2.2 常用机床电气控制电路

2.2.1 基本控制电路

1.点动控制电路

点动控制电路是用按钮和接触器控制电动机的最简单的控制电路，其原理如图2-16所示，分为主电路和控制电路两部分。

电路工作原理如下：

首先合上电源开关QS。

起动：

按下SB→KM线圈得电→KM主触头闭合→电动机M运转

停止：

松开SB→KM线圈失电→KM主触头分断→电动机M停转

这种当按钮按下时电动机就运转，按钮松开后电动机就停止的控制方式，称为点动控制。

2.自锁控制电路

接触器自锁控制电路图如图2-17所示，在点动控制电路的基础上它又在控制回路增加了一个停止按钮SB1，还在起动按钮SB2的两端并接了接触器的一对辅助动合触头KM。

电路工作原理如下：

首先合上电源开关QS。

起动：

图2-16 点动控制电路

图2-17 自锁控制电路图

当松开SB2后，由于KM辅助动合触头闭合，KM线圈仍得电，电动机M继续运转。这种依靠接触器自身辅助动合触头使其线圈保持通电的现象称为自锁（或称自保），起自锁作用的辅助动合触头，称为自锁触头（或称自保触头），这样的控制电路称为具有自锁（或自保）的控制电路。

停止：

3.点动和自锁混合控制电路

图2-18的b、c、d所示的电路既能进行点动控制，又能进行自锁控制，所以称为点动和长动控制电路。其中b图，当SA闭合时为自锁控制，当SA断开时为点动控制。

图2-18 长动与点动控制电路

2.2.2 设备的供电与接地

我国供电三相四线制使用较多（见图2-19），即三根相线和一根零线，在这种供电方式中，由于三相负载不平衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压电网，由于环境恶化、导线老化、受潮等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，导致零线也有一定的电位，这对安全运行十分不利。在零线断线的特殊情况下，断线以后的单项设备和所有保护接零的设备会产生危险电压，这是不允许的。

为了保证供电的安全，有的设备规定必须使用三相五线制供电方式（见图2-20），用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离三相四线制供电方式所产生的危险电压，使设备外壳上的电位始终处在“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。

图2-19 三相四线制供电

图2-20 三相五线制供电

发电机中，三组感应线圈的公共端作为供电系统的参考零点，引出线称为中线（在单相供电中称为零线），另一端为相线（在单相供电中称为相线），相线和中线之间有额定的电压差（220V），一般情况下，中线是以大地作为导体，故其对地电压应为零，称为零线。因此相线对地必然有一定的电压差，可以形成电流回路，称为相线。正常供电回路有相线和中线形成。底线是仪器设备的外壳或屏蔽系统就近与大地连接的导线，其对地电阻小于4Ω；它不参与供电回路，主要是保护操作人员人身安全或者抗干扰。在很多情况下，中线和大地的连接问题会导致用电端中线对地电压大于零，因此三相五线制中将中线和地线分开对消除安全隐患具有重要意义。

1.保护接地

保护接地是把电气设备的金属外壳、框架等用接地装置与大地可靠连接，以保护人身安全，如图2-21所示，当设备因某种故障原因导致外壳带电，人体与设备外壳接触时，由于采用了保护接地装置将外壳与大地连接，此时人体相对于一个电阻与接地电阻处于并联状态，而接地电阻阻值远远小于人体阻值，电流大部分通过接地电阻流入地下，从而保证了人身安全。

2.保护接零

（1）保护接零的方法

在三相四线制供电方式中，将电气设备的外壳或框架与系统的零线相接，称为保护接零，如图2-22所示。保护接零后电气设备的一相因绝缘而碰到外壳时，电流通过零线形成回路，由于零线的阻抗很小，只是断路电流I很大，会立即将熔断器熔断，或者使带有漏电保护的断路器动作，切断电源，排除触电危险。

采取保护接零时，接零导线必须牢固，以防止断线、脱线现象发生。零线上禁止安装熔断器和单独的断路器。为了保证断路电流能够使保护器可靠工作，零线导线电阻不宜太大。

图2-21 保护接地

图2-22 保护接零

（2）零线的重复接地

在采取保护接零的情况下，除了变压器的中性点直接接地外，还必须在零线上的一处或多出再进行接地，这就是重复接地。重复接地的作用在于降低漏电设备外壳的对地电压和减轻零线断路时的触电危险。

（3）同一系统中接地和接零不可同时使用

在同一电源电气设备上，不允许一部分采取保护接地，另一部分采用保护接零。如图2-23所示。因为当接地的电气设备发生短路故障时，可能由于大地电阻较大使保护开关或保护熔丝不能动作，于是电源中性点电位升高，使所有的接零设备都带电，反而增加了触电危险性。

图2-23 同时接地和接零

2.2.3 三相异步电动机正反转控制

许多机床的工作部件常需要做两个相反方向的运动，这种相反方向的运动大多靠电动机的正反转来实现。三相电动机正反转的原理很简单，只需将三相电源中的任意两相对调，就可使电动机反向运转。正反向运行线路又称为双向可逆线路，根据采用的主令电器不同，可分为按钮控制和行程开关控制这两大类。

1.开关控制的正反转线路

倒顺开关是一种组合开关，图2-24所示为HZ3-132型倒顺开关的工作原理示意图。

倒顺开关有六个固定触头，其中U1、V1、W1为一组，与电源进线相连，而U、V、W为另一组，与电动机定子绕组相连。当开关手柄置于“顺转”位置时，动触片S1、S2、S3分别将U-U1、V-V1、W-W1相连接，使电动机正转；当开关手柄置于“逆转”位置时，动触片S1'、S2'、S3'分别将U-U1、V-W1、W-V1接通，使电动机实现反转；当手柄置于中间位置时，两组动触片均不与固定触头连接，电动机停止运转。

图2-25所示为用倒顺开关控制的电动机正反转电路。其工作原理是利用倒顺开关来改变电动机的相序，预选电动机的旋转方向后，再通过按钮SB2、SB1控制接触器KM来接通和切断电源，控制电动机的起动与停止。

图2-24 倒顺开关示意图

图2-25 倒顺开关控制的正反转电路

倒顺开关正反转控制电路所用电器少，线路简单，但这是一种手动控制电路，频繁换向时操作人员的劳动强度大、操作不安全，因此一般只用于控制额定电流10A、功率在3kW以下的小容量电动机。生产实践中更常用的是接触器正反转控制电路电路。

2.接触器互锁的正反转控制电路

图2-26所示为两个接触器的电动机正反转控制电路。

图2-26 两个接触器的电动机正反转控制电路

a）未互锁 b）互锁

图2-26a中，若同时按下SB2和SB3，则接触器KM1和KM2线圈同时得电并自锁，它们的主触头都闭合，这时会造成电动机三相电源的相间短路事故，所以该电路不能使用。为了避免两接触器同时得电而造成电源相间短路，在控制电路中，分别将两个接触器KM1、KM2的辅助动断触头串接在对方的线圈回路里，如图2-26b所示。

这种利用两个接触器（或继电器）的动断触头互相制约的控制方法叫做互锁（也称联锁），而这两对起互锁作用的触头称为互锁触头。

接触器互锁的电动机正反转控制的工作原理如下：

首先合上电源开关QS。

正转起动：

停止：

反转起动：

3.按钮、接触器双重互锁的正反转控制电路

图2-27所示的按钮、接触器双重互锁的电动机正反转控制电路。所谓按钮互锁，就是将复合按钮动合触头作为起动按钮，而将其动断触头作为互锁触头串接在另一个接触器线圈支路中。这样，要使电动机改变转向，只要直接按反转按钮就可以了，而不必先按停止按钮，简化了操作。

图2-27 按钮、接触器双重互锁的电动机正反转控制电路

4.行程开关控制的正、反转电路

图2-28所示为行程开关控制的正反转电路，它与按钮控制直接正反转电路相似，只是增加了行程开关的复合触头SQ1及SQ2。它们适用于龙门刨床、铣床、导轨磨床等工作部件往复运动的场合。

这种利用运动部件的行程来实现控制的称为按行程原则的自动控制或称为行程控制。

工作原理：按下正转起动按钮SB2，接触器KM1得电并自锁，电动机正转使工作台前进。当运行到SQ2位置时，撞块压下SQ2，SQ2动断触头使KM1断电，SQ2的动合触头使KM2得电动作并自保，电动机反转使工作台后退。当撞块又压下SQ1时，KM2断电，KM1得电，电动机又重复正转。

图2-29所示的行程开关SQ3、SQ4是用作极限位置保护的。当KM1得电，电动机正转，运动部件压下行程开关SQ2时，应该使KM1失电，而接通KM2，使电动机反转。但若SQ2失灵，运动部件继续前行会引起严重事故。若在行程极限位置设置SQ4（SQ3装在另一极端位置），则当运动部件压下SQ4后，KM1失电而使电动机停止。这种限位保护的行程开关在行程控制电路中必须设置。

图2-28 行程开关控制的正反转电路

图2-29 工作台自动往返运动的示意图

电路工作过程分析如下：

如图2-29所示，起动时，按下正转起动按钮SB2，KM1线圈得电并自锁，电动机正转运行并带动机床运动部件左移，当运动部件上的撞块1碰撞到行程开关SQ1时，将SQ1压下，使其动断触头断开，切断了正转接触器KM1线圈回路；同时SQ1的动合触头闭合，接通了反转接触器KM2线圈回路，使KM2线圈得电自锁，电动机由正向旋转变为反转，带动运动部件向右运动，当运动部件上的撞块2碰撞到行程开关SQ2时，SQ2动作，使电动机由反转又转入正转运行，如此往返运动。从而实现运动部件的自动循环控制。若起动时工作台在左端，应按下SB3进行起动。

2.2.4 三相异步电动机的顺序起动控制

在机床控制电路中，经常要求电动机有顺序地起动，如某些机床主轴必须在油泵工作后才能工作；龙门刨床工作台移动时，导轨内必须有充足的润滑油；铣床的主轴旋转后，工作台方可移动等，都要求电动机有顺序地起动。

常用的顺序控制电路有两种，一种是主电路的顺序控制，一种是控制电路的顺序控制。

1.主电路的顺序控制

主电路顺序起动控制电路如图2-30所示。

只有当KM1闭合，电动机M1起动运转后，KM2才能使M2得电起动，满足电动机M1、M2顺序起动的要求。

2.控制电路的顺序控制

控制电路来实现电动机顺序起动控制又分为手动顺序和自动延时顺序控制。

图2-31a所示为两台电动机手动顺序起动控制电路。

接触器KM1控制油泵电动机的起、停，保护油泵电动机的热继电器是FR1。KM2及FR2控制主轴电动机的起动、停车与过载保护。由图可知，只有KM1得电，油泵电动机起动后，KM2接触器才有可能得电，使主轴电动机起动。停车时，主轴电动机可单独停止（按下SB3），但若油泵电动机停车时，则主轴电动机立即停车。

图2-30 主电路顺序起动控制电路

图2-31 两台电动机手动顺序起动电路

图2-31b所示为两台电动机顺序延时起动控制电路。

其工作原理是：按下SB2后，KM1得电自保，电动机M1起动，同时，时间继电器KT得电，到达KT的整定时间后，KT的常开触头闭合，KM2得电自保，同时KM2的常闭触头断开，使时间继电器KT复位。按SB3电动机M2停车，按SB1则电动机M1、M2同时停车。图2-31中利用接触器KM1的动合触头实现顺序控制。

2.2.5 三相异步电动机的起动控制电路

三相笼型异步电动机有直接起动和减压起动两种方式。直接起动简单、可靠、经济。但由电工学知道，三相笼型异步电动机的直接起动电流是其额定电流的4～7倍。因此，功率大的电动机直接起动时，过大的起动电流会导致电网电压显著下降，从而影响同一电网上其他电器的正常工作。

一般容量在10kW以下或其参数满足式（2-2）的三相笼型异步电动机可采用直接起动，否则必须采用减压起动。

式中 I_st—电动机的直接起动电流（A）；I_N—电动机的额定电流（A）；S—变压器容量（kV·A）；P—电动机额定功率（kW）。

减压起动是指：利用起动设备或线路，降低加在电动机定子绕组上的电压来起动电动机。减压起动可达到降低起动电流的目的，但由于起动转矩与每相定子绕组所加电压的平方成正比，所以减压起动的方法只适用于空载或轻载起动。

1.直接起动控制电路

（1）手动直接起动电路

对小型台钻、冷却泵、砂轮机和风扇等，可用封闭式开关熔断器组、开启式开关熔断器组、转换开关直接控制三相笼型异步电动机的起动和停止，如图2-32所示。

上述直接起动电路虽然所用电器少、线路简单，但在起动、停车频繁时，使用这种手动控制方式既不方便，也不安全，因此目前广泛采用按钮、接触器等电器来控制。

（2）接触器直接起动控制电路

中小型普通车床、摇臂钻床、牛头刨床等的主电动机，一般可采用接触器直接起动，如图2-33所示。

图2-32 电动机的直接起动电路

图2-33 接触器直接起动控制电路

图2-33中，SB1为停止按钮，SB2为起动按钮，热继电器FR作过载保护，熔断器FU1、FU2作短路保护。

该起动电路的工作原理是：按下按钮SB2，接触器线圈KM得电，其主触头闭合，电动机得电运转；按下按钮SB1，线圈KM失电，其主触头断开，电动机失电停止。

由图可知，按下按钮SB2，接触器线圈KM得电，其主触头闭合的同时，其辅助常开触头也闭合，即使SB2断开，闭合的辅助触头也能保持KM线圈一直处于得电状态，这种电路称为“自锁电路”。这种自锁电路不但能保证电动机持续运转，而且还具有欠电压和失电压（零压）保护作用。

欠电压保护是指：当线路电压下降到某一数值时，接触器线圈两端的电压会同时下降，接触器的电磁吸力将会小于复位弹簧的反作用力，动铁心被释放，带动主、辅触头同时断开，自动切断主电路和控制电路，电动机失电停止，避免电动机欠电压运行而损坏。

失电压（零压）保护是指：电动机在正常工作情况下，由于外界某种原因引起突然断电时，能自动切断电源；当重新供电时，电动机不会自行起动。这就避免了突然停电后，操作人员忘记切断电源，来电后电动机自行起动，而造成设备损坏或人身伤亡的事故。

2.减压起动控制电路

（1）定子电路串电阻减压起动

在电动机起动时，在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，起动结束后再将电阻切除，使电动机在额定电压下正常运行。正常运行时定子绕组接成（星形）联结的笼型异步电动机，可采用这种方法起动。图2-34所示为这种起动方式的电路图。

图2-34 定子绕组串电阻减压起动电路

工作原理：合上隔离开关QS，按下按钮SB2，KM1线圈得电自保，其常开主触头闭合，电动机串电阻起动，KT线圈得电；当电动机的转速接近正常转速时，到达KT的整定时间，其常开延时触头闭合，KM2线圈得电自保，KM2的常开主触头KM2闭合将R短接，电动机全压运转。

减压起动用电阻一般采用ZX1、ZX2系列铸铁电阻，其阻值小、功率大，可允许通过较大的电流。两图不同之处在于：

1）控制电路1中KM2得电，电动机正常全压运转后，KT及KM1线圈仍然有电，这是不必要的。

2）控制电路2利用KM2的动断触头切断了KT及KM1线圈的电路，克服了上述缺点。

电路工作原理如下：

首先合上电源开关QS。

（2）-△减压起动控制电路

这种方式的原理是：起动时把绕组接成联结，起动完毕后再自动换接成△（三角形）联结而正常运行。凡是正常运行时定子绕组接成△（三角形）联结的笼型异步电动机，均可采用这种减压起动方法（该方法也仅适用于这种接法的电动机）。图2-35所示为用两个接触器和一个时间继电器自动完成-△转换的起动控制电路。

由图2-35可知，按下SB2后，接触器KM1得电并自锁，同时KT、KM3也得电，KM1、KM3主触头同时闭合，电动机以联结起动。当电动机转速接近正常转速时，到达通电延时型时间继电器KT的整定时间，其延时动断触头断开，KM3线圈断电，延时动合触头闭合，KM2线圈得电，同时KT线圈也失电。这时，KM1、KM2主触头处于闭合状态，电动机绕组转换为三角形连接，电动机全压运行。图中把KM2、KM3的动断触头串联到对方线圈电路中，构成“互锁”电路，避免KM2与KM3同时闭合，引起电源短路。

在电动机-△起动过程中，绕组的自动切换由时间继电器KT延时动作来控制。这种控制方式称为按时间原则控制，它在机床自动控制中得到广泛应用。KT延时的长短应根据起动过程所需时间来整定。

图2-35 异步电动机-△减压起动控制电路

（3）自耦变压器减压起动控制电路

正常运行时定子绕组接成联结的笼型异步电动机，还可用自耦变压器减压起动。电动机起动时，定子绕组加上自耦变压器的二次电压，一旦起动完成就切除自耦变压器，定子绕组加上额定电压正常运行。

自耦变压器二次绕组有多个抽头，能输出多种电源电压，起动时能产生多种转矩，一般比-△起动时的起动转矩大得多。自耦变压器虽然价格较贵，而且不允许频繁起动，但仍是三相笼型异步电动机常用的一种减压起动装置。图2-36所示为一种三相笼型异步电动机自耦变压器减压起动控制电路。

图2-36 三相笼型异步电动机自耦变压器减压起动控制电路

其工作过程是：合上隔离开关QS，按下SB2，KM1线圈得电，自耦变压器为联结，同时KM2得电并自动保持，电动机减压起动，KT线圈得电并自动保持；当电动机的转速接近正常工作转速时，到达KT的整定时间，KT的常闭延时触头先打开，KM1、KM2先后失电，自耦变压器Ｔ被切除，KT的常开延时触头后闭合，在KM1的常闭辅助触头复位的前提下，KM3得电并自动保持，电动机全压运转。

电路中KM1、KM3的常闭辅助触头的作用是防止KM1、KM2、KM3同时得电使自耦变压器Ｔ的绕组电流过大，从而导致其损坏。

2.2.6 常用的制动控制电路

由于电动机转子惯性的缘故，异步电动机从切除电源到停转有一个过程，需要一段时间。为了缩短辅助时间、提高生产效率，许多机床（如万能铣床、卧式镗床、组合机床等）都要求能迅速停车和精确定位。这就要求对电动机进行制动，强迫其立即停车。

机床上制动停车的方式有两大类：机械制动和电气制动。机械制动是利用机械或液压制动装置制动。电气制动是由电动机产生一个与原来旋转方向相反的转矩来实现制动。机床中常用的电气制动方式有能耗制动和反接制动。

能耗制动的原理是在切除异步电动机的三相电源之后，立即在定子绕组中接入直流电源，转子切割恒定磁场产生的感应电流与恒定磁场作用产生制动转矩，使电动机高速旋转的动能消耗在转子电路中。当转速降为零时，切除直流电源，制动过程完毕。能耗制动的优点是制动准确、平稳、能量消耗小。其缺点是制动力较小（低速时尤为突出），需要直流电源。能耗制动适用于要求制动准确、平稳的场合，如磨床、龙门刨床及组合机床的主轴定位等。

反接制动是利用改变异步电动机定子绕组上三相电源的相序，使定子产生反向旋转磁场作用于转子而产生强力制动力矩。反接制动时，旋转磁场的相对速度很大，定子电流也很大，因此制动迅速。但在制动过程中有较大冲击，对传动机构有害，能量消耗也较大。此外，在速度继电器动作不可靠时，反接制动还会引起反向再起动。因此反接制动方式常用于不频繁起动、制动时对停车位置无精确要求而传动机构能承受较大冲击的设备中如铣床、镗床、中型车床主轴的制动。

1.机械制动控制电路

利用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的方法称为机械制动。机械制动分为通电制动型和断电制动型两种。

电磁抱闸制动装置由电磁操作机构和弹簧力机械抱闸机构组成，图2-37所示为断电制动型电磁抱闸的结构及其控制电路。

工作原理是，合上电源开关QS，按下起动按钮SB2后，接触器KM线圈得电自锁，主触头闭合，电磁铁线圈YB通电，衔铁吸合，使制动器的闸瓦和闸轮分开，电动机M起动运转。停车时，按下停止按钮SB1后，接触器KM线圈断电，自锁触头和主触头分断，使电动机和电磁铁线圈YB同时断电，衔铁与铁心分开，在弹簧拉力的作用下闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机迅速停转。

图2-37 断电制动型电磁抱闸的结构及控制电路

a）断电制动型电磁抱闸的结构示意图 b）电磁抱闸断电制动控制电路

2.反接制动控制电路

用于快速停车的电气制动方法有反接制动和能耗制动等。反接制动依靠改变电动机定子绕组中三相电源的相序，使电动机旋转磁场反转，从而产生一个与转子惯性转动方向相反的电磁转矩，使电动机转速迅速下降，电动机制动到接近零转速时，再将反接电源切除。通常采用速度继电器检测速度的过零点。

3.能耗制动控制电路

能耗制动是在切除三相交流电源之后，定子绕组通人直流电流，在定子、转子之间的气隙中产生静止磁场，惯性转动的转子导体切割该磁场，形成感应电流，产生与惯性转动方向相反的电磁力矩而使电动机迅速停转，并在制动结束后将直流电源切除。图2-38所示为按时间原则控制的能耗制动电路图。

图2-38 按时间原则控制的能耗制动电路图

其工作原理如下：

首先合上电源开关QS。