电动机控制环节优化方案

由于三相交流异步电动机具有结构简单、价格便宜和坚固耐用等一系列优点，故被广泛用于数控机床的液压系统、排屑装置和冷却系统等外围装置中。它的控制部分涉及起动/停止、正/反转、制动及调速等控制环节。

1.起动/停止控制电路

三相交流异步电动机的起动/停止控制电路在机床电气控制系统中应用最广，是最基本的控制电路。控制电路中涉及熔断器、断路器、接触器、保护继电器（热继电器、欠压继电器、过电流继电器）和漏电保护及起动、停止按钮、中间继电器、延时继电器等电气元件。

图2-47所示为单向长动控制电路。主电路由低压断路器QF、交流接触器KM的主触点、热继电器FR的热元件和电动机M构成，控制电路由起动按钮SB2、停止按钮SB1、热继电器FR的常闭触点、熔断器FU、交流接触器KM的线圈及其常开触点构成。

控制电路的工作原理：合上低压断路器QF，引入三相电源。按下起动按钮SB2，KM的线圈通电、主触点闭合，电动机M通电起动运转。伴随着KM线圈通电，与SB2并联的KM常开触点闭合自锁（接触器/继电器利用自身的辅助触点保持其线圈带电的称为自锁，该辅助触点为自锁触点）。松开SB2，虽然其自动复位，但KM线圈继续通电，电动机M连续运行实现长动控制。按下停止按钮SB1，KM线圈断开、主触点断开且自锁常开触点切断，电动机停转。

图2-47 单向长动控制电路

为避免电动机等电器和操作者受到不正常工作状态的有害影响，使机床动作更可靠，控制电路均增设有保护环节。该电路中有多重保护功能，如熔断器的短路保护、低压断路器QF的短路和过载的双重保护功能、热继电器FR的热元件保护（串接在电动机主回路中，对电动机长期过载和缺相运行提供保护）、接触器KM自锁触点的失压/欠压保护（可避免由突然停电或电压过低到电源恢复正常时，KM会自动复位）。

2.点动控制电路

数控机床正常运转时，所配置辅助装置的电动机需要连续运行（即长动控制），但在机床调试和对刀操作、立式数控车床横梁的上升/下降、加工中心自动换刀装置的手动控制时，需要点动控制使电动机短时或瞬间运转。点动控制（典型的点动控制电路见图2-48）就是操作者按下起动按钮后电动机起动运转，当松开按钮时电动机停止运转，即点一下动一下、不点则不动。

图2-48 典型的点动控制电路

图2-48a是由隔离开关QS、熔断器FU1、交流接触器KM的主触点、热继电器FR的热元件和电动机M构成主电路。

图2-48b是最基本的点动控制电路（起动按钮SB2未并联接触器KM的自锁触点）。合上隔离开关QS、按下起动按钮SB2时，KM线圈得电主触点闭合，三相电源引入，电动机M起动运转；松开SB2，KM线圈断电主触点断开，电动机M停转。

图2-48c是带转换开关SA的点动和长动控制电路。断开转换开关SA时，与图2-48b的点动控制相同；当合上转换开关SA时，接触器KM的自锁触点并联于起动按钮SB2侧，对电动机M实现连续控制；唯有按下停止按钮SB1或切断转换开关SA，方能使电动机M停转。

图2-48d是把转换开关SA换成复合按钮SB3后形成的点动和长动控制电路。按下点动控制按钮SB3，其常闭触点先断开自锁电路、常开触点闭合，接触器KM的线圈得电、主触点闭合，三相电源引入，电动机M起动运转；松开按钮SB3，KM线圈断电、主触点断开，电动机M停转。按下起动按钮SB2，KM线圈得电、主触点闭合且自锁触点闭合，电动机M连续运转；只有按下停止按钮SB1，方能使电动机M停转。

图2-48e是利用中间继电器实现电动机点动控制的电路。点动按钮SB2控制中间继电器KA的线圈得电，KA的常开触点闭合、常闭触点断开，接触器KM的线圈得电，主触点闭合，三相电源引入，电动机M实现点动控制。当按下起动按钮SB3时，KM的线圈得电，常开触点闭合，而KA线圈不得电，常闭触点一直处于接通状态，故将其与KM的常开触点串联后再并联在起动按钮SB3两端，以实现自锁控制。KM的主触点闭合，电动机M连续运转；只有按下停止按钮SB1，才能使电动机M停转。

3.多地控制电路

对于大型数控机床而言，为方便操作要求，在两个或两个以上的地点进行起动和停止操作，即多地控制电路（见图2-49）。其控制电路需用多个起动按钮和停止按钮分装在需要的地方，且起动按钮的常开触点并联进行“或”逻辑，停止按钮的常闭触点串联进行“与”逻辑。

4.可逆运行控制电路

实际生产过程中，常常要求控制电路能对电动机进行正反转可逆控制，从而实现自动排屑机的顺时针或逆时针转动及上料机械手的上料或卸料等，以满足生产加工的要求。

图2-50a是由低压断路器QF、正转接触器KM1的主触点、热继电器FR的热元件和电动机M构成正转主电路。利用接触器KM2将电动机M的三相电源进线中任意两相对调（改变电动机定子绕组的相序），可以实现电动机M的反转控制。因此，可逆运行控制电路实质上是两个相反方向的单向控制电路。

图2-50b是无电气互锁存在使电源相间短路的控制电路。若同时按下正转起动按钮SB2和反转起动按钮SB3，接触器KM1和KM2的线圈同时得电，主触点均闭合，将造成电源相间短路事故。因此，必须在单向运行电路上增加电气互锁，即利用两个接触器常闭辅助触点（互锁触点）的断开来互相锁住对方线圈的电路，以避免误动作引起电源相间短路。

图2-49 多地控制电路

图2-50 可逆运行控制电路

图2-50c是带电气互锁的“正—停—反”可逆运行控制电路。按下正转起动按钮SB2，接触器KM1的线圈得电，主触点闭合且常开触点自锁，同时接触器KM2线圈电路中的KM1互锁触点断开，电动机M正转。当需要反转时，需先按下停止按钮SB1，KM1线圈断电，主触点释放，电动机M停转；然后按下反转起动按钮SB3，KM2线圈得电，主触点闭合且常开触点自锁，同时KM1线圈电路中的KM2互锁触点断开，电动机M反转。

图2-50d是最常用的带双重互锁（接触器互锁和按钮互锁）的“正—反—停”可逆运行控制电路，可直接实现电动机正反转的变换。电路中正转起动按钮SB2的常开触点用于正转接触器KM1的线圈瞬时通电，常闭触点串联在反转接触器KM2的线圈电路中进行电气互锁；反转起动按钮SB3的设置与SB2相同。当按下SB2或SB3时，先是常闭触点断开再是常开触点闭合。所以在切换电动机运转方向时，就不必按停止按钮SB1了，可直接操作正反转起动按钮实现电动机的可逆运转，即“正—反—停”控制。

5.降压起动控制电路

小容量电动机可使用低压断路器和接触器等电气元件直接全压起动，而大功率电动机起动瞬间电流较大（超过额定电流的几十倍），造成线电压降较大，因此不能直接起动，必须采取措施降压起动。常用的降压起动方法有Y-△降压起动、自耦变压器降压起动和转子串电阻（或电抗）降压起动等。

（1）Y-△降压起动凡是正常运行时定子绕组接成△的三相异步电动机，均可采用Y-△降压起动法来达到限制起动电流的目的。Y-△降压起动时，定子绕组Y联结状态下的起动电压为△联结直接起动电压的，起动电流为△联结直接起动电流的。Y-△降压起动适合小于额定负载转矩的轻载或空载起动，通常由时间继电器实现Y联结到△联结的转换。图2-51所示为13kW以下电动机常用的Y-△降压起动控制电路。

图2-51 功率为13kW以下电动机常用的Y-△降压起动控制电路

控制电路的工作原理：由隔离开关QS，熔断器FU1，接触器KM1、KMY、KM△的主触点，热继电器FR的热元件和电动机M构成主电路。合上隔离开关QS、按下起动按钮SB2时，KM1的线圈得电、主触点和自锁触点闭合，三相电源引入；同时，KMY和延时继电器KT的线圈得电，KMY主触点闭合、互锁触点切断KM△线圈的控制电路，电动机M定子绕组Y联结降压起动。待电动机转速接近额定转速时，KT延时得电后，其动合触点闭合，KM△线圈得电后，其主触点和自锁触点闭合、互锁触点切断KMY线圈的控制电路，电动机定子绕组由Y联结到△联结（U1-W2-W1-V2-V1-U2-U1）换接并全压正常运转。

（2）自耦变压器降压起动由于自耦变压器的变压比，故自耦变压器降压起动时，电动机定子绕组的起动电压是自耦变压器的二次电压，电网供给的起动电流减为1/K²倍；T∝U²使得降压起动转矩为电动机直接起动转矩的1/K²倍。一旦起动完毕，自耦变压器被断开后，一次电压U1施加于定子绕组，电动机全压正常运转。自耦变压器降压起动适用于14～28kW的三相异步电动机的起动控制，但自耦变压器价格较贵且不允许频繁起动，因此工厂一般采用补偿降压起动器（XJ01型或CTZ系列，XJ01型自动补偿降压起动控制电路见图2-52）来实现自耦降压起动控制。

图2-52 XJ01型自动补偿降压起动控制电路

控制电路的工作原理：由隔离开关QS，熔断器FU1，接触器KM1、KM2、KM3的主触点，热继电器FR的热元件，自耦变压器TA和电动机M构成主电路。合上隔离开关QS，指示灯HL2和HL3点亮。按下起动按钮SB2，KM1、KM3和延时继电器KT的线圈得电，KT自锁触点闭合，KM1、KM3的主触点闭合，电动机定子绕组在自耦变压器二次电压的作用下降压起动，HL3熄灭。

当电动机转速接近额定转速时，KT延时得电后，其动合触点闭合，中间继电器KA线圈通电并自锁，KA常闭触点切断KM1、KM3和KT的线圈电路及HL2指示灯，KM1、KM3主触点释放，从而将自耦变压器自电网上切除，HL2熄灭。

伴随着KA常开触点的闭合，KM2线圈通电，主触点和常开触点闭合，电动机直接接入电网全压运行，指示灯HL1点亮。

按下停止按钮SB1，KM2线圈断电，主触点和常开触点释放，电动机停转，HL1熄灭。

（3）转子串电阻降压起动控制电路（见图2-53）电动机的转子先串入全部电阻，其定子再施加额定电压。随着电动机转速的增加，逐步切除电阻，待起动完毕后，切除所有的电阻。如此可得到最大的起动转矩，起动电阻兼做调速电阻且运行可靠。

控制电路的工作原理：由隔离开关QS，熔断器FU1，接触器KM、KM1、KM2、KM3的主触点，热继电器FR的热元件，电阻R1、R2、R3和电动机M构成主电路。合上隔离开关QS、按下起动按钮SB2时，KM线圈得电，主触点闭合并自锁，电动机在其转子串入全部电阻（R1+R2+R3）的前提下慢速起动。

伴随着KM常开辅助触点的闭合，延时继电器KT1线圈得电，电动机升速T1时间后，KT1的动合触点闭合，KM1线圈得电，主触点闭合，切除转子回路中的R1电阻，电动机一次加速起动。

伴随着KM1线圈得电，其常开触点闭合，延时继电器KT2线圈得电，电动机一次加速起动T2时间后，KT2的动合触点闭合，KM2线圈得电，主触点闭合，切除转子回路中的R2电阻，电动机二次加速起动。

伴随着KM2线圈得电，其常开触点闭合，延时继电器KT3线圈得电，电动机二次加速起动T3时间后，KT3的动合触点闭合，KM3线圈得电，主触点和自锁触点闭合，切除电动机转子回路中的全部电阻，电动机加速至最大转速并全速运行。

图2-53 转子串电阻降压起动控制电路

6.制动控制电路

为提高生产效率和节省辅助时间，机床电动机在接收到停转信号后，必须由制动装置提供一个与电动机旋转方向相反的转矩，使电动机克服机械惯性，立即停止转动。常用的制动方法有电磁抱闸制动器或电磁离合器等机械制动、反接制动、能耗制动、回馈（再生发电）制动等。下面介绍一下反接制动控制电路、能耗制动控制电路和回馈（再生发电）制动控制电路。

（1）反接制动控制电路反接制动是通过改变电动机主电源的相序，使定子绕组产生与电动机旋转方向相反的旋转磁场，从而产生制动转矩使电动机迅速停转的一种制动方法。由于反接制动时，转子与旋转磁场的相对速度接近于两倍的同步转速，因此定子绕组中流过的反接制动电流相当于全压直接起动电流的两倍。反接制动具有制动迅速、对传动部件冲击较大及能量消耗较大的特点，通常适用于10kW以下的小容量电动机。为了减小制动时的冲击电流，一般在电动机主电路中串接一定的电阻。另外，当电动机转速接近于0时，反相序主电源必须及时切断，以防止反向再起动。

图2-54 利用速度原则的单向反接制动控制电路

1）利用速度原则的单向反接制动控制电路（见图2-54）。控制电路的工作原理：由隔离开关QS、熔断器FU1、接触器KM1和KM2的主触点、热继电器FR的热元件、反接制动限流电阻R、速度继电器KS与电动机M构成主电路。其中，KM2为反接制动接触器；KS用来检测电动机速度的变化，以控制速度继电器KS触点的动作。合上隔离开关QS、按下起动按钮SB2时，KM1的线圈通电、主触点和自锁触点闭合、互锁触点切断KM2的线圈控制回路，三相电源引入，电动机M起动运转。电动机正常运转时，速度继电器KS的常开触点闭合，为反接制动作准备。需停机时，按下停止按钮SB1，其常闭触点断开，KM1线圈断电主触点释放，切断电动机M的电源。此时，因电动机转速很高，速度继电器KS常开触点仍闭合。

伴随SB1常闭触点的断开，SB1常开触点闭合，反接制动接触器KM2线圈通电、主触点和自锁触点闭合，电动机定子绕组得到与正常运转相序相反的三相交流电，电动机进入反接制动状态，其转速迅速下降接近于0。此时，速度继电器KS常开触点复位，KM2线圈断电，反接制动结束。

2）可逆运行反接制动控制电路（见图2-55）。控制电路的工作原理：合上隔离开关QS，按下正转起动按钮SB2，中间继电器KA3线圈通电并自锁、互锁触点切断KA4的线圈控制回路；KA3的常开触点闭合，使接触器KM1线圈通电、主触点和常开触点闭合，电动机的定子绕组经反接制动限流电阻R接通正序三相电源，并开始降压起动。

图2-55 可逆运行反接制动控制电路

电动机转速上升至一定值时，速度继电器KS1常开触点动作，又KM1常开触点一直闭合，故中间继电器KA1的线圈得电并自锁，从而使接触器KM3的线圈得电、主触点闭合，反接制动限流电阻R被短接，电动机定子绕组得到额定电压，其转速上升至稳定的工作转速。

需要停机时，按下停止按钮SB1，中间继电器KA3、接触器KM1和KM3的线圈相继断电，但此时电动机转子的转速仍很高，速度继电器KS1常开触点仍闭合，KA1仍处于接通状态。伴随着KM1线圈的断电，其常闭触点复位，由于KA1处于工作状态，故接触器KM2的线圈通电、主触点和常开触点闭合，电动机定子绕组经电阻R获得反序的三相交流电，对电动机进行反接制动。当电动机转速接近于0时，KS1常开触点复位，KA1线圈断电，KM2被释放，反接制动过程结束。

同理，电动机由反转运行（反转起动按钮SB3控制）到被反接制动时，中间继电器KA4和KA1、速度继电器KS2等元件相继处于工作状态。

（2）能耗制动控制电路能耗制动是当电动机切断三相交流电后，立即在其定子绕组的任意两相中通入直流电，以使电动机迅速准确停转的一种控制方法。直流电通过变压器和整流元件组成的整流装置获得。由于制动作用的强弱与通入的直流电流的大小和电动机转速有关，故通过改变可调电阻的阻值来调节制动电流的大小，从而调节能耗制动的强度。该方法适用于要求制动准确平稳和能量消耗较小的场合。通常，负载转速较稳定的机床采用时间原则控制，而由传动系统实现负载速度变换或柔性程度较高的机床则采用速度原则控制。

1）时间原则控制的半波整流单向能耗制动控制电路（见图2-56）。控制电路的工作原理：按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈得电，主触点闭合并自锁，互锁触点切断KM2的线圈控制回路，三相电源引入，电动机起动运转。按下停止按钮SB1，其常闭触点断开、常开触点闭合，接触器KM2线圈得电，主触点和常开触点闭合，互锁触点切断KM1，使KM1主触点释放，电动机脱离三相交流电源。

伴随着KM2线圈得电，延时继电器KT的线圈得电，延时常开触点动作并自锁，交流电经变压器TC和半波整流桥后，以直流电形式加入电动机的定子绕组，控制电动机进行能耗制动。当电动机转子速度接近于零时，KT延时到、延时常闭触点断开，KM2线圈断电主触点释放、辅助触点复位，电动机切断直流电停转，结束能耗制动；同时，KT线圈断电并瞬时复位。

KT延时常开触点的作用：当KT线圈断线或卡住时，按下按钮SB1后，电动机迅速制动，以避免定子绕组长期接通能耗制动的直流电流。

图2-56 时间原则控制的半波整流单向能耗制动控制电路

图2-57 速度原则控制的半波整流单向能耗制动控制电路

2）速度原则控制的单向能耗制动控制电路（见图2-57）。控制电路的工作原理：该电路与图2-56的控制电路基本相同，仅在控制电路中用速度继电器KS取代延时继电器KT、用KS的常开触点取代KT的延时常闭触点。该电路中的电动机在刚脱离三相交流电时，转子的速度很高，速度继电器KS的常开触点处于闭合状态。按下停止按钮SB1，接触器KM2的线圈通电并自锁，KM2主触点闭合，经变压器TC和半波整流桥整流后的直流电接入电动机的定子绕组而开始能耗制动。当电动机转速接近于零时，KS延时到、常开触点复位，KM2线圈断电，主触点释放，能耗制动结束。

3）时间原则控制的可逆运行能耗制动控制电路（见图2-58）。控制电路的工作原理：电动机正转过程中，按下停止按钮SB1后，KM1断电主触点释放，KM3和KT的线圈通电并自锁，KM3的主触点闭合，使直流电引入电动机的定子绕组而进行正向能耗制动。当电动机的正向转速接近零时，KT延时到、常闭触点断开，KM3线圈断电主触点释放，直流电源被切除，电动机正向能耗制动结束。同时，KM3辅助触点复位、KT线圈断电。

反向起动与反向能耗制动的过程与上述正向情况相同。

（3）回馈（再生发电）制动控制电路数控机床串行主轴电动机采用异步变频调速控制时，在转子转速n大于定子绕组旋转磁场同步转速n₁的情况下，电动机变为发电机运行，产生发电制动作用，并通过电源模块（原理框图见图2-59）的逆变块把再生能量反馈到电网，实现回馈制动。新型电源模块已把主电路中的整流块、逆变块及保护、监控电路等做成一体的智能功率模块IPM。

图2-58 时间原则控制的可逆运行能耗制动控制电路