2.2 机床控制电路的基本环节

2.2.1 三相异步电动机的起动控制电路

以三相感应电动机为例有全压直接起动和减压起动两种方式。较大容量（大于10kW）的电动机，因起动电流较大（可达额定电流的4～7倍），一般采用减压起动方式来降低起动电流。

1.全电压直接起动控制电路

（1）单向全电压起动控制 电动机容量在10kW以下者，一般采用全电压直接起动方式来起动。普通机床上的冷却泵、小型台钻和砂轮机等小容量电动机可直接用开关起动，如图2-25a所示。

图2-25b所示是采用接触器直接起动的电动机单向全电压起动控制电路，主电路由刀开关QS、熔断器FU、接触器KM的主触点、热继电器FR的热元件与电动机M组成。

图2-25 单向全电压起动控制电路

控制电路由起动按钮SB₂、停止按钮SB₁、接触器KM的线圈及其常开辅助触点、热继电器FR的常闭触点和熔断器FU₂组成。

三相电源由QS引入，按下起动按钮SB₂，接触器KM的线圈通电，其主触点闭合，电动机直接起动运行。同时与SB₂并联的辅助触点KM闭合，将“SB₂”短接，其作用是当放开起动按钮SB₂后，仍可使KM线圈通电，电动机继续运行。这种依靠接触器自身的辅助触点来使其线圈保持通电的现象称为自锁或自保。带有自锁功能控制电路具有失压保护作用。起自锁作用的辅助触点称为自锁触点。

按停止按钮SB₁，接触器KM的线圈断电，其常开主触点断开，电动机停止转动。同时KM的自锁触点断开，故松手后SB₂虽仍闭合，但KM的线圈不能继续得电。

（2）点动控制 所谓点动，即按下按钮时电动机转动工作，手松开按钮时电动机停止工作。点动控制多用于机床刀架、横梁、立柱等快速移动和机床对刀等场合。

图2-26列出了实现点动控制的几种常见控制电路。图2-26a是基本的点动控制电路。图2-26b是带手动开关SA的点动控制电路，打开SA将自锁触点断开，可实现点动控制。合上SA可实现连续控制。图2-26c增加一个点动用的复合按钮SB₃，点动时用其常闭触点断开接触器KM的自锁触点，实现点动控制。连续控制时，可按起动按钮SB₂。图2-26d是用中间继电器实现点动的控制电路，点动时按SB₃，中间继电器KA的常闭触点断开接触器KM的自锁触点，KA的常开触点使KM通电，电动机点动。连续控制时，按SB₂即可。

图2-26 实现点动控制的几种常见控制电路

（3）多点控制 大型机床为操作方便，常常要求在两个或两个以上的地点都能进行操作。实现多点控制的控制电路如图2-27a所示，即在各操作地点各安装一套按钮，其接线原则是各按钮的常开触点并联连接，常闭触点串联连接。

多人操作的大型冲压设备，为了保证操作安全，要求几个操作者都能发布主令信号（如按下起动按钮）后，设备才能压下。此时应将起动按钮的常开触点串联，如图2-27b所示。

2.减压起动控制电路

较大容量（大于10kW）的笼型异步电动机一般都采用减压起动的方式起动。下面介绍星形—三角减压起动及自耦变压器减压起动的方法。

（1）星形—三角形减压起动控制电路 正常运行时定子绕组接成三角形的三相异步电动机，都可采用星形—三角形减压起动的方法。起动时，定子绕组首先接成星形，起动电压为三角形直接起动电压的1/3，起动电流为三角形直接起动电流的1/3。经一段延时后，待转速上升到接近额定转速时再接成三角形。

图2-28所示为容量在13kW以上的电动机所采用的由3个接触器换接的星形—三角形减压起动控制电路。起动时，按SB₂，接触器KM₁、KM₃线圈得电，KM₁、KM₃的主触点使定子绕组接成星形，电动机减压起动。同时时间继电器KT线圈得电，经一段延时后电动机已达到额定转速，其延时断开常闭触点KT断开，使KM₃失电，而延时闭合常开触点KT闭合，接触器KM₂线圈得电，使电动机定子绕组由星形换接到三角形连接，实现全电压运行。

图2-27 多点控制的控制电路

图2-28 星形—三角形减压起动控制电路

图2-28中KM₃动作后，它的常闭触点将KM₂的线圈断开，这样防止了KM₂再动作。KM₂动作后，它的常闭触点将KM₃的线圈断开，可防止KM₃再动作。这样的两对常闭触点，常称为“互锁”触点。这种互锁关系，可保证起动过程中KM₂与KM₃的主触点不能同时闭合，以防止电源短路。KM₂的常闭触点同时也使时间继电器KT断电。

（2）自耦变压器减压起动控制电路 对于容量较大的正常运行时定子绕组接成星形的笼型异步电动机，可采用自耦变压器减低电动机的起动电压。

图2-29所示为自耦变压器减压起动控制电路。起动时，合上电源开关QS，按起动按钮SB₂，接触器KM₁线圈和时间继电器KT线圈得电，由KT瞬时动作的常开触点闭合自锁，接触器KM₁主触点闭合，将电动机定子绕组经自耦变压器接至电源，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压，电动机减压起动。经过一段延时后，时间继电器延时断开常闭触点，使KM₁失电，自耦变压器从电网上切除。而延时常开触点闭合，接触器KM₂线圈得电，于是电动机直接接到电网上进入全电压正常运行。

图2-29 自耦变压器减压起动控制电路

吸合状态时，如果另一只接触器动作，就会造成电源短路事故。若有接触器常闭触点互相联锁，则只要一个接触器处在吸合状态位置时，其常闭触点必然将另一个接触器线圈电路切断，故能避免电源短路事故的发生。

2.2.2 电动机的正、反转自动循环控制电路

图2-30所示是利用行程开关实现的电动机正、反转自动循环控制电路，机床工作台的往返循环由电动机驱动，当运动到达一定的行程位置时，利用挡块压行程开关（替代了人按按钮）来实现电动机的正、反转。图中SQ₁与SQ₂分别为工作台右行与左行限位开关，SB₂与SB₃分别为电动机正转与反转起动按钮。

按正转起动按钮SB₂，接触器KM₁通电吸合并自锁，电动机正转使工作台右移。当运动到右端时，挡块压下右行限位开关SQ₁，其常闭触点使KM₁断电释放，同时其常开触点使KM₂通电吸合并自锁，电动机反转使工作台左移。当运动到挡块压下左行限位开关SQ₂时，使KM₂断电释放，KM₁又得电吸合，电动机又正转使工作台右移，这样一直循环下去。SB₁为自动循环停止按钮。

本控制电路由于工作台往返一次，电动机要进行两次反接制动和起动，将出现较大的反接制动电流和机械冲击，因此只适用于往返运动周期较长和电动机轴有足够强度的传动系统中。

图2-30 电动机正反转自动循环控制电路

2.2.3 双速电动机的高、低速控制电路

采用双速电动机能简化齿轮传动的变速箱，在车床、磨床、镗床等机床中应用很多。双速电动机是通过改变定子绕组接线的方法，以获得两个同步转速。

图2-31所示为4/2极双速电动机定子绕组接线示意图，图2-31a将定子绕组的U₁、V₁、W₁接电源，而U₂、V₂、W₂接线端悬空，则三相定子绕组接成三角形，每相绕组中的两个线圈串联，电流方向如图中虚线箭头所示，磁场具有4个极（即两对极），电动机为低速。若将接线端U₁、V₁、W₁连在一起，而U₂、V₂、W₂接电源，则三相定子绕组变为双星形，每相绕组中的两个线圈并联，电流方向如图2-31b中实线箭头所示，磁场变为两个极（即一对极），电动机为高速。

图2-32所示为双速电动机采用复合按钮联锁的高、低速直接转换的控制电路，按下低速起动按钮SB₂，接触器KM₁通电吸合，电动机定子绕组接成三角形，电动机以低速运转。若按下高速起动按钮SB₃，则KM₁断电释放，并接通KM₂和KM₃，电动机定子绕组接成双星形，电动机以高速运转。

图2-31 4/2极双速电动机定子 绕组接线示意图

a）三角形联结b）双星形联结

图2-32 双速电动机控制电路

2.2.4 三相异步电动机的制动控制电路

许多机床一般都要求能迅速停车和准确定位。为此要求对电动机进行制动，强迫其立即停车。制动方法一般分为机械制动和电气制动两大类。机械制动是用机械抱闸、液压制动器等机械装置制动的。电气制动实质上是在电动机停车时产生一个与转子原来转动方向相反的制动转矩，迫使电动机迅速停车。下面介绍机床上常用的电气制动控制电路，即能耗制动和反接制动。

1.能耗制动控制电路

能耗制动是在电动机按停止按钮切除三相电源的同时，定子绕组接通直流电源，产生静止磁场，利用转子感应电流与静止磁场的作用，产生电磁制动转矩而制动的。

图2-33所示是按能耗制动时间控制原则用时间继电器进行控制的单向能耗制动控制电路。停车时，按下复合停止按钮SB₁，接触器KM₁断电释放，电动机脱离三相电源，接触器KM₂和时间继电器KT同时通电吸合并自锁，KM₂主触点闭合，将直流电源接入定子绕组，电动机进入能耗制动状态。当转子转速接近零时，时间继电器延时断开，常闭触点动作，KM₂线圈断电释放，断开能耗制动直流电源。常开辅助触点KM₂复位，断开KT线圈电路，电动机能耗制动结束。

图2-34所示是按能耗制动速度原则用速度继电器控制的单向能耗制动控制电路。速度继电器KS安装在电动机轴伸端上，用其常开触点KS取代了图2-33控制电路中时间继电器KT延时断开的常闭触点。电动机转动时，转速较高，速度继电器KS的常开触点闭合，为接触器KM₂线圈通电做好准备。按下停止按钮SB₁，KM₁线圈断电释放，电动机脱离三相电源做惯性转动，接触器KM₂线圈通电吸合并自锁，直流电源被接入定子绕组，电动机进入能耗制动状态。当电动机转子的惯性转速接近零时，KS常开触点复位，KM₂线圈断电释放，能耗制动结束。

图2-33 时间控制原则单向能耗制动控制电路

图2-34 用速度继电器控制的 单向能耗制动控制电路

能耗制动的优点是制动准确、平稳、能量消耗小。缺点是需要一套整流设备，故适用于要求制动平稳、准确和起动频繁的容量较大的电动机。

2.反接制动控制电路

反接制动是停车时利用改变电动机定子绕组中三相电源的相序，产生与转动方向相反的转矩而起制动作用的。为防止电动机制动时反转，必须在电动机转速接近零时，及时将反接电源切除，电动机才能真正停下来。机床中广泛应用速度继电器来实现电动机反接制动的自动控制。电动机与速度继电器转子是同轴连接在一起的，当电动机转速在120～3000r/min范围内时，速度继电器的触点动作，当转速低于100r/min时，其触点恢复原位。

图2-35 电动机单向反接制动控制电路

图2-35所示是电动机单向反接制动控制电路。电动机转动时，速度继电器KS的常开触点闭合，为反接制动时接触器KM₂线圈通电做好准备。停车时，按下复合按钮SB₁，KM₁线圈断电释放，电动机脱离三相电源做惯性转动。同时接触器KM₂线圈通电吸合并自锁，使电动机定子绕组中三相电源的相序相反，电动机进入反接制动状态，转速迅速下降。当电动机转速接近零时，速度继电器KS的常开触点复位，KM₂线圈断电释放，切断电动机的反相序电源，反接制动结束。

反接制动时，由于旋转磁场的相对速度很大，定子电流也很大，因此制动迅速。但制动时冲击大，对传动部件有害，能量消耗也较大。通常仅适用于不经常起动和制动的10kW以下的小容量电动机。为了减小冲击电流，可往主电路中串入电阻R来限制反接制动的电流。

2.2.5 电动机控制的保护环节

为了确保设备长期、安全、可靠无故障地运行，机床电气控制系统都必须有保护环节，用来保护电动机、电网、电气控制设备以及人身的安全。电气控制系统中常用的保护环节有短路保护、过载保护、零电压和欠电压保护以及弱磁保护等。

1.短路保护

电动机绕组或导线的绝缘损坏或电路发生故障时，都可能造成短路事故。短路时，若不迅速切断电源，会产生很大的短路电流和电动力，使电气设备损坏。常用的短路保护元件有熔断器和低压断路器。其保护原理及保护元件的选择方法等在第1节中已做介绍，故不再重复。

2.过载保护

电动机长期超载运行，其绕组温升将超过允许值，会造成绝缘材料变脆，寿命减少，甚至使电动机损坏。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作过载保护的同时，还必须设有短路保护，并且选作短路保护熔断器的熔体额定电流不应超过热继电器发热元件额定电流的4倍。

3.过电流保护

过电流保护广泛应用于直流电动机或绕线式异步电动机。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。过电流保护器件是过电流继电器。

过电流往往是由于不正确的使用和过大的负载引起的，一般比短路电流要小。但产生过电流比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正/反转起动、制动的重复短时工作制电动机中更是如此。在直流电动机和绕线式异步电动机控制电路中，过电流继电器也起着短路保护的作用，一般过电流的动作值为起动电流的1.2倍。

4.零电压和欠电压保护

当电动机正在运行时，如果电源电压因某种原因消失，那么在电源电压恢复时，必须防止电动机自行起动。否则，将可能造成生产设备的损坏，甚至发生人身事故。对电网来说，若同时有许多电动机自行起动会引起不允许的过电流及瞬间电网电压的下降。这种为了防止电网失电后恢复供电时电动机自行起动的保护叫做零电压保护。

当电动机正常运转时，如果电源电压过分地降低，将引起一些电器释放，造成控制电路工作不正常，可能产生故障。电源电压过低，对电动机来说，如果负载不变，会造成绕组电流增大，电动机发热甚至烧坏；还会引起转速下降甚至停转。因此，在电源电压降到允许值以下时，需要采用保护措施将电源切断，这就是欠电压保护。

图2-36所示是电动机常用保护的接线，熔断器FU作短路保护，热继电器作过载保护，过电流继电器K₁₁、K₁₂作过电流保护，欠电压继电器KV作欠电压保护。图2-36中手动控制器SA有三个操作位置：SA₀、SA₁和SA₂。要使电动机起动，必须先将控制器打到零位，使触点SA₀闭合，中间继电器KA线圈得电并自锁，然后再将控制器打向SA₁或SA₂，使接触器KM₁或KM₂得电，电动机才能运转。中间继电器KA起零压保护作用，当电源电压过低或消失时，欠电压继电器KV的常开触点断开，使KA断电释放，KM₁或KM₂也立即释放。由于控制器不在零位，所以电源电压恢复时KA不会得电动作，故KM₁或KM₂也不会得电动作，实现了零电压保护。

若接触器用按钮起动，由常开触点自锁保持得电的，则可不必另加零电压保护继电器，电路本身兼备了零电压保护环节。

图2-36 电动机常用保护电路

5.弱磁保护

直流电动机在磁场有一定强度下才能起动，如果磁场很弱，电动机的起动电流就会很大。当直流电动机停止运行时，磁场突然减弱或消失，其转速就会迅速升高，甚至发生“飞车”。因此，需要采取弱磁保护。弱磁保护是通过电动机励磁回路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过多，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。