三相异步电动机正反转的控制方法

2015-06-05 14:56马玉忠

石家庄理工职业学院学术研究 2015年2期

关键词：控制电路接触器触点

马玉忠

（河北省工业数控技工学校，河北石家庄 050228）

三相异步电动机正反转的控制方法

马玉忠

（河北省工业数控技工学校，河北石家庄 050228）

本文运用联锁控制最优方案，改进了三相异步电动机的一般继电器、接触器和PLC（可编程控制器）正反转联锁控制方法，即对按钮的常开、常闭触点和接触器的常开、常闭辅助触点进行了改进，避免了电流滞后而造成的电源相间短路，从而保证了电路的可靠性、稳定性和安全性。

按钮；继电接触器；PLC（可编程控制器）

前言

三相异步电动机的启动、正反转、调速、制动、联动等运转，靠其控制电路完成。近年来，随着生产自动化要求的不断提高，引入电子线路、数字电路、单片机等先进的控制技术，相继出现了许多新的控制电路，如ATM交换控制、PWM脉冲调宽控制、FM调频控制及数字门控制电路。上述控制电路驱动机械工作都离不开继电接触器，尤其是三相异步电动机的运转。所以，继电接触器电路是各种控制电路中必不可少的硬件部分。

1 三相异步电动机正反转控制电路

根据电动机启动、运转的方式，电动机可分为直接点动控制、常动运转控制和借助低压辅助电器三类。直接点动、常动运转的电动机不在本文的研究范围之内，本文主要探讨大功率的三相异步电动机的正反转控制电路。

中、小功率三相异步电动机的正反转控制，可以用倒顺开关来完成三相电源调换相序，以达到电机正反转。但是，这种电路安全性低、稳定性差。由于电动机是感性负载，关断电源和换相瞬间都存在感应电动势，产生电弧。轻者烧坏开关触点或电机，重者危及操作者安全。因此，三相电动机的控制，最好通过按钮开关、继电接触器来启动和运转。

1.1 接触器控制的正反转联锁电路

一些大型机床设备、集装箱装卸桥等，其电机功率往往在几十千瓦，且操作频繁，在生产实践中常用的是接触器联锁正反转控制电路，接触器控制的正反转联锁原理如图1所示。

图1 接触器控制的正反转联锁原理图

L1、L2、L3三相交流电源

SB1、SB2、SB3顺、逆、停三种按钮

QS断路器开关FU1主电路熔断器

FU2控制回路熔断器KM1正转接触器

KM2反转接触器

KH热继电器（过载保护）M三相异步电动机

从图1看出，为了避免两个接触器KM1和KM2同时动作（同时通电造成三相电源相间短路），在正反转控制电路中分别串接了对方接触器的一个常闭触点，当一个接触器通电动作时，通过其常闭辅助触点使另一个接触器不能通电，从而保证电路不发生相间短路[1]。

接触器动作过程：

（1）先合上QS断路器开关。

（2）正转运行：按下SB1→KM1线圈通电→KM1主触点及常开辅助触点（自锁触点）闭合、常闭辅助触点（联锁触点）断开（保证KM2不能通电）→电动机M通电（L1、L2、L3）正转。

（3）停转运行：按下SB3→KM1断电→KM1主触点及常开辅助触点（自锁触点）断开、常闭辅助触点（联锁触点）闭合→电动机M断电停转。

（4）反转运行：按下SB2→KM2线圈通电→KM2主触点及常开辅助触点（自锁触点）闭合、常闭辅助触点（联锁触点）断开（保证KM1不能通电）→电动机M通电（L3、L2、L1）反转。

（5）保护措施：FU1、FU2起短路保护作用；KM1、KM2线圈起零压（欠压）保护；KM1、KM2常开、常闭辅助触点起自锁、联锁保护作用；KH起过载保护作用；PE起保护接地作用。

（6）停止使用：断开QS断路器的电源开关。

这种电路的特点是正转和反转不能直接切换，即正转—停—反转，它只适应不需要频繁换向的场合。而有一些机械的电动机需要频繁换向，并要求不停止电机而直接换向。如桥式起重机械、门式吊装机械的快速停止、反接制动和机床快速停车反接制动，都需要电动机不按停止按钮正转立即换反转。显然上述电路不适应这种机械动作。

1.2 按钮、接触器正反转双重联锁控制电路

为了解决直接按动按钮而改变电动机旋转方向的问题，并保证换向时不发生相间短路，这就需要在三相异步电动机正反转控制电路加一级按钮联锁电路。如果不加入按钮触点联锁，接触器线圈电流会在换向瞬间，因滞后动作而发生相间短路。

如图2所示的电气控制方法广泛应用于生产实践中。

图2 按钮、接触器正反转双重联锁控制原理

按钮、接触器正反转双重联锁控制电路的工作过程：t1时刻，按下SB1，SB1常开触点通电，SB2常闭触点通电，KM2常闭辅助触点通电，KM1励磁线圈通电，KM1主触点闭合通电，电流通过KH使电动机M按U、V、W相序正转。在t1时刻，让SB1常闭触点断开断电，即使SB2此时误动作按下，也不能使KM2通电，不会造成电源相间短路。这是第一层联锁保护。

当KM1励磁线圈通电，KM1的串在KM2控制回路常闭辅助触点断开断电，也保证了KM2励磁线圈无法通电，从而保护了电源不短路。这是第二层联锁保护。

在t2时刻，松开SB1按钮，由KM1常开辅助触点自锁，完成对KM1的连续供电，保证了电机M的连续正转。按下SB2，同理，电机就连续反转。

这种电路适用于电动机需要频繁换向的场合，它的切换步骤为：正转—反转—停，换向前不需要按停车按钮。

主电路在实际元件接线时，布线比较容易、简单：只要求线路走最短捷径，布线合理，电线不平面交叉，不走架空线，不跨越器件上部。如图3所示。

图3 按钮、接触器正反转双重联锁的主回路布线

而控制电路的连接和布线比较复杂，连接错误会造成电源短路。如何合理布线和连接器件，需要全面考虑和细致设计。

按钮、接触器双重联锁正反转控制电路，首先，要考虑控制回路熔断器FU2和接触器KM1、KM2、热继电器及按钮盒的关系。器件布置恰当，电线布线会走最短捷径，少走弯路。按图3对按钮、接触器正反转双重联锁控制电路进行了电器布置，为了清晰地看图，先把主电路连线去掉，只连接控制回路连线。

第一步：先对控制回路的熔断器FU2和KM1、KM2的励磁线圈电流回路连接。

第二步：给KH的温控常闭触点95（97）连线送电，并通过96（98）及接线排给按钮SB3常闭送电；按钮盒的分布为1、3点是常开位；2、4位是常闭位。按钮盒常开、常闭位置详见图4所示。

图4 按钮盒常开、常闭位置图

第三步：SB3常闭给SB1常开、常闭和KM1辅助触点送电位点送电；

第四步：SB1给SB2和KM1常开辅助触点得电位送电；

第五步：SB2常闭触点给KM2常闭辅助触点送电并给KM1励磁线圈送电。至此完成电机正转连接。

按钮、接触器反转双重联锁控制电路的连接步骤为：

第一步：将SB1的常闭下和SB2的常开点上连接，使SB2开关通电；

第二步：将SB2的常开上，通过接线排和KM2常开辅助触点送电位连接；

第三步：将SB2的常开下，通过接线排和KM2常开辅助触点得电位连接；

第四步：将KM2常开辅助触点得电位和KM1常闭位辅助触点连接，另一点和KM2励磁线圈连接。

至此，按钮、接触器双重联锁反转控制电路连接完成，电动机反转。

通过图5可以看出，按钮盒需要6根线通过接线端子排，和热继电器及接触器的辅助触点连接，特别是按钮盒接线密集，这样降低了安全保护性。为了提高各种触点和接线点的安全可靠，必须重新考虑“按钮、接触器双重联锁正反转控制原理图”的结构。

图5 按钮、接触器双重联锁正反转控制电路连接图

1.3 改进按钮、接触器双重联锁控制电路

通过分析对比得出：按钮、接触器双重联锁，主要通过他们各自的常闭触点控制另一方的常开触点。而其原理图安排了SB1、SB2的常闭，是上下垂直方向分配；KMI、KM2常闭是水平方向分配，能否同时统一的方向分配，这首先需要修改它的原理图控制回路连接。修改后的按钮、接触器双重联锁控制电路原理如图6所示。

图6 修改后的按钮、接触器双重联锁控制电路原理图

（1）将按钮SB1、SB2常闭的上下垂直方向分配，变为水平方向分配，以SB1、SB2常闭，制约SB2、SB1的常开触点和KM1、KM2辅助常开触点，进而形成和KM1、KM2辅助常闭触点的双重联锁控制。改进后的电路，省去了按钮到接线端子排和接触器的连线，优化了KM1、KM2两个接触器的连线，使整个线连接简捷、方便。改进后的按钮、接触器电机正反转实际连线如图7所示。

图7 改进后的按钮、接触器电机正反转实际连线图

（2）为了验证电路的可靠性和实用性，需评测电机和负载带电运行情况。首先确定电机和负载大小，以M7120型平面磨床主轴电机为负载，主轴电机功率为3kW，按照三相异步电动机的三角连接最大原理，启动电流设计。三相异步电动机的三角连接启动电流：

通过4个实例连线制作样板电路如图8至图12所示。证实上述电路修改合理，带动负载运转正常，且适用于其他控制电路。

图8 按钮、继电接触器实物连接图

图9 正反转样板电路教具（实例1）

图10 顺序启动样板电路教具（实例2）

图11 Y—△降压启动样板电路（实例3）

图12 交流双速电机控制电路（实例4）

2 PLC（可编程逻辑控制器）实现电动机正反转控制

继电接触器控制电路虽然应用广泛，但存在触点使用寿命短、体积大、接线繁杂等缺点，特别采用固定接线方式，通用性和灵活性较差。一旦控制要求有所变动，就要重新设计安装，维修也比较麻烦。若选择PLC去取代继电接触器的部分控制电路，可以大大减少三相异步电动机的控制回路连接，避免了重新设计安装、连接的繁琐，且提高了电路的稳定性、可靠性，延长了驱动部分主继电接触器的寿命。若驱动使用无触点电子器件（功率晶闸管、功率场效应管，IGBT组合块），则电路运行速度更快。

近几年，PLC在数控机床中中得到推广应用，但这些数控机床的PLC的硬件和软件，沿用着一般电动机正反转控制的电路原理，即正转—停—反转的方式，这在一定程度上限制了操作进程。为改变这一程序，从可编程控制器的结构、程序、梯形图和命令语言等出发，重新设计PLC。根据PLC在三相异步电动机控制中的应用方法,给出了控制梯形图、程序及输入、输出接线图。

2.1 三菱FXIN-40MR型PLC各部分功能概述

（1）输入部分：指收集被控设备的信息或操作命令。这些信息或操作命令（如按钮、位置开关和传感器等），须通过输入接口电路转换成微处理器能处理的数字信号。

（2）PLC控制部分：实现电路逻辑运算，其作用是根据实际程序的控制要求，对输入信号进行处理，将运算结果驱动输出。PLC的这种处理过程，可以看作是PLC内部的各种继电器、计数器、定时器、数据寄存器等多个触点和线圈的连接和组合。这些“线圈”、“触点”与实际的元件不同，必须通过相应的软件来实现，常被称为“软元件”。PLC常用的编程语言有梯形图、指令语句表、状态流程图等[2]，详见表1所示。