项目3 三相交流异步电动机的运行控制
实际应用中，机械设备的运动部件需要经常改变运动方向，或者按照一定的顺序进行运行，这就要求三相交流异步电动机正反转运行，或者按照一定的顺序运行。所以本项目分为可逆运行和顺序运行两个任务来讲述。
任务1 三相交流异步电动机的可逆运行
任务目标
1.掌握三相异步电动机可逆运行控制电路的控制要求。
2.掌握正确分析三相异步电动机可逆运行控制电路的工作过程。
3.能够完成三相异步电动机可逆运行控制电路的安装与调试工作任务。
4.能够根据任务要求进行三相异步电动机可逆运行控制电路的设计与安装。
任务描述
在实际应用中，机械设备的运动部件需要经常改变运动方向，比如摇臂钻床的摇臂升降、风机的排烟和送风、机床工作台的前进和后退、电梯的上升和下降等，这些都是通过电动机的正反转来实现的，这种控制叫做可逆运行控制。
任务分析
对于三相异步电动机而言，改变接入电动机定子绕组的三相电源相序，也就是将接入定子绕组的三相电源任意两相进行对调，电动机的旋转方向就会发生改变。常见的电动机可逆运行控制电路有接触器互锁正反转控制电路、按钮互锁正反转控制电路和接触器按钮双重互锁控制电路。
知识储备
行程开关又称为限位开关或位置开关，是一种常用的小电流主令电器。它能够利用生产机械运动部件的碰撞使其触点动作来实现对电路的接通或分断控制。通常这类开关用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式和微动式。行程开关与按钮作用相同，但两者的操作方式不同，按钮是靠人手指操纵的，而行程开关是依靠生产机械运动部件的挡铁碰撞而动作的。
行程开关按照有无触点分为两类：一类为以机械行程直接接触驱动作为输入信号的有触点行程开关和微动开关；另一类为以电磁信号（非接触式）作为输入动作信号的无触点接近开关。
1.行程开关
（1）行程开关的识别
行程开关如图1-36所示，其电气图形符号和文字符号如图1-37所示。
图1-36 行程开关
图1-37 行程开关的电气图形和文字符号
识别过程：判断行程开关类型；找到常开触点和常闭触点的接线端子；触动行程开关的操作机构（如推杆或滚轮），观察触点动作和复位情况；检测、判别触点的好坏，判别方法与交流接触器触点判别方法类似。
（2）行程开关的选择
根据应用场合及控制对象选择是一般用途开关还是起重设备的行程开关；根据安装环境选择防护形式是开启式还是防护式；根据控制回路的电压和电流选择采用何种系列的行程开关；根据机械与行程开关的传力与位移关系选择合适的头部结构形式。
（3）行程开关的安装与使用
安装行程开关时，安装位置要准确，安装要牢固；挡铁与撞块的位置应符合控制电路的要求，并确保能可靠地与挡铁进行碰撞；如果安装的是滚轮式行程开关，要注意滚轮的安装方向符合控制要求。
行程开关在使用过程中，要定期检查和保养，及时对触点进行清理（除去油垢、粉尘等），经常检查动作是否灵活可靠，防止因长期碰撞而产生的行程开关松动，接触不良或接线松脱等故障。
2.微动开关
微动开关是具有微小接点间隔和快动机构，用规定的行程和规定的力进行开关动作的接点机构，用外壳覆盖，其外部有驱动杆的一种行程开关，因为其开关的触点间距比较小，故名微动开关，又叫灵敏开关。电气文字符号为：SM。微动开关如图1-38所示。
图1-38 微动开关
3.接近开关
接近开关是一种无需与运动部件进行机械接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机（PLC）装置提供控制指令。接近开关是一种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，又具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等特点，并具有防水、防振、耐腐蚀等特点。产品有电感式，电容式，霍尔式，交、直流型。
接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触、无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程。即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适应能力也是一般机械式行程开关所不能相比的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节等。接近开关如图1-39所示。
图1-39 接近开关
（1）接近开关的选型
对于不同材质的检测体和不同的检测距离，应选用不同类型的接近开关，以使其在系统中具有高的性价比，为此在选型中应遵循以下原则。
①当检测体为金属材料时，应选用高频振荡型接近开关，该类型接近开关对铁镍、Q235钢类检测体检测最灵敏。对铝、黄铜和不锈钢类检测体，其检测灵敏度较低。
②当检测体为非金属材料时，如木材、纸张、塑料、玻璃和水等，应选用电容型接近开关。
③金属体和非金属要进行远距离检测时，应选用光电型接近开关或超声波型接近开关。
④对于检测体为金属时，若检测灵敏度要求不高时，可选用价格低廉的磁性接近开关或霍尔式接近开关。
（2）接近开关的接线
①接近开关有两线制和三线制之区别，三线制接近开关又分为NPN型和PNP型，它们的接线是不同的。其接线如表1-8所示。
表1-8 接近开关的接线表
②两线制接近开关的接线比较简单，接近开关与负载串联后接到电源即可。
③三线制接近开关的接线：红（棕）线接电源正端；蓝线接电源0V端；黄（黑）线为信号，应接负载。负载的另一端是这样接的：对于NPN型接近开关，应接到电源正端；对于PNP型接近开关，则应接到电源0V端。
④接近开关的负载可以是信号灯、继电器线圈或可编程控制器PLC的数字量输入模块。
⑤需要特别注意接到PLC数字输入模块的三线制接近开关的型式选择。PLC数字量输入模块一般可分为两类：一类的公共输入端为电源0V，电流从输入模块流出（日本模式），此时，一定要选用NPN型接近开关；另一类的公共输入端为电源正端，电流流入输入模块，即阱式输入（欧洲模式），此时，一定要选用PNP型接近开关。千万不要选错了。
⑥两线制接近开关受工作条件的限制，导通时开关本身产生一定压降，截止时又有一定的剩余电流流过，选用时应予考虑。三线制接近开关虽多了一根线，但不受剩余电流之类不利因素的困扰，工作更为可靠。
任务实施
由三相电动机的工作原理可知，只要将电动机接到三相电源中的任意两根线对调，即可使电动机正反转。电动机的正反转控制线路实际上就是两个相反方向的单向运行线路。按照电动机可逆运行操作顺序的不同，有“正-停-反”和“正-反-停”两种控制线路。
图1-40为利用接触器实现的三相异步电动机正反转控制电路。其中主电路由正反转接触器KM1、KM2的主触点改变电源与电动机之间的连接相序，从而实现对电动机的正反转控制。此电路中必须保证接触器KM1和KM2的主触点不可以同时闭合，不然会产生相间短路故障，为了避免两个接触器同时得电吸合，就需要在控制电路中实现电气互锁，以避免短路故障的发生。所谓电气互锁（也叫接触器互锁）就是将正反转接触器KM1和KM2的常闭辅助触点分别串联在对方的线圈电路中，以此形成相互制约的控制，这类相互制约的关系称为互锁（联锁），分别被串联在对方线圈电路中的常闭辅助触点称为互锁触点。
图1-40 利用接触器实现的三相异步电动机正反转控制电路
1.电路工作过程分析
（1）正转控制
合上刀开关QS，接通三相电源→按下正转启动按钮SB2→交流接触器KM1线圈得电吸合并自锁→KM1主触点闭合→电动机M得电正向运转，同时KM1的常闭辅助触点断开，切断交流接触器KM2线圈的电路，确保KM2在按下启动按钮SB3时也不能通电。
（2）停止控制
按下停止按钮SB1→交流接触器KM1线圈失电→电动机M停止运转，同时KM1的常闭辅助触点复位闭合，为交流接触器KM2线圈的通电做好了准备。
（3）反转控制
按下反转启动按钮SB3→交流接触器KM2线圈得电吸合并自锁→KM2主触点闭合→电动机M得电反向运转（U与W换相），同时KM2的常闭辅助触点断开，切断交流接触器KM1线圈的电路，确保KM1在按下启动按钮SB2时也不能通电。
2.电路特点
①交流接触器KM1的常闭辅助触点与KM2的线圈串联、KM2的常闭辅助触点与KM1的线圈串联，形成接触器互锁，保证两个接触器不同时通电，防止主电路电源线间短路。
②工作时，可以先正向运转，再停止，然后反向运转，也可以先反向运转，再停止，然后正向运转。
③电动机从正转变为反转时，必须先按下停止按钮后，才能按反转启动按钮，否则由于接触器的互锁作用，不能实现反转。所以接触器互锁正反转控制电路也称为“正-反-停”控制电路。
3.工作任务单（表1-9）
表1-9 工作任务单
4.材料工具单（表1-10）
表1-10 材料工具单
知识拓展
1.“正-反-停”控制电路
在接触器互锁正反转控制电路中，要使电动机能在正反两个方向进行自由切换，需要按下停止按钮，这显然会在频繁操作中带来不便。要使控制电路能够实现电动机正反转间的直接切换，可以将正反转启动复合按钮的常闭触点分别串联接入对方接触器线圈电路中，以形成一种相互制约的互锁控制，叫做机械互锁。机械互锁一般都是由主令电器构成的，由按钮构成的机械互锁也称为按钮互锁。按钮、接触器双重互锁正反转控制电路如图1-41所示。
图1-41 “正-反-停”控制线路
如图1-41所示“正-反-停”控制线路中的主电路与“正-停-反”控制线路中的主电路相同，当合上刀开关QS时，假定接触器KM1的主触点闭合时，电动机M正转；接触器KM2的主触点闭合时，电动机M反转。这里重点分析控制电路。
在合上刀开关QS后，当按下按钮SB2，因增加了常闭触点，若原来电动机工作在反转状态，则接触器KM2线圈断电，接触器KM2的各触点恢复到原来断电时的状态，其辅助常闭触点闭合，接触器KM1线圈通电，以下过程同“正-停-反”控制线路相同。若原来电动机没工作在反转状态，接触器KM2线圈就处于断电状态，其辅助常闭触点闭合，此时按钮SB2的常闭触点断开，不改变接触器KM2线圈的断电状态，即按钮SB2的常闭触点断开，保证接触器KM2线圈处于断电状态。
（1）电路工作过程分析
①正转控制 合上刀开关QS，接通三相电源→按下正转启动复合按钮SB2→SB2常闭触点断开先分断KM2互锁，保证KM2线圈无法得电→SB2常开触点后闭合→KM1线圈得电→KM1自锁触点闭合形成自锁→KM1互锁触点断开，对KM2联锁，保证KM2线圈无法得电→KM1主触点闭合→电动机M启动连续正转。
②反转控制 按下反转启动复合按钮SB3→SB3常闭触点断开→KM1线圈失电→KM1主触点断开→KM1自锁触点断开，KM1互锁触点恢复闭合→电动机M停止正转→SB3常开触点后闭合→交流接触器KM2线圈得电→KM2主触点闭合→KM2自锁触点闭合形成自锁，KM2互锁触点断开，保证KM1线圈无法得电→电动机M启动连续反转。
③停止控制 按下停止按钮SB1→整个控制电路失电→KM1（或KM2）主触点和辅助触点断开→电动机M失电停转。
欲使电动机由反向运转直接切换为正向运转，操作过程与上述相似，无需中间停止操作。
（2）电路特点
电路中既有由接触器实现的电气互锁，又有由按钮实现的机械互锁，所以称为具有双重互锁的正反转控制电路。这种电路能实现电动机正反转的直接切换，又具备良好的安全可靠性，被广泛应用于电力拖动控制系统中，这种电路按其操作特点又称为“正-反-停”控制电路。
（3）注意事项
此电路为双重互锁控制电路，必须同时具备两个互锁环节。如果电路中只具备机械互锁也能实现电动机正反转间的直接切换，但由于接触器有出现熔焊故障的可能，主电路就存在发生电源短路事故的风险，所以不允许电路中只具备机械互锁环节来进行电动机的正反转切换控制。
（4）项目实施
①安装电气元件 “正-反-停”与“正-停-反”控制线路所用元件相同，配电盘组件和操作面板组件实物布置图也完全相同，因此不需要重新安装元件。
②接线 “正-反-停”与“正-停-反”主电路完全相同，主电路不需要重新连接，控制电路可在原来“正-停-反”接线基础上改进。
③断电检查与通电试车 主电路不用检查，重点检查控制电路不同部分；检查按钮的动作及接线情况；检查机械互锁。
2.电动机正反转自动循环控制线路
生产实际中，许多生产机械的往复运动是靠达到预定位置来控制的，即利用检测开关检测是否到达预定位置。常用的检测位置开关元件是行程开关。当达到预定位置时，行程开关动作。如图1-42所示，某机床工作台从A处到B处做往返循环运动，A处、B处分别放置限位开关SQ2、SQ1。工艺要求工作台右移到B处时，右移停止，工作台接着左移，左移到A处，接着进行下一个循环……其主电路和正反转主电路完全相同，控制电路要求到达B处时行程开关发出命令，让正转停止，同时接通反转，与“正-反-停”的反转启动按钮的作用相同。为此在“正-停-反”控制线路上反转启动按钮上并联B处行程开关SQ1常开触点，其常闭触点串接在正转接触器线圈支路中；与此分析相同，在“正-停-反”控制线路上正转启动按钮上并联A处行程开关SQ2常开触点，其常闭触点串接在反转接触器线圈支路中，见图1-43。
图1-42 机床工作台自动循环示意图
图1-43 电动机正反转自动循环控制
（1）电路工作过程分析
①自动往返的实现 合上刀开关QS，接通三相电源→按下正转启动按钮SB2→交流接触器KM1线圈得电→KM1互锁触点断开，对KM2联锁保证KM2线圈无法得电→KM1自锁触点闭合形成自锁→KM1主触点闭合→电动机M启动连续正转→工作台右移→达到限定换向位置，挡铁1碰撞行程开关SQ1→SQ1常闭触点断开→KM1线圈失电→KM1主触点断开，工作台停止右移→KM1自锁触点断开，KM1互锁触点恢复闭合→电动机M失电停转，同时SQ1常开触点闭合→KM2线圈得电→KM2互锁触点断开，对KM1联锁保证KM1线圈无法得电→KM2自锁触点闭合形成自锁→KM2主触点闭合→电动机M启动连续反转→工作台左移释放SQ1，SQ1所有触点复位→继续左移，达到限定换向位置，挡铁2碰撞行程开关SQ2→SQ2常闭触点断开→KM2线圈失电→KM2主触点断开，工作台停止左移→KM2自锁触点断开，KM2互锁触点恢复闭合→电动机M失电停转，同时SQ2常开触点闭合→KM1线圈得电→KM1互锁触点断开，KM1自锁触点闭合形成自锁→KM1主触点闭合→电动机M又正转→工作台又右移，同时释放SQ2复位→到换向位置又碰撞SQ1，如此往复。
若先按下按钮SB3，则KM2先得电，电动机反转，带动工作台先向左移动，碰撞行程开关SQ2，切断KM2支路，随后开始KM1得电，电动机正转，带到工作台再向右移动，如此往复。
②停止控制 机械装置在运动过程中需要紧急停止，只需按下停止按钮SB1即可。
（2）电路特点
①行程开关安装在终点和起点处，利用机械装置的移动，使其触点动作，代替手动按钮，使机械装置能够自动往返。
②任何时刻，按下停止按钮SB1，电动机M都将停止运转，然后才能操作SB2或SB3使电动机M运转；电动机M运转时，操作SB2、SB3均无效。
③电路中须具备终端保护环节。当行程开关如果损坏或被异物卡住，其触点无法动作，机械装置可能无法停止。实际应用中，需要在每个行程开关的后面，再安装一个行程开关，将其常闭触点与相应的交流接触器的线圈串联，作为极限位置开关。
任务2 三相交流异步电动机的顺序运行
任务目标
1.能够分析顺序控制电路的工作原理。
2.能够根据电路图进行顺序控制电路的安装。
3.熟悉顺序控制电路的种类。
任务描述
在生产实际中，有些设备常常要求多台电动机按一定的顺序实现启动和停止。例如CA6140型卧式车床中，要求主轴电动机启动后冷却泵电动机才能启动，主轴电动机停止时冷却泵电动机也停止；X62W型万能铣床中，主轴启动后进给电动机才能启动，主轴电动机停止时进给电动机也停止；皮带输送机中，要求前级输送带先启动后级输送带再启动，停止时要求先停止后级输送带才能停止前级输送带。这种要求几台电动机启动或停止必须按一定先后顺序来完成的控制方式叫做电动机的顺序控制。顺序控制可以通过主电路实现，也可以通过控制电路实现。
任务分析
利用主电路实现顺序控制就是在主电路中利用一个交流接触器的主触点与另一个交流接触器的主触点串联，达到顺序控制的目的。这种方法比较少用。
利用控制电路实现顺序控制是在控制电路中，利用一个交流接触器的常开辅助触点与另一个交流接触器的线圈串联，达到顺序启动的目的。这种方法比较常用。所以本任务以这种方法为例进行讲述。
顺序工作控制线路有：顺序启动，同时停止和顺序启动，顺序或者逆序停止。
知识储备
完成多台电动机的顺序控制，首先要知道如何启动，如何停止，画出主电路，会分析顺序控制线路的工作原理以及电器之间的联锁关系；其次，依据线路中各电气元件所起的作用划分组件，确定各电气元件的实际位置并在相应的位置上固定好电气元件，依据原理图接线；第三，接线完成后进行断电检查与通电试车，遇到问题能分析故障原因并予以排除。
任务实施
要想电动机M1先启动，M2后启动，则可以把控制电动机M1启动的接触器KM1的常开触点串联接在后启动电动机M2的接触器KM2线圈电路中来实现。如图1-44所示，这样，当KM1线圈没有得电时，串接在KM2线圈回路中的KM1常开辅助触点不会闭合，所以KM2线圈无法得电，从而保证M2电动机无法启动。只有当KM1线圈得电后，串接在KM2线圈回路中的KM1常开辅助触点才能闭合，KM2线圈才能得电，电动机M2才能启动。停止时，只要按下总停止按钮SB1，则KM1和KM2线圈都失电，从而电动机M1和M2同时停止。
图1-44 两台电动机的顺序启动控制电路
1.电路工作过程分析
（1）顺序启动控制
合上刀开关QS，接通三相电源→按下电动机M1的启动按钮SB2→交流接触器KM1线圈得电吸合并自锁→KM1主触点闭合→电动机M1得电运转，同时KM1的常开辅助触点闭合，使得KM2线圈回路具备得电的可能性→按下电动机M2的启动按钮SB4→交流接触器KM2线圈得电吸合并自锁→KM2主触点闭合→电动机M2得电运转。
（2）同时停止控制
按下总停止按钮SB1→交流接触器KM1和KM2线圈都失电→电动机M1和M2同时停止。
2.电路特点
①利用交流接触器KM1的常开辅助触点控制交流接触器KM2线圈的通电，只有KM1线圈通电，其触点吸合，KM2线圈才能得电，达到电动机M1启动运转后，电动机M2才运转的控制目的。由此可以得出顺序启动时，需要把先启动的接触器的常开触点串接在后启动的接触器的线圈电路中。
②停止按钮SB1串接在先得电的交流接触器KM1的线圈电路中，这样只要按下停止按钮SB1，交流接触器KM1和KM2线圈都失电，实现同时停止。由此可以得出顺序控制中要想同时停止，需要把停止按钮串接在先得电的接触器的线圈电路中。
③KM2的停止按钮SB3串接在后得电的交流接触器KM2的线圈电路中，这样按下停止按钮SB3，交流接触器KM2线圈失电，而交流接触器KM1仍然保持得电运行，实现逆序停止。
④如果把KM2的常开触点并联在停止按钮SB1的两端，就可以实现停止时必须先使接触器KM2线圈失电，然后才能使接触器KM1线圈失电，从而实现逆序停止。由此可以得出顺序控制中要想逆序停止，可以把先断电电器的常开触点并接在后断电电器线圈的通路中的停止按钮（或其他断电触点）上。
3.工作任务单（表1-11）
表1-11 工作任务单
4.材料工具单（表1-12）
表1-12 材料工具单
