第2章 电动机基本电气控制电路及调速系统 内容提要： 本章首先介绍了电气控制图的分类及基本绘制原则，其次重点分析了典型电气控制单元
的基本组成及工作原理，最后对直流、交流调速系统进行了介绍。基本要求：1、掌握电气控制图的绘制和分析。2、掌握典型电气控制单元（起动
、制动、可逆、步进、保护等）的基本组成及工作原理。3、了解直、交流调速系统基本工作原理。2.1 电气控制电路的绘制 电
气控制电路是由许多电气元件按一定的要求连接而成的。用于表达电气控制系统的结构、原理等设计意图，便于电气系统的安装、调试、使用和维护
。 2.1.1 常用电气图形符号和文字符号GB/T4728.1—2005《电气图常用图形符号》GB/T5226.1—2008《机床
电气设备通用技术条件》GB/T6988.1—2008《电气制图》 2.1.2 电气控制系统图1、电气控制原理图 目的是便
于阅读和分析控制电路，根据结构简单、层次分明清晰的原则，采用电气元件展开形式绘制，反映电气控制的原理和各元件的控制关系，不反映元件
的实际大小和位置。 图2-1 机床电气控制原理图绘制电气控制原理图时应遵循的原则：（1）电气控制原理图分主电路和控制电路。主电路用
粗线，一般画在左侧，控制电路用细线，一般画在右侧。（2）同一电器?各导电部件可不画在一起，但必须采用同一文字标明。（3）全部触头均
采用“平常”状态。 其中“平常”状态指：（4）应尽量减少连线，尽可能避免连接线交叉。接触器、继电器线圈未通电时触头状态；按钮
、行程开关未受外力时触头状态；主令控制器手柄置于“0”位时各触头状态。 在较复杂的电气控制原理图中，由于接触器、继电器
的线圈和触头在电气原理图中不是画在一起，其触头分布在图中所需的各个图区，为了便于阅读，在接触器、继电器线圈的文字符号下方可标注其触
头位置的索引，在触头文字符号下方也可标注其线圈位置的索引。 符号位置的索引可采用“图号/页次·图区号”的组合索引法。对
于接触器线圈，索引中各栏含义如下：对于继电器，索引中各栏含义如下：例：图2-1中接触器KM线圈下方的文字是触头的索引。对未使用的触
头可采用“×”表示，也可省略。2、电气设备安装图 电气设备安装图的目的是用于表示各种电气设备在机床机械设备和电气控制柜
的实际安装位置。 图2-2 机床电气设备安装图3、电气设备接线图电气设备接线图用于表示各电气设备之间实际接线情况。它在绘制时应遵循
以下原则：①外部单元同一电器的各部件画在一起，其布置尽可能符合电器实际情况。②各电气元件的文字符号、元件连接顺序、线路号码编制必须
与原理图一致。③不在同一控制箱和同一配电盘上的各电气元件的连接，必须经接线端子板进行。接线图中的电器互连关系用线束表示，连接导线应
注明导线规格（数量、截面积），一般不表示实际走线途径。 ④对于控制装置的外部连接线应在图上或用接线表表示清楚，并注明电源的引入
点。图2-3 机床电气控制设备接线图2.2 起动与点动控制电路2.2.1 三相异步电动机起动控制电路一、全压起动控制电路
按下起动按钮SB2－接触器线圈KM通电自锁－主电路导通－电动机起动。 按下停止按钮SB1－接触器线圈KM失电－主电路
断开－电动机停止短路保护――融断器FU1、FU2。过载保护――断电动机长期过载运行时，热继电器FR动作，常闭触点断开，切断控制电路
，近而切断主电路，导致电动机停止。欠压、失压保护――当主电路电压低于临界值后，接触器触头在弹簧作用下断开，切断控制电路，近而切断主
电路，导致电动机停止。二、降压起动控制电路1、Y－△降压起动 如果KM2、KM3同时通电，则电源短路，因此在KM2和K
M3控制的支路中各串入对方的一个常闭触头，形成互锁。 2、定子串电阻降压起动 按下起动按钮SB2，KM1通电自锁，时间继电器K
T也通电，电动机通过电阻降压起动。当时间继电器延时结束后，KT延时闭合触头闭合，接触器KM2通电，定子回路电阻被短路，电动机正常运
行。 按下中止按钮SB1，所有接触器断电，电动机停止运行。A图中KM1、KT始终处于工作状态。B图中KM2通电后，KM1和KT
电源断电。2.2.2 三相异步电动机点动控制电路 点动是指当按下按钮时，电动机得电工作；松开按钮后，电动机失电停止工
作。多用于机床刀架、横梁、立柱的快速移动，机床的试车调速和对刀等场合。2.3 制动控制电路2.3.1 反接制动控制电路
当电动机起动转速120r/min时，速度继电器KV的动合触头闭合，为制动作准备。 2.3.2 电磁机械制动电路、电磁抱闸制动
电磁抱闸制动的本质是通过电磁抱闸系统对电动机施加制动外力，使之迅速停止转动。 电磁抱闸分为断电制动和通电制动两种。
通电制动是指线圈通电时，闸瓦紧紧抱住闸轮，实现制动。 断电制动是指当线圈断电时，闸瓦紧紧抱住闸轮，实
现制动。 a 通电型电磁抱闸制动控制b 断电型电磁抱闸制动控制二、电磁离合制动 电磁离合制动是控制电磁离合器线圈电源的
通断，通过离合器与电动机同轴的磨擦来实现制动。 按下SB1，电动机定子电源切断，使电磁离合器YC得电，将磨擦片压紧
，实现制动。2.3.3 能耗制动控制电路原理：在切断三相电源的同时，在定子绕组中接入一直流电源，定子绕组中会产生静止的磁场，转子由
于惯性作用切割该磁场，产生电磁转矩，该转矩为制动转矩，使转子转速降低，达到制动目的。 2.4 其他典型控制电路2.4.1 多地控制
电路 如果要求在两个或多个地点进行操作，可在各操作点各安装一套按钮，将分散在各操作点的起动按钮常开触头并联，停止按钮常
闭触头串联 2.4.2 顺序起停控制电路 生产实践中常要求各种运动部件之间能按顺序工作。如车床正常工作时，一般要求润
滑泵电动机比主轴电动机先起动、后停止，因此此类机床的控制电路中需要顺序启停控制环节，也称联锁环节。 图为只有润滑泵电动机M1和
主轴电动机M2为例的顺序启停主控电路。 电动机组起动时，合上QS，按下SB2，KM1线圈通电自锁，M1起动，同时与KM2线圈
串联的KM1常开触头闭合。再按下SB3，KM2线圈导电自锁?，M2起动。 电动机组停车时，先按SB4，KM2线圈断电，M2停止
工作。再按下SB1，KM1线圈断电，M1停止工作。如果先按下SB1，KM1线圈断电，M1停止工作，同时与KM2线圈串联的KM1常开
触头断开，KM2线圈断电，M2停止工作。采用时间继电器也可以实现顺序起停控制。 按起动按钮SB2，KM1线圈通电自锁，M1起动，同
时时间继电器KT线圈通电。延时t秒后，时间继电器延时闭合触头KT闭合，KM2通电自锁持，M2起动，同时KM2的常闭触头切断时间继电
器线圈电源，使时间继电器复位。通过主电路控制也可以实现顺序控制。 2.4.3 步进控制电路 步进控制电路包括环形分配器
和功率放大器两部分，它接受传来的指令脉冲，经分配和放大后控制步进电动机运行。 1、环形分配器 环形分配器的主要功能是将传递来
的插补脉冲，按步进电动机所需要的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断电。由于步进电动机有正反转的要求，环
形分配器的输出必须是可逆的。环形分配器的功能可由硬件、软件以及软硬件相结合的方法来实现。图2-15 软件环形分配器表2-1 软件环
形分配器的环分表 软件环形分配器是将通电顺序作成一个表格并存入计算机，由软件将状态数据输出到控制接口，实现步进电动机的
连续运行。步进电动机的工作频率取决于软件循环查表和输出状态的时间，改变查表方向，即可改变步进电动机的旋转方向。 图2-16 软件环
形分配器流程图 软件环形分配器的优点是硬件简单，但速度不高。当软件任务多时，就必须使用硬件环形分配器。图2-17 三相六拍式通
电的环形分配器2、功率放大器（1）单电压驱动电路 （2）高低电压驱动电路，优点：在较宽的频率范围内有较大的平均电流。缺点：电流波顶
有谷点。 （3）斩波驱动电路 斩波驱动电路的优点比较突出：绕组脉冲电流边沿陡，快速响应好；功耗小、效率高（电路无外接电
阻，采样电阻很小，一般仅0.2Ω左右）；输出恒定转矩（绕组电流近似恒定，不随转速变化，输出转矩也恒定）。 图2-21 三种驱动电路
电流波形3、步进电动机与数控装置的连接图2-2 硬件环形分配驱动与数控装置的连接 步进电动机驱动装置分为两类，一类是
本身包括环形分配器（称硬环分），数控装置只要发送脉冲即可，每一脉冲对应步进电动机转过的一个固定角度；另一类是驱动装置没有环形分配器
，环形分配需由数据装置中的计算机软件来完成（称软环分）。 图2-23 软件环形分配驱动与数控装置的连接2.4.4 多台电动机同时起
停控制电路 接触器KM1、KM2、KM3为3台电动机电源接触器。转换开关SA1、SA2、SA3分别为3台电动机单独工作调整开关
。 当需要3台电动机同时起停时，将SA1、SA2、SA3调整为常开触头断开、常闭触头闭合状态，按下SB2，KM1、KM2、KM
3同时通电，形成自锁，3台电动机同时起动。按下SB1，则电路电源切断，KM1、KM2、KM3同时断电，3台电动机同时停止。2.4.
5 双速电动机的变极调速控制 电动机定子绕组的U1、V1、W1的三个端子接三相电源，U2，V2，W2悬空，三相定子绕组
△连接，此时磁极为4极，同步转速为1500r／min，为低速接法 。 若U2，V2，W2接三相电源，U1，V1，W1连
在一起，则原来的△连接变为双Ｙ连接，此时每相绕组的两个线圈为并联，磁极为2极，同步转速为3000r/min。为高速接法。
接触器KM1的主触头构成电动机定子绕组△联接的低速接法。接触器KM2、KM3的主触头则构成电动机定子绕组YY联接的高速接法。
控制电路图a中，按钮SB1实现低速起动和运行。按钮SB2使KM2、KM3线圈通电自锁，用于实现YY变速起动和运行。
图b 电路在高速运行时，先低速起动，后高速（YY）运行，以减少启动电流。 当选择开关SA向高速方向闭合时
，时间继电器KT线圈通电，接触器KM1线圈通电，电动机M作低速启动。当延时结束后时间继电器KT延时断开触头断开，KM1线圈断电复位
；KT延时闭合触头闭合，KM2、KM3线圈通电，电动机M作YY接法高速运行。 如果选择开关SA向低速方向闭合，则接触器
KM1线圈通电，电动机M作低速转动。 当选择开关SA处于0位时，电动机停止运行。KM1主触点断开KM1自锁触点闭合按下
SB1电机正转通电闭合断开断电闭合正转控制：KM1线圈通电KM1主触点闭合KM1常闭触点断开（互锁）反转控制：先按下SB2KM1线
圈断电电机停转KM1自锁触点断开KM1常闭触点闭合按下SB1电机反转2.5 可逆及循环运行控制电路2.5.1 可逆运行控制电路“互
锁”触点 在同一时间内，两个接触器只允许一个通电工作的控制作用，称为“互锁”。利用接触器的触点实现联锁控制称电气联
锁。 缺点： 改变转向时必须先按停止按 钮。解决措施：在控制电路中加入机械连锁。 利用复合按钮的触点实现联锁控制称机
械联锁。2.5.2 循环运动控制电路 限位开关SQ1放在右端需要反向的位置，SQ2放在左端需要反向的位置，机械档铁装在运动部
件上。起动时利用正向或反向起动按钮，如按正转按钮SB2，KM1通电自锁持，电动机作正向旋转并带动工作台右移。当工作移至右端并触发S
Q1时，SQ1常闭触头断开，切断KM1线圈电路，同时SQ1常开触头闭合，接通反向接触器KM2线圈电路，此时电动机反向旋转，带动工作
台向左移动，直至触发SQ2，电动机由反转再转变为正转，工作台右移。这样工作台即可实现自动的往复循环运动。 限位开关SQ3、SQ4分
别为左、右超限位保护用行程开关。2.6 参量控制技术 常见的电动机参量控制主要包括：行程原则控制、时间原则控制、速度原则控制、电流
原则控制。2.6.1 行程原则控制 采用行程开关按照机床运动部件的位置或机件的位置变化所进行的控制，称作行程原则控制。行程原则控
制是机床和生产自动线应用最为广泛的控制方式之一。 通过固定在工作台上的撞块触发行程开关SQ1、SQ2可以切断KM1或KM2线圈电
源，从而可以实现对电动机M的控制，这样就实现了行程原则控制。2.6.2 时间原则控制 采用时间继电器按照时间规律进行的控制，称作
时间原则控制。 三个时间继电器KT1、KT2、KT3分别控制三个接触器KM1、KM2、KM3按顺序依次吸合，自动切除转子绕组中的
三级电阻。 2.6.3 速度原则控制 采用速度继电器按照速度规律进行的控制，称为速度原则控制。在前面学习的2.3.1反接制动控制
电路，就是使用速度原则进行的控制。 2.6.4 电流原则控制 采用电流继电器按照电流变化规律进行的控制，称为电流原则控制。电流继电
器2.7 对电动机控制的保护环节 机床设备的电气控制系统不仅包括对电动各种控制单元，还必须包含对电动机的各种保护措施，否则会造成
电动机、电网设备、电气设备事故，甚至会危及人身安全。保护环节是所有电气控制系统不可缺少的组成部分。 电气控制系统中常见的保护环节
有连锁控制、短路保护、过载保护、零压和欠保护以及弱磁保护。2.7.1 连锁控制 连锁控制，是将接触器或继电器的触头通过两方或多方同
时进行某个操作、或避免同时采用某个操作，实现对相应触头进行互相制约的控制方式。2.7.2 短路保护 常用的短路保护电器有熔断器
和自动开关。（1）熔断器保护 熔断器比较适合对动作准确性和自动化程度要求较差的系统中，如小容量的笼型电动机、一般的普通交流电源等
。在发生短路时，很有可能发生一相熔断器熔断，造成单相运行。 （2）自动开关保护 自动开关在发生可将三相电路同时切断。由于自动开关
结构复杂，操作频率低，故广泛用于控制要求较高的场合。2.7.3 过载保护 电动机长期超载运行时，绕组温升会超过其允许值，电机的绝缘
材料会，寿命降低，严重时会因绝缘失效导致电动机损坏。过载电流超大，达到允许温升的时间超短。常用的过载保护电器是热继电器。热继电器可
以满足这样的要求：当电动机通以额定电流时?，电动机为额定温升，热继电器不动作；当过载电流较大时，热继电器而经过较短时间就会动作。
由于热惯性的存在，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间动作，所在在用热继电器作过载保护的同时，并不能省去短路
保护。短路保护的熔断器熔体额定电流应比热继电器发热元件的额定电流的4倍还要大。2.7.4 零压和欠压保护 为了防止电压恢复时电动机
自动起动的保护叫“零压保护”。 在电源电压降到一定值以下时为保护电动机将电源切断的保护叫“欠压保护”。 一般常用的电磁式继电器可
以实现欠压保护。利用按钮的自动恢复作用和接触器的自锁作用，可以不必另加设零压保护继电器。一般带有自锁环节的控制电路本身已兼备零压保
护。2.7.5 弱磁保护 对于他励直流电动机，当励磁回路电流突然降低时，磁通急剧减小，如果电枢电压保持不变，则电动机转速会在很短
的时间内急剧上升，导致超速（“飞车”）现象出现，严重时会造成系统损伤。因此必须对他励直流电动机励磁回路进行保护，使得当励磁回路发生
弱磁或失磁现象时，及时切断电动机电源。 常见的做法是在励磁回路串接一欠电流继电器，其常开触头接在控制回路中。当励磁电流突然消失或
减小到规定值时，欠电流继电器动作，其在控制回路的常开触头断开，切断电动机电枢电源，从而使电动机停止运行，避免超速现象出现。2.8
直流自动调速系统2.8.1 机床分度调节 在对于小容量和中等容量、且对调速的连续性要求不太高的机床上，往往采用机床分度调节方式来获
得所需的机床调速效果。 机床分度调节属有极调速，它是利用不调速的笼型感应电动机或多速笼型感应电动机，配合齿轮箱的不同变速比，以获
得机床主轴的不同转速。 2.8.2 调速与反馈控制的基本概念、直流调速的性能指标1、调速范围2、静差度（转速的稳定度） 对于机床，
通常希望控制系统的静特性有较大的硬度，从而使负载变动而引起的转速降落尽量小。特性越硬，静差度越小，稳速的精度越高。然而，静差度与特
性硬度又有区别，下图中，转速特性1和2硬度一样，且额定负载下的速度降落相同，但因理想空载转速不同，静差度却不同。同样硬度的特性，理
想空载转速越低，静差度越大，转速的相对稳定性越低。一般车床主传动s=0.2～0.3；龙门刨床的工作台传动s=0.1；精加工机床s=
0.05～0.1。 ＝1 在一定范围内，可能得到的调节转速的级数越多，则调速平滑性越好，即平滑连续调速。3、调速的平滑性 这个比值
越接近1，调速的平滑性越好。无极调速系统的调速平滑度4、调速经济性二、直流电动机的调速原理变电枢电压调速（恒转矩调速） 当电机为
他励电机时改变电枢电压，保持励磁回路电流不变。 图2-36 改变电压的机械特性 图2-37 恒转矩变速特性2、变磁通调速（恒
功率调速） 改变励磁回路电流，保持电枢电压不变。 图2-38 改变磁通的机械特性 图2-39 恒功率变速特性三、减少转速降
落与扩大调速范围由直流电动机机械特性方程可知，改变端电压 调速时，理想空载转速会发生改变，但 保持不变。这样当理想空载转速
较小时，转速降的相对值会越大。换句话，当负载较小时，转速波动会很大。静差度（速度的稳定度）会很大。 调速范围：当电机工作在定额负载
的低速区时，上式可写为说明：额定负载低速时的静差度：可知电机拖动动系统的调速范围、静差度、静态最高转速降落与最高转速之间的关系：转
速降落一定时，要求的静差度 越小，调速范围 越小。四、通过反馈控制实现速度的自动调整开环控制系统 当负载增加，转速下
降时，设法增大给定电压 ，则可以提高电动机电枢两端的电压 ，便得转速恢复到原来的值，这样就即可调速又可减少静态速度降落。 2
.闭环控制 由于 与 反接，故又称负反馈。这样输入与输出间形成闭环，故称闭环控制，能实现自动控制的目的，也称反馈控制。
2.8.3 转速负反馈自动调速系统、转速负反馈调速系统组成及工作原理二、转速负反馈调速系统静特性分析 有转速负反馈的闭环系统调速
范围 比开环系统大 倍，放大倍数越大，静态速度降落越小，调速范围越大。因此提高系统放大倍数是减少静态速度降落，扩大调速范围
的有效措施。当然，为了保证系统的稳定性，放大倍数不能过大，需控制在一定范围内。图2-44 速度反馈调速系统的静特性1-转速负反馈系
统静特性2-开环控制系统机械特性2.8.4 电压负反馈和电流正反馈自动调速系统一、电压负反馈1-开环系统机械特性2-有电压负反馈的
静特性3-有转速负反馈的静特性图2-46 电压负反馈系统的静特性二、电压负反馈和电流正反馈2.8.5 具有电流截止负反馈的自动调速
系统具有电流截止负反馈的自动调速系统 图2-51 采用稳压管获取比较电压图2-50 带有电流截止负反馈的转速调节系统静特性2.8.
6 无静差自动调速系统采用PI调节器的单闭环自动调整系统带有速度调节和电流调节的双闭环调速系统2.9 交流调速系统2.9.1 串级
调速系统串级调速的主要类型图2-65 机械串级调速系统原理图图2-66 晶闸管串级调速系统原理图图2-67 转速开环的晶闸管串级调速系统图2-68 双闭环晶闸管串级调速系统框图2.9.2 变频调速系统、变频调速原理常用的变频调速有恒磁通和恒功率变频调速。恒磁通变频调速异步电动机定子绕组每相感应电势为如忽略定子绕组电阻和感抗压降，则上式可简化为--电势常数 --定子每相绕组匝数在变频调速过程中保持磁通恒定，即 为了保持磁通恒定，必须使定子电压和频率的比值保持不变，即这是恒磁通变频调速所要遵循的控制条件。2、恒功率变频调速 电动机在额定转速以上运行时，定子电流的频率将大于额定频率，如按恒磁通变频调速方式进行调速，则要求电动机的定子电压随之升高。但是由于电动机绕组本身不允许承受过高的电压，使得定子电压必须限制在允许的电压范围内，这样就不能进行恒磁通变频调速。由于电动机定子电压受额定电压的限制，频率在额定频率以上升高时，定子电压应保持额定值不变。这样，随着电动机定子供电频率 的升高，转速 上升，电动机中磁通 将减少，允许输出转矩也下降，这样可以近似保持电动机的允许输出功率不变，即得到近似的恒功率调速。作业： P80 1、2、3、4、5、6、7 |
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