電力拖動技術中控制電路的設計與改進

方 園

（廣東省茂名市質量計量監督檢測所，廣東茂名，525000）

電力拖動的應用在生活領域以及生產領域都有著充分的發展和應用，它是指讓電動機運轉以致于拖動生產機械進行工作的一種應用方法。

電力拖動系統不是單一結構的系統，它是由四個子系統組合而成，子系統間的聯系可以如下圖1所示簡單的表達出來：

圖1 電力拖動系統

電源，一般常見的有兩種形式，直流與交流電源，它是為控制設備和電動機提供連續能源的裝置。控制設備是由多種形式的控制電動機、電器、自動性質的元件和工業控制計算機這幾個部分組成的，它的用途主要體現在控制上，控制著電動機的運轉。電動機分為交流電動機和直流電動機兩種，它是將電能應用在生產機械上，從而推動其運轉近而轉化為機械能的原動機。傳動機構是傳送電動機與工作機構之間的動力的一種機構。

1 常見的控制電路

圖2 點動控制電路

1.1 點動控制電路

電動，就是通過電能的作用來進行推動機械的運轉，在按動啟動按鈕后進行通電即轉動，松開按鈕處在斷電情況下則停止運轉。

圖2工作原理為：在L1、L2、L3電源均處在通電的情況下，按動SB啟動按鈕連接電源，此時的交流接觸器KM線圈就會處在通電的狀態，與此同時交流接觸器KM的主觸頭就會閉合，電動機M就會得到電流從而進行運轉；當SB按鈕被操作人員松開時，就會導致 KM線圈失電，KM常開觸點就會隨之斷開，電動機M也會隨之斷電并停止運轉。

1.2 常規控制電路

目前，世界上的生產過程比較繁忙，許多機械都要周而復始的完成相應的機械運動，維持的時間較長的工作，采取點動式控制這種方式，它需要人在一邊一直按住按鈕不能松開，這樣的工作不僅浪費人力而且造成許多實際操作的麻煩。

圖3 常規控制電路

工作原理為：在L1、L2、L3電源均處在通電的情況下，按動SB2啟動電鈕，此時交流接觸器KM線圈就會有電流通過，其主觸點閉合，而其常開觸頭（自鎖）則會自動的進行閉合，電動機M得電得意運轉。當松開SB2啟動電鈕使其還原到原始狀態時，而接觸器KM線圈的動合輔助觸頭仍在閉合，M繼續運轉。這是因為KM的動合輔助觸頭是同時閉合的，它讓KM的線圈由接通后的SB2啟動電鈕與動合輔助觸頭相并聯，然后繼續通電而繼續工作。讓接觸器本身的動合輔助觸頭來吸引線圈從而使整個電路繼續通電的狀態的這種方式，被我們稱為自鎖現象，動合輔助觸頭則是自鎖觸頭。

2 改進后的正反轉控制電路

在當今的社會生產中，根據社會的需求，生產往往需要具備兩個方向的運動部件。面臨這樣需求，用兩個或兩個以上的交流接觸器控制電路來控制一臺電動機去實現。

圖4 常規控制電路

工作原理為：

（1）正向控制

在L1、L2、L3電源處在通電的情況下，按動正向SB2啟動按鈕，這是交流接觸器KM1的線圈則會通過電流，與此同時，KM1的主觸頭也會閉合，這兩者條件下，接觸器的自鎖觸頭會發生自動閉合，電動機M則得到電能得意運轉，這個工作流程的順序是按照L1、L2、L3的順序進行的，這樣就是正向運動。

（2）停止控制

操作人員摁下停止按鈕SB1，這會導致KM1線圈出現斷電的狀態，而與此同時情況下，KM1的主觸頭和自鎖觸頭也會斷開，這時的電動機M由于斷電而停止運轉。

（3）反向控制

在L1、L2、L3電源處在通電的情況下，按動SB3反向按鈕，這時交流接觸器KM2線圈則會通過電流吸引合并輔助觸電進行自鎖，這時常開主觸頭就會連接閉合電動機M的連動電源相序，使得其相序改變為L3、L2、L1，我們稱之為反向運動。

（4）互鎖控制

互鎖控制的主要作用是讓其具有禁止的功能，也就是讓線路的安全運行起到保護性的作用。將KM2的常閉輔助觸點串聯到交流接觸器KM1線圈回路中，就交流接觸KM1的常閉輔助觸點串聯流接觸器KM2線圈回路中。換而言之就是當KM1線圈得電后，KM1的常閉觸點斷開， KM2線圈失電，KM2常開觸點不會吸合，反之同理，這樣的處理方式就有效的防止KM1、KM2常開觸點同時吸合，不會造成短路情況，這一線路環節也被稱之為交流接觸器的互鎖環節。

3 應用實例

3.1 Y-△起動控制電路原理

圖5所示的是Y型接法轉換到△型接法的起動控制電路常規控制電路，電路正常工作時，可忽略觸點動作時間，那么控制電路的的動作順序如下：

起動按鈕SB2被按下，KM1、KM3、KT線圈得電，這時KM1常開觸點閉合實現自鎖，主電路中KM1常開觸點閉合，電機在Y型電路中起動，時間繼電器KT完成計時后，KT常開觸頭閉合常閉觸點斷開，KM3線圈失電，KM3常閉觸點閉合，KM2線圈得電，KM2常開觸頭閉合完成自鎖，KM2常閉觸頭斷開KM3線圈和KT線圈都斷電，KM3常開觸頭閉合，這時的電機已經轉入△接法運轉。

該電路的工作不太可靠，不穩定，時而能工作正常，時而工作不能正常。具體情況如下：

當KT線圈得電后，當設定的時間到達是KT常開觸頭閉合，致使KM2線圈得電，同時KM2常閉觸頭會斷開，導致KM3和KT線圈失電，這時的 KT KT常開觸頭就會瞬時斷開，但是KM2常開觸頭還沒來得及閉合，使KM2線圈斷電，導致自鎖失敗。

圖5 常規控制電路

當這種發生時，電動機無法轉換到△起動控制電路，一直處在Y接法的低壓電路中運行，一定要及時處理，不然電機繞組被燒毀的可能性很大的。

3.2 典型的“競爭”控制電路

圖6 典型的“競爭”控制電路

圖6是典型的“競爭”控制電路，在電路的工作時候可以忽略觸點閉合或斷開需要的時間，圖6中的控制電路的動作原理如下：

當起動按鈕SB2被按壓后，首先KM1線圈、 KT線圈得電。KM1常開觸點閉合，形成自鎖， KT延時完成后，常開觸點閉合，使KM2線圈得電，然后KM2常開觸點閉合，形成自鎖，常閉觸點斷開，使KM1線圈、KT線圈失電；，KT常開觸點在延時完成后也斷開，KM2得電正常工作不會被影響。

然而實際情況卻不是這樣，我們在對上圖示中的控制電路在實驗室通電進行試驗時，就可能會發現一種情況：在對KM2線圈通電后，KM2的觸點工作不一定正常，有時候會只吸合一下就立即釋放下來，就不能實現預期的自鎖情況。

經過調查和實驗得出結論，這種情況的發生是因為電路上存在競爭問題，換而言之就是對KM2線圈通電的同時，KM2常閉觸點與常開觸點的動作不是同時完成，分先后順序，KM2常閉觸點先斷開，此時的KT線圈失電，致使KT常開觸點會瞬時斷開，而此時的KM2常開觸點會發生剛接觸就斷開或者直接來不急閉合的情況，都會導致KM2線圈失電，使KM2自鎖失敗。那么在對控制電路進行設計時就不得不考慮電路中存在的競爭問題，一定要對設計的電路認真分析，將所以影響因素都考慮在內，避免出現競爭問題或現象。

圖7 典型的“競爭”控制電路

3.3 解決“競爭”采取的措施

可以如圖（2）中電路進行改進，最終升級為如圖（3）所示的電路，即在電路的右邊并聯一個中間繼電器KA。電路被改進之后，在設定的時間達到后控制電路中的KT延時開關閉合，這時KM2線圈得電的同時 KM2的常開觸點會閉合，中間繼電器KA的線路被接通，然后 KA的常閉觸點就會斷開，這時KM1線圈、KT線圈都失電。根據這個原理，KM2的常開觸點來實現KA得電和KM2的自鎖這項功能，KA得電是有KM2得電并自鎖來實現的，只有KA得電，KA的常閉觸點就會斷開，才會導致KT失電，那么，就會避免電路開關之間額競爭，保證在KM2自鎖之后，KT線圈才失電。

圖8 典型的“競爭”控制電路

4 改進后的Y-△電路

在Y-△起動控制電路中，對線路的設計一定要合理，一定要考慮全面，這樣，控制電路的工作才會可靠，更加準確。如圖（1）電動機如果接在Y接法的控制電路中，這種情況一定要及時處理，電機就有被燒毀的可能性。

為了使控制電路更加準確和可靠，我們通常采用一些方法，例如將控制線路中的結構作一些調整；改變觸點性能使觸點的工作更加可靠；增加一些延時觸頭去改變各個觸頭之間存在的聯系。同時，在設計時，一定有重視控制原理，設計思路一定要科學，結合實際情況，消除電路隱患，確保得到一個正常工作的電路。為了提高電路的可靠性，我們特意找到一個合適的時機將圖示電路在實驗室進行實驗。在前文介紹過的接觸器和繼電器，適當選擇一些進行試驗。找到一個方法去解決競爭問題，將圖（7）的接法改為如圖（8）所示的接法，去掉KM2常閉觸頭，KT線圈通電，讓KT常開觸頭閉合，將KM2線圈接通后，其中一個KM2常開觸頭閉合，完成自鎖，讓另外一個KM2常開觸頭的中間繼電器的線圈閉合，之后中間繼電器的觸點才斷開，從而斷開KM3和KT的并聯的支路。那么就解決了自鎖失敗而帶來的苦惱。結果發現，電路中電器元件工作正常卻不接中間繼電器的情況下，自鎖成功率的極限是80%；但是接入中間繼電器，KM2自鎖成功率卻高達98%。當然材料成本相對以增大了一點，但提高了電路工作的準確性、可靠性和穩定性，生產更安全效率更高。

5 PLC控制Y-△電路

隨著可編程控制技術的應用，采用該技術來控制也能達到預期效果。PLC控制有著優越于繼電器操作盤控制的特點，并能夠很好的進行實驗、更改、擴展。但是通過PLC控制實驗，同樣要考慮“競爭”問題，并加以改進后“競爭”才消除，可以得到預期控制效果。

結合本學校的實際情況，所采用的可編程控制（PLC）型號為三菱FX2N系列，根據Y-△啟動圖（1）控制原理圖采用PLC控制，列出相應的地址表如下：

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轉換梯形圖如下圖：

圖（5）所示梯形圖盡管完全是由電氣控制原理圖轉換而成，但是電子設備的反映速度比實際低壓電器要快得多，在實際的通電操作過程中，采用此種設計，依然存在著“競爭”。解決此類問題，由于PLC有著優越于繼電器配電盤的特點，結構易于擴展和修改，通常我們在設計PLC控制流程中，都習慣性的添加一個短暫延時，在硬件上不需要添加設備，只在軟件編程方面添加定時器和輔助繼電器的應用。諸如改進后梯形圖見圖（6）：

轉換后梯形圖如下圖：

在圖（6）PLC梯形圖控制中，實際接線主電路和控制元件接口都與圖（5）所示相同，僅僅只是在PLC的輸出口多添加了一個輔助繼電器M1的輸出，它的控制效果，通過實驗我們可以得到預期的控制目的。

總之，在企業實際生產過程中，對繼電力拖動控制系統進行分析或設計的時候，一定不能忽略了“競爭”現象的存在，系統中的“競爭”隱患一定要被排除，增加系統的可靠性、安全性和生產效率。

[1]機及電力拖動[M]，北京中國農業出版社，2004

[2]李瑞光，電機與電力拖動基礎[M]，杭州浙江大學出版社。2002

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[4]張曉江，電機及電力拖動基礎實驗[M]，北京機械工業出版社2006