三相異步電動機正反轉的控制方法

2015-06-05 14:56:36馬玉忠

石家莊理工職業學院學術研究 2015年2期

關鍵詞：按鈕

馬玉忠

（河北省工業數控技工學校，河北石家莊 050228）

三相異步電動機正反轉的控制方法

馬玉忠

（河北省工業數控技工學校，河北石家莊 050228）

本文運用聯鎖控制最優方案，改進了三相異步電動機的一般繼電器、接觸器和PLC（可編程控制器）正反轉聯鎖控制方法，即對按鈕的常開、常閉觸點和接觸器的常開、常閉輔助觸點進行了改進，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

三相異步電動機的啟動、正反轉、調速、制動、聯動等運轉，靠其控制電路完成。近年來，隨著生產自動化要求的不斷提高，引入電子線路、數字電路、單片機等先進的控制技術，相繼出現了許多新的控制電路，如ATM交換控制、PWM脈沖調寬控制、FM調頻控制及數字門控制電路。上述控制電路驅動機械工作都離不開繼電接觸器，尤其是三相異步電動機的運轉。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 三相異步電動機正反轉控制電路

根據電動機啟動、運轉的方式，電動機可分為直接點動控制、常動運轉控制和借助低壓輔助電器三類。直接點動、常動運轉的電動機不在本文的研究范圍之內，本文主要探討大功率的三相異步電動機的正反轉控制電路。

中、小功率三相異步電動機的正反轉控制，可以用倒順開關來完成三相電源調換相序，以達到電機正反轉。但是，這種電路安全性低、穩定性差。由于電動機是感性負載，關斷電源和換相瞬間都存在感應電動勢，產生電弧。輕者燒壞開關觸點或電機，重者危及操作者安全。因此，三相電動機的控制，最好通過按鈕開關、繼電接觸器來啟動和運轉。

1.1 接觸器控制的正反轉聯鎖電路

一些大型機床設備、集裝箱裝卸橋等，其電機功率往往在幾十千瓦，且操作頻繁，在生產實踐中常用的是接觸器聯鎖正反轉控制電路，接觸器控制的正反轉聯鎖原理如圖1所示。

圖1 接觸器控制的正反轉聯鎖原理圖

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FU1主電路熔斷器

FU2控制回路熔斷器KM1正轉接觸器

KM2反轉接觸器

KH熱繼電器（過載保護）M三相異步電動機

從圖1看出，為了避免兩個接觸器KM1和KM2同時動作（同時通電造成三相電源相間短路），在正反轉控制電路中分別串接了對方接觸器的一個常閉觸點，當一個接觸器通電動作時，通過其常閉輔助觸點使另一個接觸器不能通電，從而保證電路不發生相間短路[1]。

接觸器動作過程：

（1）先合上QS斷路器開關。

（2）正轉運行：按下SB1→KM1線圈通電→KM1主觸點及常開輔助觸點（自鎖觸點）閉合、常閉輔助觸點（聯鎖觸點）斷開（保證KM2不能通電）→電動機M通電（L1、L2、L3）正轉。

（3）停轉運行：按下SB3→KM1斷電→KM1主觸點及常開輔助觸點（自鎖觸點）斷開、常閉輔助觸點（聯鎖觸點）閉合→電動機M斷電停轉。

（4）反轉運行：按下SB2→KM2線圈通電→KM2主觸點及常開輔助觸點（自鎖觸點）閉合、常閉輔助觸點（聯鎖觸點）斷開（保證KM1不能通電）→電動機M通電（L3、L2、L1）反轉。

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

（6）停止使用：斷開QS斷路器的電源開關。

這種電路的特點是正轉和反轉不能直接切換，即正轉—停—反轉，它只適應不需要頻繁換向的場合。而有一些機械的電動機需要頻繁換向，并要求不停止電機而直接換向。如橋式起重機械、門式吊裝機械的快速停止、反接制動和機床快速停車反接制動，都需要電動機不按停止按鈕正轉立即換反轉。顯然上述電路不適應這種機械動作。

1.2 按鈕、接觸器正反轉雙重聯鎖控制電路

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

如圖2所示的電氣控制方法廣泛應用于生產實踐中。

圖2 按鈕、接觸器正反轉雙重聯鎖控制原理

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

當KM1勵磁線圈通電，KM1的串在KM2控制回路常閉輔助觸點斷開斷電，也保證了KM2勵磁線圈無法通電，從而保護了電源不短路。這是第二層聯鎖保護。

在t2時刻，松開SB1按鈕，由KM1常開輔助觸點自鎖，完成對KM1的連續供電，保證了電機M的連續正轉。按下SB2，同理，電機就連續反轉。

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

主電路在實際元件接線時，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、接觸器正反轉雙重聯鎖的主回路布線

而控制電路的連接和布線比較復雜，連接錯誤會造成電源短路。如何合理布線和連接器件，需要全面考慮和細致設計。

按鈕、接觸器雙重聯鎖正反轉控制電路，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系。器件布置恰當，電線布線會走最短捷徑，少走彎路。按圖3對按鈕、接觸器正反轉雙重聯鎖控制電路進行了電器布置，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的勵磁線圈電流回路連接。

第二步：給KH的溫控常閉觸點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輔助觸點送電位點送電；

第四步：SB1給SB2和KM1常開輔助觸點得電位送電；

第五步：SB2常閉觸點給KM2常閉輔助觸點送電并給KM1勵磁線圈送電。至此完成電機正轉連接。

按鈕、接觸器反轉雙重聯鎖控制電路的連接步驟為：

第一步：將SB1的常閉下和SB2的常開點上連接，使SB2開關通電；

第二步：將SB2的常開上，通過接線排和KM2常開輔助觸點送電位連接；

第三步：將SB2的常開下，通過接線排和KM2常開輔助觸點得電位連接；

第四步：將KM2常開輔助觸點得電位和KM1常閉位輔助觸點連接，另一點和KM2勵磁線圈連接。

至此，按鈕、接觸器雙重聯鎖反轉控制電路連接完成，電動機反轉。

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連接，特別是按鈕盒接線密集，這樣降低了安全保護性。為了提高各種觸點和接線點的安全可靠，必須重新考慮“按鈕、接觸器雙重聯鎖正反轉控制原理圖”的結構。

圖5 按鈕、接觸器雙重聯鎖正反轉控制電路連接圖

1.3 改進按鈕、接觸器雙重聯鎖控制電路

通過分析對比得出：按鈕、接觸器雙重聯鎖，主要通過他們各自的常閉觸點控制另一方的常開觸點。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，能否同時統一的方向分配，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，變為水平方向分配，以SB1、SB2常閉，制約SB2、SB1的常開觸點和KM1、KM2輔助常開觸點，進而形成和KM1、KM2輔助常閉觸點的雙重聯鎖控制。改進后的電路，省去了按鈕到接線端子排和接觸器的連線，優化了KM1、KM2兩個接觸器的連線，使整個線連接簡捷、方便。改進后的按鈕、接觸器電機正反轉實際連線如圖7所示。

圖7 改進后的按鈕、接觸器電機正反轉實際連線圖

（2）為了驗證電路的可靠性和實用性，需評測電機和負載帶電運行情況。首先確定電機和負載大小，以M7120型平面磨床主軸電機為負載，主軸電機功率為3kW，按照三相異步電動機的三角連接最大原理，啟動電流設計。三相異步電動機的三角連接啟動電流：

通過4個實例連線制作樣板電路如圖8至圖12所示。證實上述電路修改合理，帶動負載運轉正常，且適用于其他控制電路。

圖8 按鈕、繼電接觸器實物連接圖

圖9 正反轉樣板電路教具（實例1）

圖10 順序啟動樣板電路教具（實例2）

圖11 Y—△降壓啟動樣板電路（實例3）

圖12 交流雙速電機控制電路（實例4）

2 PLC（可編程邏輯控制器）實現電動機正反轉控制

繼電接觸器控制電路雖然應用廣泛，但存在觸點使用壽命短、體積大、接線繁雜等缺點，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，就要重新設計安裝，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的控制回路連接，避免了重新設計安裝、連接的繁瑣，且提高了電路的穩定性、可靠性，延長了驅動部分主繼電接觸器的壽命。若驅動使用無觸點電子器件（功率晶閘管、功率場效應管，IGBT組合塊），則電路運行速度更快。

近幾年，PLC在數控機床中中得到推廣應用，但這些數控機床的PLC的硬件和軟件，沿用著一般電動機正反轉控制的電路原理，即正轉—停—反轉的方式，這在一定程度上限制了操作進程。為改變這一程序，從可編程控制器的結構、程序、梯形圖和命令語言等出發，重新設計PLC。根據PLC在三相異步電動機控制中的應用方法,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、位置開關和傳感器等），須通過輸入接口電路轉換成微處理器能處理的數字信號。

（2）PLC控制部分：實現電路邏輯運算，其作用是根據實際程序的控制要求，對輸入信號進行處理，將運算結果驅動輸出。PLC的這種處理過程，可以看作是PLC內部的各種繼電器、計數器、定時器、數據寄存器等多個觸點和線圈的連接和組合。這些“線圈”、“觸點”與實際的元件不同，必須通過相應的軟件來實現，常被稱為“軟元件”。PLC常用的編程語言有梯形圖、指令語句表、狀態流程圖等[2]，詳見表1所示。