)、二对或一对(直流接触器)主触点和若干辅助触点——通过小电流，通常用于控制电路完成控制联锁等任务。
图2-52 交流电磁铁的分磁环
主触点在接通和断开电路时，由于电压电流的作用，会在触点间隙内发生放电现象，即电弧。电器中的电弧是有害的：电弧的高温会烧坏触点，缩短使用寿命；电弧会导致触点的熔焊，破坏电路的正常工作；如果无法将电弧熄灭，有可能烧伤操作人员，烧毁电器及其他设备，甚至酿成火灾；电弧延迟了电路断开的时间，影响控制的灵敏度。
(5)灭弧系统
为了减少电弧的不利影响，通常采用各种灭弧措施：迅速分开触点，拉长电弧使之熄灭；磁吹线圈产生附加磁场将电弧引向远处；用耐弧材料制成各种灭弧罩；利用缝隙限制并冷却电弧；利用金属栅片将电弧分割。
(6)常用型号
常用的交流接触器有CL20、CJX1、CJX2、CJ12和CJ10、CJ0等系列，直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22和CZ10、CZ2等系列。其型号含义分别如图2-53和图2-54所示。
图2-53 交流接触器型号含义
图2-54 直流接触器型号含义
接触器图形符号及文字符号如图2-55所示。
图2-55 接触器的图形符号及文字符号
a)线圈 b)常开主触点 c)常闭主触点 d)常开辅助触点 e)常闭辅助触点
(7)交流接触器的用途
交流接触器在电路中除作为接通和切断电路，从而对被控制的对象实行控制以外，还有欠电压和失电压保护功能，当电路中的电压降低到一定数值后，吸引线圈产生的吸力减少到一定值后，不足以克服弹簧的反作用力时，动铁心即被释放，从而自动断开电路，即是欠电压保护，同样如电压突然为零，则动铁心也立即释放，从而自动断开电路，即是失电压保护。当电压恢复时，如不按起动按钮，则接触器不会自行动作，也即被控设备不会自行起动工作，起到了安全保护作用。
(8)选用
接触器要根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型，在选用时最重要的参数是主触点允许通过的额定电流，它必须大于被控设备的额定电流。当然它的额定工作电压必须大于等于实际电路的电压，其吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致。
(9)交流接触器常见故障分析及处理
交流接触器常见故障分析及处理见表2-7。
表2-7 交流接触器常见故障分析及处理
6.刀开关
(1)刀开关的作用
刀开关俗称闸刀开关。刀开关是一种手动配电电器。它在电路中主要用来隔离电源或手动接通与断开交直流电路，即不直接带电切断或接通电路中被控制的对象(主要指电动机)，只有当电动机容量很小，而且不是经常接通与断开时，可用刀开关进行直接控制额定电流以下的负载，如小型电动机(如机床上的冷却泵电动机)、电炉等。
正是由于刀开关主要不用于直接切断负荷电流的这一工作特点，因此刀开关一般均用手直接进行操作，而且其不带灭弧装置或灭弧装置很简单。所以我们在实际使用中必须注意：在断开较大负载的电源时，必须首先操作接触器(或低压断路器)，只有在接触器主触点将电路断开后才能拉动刀开关切除电源，而不能在接触器主触点没有断开前直接拉动刀开关去切断负载电流，此时较大的电弧不仅会烧蚀刀开关的触刀，而且对操作人员也会构成危害。由于刀开关是直接用手进行操动的，因此必须十分注意操作人员的人身安全。
开启式负荷开关是最经济但技术指标偏低的一种刀开关。
(2)外形、结构及符号
图2-56为刀开关的外形与结构图，它主要有：与操作瓷柄相连的动触刀、静触点刀座、熔丝、进线及出线接线座，这些导电部分都固定在瓷底板上，且用胶盖盖着。所以当闸刀合上时，操作人员不会触及带电部分。
此外，胶盖还具有下列保护作用：
1)将各极隔开，防止因极间飞弧导致电源短路；
2)防止电弧飞出盖外，灼伤操作人员；
3)防止金属零件掉落在闸刀上形成极间短路。熔丝的装设，又提供了短路保护功能。
刀开关QS的图形符号和文字符号如图2-57所示。
图2-56 刀开关外形与结构图
图2-57 刀开关的图形符号和文字符号
a)普通刀开关 b)带熔断器式刀开关
(3)刀开关技术参数与选择
刀开关种类很多，有两极的(额定电压250V)和三极的(额定电压380V)，额定电流由10A至100A不等，其中60A及以下的才用来控制电动机。常用的刀开关型号有HK1、HK2系列。表2-8列出了HK2系列胶盖刀开关的技术数据。
表2-8 HK2系列胶盖刀开关的技术数据
正常情况下，刀开关一般能接通和分断其额定电流，因此，对于普通负载可根据负载的额定电流来选择刀开关的额定电流。对于用刀开关控制电动机时，考虑其起动电流可达4～7倍的额定电流，选择刀开关的额定电流时，宜选电动机额定电流的3倍左右。
(4)使用刀开关时注意
1)将它垂直地安装在控制屏或开关扳上，不可随意搁置。
2)进线座应在上方，接线时不能把它与出线座接反，否则在更换熔丝时将会发生触电事故；
3)更换熔丝必须先拉开闸刀，并换上与原用熔丝规格相同的新熔丝，同时还要防止新熔丝受到机械损伤。
4)若胶盖和瓷底座损坏或胶盖失落，刀开关就不可再使用，以防止安全事故。
7.铁壳开关
铁壳开关也称封闭式负荷开关，图2-58是它的外形与结构图。它由安装在铸铁或钢板制成的外壳内的刀式触头和灭弧系统、熔断器以及操作机构等组成。
图2-58 铁壳开关外形与结构图
1—U形开关触刀 2—静夹座 3—熔断器 4—速断弹簧 5—转轴 6—操作手柄
与刀开关相比它有以下特点：
1)触头设有灭弧室(罩)、电弧不会喷出，可不必顾虑会发生因电弧引起的相间短路事故；
2)熔断丝的分断能力高，一般为5kA，高者可达50kA以上；
3)操作机构为储能合闸式的，且有机械联锁装置。前者可使开关的合闸和分闸速度与操作速度无关，从而改善开关的动作性能和灭弧性能；后者则保证了在合闸状态下打不开箱盖及箱盖未关妥前合不上闸，提高了安全性；
4)有坚固的封闭外壳，可保护操作人员免受电弧灼伤。
铁壳开关有HH3、HH10、HH11等系列，其额定电流由10A到400A可供选择，其中60A及以下的可用于异步电动机的全压起动控制开关。用铁壳开关控制电加热和照明电路时，可按电路的额定电流选择。用于控制异步电动机时，由于开关的通断能力为4Ie，而电动机全压起动电流却在4～7倍额定电流以上，故开关的额定电流应为电动机额定电流的1.5倍以上。
8.转换开关(组合开关)和万能转换开关
(1)转换开关
转换开关又称为组合开关，图2-59是HZ10系列组合开关外形与结构图。转换开关实质上是一种特殊刀开关，是操作手柄在与安装面平行的平面内左右转动的刀开关。只不过一般刀开关的操作手柄是在垂直安装面的平面内向上或向下转动，而组合开关的操作手柄则是平行于安装面的平面内向左或向右转动而已。
组合开关的静触点一端固定在胶木盒内，另一端伸出盒外，与电源或负载相连。动触片套在绝缘方轴上，绝缘方轴每次作90°正或反方向的转动，带动静触点通断。
组合开关多用在机床电气控制电路中，作为电源的引入开关，也可以用作不频繁地接通和断开电路、换接电源和负载以及控制5kW以下的小容量电动机的正反转和星形-三角形起动等。
图2-59 HZ10系列组合开关外形与结构图
1—手柄 2—转轴 3—弹簧 4—凸轮 5—绝缘垫板 6—静触点 7—动触点 8—绝缘方轴 9—接线柱
常用刀开关有胶壳刀开关(这是使用最多的一种刀开关)、铁壳开关和组合开关，由于组合开关体积较小，安装和操作较方便，因而在机床电路中使用较多。
转换开关的图形符号和文字符号如图2-60所示。
(2)万能转换开关
万能转换开关是比组合开关有更多的操作位置和触点、能够接多个电路的一种手动控制电器。由于它的档位多、触点多，可控制多个电路，能适应复杂电路的要求，图2-61是LW12万能转换开关外形图，它是由多组相同结构的触点叠装而成，在触点盒的上方有操作机构。由于扭转弹簧的储能作用，操作呈现了瞬时动作的性质，故触点分断迅速，不受操作速度的影响。
图2-60 转换开关的图形符号和文字符号
a)双极 b)三极
图2-61 LW12万能转换开关外形图
万能转换开关在电气原理图中的画法如图2-62所示。图2-62中虚线表示操作位置，而不同操作位置的各对触点通断状态与触点下方或右侧对应，规定用于虚线相交位置上的涂黑圆点表示接通，没有涂黑圆点表示断开。另一种是用触点通断状态表来表示，表中以“＋”(或“X”)表示触点闭合，“-”(或无记号)表示分断。万能转换开关的文字符号为SA。
9.熔断器
熔断器是一种自动动作的保护电器，用来对被保护对象进行短路或严重过载保护，当被保护对象出现短路或严重过载时，熔断器就会自动熔断，从而切断供电电路，对被保护对象及整个电路起保护作用。由于熔断器体积尺寸小、价格便宜、工作可靠、使用维护方便，它已成为各种电气设备电路中必不可少的重要保护电器而被广泛采用。
图2-62 万能转换开关在电气原理图中的画法
(1)熔断器的结构、符号与用途
熔断器的结构一般分成熔体座和熔体等部分。熔体既是感测元件又是执行元件，安装在被保护的电路中。熔体材料有两类：一类为低熔点的金属材料(铅、锡的合金、锑、铝合金、锌等)有丝状、带状、片状。另一类为高熔点材料，如银、铜、铝等。
熔断器是串联连接在被保护电路中的，当电路电流超过一定值时，熔体因发热而熔断，使电路被切断，从而起到保护作用。熔体的热量与通过熔体电流的二次方及持续通电时间成正比，当电路短路时，电流很大，熔体急剧升温，立即熔断，当电路中电流值等于熔体额定电流时，熔体不会熔断，所以熔断器可用于短路保护。由于熔体在用电设备过载时所通过的过载电流能积累热量，当用电设备连续过载一定时间后熔体积累的热量也能使其熔断，所以熔断器也可作过载保护。常用的熔断器外形如图2-63所示。
图2-63 常用的熔断器外形图
a)插入式 b)螺旋式 c)无填料密封管式 d)有填料式
熔断器的图形符号和文字符号见图2-64。
(2)熔断器的类型
图2-64 熔断器的图形符号和文字符号
熔断器按其结构的不同可分为半封闭插入式熔断器、螺旋式熔断器、管式熔断器和快速熔断器等多种类型。各种熔断器其外形结构不同，价格差异很大、保护性能差别也较大，可按实际需要选用。一般要求的电气电路(如照明电路、家用电器电路、电动机电路)中可选用半封闭插入式熔断器；稍微重要一些的设备或有振动的设备(如各类机床、运动机械等)则选用螺旋式熔断器；大功率半导体器件上则选用快速熔断器保护。
RCIA系列熔断器见图2-63a，它结构简单，由熔断器瓷底座和瓷盖两部分组成。熔丝用螺钉固定在瓷盖内的铜闸片上，使用时将瓷盖插入底座，拔下瓷盖便可更换熔丝。由于该熔断器使用方便、价格低廉而应用广泛。RCIA系列熔断器主要用于交流380V及以下的电路末端作电路和用电设备的短路保护，在照明电路中还可起过载保护作用。RCIA系列熔断器额定电流为5～200A，但极限分断能力较差，由于该熔断器为半封闭结构，熔丝熔断时有声光现象，对易燃易爆的工作场合应禁止使用。
螺旋式RL1见图2-63b，RL1系列螺旋式熔断器由瓷帽、瓷套、熔管和底座等组成。熔管内装有石英砂、熔丝和带小红点的熔断指示器。当从瓷帽玻璃窗口观测到带小红点的熔断指示器自动脱落时，表示熔丝熔断了。熔管的额定电压为交流500V，额定电流为2～200A。常用于机床控制电路(安装时注意上、下接线端接法)。
无填料密封管式熔断器RM10系列见图2-63c，由熔断管、熔体及插座组成。熔断管为钢纸制成，两端为黄铜制成的可拆式管帽，管内熔体为变截面的熔片，更换熔体较方便。RM10系列的极限分断能力比RCIA熔断器有所提高，适用于小容量配电设备。
有填料密封管式熔断器RT0系列见图2-63d，由熔断管、熔体及插座组成，熔断管为白瓷质的，与RM10熔断器类似，但管内充填石英砂，石英砂在熔体熔断时起灭弧作用，在熔断管的一端还设有熔断指示器。该熔断器的分断能力比同容量的RM10型大2.5～4倍。RT0系列熔断器适用于交流380V及以下、短路电流大的配电装置中，作为电路及电气设备的短路保护及过载保护。
(3)熔断器的选择
熔断器使用中最关键的问题是熔体额定电流的选择，必须按实际被保护的对象通过计算或估算来科学地选取，绝不能随意取用，否则不仅起不到保护作用，而且可能影响设备的正常运行。
对熔断器的要求是：在电气设备正常运行时，熔断器不应熔断；在出现短路时，应立即熔断；在电流发生正常变动(如电动机起动过程)时，熔断器不应熔断；在用电设备持续过载时，应延时熔断。对熔断器的选用主要包括类型选择和熔体额定电流的确定。
选择熔断器的类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。例如，用于保护照明和电动机的熔断器，一般是考虑它们的过载保护，这时，希望熔断器的熔化系数适当小些。所以容量较小的照明电路和电动机宜采用熔体为铅锌合金的RCIA系列熔断器，而大容量的照明电路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时分断短路电流的能力。若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的RCIA系列或熔体为锌质的RM10系列熔断器。用于车间低压供电电路的保护熔断器，一般是考虑短路时的分断能力。当短路电流较大时，宜采用具有高分断能力的RL1系列熔断器。当短路电流相当大时，宜采用有限流作用的RT0系列熔断器。
熔断器的额定电压要大于或等于电路的额定电压。
熔断器的额定电流要依据负载情况而选择。
1)电阻性负载或照明电路，这类负载起动过程很短，运行电流较平稳，一般按负载额定电流的1～1.1倍选用熔体的额定电流，进而选定熔断器的额定电流。
2)电动机等感性负载，这类负载的起动电流为额定电流的4～7倍，一般选择熔体的额定电流为电动机额定电流的1.5～2.5倍。这样一般来说，熔断器难以起到过载保护作用，而只能用作短路保护，过载保护应用热继电器才行。
对于多台电动机，要求：
多台IFU≥(1.5～2.5)INMAX＋∑IN
式中 IFU——熔体额定电流(A)；
INMAX——最大一台电动机的额定电流(A)。
3)为防止发生越级熔断，上、下级(供电干、支线)熔断器间应有良好的协调配合，为此，应使上一级(供电干线)熔断器的熔体额定电流比下一级(供电支线)大1～2个级差。
10.热继电器
继电器是一种控制类电器，它根据外界输入信号(电信号或非电信号)来对被控设备的控制电路实现控制(接通或断开)，再通过接触器的动作来对主电路实现控制。
继电器通常按反映的信号可分为：电流继电器、电压继电器、热继电器、速度继电器、压力继电器和中间继电器等。这一节先介绍热继电器。
热继电器是利用电流的热效应而使继电器触点动作的一种保护电器。它是专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，以防止电动机过热而烧毁的保护电器。
(1)热继电器的结构及工作原理
由图2-65所示的JR19系列热继电器结构原理图可知，它主要由双金属片、加热元件、动作机构、触点系统、整定调整装置及手动复位装置等组成。双金属片作为温度检测元件，由两种膨胀系数不同的金属片压焊而成，它被加热元件加热后，因两层金属片伸长率不同而弯曲。
加热元件串接在电动机定子绕组中，当电动机正常运行时，热元件产生的热量不会使触点系统动作；当电动机过载时，流过热元件的电流加大，经过一定的时间，热元件产生的热量使双金属片的弯曲程度超过一定值，通过导板推动热继电器的触点动作(常开触点闭合，常闭触点断开)。通常用热继电器串接在接触器线圈电路的常闭触点来切断线圈电流，使电动机主电路失电。故障排除后，按手动复位按钮，热继电器触点复位，可以重新接通控制电路。
(2)热继电器主要参数
热继电器的主要参数有：热继电器额定电流、相数、热元件额定电流、整定电流及调节范围等。热继电器的额定电流是指热继电器中可以安装的热元件的最大整定电流值。
图2-65 JR19系列热继电器结构原理图
1—电流调节凸轮 2a、2b—簧片 3—手动复位按钮 4—弓簧 5—主双金属片 6—外导板 7—内导板 8—常闭静触点 9—动触点 10—杠杆 11—复位调节螺钉 12—补偿双金属片 13—推杆 14—连杆 15—压簧
热继电器的主要技术数据是整定电流。整定电流是指长期通过发热元件而不致使热继电器动作的最大电流。当发热元件中通过的电流超过整定电流值的20%时，热继电器应在20min内动作。热继电器的整定电流要根据被保护对象(电动机)的额定电流，工作方式等情况而调整，热继电器的整定电流大小可通过整定电流旋钮来改变，选用和整定热继电器时一定要使整定电流值与电动机的额定电流一致。
由于热继电器是受热而动作的，热惯性较大，因而即使通过发热元件的电流短时间内超过整定电流几倍，热继电器也不会立即动作，因为热元件的加热、变形到动作要有一定的时间，因此它不能在电路中起短路保护的功能。只有这样，在电动机起动时热继电器才不会因起动电流大而动作，否则电动机将无法起动。反之，如果电流超过整定电流不多，但时间一长也会动作。由此可见，热继电器与熔断器的作用是不同的，热继电器只能作过载保护而不能作短路保护，而熔断器则只能作短路保护而不能作过载保护。在一个较完善的控制电路中，特别是容量较大的电动机中，这两种保护都应具备。即通常在电路中既有熔断器的短路保护，又有热继电器的过载保护，两者不能取代。另外，对于断续工作的负载(如起重机)不能用热继电器作过载保护。
此外，热继电器选用时要注意热继电器热元件的额定电流必须大于等于电动机的额定电流。
(3)热继电器的图形符号和文字符号(如图2-66所示)
2.3.2 电气控制系统图认知
1.电气图的符号和文字符号
电气图的符号有图形符号、文字符号及回路标号等。电器元件的图形符号、文字符号必须采用国家标准，即GB/T4728—1996～2000《电气图用图形符号》、GB6988—1993～2002《电气制图》、GB7159—1987《电气技术中的文字符号制定通则》及GB4026—1992《电器设备接线端子和特定导线线端的识别及应用字母数字系统的通则》。
图2-66 热继电器的图形符号和文字符号
a)热元件 b)常闭触点
(1)图形符号
图形符号通常指用图样或其他文件表示一个设备或概念的图形、标记或字符。它由一般符号、符号要素和限定符号等组成。
1)一般符号。
用以表示某类产品或产品特征的一种简单符号，它们是各类元器件的基本符号。如一般电阻器、电容器的符号。
2)符号要素。
一种具有确定意义的简单图形，必须同其他图形组合以构成一个设备或概念的完整符号。如三相绕线转子异步电动机是由定子、转子及各自的引线等几个符号要素构成的，这些符号要求有确切的含义，但一般不能单独使用，其布置也不一定与符号所表示的设备的实际结构相一致。
3)限定符号。
用以提供附加信息的一种加在其他符号上的符号。限定符号一般不能单独使用，但它可使图形符号更具多样性。如在电阻器一般符号的基础上分别加上不同的限定符号，则可得到可变电阻器、压敏电阻器及热敏电阻器等。
(2)文字符号
文字符号适用于电气技术领域中文件的编制，也可表示在电气设备、装置和元器件上或其近旁，以标明电气设备、装置和元器件的名称、功能和特征。文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号，要求用大写正体拉丁字母表示。
1)基本文字符号。
基本文字符号有单字母与双字母符号两种。
单字母符号是用拉丁字母将各种电气设备、装置和元器件划分为23个大类，每一大类用一个专用单字母符号表示。如“C”代表电容器类，“M”代表电动机类。
双字母符号是由一个表示种类的单字母符号与另一个字母组成。组合形式要求单字母符号在前，另一个字母在后。如“M”代表电动机类，则“MD”代表直流电动机。
2)辅助文字符号。
辅助文字符号用以表示电气设备、装置和元器件以及电路的功能、状态和特征。如“RD”表示红色，“L”表示限制等。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“YB”表示电磁制动器，“SP”表示压力传感器等。辅助文字符号还可以单独使用，如“ON”表示接通，“N”表示中性线等。
(3)主电路和控制电路各接点标志
1)主电路各接点标记。
三相交流电源引入线采用L1、L2、L3标记，中性线采用N标记。电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U、V、W顺序标记。
分级三相交流电源主电路采用三相文字代号U、V、W前加上阿拉伯数字1、2、3等来标记，如1U、1V、1W，2U、2V、2W等。
各电动机分支电路各接点标记，采用三相文字代号后面加数字来表示，数字中的个位数表示电动机代号，十位数表示该支路各接点的代号，从上到下按数字大小顺序标记。如U11表示M1电动机的第一相的第一个接点代号，U21为第一相的第二个接点代号，依此类推。
2)控制电路接点标记。
控制电路采用阿拉伯数字编号，一般由3位或3位以下的数字组成。标记方法按“等电位”原则进行。在垂直绘制的电路中，标号顺序一般由上而下编号，凡是被线圈、绕组、触点或电阻、电容等元件所间隔的线段，都应标以不同的电路标号。
2.电气控制图的分类
按用途和表达方式的不同，电气图可以分为以下几种。
1)电气系统图和框图：电气系统图和框图是用符号或带注释的框，概略表示系统的组成、各组成部分相互关系及其主要特征的图样。它比较集中地反映了所描述工程对象的规模。
2)电气原理图：电气原理图是为了便于阅读与分析控制电路，根据简单、清晰的原则，采用电气元器件展开的形式绘制而成的图样。它包括所有电气元器件的导电部件和接线端点，但并不按照电气元器件的实际布置位置来绘制，也不反映电器元件的大小。其作用是便于详细了解工作原理，指导系统或设备的安装、调试与维修。电气原理图是电气控制图中最重要的种类之一，也是识图的难点和重点。
3)电器元件布置图：电器元件布置图主要是用来表明电气设备上所有电器元件的实际位置，为生产机械电气控制设备的制造、安装提供必要的资料。
4)电器安装接线图：电器安装接线图是为了安装电气设备和电器元件、进行配线或检修电器故障服务的。它是用规定的图形符号，按各电器元件相对位置绘制的实际接线图，它清楚地表示了各电器元件的相对位置和它们之间的电路连接，所以安装接线图不仅要把同一电器的各个部件画在一起，而且各个部件的布置要尽可能符合这个电器的实际情况。另外，不但要画出控制柜之间的电气连接，还要画出电器柜外部电器的连接。
5)功能图：功能图的作用是提供绘制电气原理图或其他有关图样的依据。它是表示理论的或理想的电路关系而不涉及实现方法的一种图。
6)电气元器件明细表：电气元器件明细表是把成套装置、设备中各组成元器件(包括电动机)的名称、型号、规格、数量列成表格，供准备材料及维修使用。
3.电气原理图的绘制规则
系统图和框图，对于从整体上理解系统或装置的组成和主要特征无疑是十分重要的。然而要达到详细理解电气作用原理，进行电气接线，分析和计算电路特征，还必须有另外一种图，这就是电气原理图。电气原理图的绘制规则如下。
1)原理图一般分主电路和辅助电路两部分。主电路就是从电源到电动机大电流通过的路径。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，由继电器和接触器的线圈、继电器的触点、接触器的辅助触点、按钮、照明灯、信号灯和控制变压器等电气元器件组成。
2)控制系统内的全部电动机、电器和其他器械的带电部件都应在原理图中表示出来。
3)原理图中各电气元器件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准图形符号，文字符号也要符合国家标准规定。
4)原理图中各电气元器件和部件在控制电路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。同一元器件的各个部件可以不画在一起。例如，接触器、继电器的线圈和触点可以不画在一起。
5)图中元件、器件和设备的可动部分，都按没有通电和没有外力作用时的开闭状态画出。例如，继电器、接触器的触点，按吸引线圈不通电状态画；主令控制器、万能转换开关，按手柄处于零位时的状态画；按钮、行程开关的触点，按不受外力作用时的状态画等。
6)原理图的绘制应布局合理、排列均匀。为了便于看图，可以水平布置，也可以垂直布置。
7)电气元器件应按功能布置，并尽可能按水平顺序排列，其布局顺序应该是从上到下，从左到右。电路垂直布置时，类似项目宜横向对齐；水平布置时，类似项目应纵向对齐。
8)电气原理图中，有直接联系的交叉导线连接点要用黑圆点表示；无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。
4.电气原理图的读图方法和步骤
由于电气原理图具有结构简单、层次分明、适于研究、分析电路的工作原理等优点，所以无论在设计部门还是生产现场都得到了广泛应用。
阅读继电器—接触器控制原理图时，要掌握以下几点：
1)正确区分主电路、控制电路和辅助电路。电气原理图主要分主电路、控制电路和辅助电路三部分。电动机的通路为主电路，接触器吸引线圈的通路为控制电路，此外还有信号电路、照明电路等。主电路是指从电源到电动机的电路，流过的电流大，主要包括开关、熔断器、接触器的主触点、热继电器的发热元件等。控制电路是指用来控制主电路中电器动作、切换(即控制电动机运行)的电路，主要包括有熔断器、按钮、接触器线圈和辅助触点、热继电器触点及其他控制电器的线圈或触点等。辅助电路是指照明、信号显示、测量等的电路。
2)正确阅读电气控制电路中的各种图形符号及文字符号。原理图中，各电气元器件不画实际的外形图，而采用国家规定的统一标准，文字符号也要符合国家规定。为了规范各种电气原理电路图、接线图及功能图等的绘制方法，国家公布了电气简图用图形符号及文字符号，将各种电气设备及其连接方式等用图形及文字符号加以标志，因此图形符号及文字符号是电气技术的工程语言，必须对常用的加以牢记，并正确使用。
电气简图用图形符号及文字符号在我国经历了三个阶段，第一个阶段是20世纪60年代颁布的标准，现已不用。第二阶段是20世纪80年代颁布的标准，目前还经常见到。第三阶段是20世纪90年代颁布的新标准(图形符号标准为GB/T4728—1998～2000)，与国际(IEC标准)接轨，在本书采用的均为新标准。
3)正确区分各电气元器件。在电气原理图中，同一电器的不同部件常常不画在一起，而是画在电路的不同地方，为了识别起见，同一电器的不同部件都用相同的文字符号标明，例如接触器的主触点通常画在主电路中，而吸引线圈和辅助触点则画在控制电路中，但它们都用KM表示。
4)同一种电器一般用相同的字母表示，但在字母的后边加上数码或其他字母下标以示区别，例如两个接触器分别用KM1、KM2表示。
5)全部触点都按常态给出。对接触器和各种继电器，常态是指未通电时的状态；对按钮、行程开关等，则是指未受外力作用时的状态。
6)原理图中，无论是主电路还是辅助电路，各电气元器件一般按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或者垂直布置。
7)原理图中，有直接电联系的交叉导线连接点要用黑圆点表示。无直接联系的交叉导线连接点不画黑圆点。
8)电气控制电路图要画得合理和正确。
9)控制系统内的全部电动机、电器和其他器械的带电部件，都应在原理图中表示出来。
例如照图2-67a的接法，虽然原理不错，但不合理。因为按钮是一起安装在操纵盒内的，而接触器是安装在电气柜内的，这种把停止按钮SB1和起动按钮SB2分开来接线，造成接线来回多次重复。图2-67b的不合理处是虽然每个接触器(或继电器)线圈电压为110V，但仍不能将两个线圈串联在220V电路中(因为线圈在通电使触点动作的过程中线圈阻抗变化很大)，这样连接时，两个线圈控制的两个电器不可能同时动作。
在阅读电气原理图以前，必须对控制对象有所了解，尤其对于机、液压(或气压)、电配合得比较密切的生产机械，单凭电气电路图往往不能完全看懂其控制原理，只有了解了有关的机械传动和液压(气压)传动后，才能搞清全部控制过程。
图2-67 控制电路的不合理接线
a)不正确接线 b)线圈不正确连接
5.电气原理图的图面区域划分
某机床电气原理图如图2-68所示：图样上方的1、2、3等数字是图区编号，它是为了便于检索电气电路，方便阅读分析避免遗漏而设置的，图区编号也可以设置在图的下方。
图区编号下方的“电源开关及保护……”等字样，表明对应区域下方元器件或电路的功能，使读者能清楚地知道某个元器件或某部分电路的功能，以利于理解全电路的工作原理。
6.电气原理图符号位置的索引
由于接触器、继电器的线圈和触点在电气原理图中不是画在一起。为了便于阅读，在接触器、继电器线圈的下方画出其触点的索引表，阅读时可以通过索引表方便地在相应的图区找到其触点。
图2-68 某机床电气原理图
符号位置的索引用图号、页次和图区编号的组合索引法，索引代号的组成如图2-69所示。
图2-70所示的KM线圈及KA线圈下方的是接触器KM和继电器KA相应触点的索引表。
接触器、继电器的索引表如图2-70所示：触点的索引代号，对未使用的触点用“×”表明，有时也可采用上述省去触点的表示法。
图2-69 索引代号的组成
图2-70 接触器KM和继电器KA相应触点的索引表
对接触器，索引表有三栏，有主触点和辅助常开、常闭触点图区号，接触器表示法中各栏的含义如图2-71所示。
对继电器，索引表只有两栏，有常开、常闭触点图区号，继电器表示法中各栏的含义如图2-72所示。
7.电气原理图中技术数据的标注
电气原理图中技术数据的标注如图2-73所示。
电气原理图中各电气元器件的相关数据及型号，一般在电气元器件文字符号的下方标注出来。如图2-73中热继电器FR下方标注的数据，表示热继电器的动作电流值范围为4.5～7.2A和整定电流值为6.8A。
图2-71 接触器表示法中各栏的含义
图2-72 继电器表示法中各栏的含义
8.阅读和分析电气原理图的方法
在阅读和分析电气控制原理图之前，必须先了解设备的主要结构、运动形式、电力拖动形式、控制要求、电动机和电气元器件的分布状况等内容。常用的分析方法有查线读图法和逻辑代数法两种。
(1)查线读图法
1)首先了解电气图的名称及用途栏中有关内容。凭借有关的电路基础知识，对该电气图的类型、性质和作用等内容有大致了解。
图2-73 电气原理图中技术数据的标注
2)从主电路入手，通常从下往上看，即从电动机和电磁阀等执行元器件开始，经控制元器件，顺次往电源看。要搞清执行元器件是怎样从电源取电的，电源经过哪些元器件到达负载的。
3)在控制电路中从左到右看各条回路，分析各回路元器件的工作情况及对主电路的控制，搞清回路功能，各元器件间的联系(如顺序、互锁等)、控制关系和回路通断的条件等。
4)检查各个辅助电路，看是否有遗漏。包括电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等部分，从整体上理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元器件所起的作用。
(2)逻辑代数法
由接触器、继电器组成的控制电路中，电气元器件只有两种状态，线圈通电或断电，触点闭合或断开。而在逻辑代数中，变量只有“1”和“0”两种取值。因此，可以用逻辑代数来描述这些电气元器件在电路中所处的状态和连接方法。
1)电气元器件的逻辑表示。
一般规定如下：继电器、接触器线圈通电状态为“1”、断电状态为“0”，继电器、接触器、按钮和行程开关等电气元器件触点闭合时状态为“1”，断开时状态为“0”。元器件线圈、常开触点用原变量表示，如接触器用KM、继电器用K、行程开关用SQ等，而常闭触点用反变量表示。若元器件为“1”状态，则表示线圈通电、常开触点闭合或常闭触点断开；若元器件为“0”状态，则相反。
2)电路的逻辑表示。
电路中，触点的串联关系可用逻辑“与”表示，即逻辑乘(·)；触点的并联用逻辑“或”表示，即逻辑加(＋)。
图2-74所示是一个电动机起停控制电路。停止按钮SB1，起动按钮SB2，其接触器KM线圈的逻辑式为 
线圈KM的通电和断电，取决于SB1、SB2及本身的初始状态。当按下SB2时，则SB2＝1，由于 
，所以f(KM)＝1·(1＋KM)＝1，即线圈KM通电。当松开SB2后，则f(KM)＝1·(0＋1)＝1，线圈仍然处于通电状态。
需要说明的是，实际电路的逻辑关系往往比本例复杂得多，但都是以“与”“或”“非”为基础的。有些复杂电路，通过对其逻辑表达式的化简，可使电路得到简化。
2.3.3 异步电动机典型控制电路分析
1.起保停电路(即连续控制)及点动控制
在图2-75的控制电路中，起动按钮SB2，停止按钮SB1和交流接触器KM组成了起动、保持、停止(简称为起保停电路)典型控制电路，此电路是一个常用的最简单的控制电路。
图2-74 一个电动机起停控制电路
图2-75 全压起动连续运转控制电路(起保停电路)
起动时，合上隔离开关QS。引入三相电源，按下起动按钮SB2，接触器KM的线圈通电，接触器的主触点闭合，电动机接通电源直接起动运转。同时与SB2并联的常开辅助触点KM也闭合，使接触器线圈经两条路通电，这样，当SB2复位时，KM的线圈仍可通过KM触点继续通电，从而保持电动机的连续运行。这种依靠接触器自身常开辅助触点而使其线圈保持通电的功能称为自保或自锁，这一对起自锁作用的触点称作自锁触点。
要使电动机停止运转，只要按下停止按钮SB1，将控制电路断开，接触器KM断电释放，KM的常开主触点将三相电源切断，电动机停止运转。当按钮SB1松开而恢复闭合时，接触器线圈已不能再依靠自锁触点通电了，因为原来闭合的触点早已随着接触器的断电而断开了。
起保停电路实现了电动机的连续运行控制。但有些生产机械要求按钮按下时，电动机运转，松开按钮时，电动机就停止，这就是点动控制。图2-76a所示的是最基本的点动控制电路。图2-76b是用转换开关SA断开或接通自锁回路，既能实现点动也能实现连续运转的电路。图2-76c是用复合按钮实现点动与连续运行的电路，其中SB3实现点动控制，SB2实现连续运转控制。图2-76d是用中间继电器KA实现点动与连续运行的电路，其中SB2实现点动控制，SB3实现连续运转控制。
图2-76 实现点动控制的几种电气控制电路
在图2-76自动控制电路中有以下保护环节。
(1)短路保护
电动机、电器和导线的绝缘损坏或发生故障时，可能造成短路事故。很大的短路电流产生过热和电动力可能引起电器设备损坏，甚至因此引起火灾，因此要求一旦发生短路故障时，控制电路应能迅速地切断电路。
短路保护的常用方法是采用熔断器或断路器。这些保护装置不应受起动电流的影响而误动作，所以要按熔断器、断路器的选择和整定要求进行。
(2)长期过载保护和断相保护
电动机长期超载运行，绕组温升将超过其允许值，造成绝缘材料变脆、寿命缩短，严重时还会使电动机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的长期过载保护元器件是热继电器。热继电器不能兼作短路保护，因为发生短路时，它可能还来不及动作就已对电器设备造成损坏了。
据统计，因断相运行而烧坏电动机的台数，在有些单位竟多达损坏电动机总台数的80%以上，所以电动机应该有断相保护的环节，也就是说要选用带断相保护功能的热继电器。
(3)零电压和欠电压保护
因某种原因电源电压突然消失，电动机都会停转。一旦电压恢复正常，如果电动机自行起动，往往会造成设备损坏或人身事故，也会因许多设备同时起动而造成对供电网络的过大冲击。因此，在电网电压消失时，要立即切断电源，实现零电压保护。
电源电压过分降低，会引起电动机转速下降甚至停转；在负载转矩不变的情况下，电动机电流增大，造成绕组过热而损坏；电压过低还会引起一些电器释放，造成控制失常。因此，当电源电压降低到允许值以下时，需要切断电源，实现欠电压保护。
起保停电路本身具有失电压保护和欠电压保护的功能。当电源失电压或严重欠电压时，接触器的衔铁自行释放，电动机停止运转。当电压恢复正常时，接触器线圈也不会自行通电，只有在操作人员再次按下起动按钮时，电动机才会起动。有的电路要求有更好的零电压和欠电压保护，还采用专门的欠电压继电器或欠电压保护电路。
2.既能点动控制又能连续运转的控制电路
图2-77a由手动开关SA控制。当SA闭合时为连续控制，SA断开时则为点动控制。这种控制电路由于点动和连续运转的控制共用SB2按钮，若是忘记操作转换开关SA，就会导致操作错误。
图2-77b控制方式中，按下SB3后，在松开SB3时，必须在KM自锁触点断开后SB3的常闭触点再闭合，如果接触器发生缓慢释放，KM的自锁触点还没有断开，SB3的常闭触点已经闭合，KM线圈就不会断电，这样就变成连续控制了。
图2-77c若进行连续控制，起动时按下SB2，KA线圈得电吸合，其触点KA(3-4)闭合自锁，KA(3-6)闭合，接通KM线圈回路，KM线圈得电，其主触点吸合，电动机连续运转。停止时，按下SB1，KA线圈断电释放，KA(3-4)断开，切断自锁回路，KA(3-6)断开，切断KM线圈回路，KM线圈断电，其主触点断开，电动机停止。若点动控制时，按下SB3，KM线圈得电，其主触点闭合，电动机运转。松开SB3，KM线圈断电，其主触点断开，电动机停止。
图2-77 既能点动控制又能连续运转的控制电路
3.多地控制电路
多地控制是为了操作方便，常要求能在多个地点对同一台设备进行控制。例如，龙门刨床身较长，可在几处安装起动和停止按钮，将分散在操作站上的起动按钮动合触点引线并联起来，停止按钮动断触点引线做串联连接。
图2-78为多地控制电路。起动按钮为SB3、SB4，停止按钮为SB1、SB2。起动按钮全部并联在自锁触点两端，按下任何一个都可以起动电动机。停止按钮全部串联在接触器线圈电路中，按下任何一个都可以停止电动机的工作。
多人操作的大型冲压设备等，为了保证操作安全，要求几个操作者准备好后，都发出主令信号(如按下起动按钮)时，设备才能压下，此时应将起动按钮的动合触点串联，多人操作控制电路如图2-79所示。
图2-78 多地控制电路
图2-79 多人操作控制电路
4.多台电动机顺序起、停控制电路
许多生产机械对多台电动机的起动和停止有一定的要求，必须按预先设计好的次序先后起、停。例如，某些机床常要求先起动油泵电动机，然后才能起动主轴电动机；摇臂钻床中摇臂的松开、移动、夹紧等动作要按一定顺序完成，这就要求几台电动机按一定顺序工作，即顺序控制。
图2-80所示为多台电动机顺序起停控制电路图。接触器KM1和KM2分别控制两台电动机M1和M2，并且只有在M1起动后M2才能起动。
图2-80 多台电动机顺序起停控制电路1
图2-80中，按下M1的起动按钮SB1，接触器KM1线圈得电，除了KM1的自锁触点和主触点闭合使M1得电运转外，只有在这种情况下，按下SB2按钮，接触器KM2线圈才能得电，从而起动电动机M2，即电动机M2只有在M1起动后才能起动。
停止时，按下SB3按钮同时停止M1和M2。
图2-81和图2-82为另两种多台电动机顺序起停控制电路。
图2-81 多台电动机顺序起停控制电路2
图2-82 多台电动机顺序起停控制电路3
图2-81的工作原理如下：按下M1的起动按钮SB11，接触器KM1线圈得电，除了KM1的自锁触点和主触点闭合使M1得电运转外，与接触器KM2线圈串联的KM1的动合触点也闭合。只有在这种情况下，按下SB21按钮，接触器KM2线圈才能得电，从而起动电动机M2，即电动机M2只有在M1起动后才能起动。
停止时，按下SB12按钮可同时停止M1和M2，按下SB22按钮只能停止M2。
图2-82所示控制电路起动时可以分别起动，但M2停止后M1才能停止。
5.三相异步电动机的正反向控制电路分析
在生产实践中，很多设备需要两个相反的运行方向，例如主轴的正向和反向转动，机床工作台的前进和后退，起重机吊钩的上升和下降等，这样的两个相反方向的运动均可通过电动机的正转和反转来实现。我们知道，只要将三相电源中的任意两相交换就可改变电源相序，而电动机就可改变旋转方向。实际电路构成时，可在主电路中用两个接触器的主触点实现正转相序接线和反转相序接线，在控制电路中控制正转接触器线圈得电，其主触点闭合，电动机正转，或者控制反转接触器线圈得电，主触点闭合，电动机反转。电动机正反转控制电路是由主电路、控制电路组成，其主要元器件有按钮、低压断路器及交流接触器等。
(1)手动正反转控制电路分析
1)原理图。
手动正反转控制电路如图2-83所示。
图2-83 手动正反转控制电路
2)工作过程分析。
转换开关SA处在“正转”位置，电动机正转；转换开关SA处在“反转”位置，电动机的相序改变，电动机反转；转换开关SA处在“停止”位置，电源被切断，电动机停车。电动机处于正转状态时，欲使之反转，必须把手柄扳到“停止”位置，先使电动机停转，然后再把手柄扳至“反转”位置。如直接由“正转”扳至“反转”，因电源突然反接，会产生很大的冲击电流，烧坏转换开关和电动机定子绕组。
3)电气电路特点。
优点：所用电器少，控制简单。
缺点：频繁换向时，操作不方便，无欠电压，零电压保护，只能适合于容量5.5kW以下的电动机的控制。
(2)接触器联锁的正反转控制电路分析
1)原理图。
接触器联锁的正反转控制电路如图2-84所示。
图2-84 接触器联锁的正反转控制电路
2)原理分析。
正转控制：闭合QS→按下正转按钮SB1→接触器KM1线圈得电→KM1主触点闭合→电动机正转，同时KM1的自锁触点闭合，KM1的互锁触点断开。
反转控制：先按下停止按钮SB3→接触器KM1线圈失电→KM1的互锁触点闭合，然后按下反转按钮SB2→接触器KM2线圈得电→KM2主触点闭合，电动机开始反转，同时KM2的自锁触点闭合，KM2的互锁触点断开。
3)电路特点。
对于这种电路，要改变电动机的转向时，必须先按下停止按钮，再按下反转按钮，才能使电动机反转。
(3)按钮联锁的正反转控制电路分析
1)原理图。
按钮联锁的正反转控制电路如图2-85所示。
2)原理分析。
在控制电路中，按下复合按钮SB1，先断开反向回路中的常闭按钮SB1，然后再接通正向回路起动按钮SB1，正向接触器KM1线圈得电自锁，其主触点闭合，电动机正向转动。
图2-85 按钮联锁的正反转控制电路
按下复合按钮SB2，先断开正向回路中的常闭按钮SB2，然后再接通反向回路起动按钮SB2，反向接触器KM2线圈得电自锁，其主触点闭合，电动机反向转动。
按下停止按钮SB3，无论电动机当前处于正转或是反转，均能够使电动机停止转动。
3)电路特点。
对于这种电路，要改变电动机的转向时，不必先按停止按钮，可以直接转换电动机的转向。即电动机正转时按下复合按钮SB2，电动机就可以改变转向，开始反转运行；电机反转时按下复合按钮SB1，电动机就可以改变转向，开始正转运行。
(4)双重联锁的正反转控制电路分析
1)原理图。
双重联锁的正反转控制电路如图2-86所示。
图2-86中的两个按钮分别控制两个接触器从而改变电动机的相序，实现电动机的可逆旋转。
2)原理分析。
其原理分析如下：
合上刀开关QS，为电动机的工作做准备。
正转控制：
按下正转起动按钮SB2。
→复合按钮SB2的常闭触点断开，保证KM2不能得电动作。
图2-86 双重联锁的正反转控制电路
→KM1线圈得电动作→常开主触点KM1闭合→电动机正向起动后正常运行。
→常开辅助触点KM1闭合自锁，保证松开SB2后电动机还能运行。
→常闭触点KM1断开，保证KM2不能通电工作，形成电气互锁。
反转控制：
按下反转起动按钮SB3→按下的过程中→复合按钮的常闭触点SB3先断开→使KM1的线圈断电→KM1的常闭触点恢复闭合→继续把按钮SB3按到底时→复合按钮的常开触点闭合→KM2线圈得电动作→常开主触点KM2闭合→电动机反向起动后正常运行→常开辅助触点KM2闭合自锁，保证松开SB3后电动机还能继续运行→常闭触点KM2断开，保证KM1不能通电工作，形成电气互锁。
→按下停止按钮SB1→KM2线圈断电→电动机脱离电源而停止运行。
→控制电路也脱离电源，如果再工作需重新按下起动按钮。
接触器互锁：为了避免正转和反转两个接触器同时动作造成相间短路，在两个接触器线圈所在的控制电路上加了电气联锁。即将正转接触器KM1的常闭辅助触点与反转接触器KM2的线圈串联；又将反转接触器KM2的常闭辅助触点与正转接触器KM1的线圈串联。这样，两个接触器互相制约，使得任何情况下不会出现两个线圈同时得电的状况，起到保护作用。
按钮互锁：复合起动按钮SB2，SB3也具有电气互锁作用。SB2的常闭触点串接在KM2线圈的供电电路上，SB3的常闭触点串接在KM1线圈的供电电路上，这种互锁关系能保证一个接触器断电释放后，另一个接触器才能通电动作，从而避免因操作失误造成电源相间短路。按钮和接触器的复合互锁使电路更安全可靠。
3)电路特点。
这一电路可以实现频繁的正、反转，利用按钮的常闭触点形成机械互锁，即：将正向起动按钮SB2与反向起动按钮SB3的常闭触点分别串接在对方的常开触点电路中。这种具有电气、机械双重互锁的控制电路在实际中经常使用的，这种电路的控制性能比较可靠，它可以实现以下两种顺序的控制：
①正转→停止→反转→停止。
②正转→反转→停止。
这种控制电路的特点就是克服了两个接触器控制的可逆旋转控制电路的缺点，提高了电路的工作可靠性，它还具有比较完善的保护措施。主要的保护措施有以下几种：
①主、控制电路的短路保护分别由FU1、FU2来实现。
②电动机的长期过载保护由热继电器FR来实现。
③失电压、欠电压保护。失电压、欠电压保护即如果电源突然停电或电压降低时，由于操作者疏忽大意没有断开刀开关而离开现场。等到电源再次来电时，会出现无人监控的情况下，电动机自行起动旋转的情况，这是不允许的，所以一般都要采取失电压、欠电压保护，由接触器KM1、KM2来实现。
④电动机的接地保护，减小操作者触及电动机的外壳而触电的危险性。
(5)自动往复循环控制电路分析
1)涉及的新元器件介绍——行程开关。
①作用。行程开关用来反映工作机械的位置变化(行程)，用以发出指令，改变电动机的工作状态。如果把行程开关安装在工作机械行程的终点处，以限制其行程，就称为限位开关或终端开关。它不仅是控制电器，也是实现终端保护的保护电器。
②分类及工作原理。行程开关主要由类似按钮的触头系统和接受机械部件发来信号的操作头组成。根据操作头不同，行程开关可分为直动式、滚动式和微动式。按触点性质可分为有触点和无触点式(接近开关)。
第一：直动式行程开关。图2-87a是直动式行程开关的结构图。它是靠机械运动部件上的撞块来碰撞行程开关的推杆。它的优点是结构简单，成本较低，缺点是触头的分合速度取决于撞块移动的速度。
若撞块移动速度太慢，则触点就不能瞬时切断电路，使电弧在触点上停留时间过长，易于烧蚀触点。因此，这种开关不宜用在撞块移动速度小于0.4m/min的场合。
第二：滚轮旋转式行程开关。为克服直动式行程开关的缺点，还可采用能瞬时动作的滚轮旋转式结构，如图2-87b所示。这类行程开关适用于低速运动的机械。
第三：微动开关。为克服直动式结构的缺点，采用具有弯片状弹簧的瞬动机构，如图2-87c所示。
当推杆被压下时，弓簧片发生变形，储存能量并产生位移，当达到预定的临界点时，弹簧片连同动触点产生瞬时跳跃，从而导致电路的接通、分断或转换。同样，减小操作力时，弹簧片释放能量并产生反向位移，当通过另一临界点时，弹簧片向相反方向跳跃。采用瞬动机构可以使开关触点的接触速度不受推杆压下速度的影响，这样不仅可以减轻电弧对触点的烧蚀，而且也能提高触点动作的准确性。
微动开关的体积小、动作灵敏、适合在小型机构中使用，但由于推杆所允许的极限行程很小，以及开关的结构强度不高，因此在使用时必须对推杆的最大行程在机构上加以限制，以免压坏开关。
图2-87 行程开关结构图
a)直动式
1—顶杆 2—弹簧 3—常闭触点 4—弹簧5—常开触点
b)滚动式
1—滚轮 2—上转臂 3、5、11—弹簧 4—套架 6、9—压板 7—触点 8—触点推杆 10—小滑轮
c)微动式
1—推杆 2—弯形片状弹簧 3—常开触点 4—常闭触点 5—恢复弹簧
行程开关的图形符号及文字符号如图2-88所示。
第四：接近开关。为了克服有触点行程开关可靠性较差，使用寿命短和操作频率低的缺点，采用了无触点式行程开关，也称为电子接近开关。目前晶体管无触点电子开关正获得越来越多的应用。
电子接近开关大多由一个高频振荡器和一个整形放大器组成，图2-89为电子接近开关工作原理图。振荡器振荡后，在开关的感应面上产生交变磁场，当金属物体接近感应面时，金属体产生涡流，吸收了振荡器的能量，使振荡器减弱以致停振。振荡与停振是两种不同的状态，由整形放大器转换成二进制的开关信号，从而达到检测位置的目的。
图2-88 行程开关的图形符号及文字符号
a)常开触点 b)常闭触点
图2-89 电子接近开关工作原理图
电子接近开关外形结构多种多样，电子电路装调后用环氧树脂密封，具有良好的防潮防腐性能。它能无接触又无压力地发出检测信号，又具有灵敏度高，频率响应快，重复定位精度高，工作稳定可靠、使用寿命长等优点。在自动控制系统中已获得广泛应用。
电子接近开关的图形符号及文字符号如图2-90所示。
③行程开关的技术参数和型号。行程开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、触点换接时间、动作力、动作角度或工作行程、触点数量、结构形式和操作频率等。结构型式中的复位方式有自动复位和非自动复位两种。自动复位式是依靠本身的恢复弹簧来复原；非自动式在U形的结构摆杆上装有两个滚轮，当撞块通过其中的一个滚轮时，摆杆转过一定的角度，使开关动作。撞块离开滚轮后，摆杆并不能自动复位，直到撞块在返回行程中再撞及另一滚轮，使摆杆才回到原始位置，使开关复位。这种开关由于具有“记忆”曾被压动过的特性，因此在某些情况下可使控制电路简化，而且根据不同需要，行程开关的两个滚轮可以布置在同一个平面内或分别布置在两个平行平面内。
图2-90 电子接近开关的图形符号及文字符号
④行程开关的型号。一般行程开关由执行元件、操作机构及外壳等部件组成。操作机构可根据不同场合的需要进行变换组合。例如LX32系列行程开关采用了LX31-1/1型微动开关作为执行元件，配以外壳和操作机构，可组成四种不同的操作方式。当前全国统一设计的行程开关有LX32、LX33和LX31系列，其他常用的行程开关有LX19、LXW-11、JLXK1、LX5、LX10等系列，国外引进生产的有3SE(德国西门子)、831(法国柯赞公司)，其中JLXL1为快速型。
行程开关型号含义如图2-91所示。
图2-91 行程开关型号含义
目前应用较多的接近开关有LJ5、LXJ3、LXJ6、LXJ7等系列，引进生产的有3SG、LXT3(德国西门子)系列。
上述所述的按钮、行程开关都属于主令电器。常见的主令电器包括有：按钮、行程开关、微动开关、主令开关、万能转换开关、接近开关以及脚踏开关等，它的主要功能是发出控制命令控制接触器等电器动作，从而实现对电动机或其他控制对象工作状态的变换。有的主令电器如主令开关，万能转换开关等也可以对小功率的电动机或控制对象进行直接控制。
在各种主令电器中按其动作信号的来源不同又可分以下几种：最常见的是用手操动的，如按钮是用手操动按钮帽而动作，主令开关、万能转换开关用手操动手柄而动作，脚踏开关则用脚操动；另一类是靠运动机械的碰触而动作的，如行程开关、微动开关等；再有一类则不需要触碰，只要有物体接近到开关的一定距离时就能自动发出动作信号。以上各类开关的使用场合和作用也各不相同，在实践中必须按需要选用。
2)限位控制电路分析。
KM1和KM2分别是行车向前和向后的接触器，在其线圈电路中分别串接行程开关的常闭触点。当行车向前到达终点时，装在终点的行程开关SQ1的常闭触点被行车撞块撞开，KM1断电，行车停止，从而起到限位保护作用。一旦行车离开终点位置，行程开关就能自动复位。这种专为限制极限位置用的行程开关也称限位开关或终端开关，三相异步电动机限位控制电路电气原理图见图2-92。
图2-92 三相异步电动机限位控制电路
3)自动往复循环控制电路分析。
图2-93为机床工作台往返循环的控制电路。它实质上是用行程开关来自动实现电动机正反转的。图中，SQ1、SQ2、SQ3、SQ4为行程开关。当撞块压下任何一个行程开关时，都是该行程开关的动断触点先断开，切断原运动方向的接触器线圈电路，动合触点后闭合，接通新运动方向的接触器线圈电路，实现自动循环控制。
图2-93 机床工作台往返循环的控制电路
设KM1为电动机向左运动接触器，KM2为电动机向右运动接触器。合上电源开关QS，按下SB2，接触器KM1线圈得电，其自锁触点闭合实现自锁，互锁触点断开实现对接触器KM2线圈的互锁。主电路中的KM1主触点闭合，电动机得电正转，拖动工作台向左运动。
到达位置后，撞块B压下行程开关SQ2，其动断触点先断开，接触器KM1线圈断电，电动机断电正转停止，工作台停止向左运动。SQ2的动合触点后闭合，接触器KM2线圈得电，其自锁、互锁触点分别动作，完成自锁和互锁工作，主电路中的KM2主触点闭合，电动机得电反转，拖动工作台向右运动。到位后，撞块A压下行程开关SQ1，其动断和动合触点动作……工作台在SQ1和SQ2之间周而复始地往复运动，直到按下停止按钮SB1为止。
2.3.4 任务训练 异步电动机典型控制电路安装与调试
实训1 三相异步电动机点动和自锁控制电路
1.实训目的
1)通过对三相异步电动机点动控制和自锁控制电路的实际安装接线，掌握由电气原理图变换成安装接线图的知识。
2)通过实训进一步加深理解点动控制和自锁控制的特点。
2.实训设备
1)三相笼型异步电动机。
2)XKDT11、XKDT12、XKDT13继电器、接触器控制箱。
3.实训方法
1)实训前要检查控制屏左侧端面上的调压器旋钮须在零位，即将它向逆时针方向旋转到底。各个电源输出端没有连接负载。开启控制屏上的“电源总开关”，按下“起动”按钮，向顺时针方向旋转控制屏左侧端面上的调压器旋钮，将三相交流电源输出端U、V、W的线电压调到220V，以后保持不变。
2)按下控制屏上的“停止”按钮以切断三相交流电源。按实训图2-94所示点动控制电路进行安装接线，接线时，先接主电路，它是从220V三相交流电源的输出端U、V、W开始，经熔断器FU、接触器KM1的主触点，热继电器FR到电动机。
图2-94 点动控制电路
3)主电路连接完整无误后，再连接控制电路，它是从熔断器FU后的插孔V相开始，经过常开按钮SB1、接触器KM1的线圈、热继电器FR的常闭触点到插孔W相，显然它是对接触器KM1线圈供电的电路。
开机时先合QS，再按下按钮SB1时，KM1线圈通电将主电路中的KM1主触点吸合，电动机M因接通电源而被投入运转。当松开SB1时，KM1线圈断电，KM1主触点断开，M停止运转。实训电路经检查无误后，方可按下控制屏上的“起动”按钮，按下列步骤进行通电实训。
1)接通三相交流220V电源。
2)按下起动按钮SB1，对电动机M进行点动操作，即比较按下SB1与松开SB1时电动机M的运转情况。
按下控制屏上的“停止”按钮以切断三相交流电。按实训图2-95所示的自锁控制电路进行接线，它与图2-94的不同只在于控制电路中多串联一只常闭按钮SB2，同时在SB1上并联有一只接触器KM1的常开触点，它起自锁作用。实训电路经检查无误后，方可按下控制屏上的“起动”按钮，按下列步骤进行通电实训。
1)接通三相交流220V电源。
2)按下“起动”按钮SB1，松开观察电动机M是否继续运转。
3)按下停止按钮SB2，松开观察电动机M是否停止运转。
图2-95 自锁控制电路
4.讨论题
1)试比较点动控制电路与自锁控制电路，从结构上看主要区别是什么?从功能上看主要区别是什么?
2)自锁控制电路在长期工作后可能出现失去自锁作用。试分析产生的原因是什么?
3)图中各个电器FU、KM1、FR、SB1、SB2各起什么作用?已经使用了熔断器为何还要使用热继电器?
4)图2-95电路能否对电动机实现过电流保护，短路保护和失电压保护?
实训2 两地控制电路
1.实训目的
1)掌握两地控制的特点，使学生对机床控制中两地控制有感性的认识。
2)通过对此实训的接线，掌握两地控制在机床控制中的应用场合。
2.实训设备
1)三相笼型异步电动机(△/220V)。
2)XKDT11、XKDT12、XKDT13继电器、接触器控制挂箱。
3.实训方法
在确保断电情况下按图2-96接线。电动机为三相笼型异步电动机(△/220V)。电源控制屏三相调压器输出调为线电压220V。
1)合上开关QS，按下屏上“起动”按钮，接通220V三相交流电源。
2)按下SB3，观察电动机及接触器运行状况。
3)按下SB2，观察电动机及接触器运行状况。
4)按下SB4，观察电动机及接触器运行状况。
5)按下SB1，观察电动机及接触器运行状况。
图2-96 两地控制电路
4.思考题
1)什么叫两地控制?两地控制有何特点?
2)两地控制的接线原则是什么?
实训3 顺序控制电路
1.实训目的
1)通过各种不同顺序控制电路的接线，加深对一些特殊要求机床控制电路的了解。
2)进一步加深学生的动手能力和理解能力，使理论知识和实践经验进行有效的结合。
2.实训设备
1)三相笼型异步电动机(△/220V)，2台。
2)XKDT11、XKDT12、XKDT13继电器、接触器控制挂箱。
3.实训方法
(1)两台电动机顺序控制1
按图2-97接线。电动机M1、M2为三相笼型异步电动机(△/220V)。电源控制屏三相调压器输出线电压为220V。
1)按下“起动”按钮，合上开关QS，接通220V三相交流电源。
2)按下SB1，观察电动机运行情况及接触器吸合情况。
3)保持M1运转时按下SB2，观察电动机运行情况及接触器吸合情况。
4)按下SB3使电动机停转后，先按下SB2，分析电机M2为什么不能起动。
图2-97 两台电动机顺序控制1
(2)两台电动机顺序控制2
按图2-98接线。
1)按下屏上“起动”按钮，合上开关QS，接通220V三相交流电源。
2)按下SB1，观察并记录电动机及接触器运行状态。
3)再按下SB2，观察并记录电动机及接触器运行状态。
4)单独按下SB2，观察并记录电动机及接触器运行状态。
5)在M1和M2都运行时，按下SB3，观察电动机及各接触器运行状态。
6)在M1和M2都运行时，按下SB4，观察电动机及各接触器运行状态。
图2-98 两台电动机顺序控制2
(3)两台电动机顺序控制3
确保断电后，按图2-99接线。
1)合上开关QS，按下屏上“起动”按钮，接通220V三相交流电源。
2)按下SB1，观察并记录电动机及接触器运行状态。
3)同时按下SB2，观察并记录电动机及接触器运行状态。
4)在M1和M2都运行时，单独按下SB3，观察并记录电动机及接触器运行状态。
5)在M1和M2都运行时，单独按下SB4，观察并记录电动机及接触器运行状态。
6)在M1和M2都运行时，按下SB4使M2停止后再按下SB3，观察并记录电动机及接触器运行状态。
图2-99 两台电动机顺序控制3
4.思考题
1)画出图2-97至图2-99的运行原理流程图。
2)比较图2-97至图2-99三种电路的不同点和各自的特点。
3)列举几个顺序控制的机床控制实例，并说明其用途。
实训4 三相异步电动机的正反转控制电路
1.实训目的
1)通过对三相异步电动机正反转控制电路的安装接线，掌握由电气原理图接成实际操作电路的方法。
2)掌握三相异步电动机正反转的原理和方法。
3)掌握接触器联锁正反转控制电路和按钮联锁正反转控制电路的不同接法，并熟悉在操作过程中有哪些不同之处。
2.实训设备
1)三相笼型异步电动机。
2)XKDT11、XKDT12、XKDT13继电器、接触器控制箱。
3.实训方法
1)在接线之前要检查控制屏上的调压器旋钮须在零位，各个电源输出端没有连接负载。开启控制屏上的“电源总开关”，按下“起动”按钮，向顺时针方向旋转调压器旋钮，将三相调压电源U、V、W的线电压调到220V，以后保持不变。
2)按下控制屏上的“停止”按钮以切断三相交流电源。按实训图2-100接线。实训电路经检查无误后，方可按下控制屏上的“起动”按钮，按下列步骤进行通电操作。
①接通三相交流220V电源。
②按下按钮SB1，观察并记录电动机M的转向，自锁和联锁触点的吸断状态。
③按下按钮SB2，观察并记录电动机M的转向，自锁和联锁触点的吸断状态。
④按下按钮SB3，观察并记录电动机M的运转状态，自锁和联锁触点的吸断状态。
⑤再按下按钮SB2，观察并记录电动机M的转向，自锁和联锁触点的吸断状态。
图2-100 接触器联锁的正反转控制电路
3)按下“停止”按钮以切断三相交流电源，按实训图2-101接线，经检查无误后，方可按下“起动”按钮，按下列实训步骤进行通电实训。
①接通三相交流220V电源。
②按下按钮SB1，观察并记录电动机M的转向，自锁和联锁触点的吸断状态。
③按下按钮SB2，观察并记录电动机M的转向，自锁和联锁触点的吸断状态。
④按下按钮SB3，观察并记录电动机M的运转状态，自锁和联锁触点的吸断状态。
⑤将SB1按下一半(即不是按到底)，将SB2按到底，分别观察电动机运转状态，自锁和联锁触点的吸断状态。
⑥将SB2按下一半(即不是按到底)，将SB1按到底，分别观察电动机运转状态，自锁和联锁触点的吸断状态。
⑦同时按下SB1和SB2，观察上述状态。
4.讨论题
1)在图2-100的实训中，自锁触点的功能是什么?
2)在图2-100的实训中，联锁触点的功能是什么?
3)在图2-101的实训中，使用了双重联锁，和图2-100实训相比，有什么特点?
图2-101 接触器和按钮双重联锁的正反转控制电路
实训5 工作台往返自动控制
1.实训目的
1)通过对工作台自动往返控制电路的实际安装接线，掌握由电气原理图变换成安装接线图的能力。
2)通过实训进一步理解工作台往返自动控制的原理。
2.实训设备
1)三相笼型异步电动机。
2)XKDT11、XKDT12、XKDT13继电器、接触器控制挂箱。
3.实训方法
1)图2-102a为工作台的自动往返控制示意图，图2-102b为工作台自动往返控制电路图。当工作台的挡块停在行程开关SQ1和SQ2之间的任意位置时，可以按下任意起动按钮SB1或SB2使工作台向任一方向运动。例如按下正转按钮SB1，电动机正转带动工作台左进。当工作台到达终点时挡块压下终点行程开关SQ2，SQ2的常闭触点断开正转控制回路，电动机停止正转，同时SQ2的常开触点闭合，使反转接触器KM2得电动作，工作台右退。当工作台退回原位时，挡块又压下SQ1，其常闭触点断开反转控制电路，常开触点闭合，使接触器KM1得电，电动机带动工作台左进，实现了自动往复运动。
2)按实训图2-102b工作台自动往返控制电路图接线，经检查无误后，按下列步骤操作：
①合上开关QS，接通三相交流220V电源。
②按下SB1按钮，使电动机正转，运转约半分钟。
③用手按SQ2(模拟工作台左进到达终点，挡块压下行程开关)，观察电动机应停止正转，并变为反转。
④反转约半分钟，用手按SQ1(模拟工作台后退到达原位，挡块压下行程开关)，观察电动机应停止反转，并变为正转。
⑤重复上述步骤，实训电路应能正常工作。
图2-102 工作台自动往返控制
a)示意图 b)工作台自动往返控制电路