有機(jī)結(jié)合基本控制電路，拓展學(xué)生設(shè)計(jì)思維

邱 俊

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

有機(jī)結(jié)合基本控制電路，拓展學(xué)生設(shè)計(jì)思維

邱 俊

（長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

電機(jī)及電氣控制技術(shù)課程是高職院校電氣、自動(dòng)化、機(jī)電一體化及工業(yè)機(jī)器人等專業(yè)的專業(yè)必修課。如何讓電動(dòng)機(jī)完成所指定的功能，電氣控制線路設(shè)計(jì)無(wú)疑是至關(guān)重要的。文中以直流電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)為例，論述了如何將所學(xué)基本控制電路有機(jī)結(jié)合、拓展學(xué)生設(shè)計(jì)思維的過(guò)程。

直流電動(dòng)機(jī)；電氣控制；降壓?jiǎn)?dòng)；電氣制動(dòng)

1．引言

學(xué)生通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)的基本控制電路的設(shè)計(jì)與制作的學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)后，對(duì)繼電器—接觸器控制的最基本的電氣線路控制設(shè)計(jì)方法有了較深刻的理解。比如：點(diǎn)動(dòng)控制、連續(xù)控制、正反轉(zhuǎn)控制、調(diào)速控制和制動(dòng)控制等。對(duì)實(shí)現(xiàn)單個(gè)基本功能的控制設(shè)計(jì)學(xué)生沒有問題，但如何將這些最基本的控制電路有機(jī)地集合在一臺(tái)電動(dòng)機(jī)多功能控制電路中，就犯難了。因?yàn)樵诩系倪^(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)沖突。比如：觸頭不夠用的問題、觸頭之間如何打時(shí)差的問題、主電路與輔助電路保護(hù)用什么電器來(lái)控制及如何實(shí)現(xiàn)的問題、雙向反接制動(dòng)控制時(shí)如何銜接的問題等等。下面筆者把自己在講直流電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)與制作時(shí)的一次設(shè)計(jì)課呈現(xiàn)給大家。

2．整體設(shè)計(jì)構(gòu)思

2.1 主題設(shè)計(jì)思想

直流電動(dòng)機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等缺點(diǎn)制約了它的發(fā)展，應(yīng)用不如交流電機(jī)廣泛。但由于直流電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速、制度性能好以及可以頻繁啟動(dòng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域中，直流電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)仍占有一席之地。對(duì)需要能夠在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速或需要大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械，常用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)。例如，高精度金屬切削機(jī)床、軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、龍門刨床、電氣機(jī)車等生產(chǎn)機(jī)械都是用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的。

我們?cè)谟懻撾姍C(jī)控制電路設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)非是從電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)以及調(diào)速四個(gè)方面來(lái)考慮，但因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)和三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同，所以直流電動(dòng)機(jī)的控制方式也有所不同。直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式劃分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種。本文主要以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例來(lái)設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)流程

主電路設(shè)計(jì)→三速調(diào)速電路設(shè)計(jì)→正反轉(zhuǎn)控制電路設(shè)計(jì)→降壓?jiǎn)?dòng)控制電路設(shè)計(jì)→保護(hù)電路設(shè)計(jì)→雙向反接制動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)。

3．設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程

3.1 搭好設(shè)計(jì)框架

平時(shí)筆者對(duì)學(xué)生講述設(shè)計(jì)方法時(shí)說(shuō)的最多的一句話就是“搭好架子”。所謂的搭架子就是先按電動(dòng)機(jī)的控制要求設(shè)計(jì)好主電路，然后把最基本的控制要求按啟動(dòng)、停止、自鎖、互鎖的組合形式搭建好，每一個(gè)接觸器最好有它自己獨(dú)立的一條控制支路，每條控制支路采用并聯(lián)的關(guān)系連接好。本設(shè)計(jì)主要想完成并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)雙向運(yùn)行降壓?jiǎn)?dòng)，并能完成三速控制。

圖3-1是直流電動(dòng)機(jī)主電路架子。接觸器KM1和KM2分別完成電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制；KM3和KM4完成兩級(jí)降壓?jiǎn)?dòng)，同時(shí)肩負(fù)三速控制。圖3-2為正反轉(zhuǎn)控制電路架子，采用雙重連鎖控制。圖3-3是三速控制電路架子，其三速分別由SB4、SB5、SB6控制低、中、高三檔速度，控制信號(hào)分別保存在KA6、KA7、KA8中間繼電器中。

圖3-1 主電路

圖3-2 正反轉(zhuǎn)控制電路

圖3-3 三速控制電路

3.2 聯(lián)系實(shí)際加入控制條件，改善控制性能

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速為零，電動(dòng)勢(shì)為零，由于電樞電路的電阻很小，所以啟動(dòng)電流高達(dá)10～20倍額定電流，這樣大的電流是換向所不允許的。同時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的10～20倍。雖然我們希望啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大點(diǎn)好，但是過(guò)大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)使電動(dòng)機(jī)和它所拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械。該設(shè)計(jì)我們要求正、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)均采用電樞串兩級(jí)電阻降壓?jiǎn)?dòng)，為了節(jié)省觸頭、能量和時(shí)間繼電器，我用接觸器KM1和KM2的常閉觸頭串聯(lián)后調(diào)用同一個(gè)降壓?jiǎn)?dòng)電路，且用斷電延時(shí)型時(shí)間繼電器控制時(shí)間，節(jié)省能量，其中KT2的延時(shí)時(shí)間比KT1長(zhǎng)。如圖3-4所示。

圖3-4 降壓?jiǎn)?dòng)電路

在實(shí)踐操作時(shí)，往往我們是先選好速度，然后再啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。所以，在正反轉(zhuǎn)控制電路中串聯(lián)三速控制的常開觸頭，且按下中、高兩檔速度時(shí)，均會(huì)由低檔過(guò)度到中、高檔，起到降壓?jiǎn)?dòng)的目的，也就是逐級(jí)加檔，如圖3-5所示。由直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可通過(guò)三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是電樞回路串電阻調(diào)速；二是改變主磁通調(diào)速；三是改變電樞電壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用電樞回路串電阻調(diào)速，如圖3-1所示。

直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)有兩種方法，一是電樞反接法，即改變電樞電流方向，保持勵(lì)磁電流方向不變；二是勵(lì)磁繞組反接法，即改變勵(lì)磁電流方向，保持電樞電流方向不變。而在實(shí)際應(yīng)用中，并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)常采用電樞反接法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3-1所示。這是因?yàn)椴?lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)多，電感大，當(dāng)從電源上斷開勵(lì)磁繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的自感電動(dòng)勢(shì)，不但在開關(guān)的刀刃上或接觸器的主觸頭上產(chǎn)生電弧繞壞觸頭，而且容易把勵(lì)磁繞組的絕緣擊穿。同時(shí)勵(lì)磁繞組在斷開時(shí)，由于失磁而造成很大電樞電流，易引起“飛車”事故。

3.3 分析電路的缺陷，探索解決方法

電路從單個(gè)來(lái)看似乎沒有多大問題，但我們從公式可知，勵(lì)磁磁場(chǎng)是絕對(duì)不能為零的，且要保證足夠的磁場(chǎng)便于啟動(dòng)，通常我們實(shí)訓(xùn)的時(shí)候都要把勵(lì)磁電阻調(diào)到最小，也就是確保一定的勵(lì)磁電流。所以這里用欠電流繼電器KA1，作為勵(lì)磁繞組的失磁保護(hù)，以免勵(lì)磁繞組因斷線或接觸不良引起“飛車”事故，當(dāng)勵(lì)磁電流不足時(shí)斷開控制電路。

電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中有可能過(guò)載或短路，我們用過(guò)電流繼電器KA2作為此類保護(hù)，當(dāng)電路發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)切斷控制電路。

由于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組具有很大的電感，如果突然斷電，勵(lì)磁繞組會(huì)產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì)，可能會(huì)擊穿繞組的絕緣。因此，為了防止發(fā)生這些現(xiàn)象，將電阻R和VD二極管串聯(lián)后再與勵(lì)磁繞組并聯(lián)組成一閉合回路，作為勵(lì)磁繞組斷電時(shí)的放電回路。VD為續(xù)流二極管，使勵(lì)磁繞組正常工作時(shí)電阻R上沒有電流流入。

3.4 知識(shí)拓展

知識(shí)運(yùn)用到此，對(duì)于高職學(xué)生學(xué)習(xí)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)控制技術(shù)這門課來(lái)說(shuō)已經(jīng)有了一定的難度，但此時(shí)的學(xué)生設(shè)計(jì)熱情已經(jīng)上來(lái)，開始感受到了設(shè)計(jì)的樂趣，為何不趁熱打鐵、繼續(xù)加大難度、拓展學(xué)生的設(shè)計(jì)思維呢？所以，我又給學(xué)生加了雙向反接制動(dòng)這個(gè)任務(wù)。

反接制動(dòng)是利用改變電樞兩端電壓極性或改變勵(lì)磁電流的方向，來(lái)改變電磁轉(zhuǎn)矩方向，形成制動(dòng)力矩，迫使電動(dòng)機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)是把正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)的電樞繞組突然反接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用反接制動(dòng)時(shí)應(yīng)注意以下三點(diǎn)：一是電樞繞組突然反接的瞬間，會(huì)在電樞繞組中產(chǎn)生很大的反向電流（），易使換向器和電刷產(chǎn)生強(qiáng)烈火花而損傷，故必須在電樞回路中串入附加電阻R3以限制電樞電流，正常運(yùn)行時(shí)被KA3短接；二是按下停止按鈕SB1時(shí)，所有原來(lái)運(yùn)行的繼電器、接觸器均已經(jīng)失電，也就是正轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）用的接觸器KM1（KM2）已經(jīng)失電，此時(shí)應(yīng)可靠地接通接觸器KM2（KM1）來(lái)進(jìn)行反接制動(dòng)，這里用KA4（KA5）來(lái)為正轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）運(yùn)行的反接制動(dòng)做準(zhǔn)備，一旦按下停止按鈕，正轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）控制接觸器KM1（KM2）失電，繼電器KA3就得電，達(dá)到了反接制動(dòng)的目的；三是當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等于零時(shí)，應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確可靠地?cái)嚅_電樞回路的電源，所以用欠電壓繼電器KV來(lái)檢測(cè)電樞兩端電壓，當(dāng)電壓低至某一個(gè)值時(shí)及時(shí)切斷電路，以防止電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如圖3-5所示。

圖3-5 完整的電路設(shè)計(jì)圖

4．結(jié)束語(yǔ)

本次電路設(shè)計(jì)，占用2個(gè)課時(shí)。每加一項(xiàng)任務(wù)要求，老師稍加引導(dǎo)，讓學(xué)生獨(dú)立思考并動(dòng)手設(shè)計(jì)。學(xué)生的注意力一點(diǎn)一點(diǎn)地被我的引導(dǎo)吸引，他們的思維一步一步地進(jìn)入我的設(shè)計(jì)領(lǐng)域并逐漸拓展開來(lái)。當(dāng)老師將完整的設(shè)計(jì)電路一功能展現(xiàn)在他們面前時(shí)，對(duì)比自己所設(shè)計(jì)的電路，同學(xué)們都豁然開朗了。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，拓展學(xué)生設(shè)計(jì)思維，營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生很自覺地放下手機(jī)，跟著我的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，這就是我所要的教學(xué)效果。

[1] 邱俊.工廠電氣控制技術(shù)（第二版）[M].中國(guó)水利水電出版社，2013.

[2] 唐介.電機(jī)與拖動(dòng)（第二版）[M].高等教育出版社，2007.

TN702

A

1671-5136(2016)04-0135-03

2016-11-03

邱俊（1964-），女，長(zhǎng)沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院副教授。