任务1　三相异步电动机的启停控制

知识目标

（1）了解交流接触器、热继电器、熔断器、按钮、低压开关和断路器的结构、工作原理、用途与选型、图形与文字符号；

（2）了解电动机主电路的构成及主要器件的选用；

（3）掌握点动与连续、自锁控制的基本概念；

（4）了解电气原理图、布置图和接线图的绘制原则。

能力目标

（1）能根据电动机控制要求合理选用元器件；

（2）能按照标准要求绘制主电路与控制电路原理图；

（3）能根据原理图画出电气布置图和接线图；

（4）能根据图样要求进行符合规范要求的电气元件的安装与接线；

（5）按电气操作的安全规范进行操作调试，能用万用表进行故障的排除。

任务要求

现有1台水泵，其拖动电动机额定功率为3kW，额定电压为380V，额定电流为5.85A。现要进行启动与停止控制，电路应具有短路保护和过载保护功能，要求设计主电路和控制电路图，并完成电路接线和调试。图1-1是抽水水泵实物外形图。

任务分析

三相异步电动机启动就是给电动机加上三相380V的额定电压；三相异步电动机停止就是切断380V工作电源。电动机在通电与断电的过程中，由于线路电流大，触点间会产生电弧，因此通断电的元器件触点应具有灭弧装置。另外在电动机工作中有可能会有各类故障，故回路中要有短路保护和过载保护功能。

图1-2所示是一个有安全隐患的水泵控制电路，首先观察电路中的元器件你是否认识，这个电路是否可以实现水泵的启动和停止？

其次请思考：

（1）你了解安全用电常识吗？什么是安全电压？什么是安全电流？

（2）是不是只要实现水泵的启动和停止控制就可以满足任务要求？这个电路有哪些安全隐患？

（3）如果让你设计电路，你会选用哪些元器件？每种元器件有不同厂家生产的不同型号，应该如何选用？

知识准备

低压电器是指工作在交流1200V、直流1500V及以下的电路中用以实现检测、变换、调节、控制、保护等作用的电器。本任务主要讲解低压电器中的交流接触器、热继电器、熔断器、低压断路器和各类主令电器。

一、接触器

1.接触器的用途

接触器是用于接通与断开交、直流主回路及大容量控制电路的一种自动开关电器。主要用于交直流电动机、电加热设备、电容器组件等通电与断电。接触器的特点是具有大的执行机构、大容量的主触点和迅速灭弧的能力，当电路发生故障时能迅速、可靠地切断电源，与保护电器配合实现电动机的控制及保护。

接触器实物外形图如图1-3所示。

2.接触器的结构

接触器由电磁机构、触头系统、灭弧装置及一些辅助装置组成。一般结构如图1-4所示。

（1）电磁机构：由线圈、铁芯、衔铁组成。

（2）触头系统：有主触点和辅助触点两种。中小容量的主触点一般采用桥式结构；大容量的主触点一般采用指形结构。辅助触点通常是常开和常闭成对出现。

（3）灭弧装置：中小容量的接触器采用电动力吹弧或灭弧罩灭弧；大容量的接触器采用纵缝灭弧装置或栅片灭弧装置。

3.工作原理

当线圈通电后，衔铁在电磁力的作用下被吸向铁芯，带动动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合；当线圈断电后，衔铁在弹簧力的作用下复位，触点也复位。

4.主要技术参数

（1）接触器的极数和电流种类。极数：即主触点的对数，有二极、三极、四极；电流种类：指主触点接通与断开主回路电流的性质，当主触点断开与接通的是直流电路称为直流接触器；当主触点断开与接通的是交流电路称为交流接触器。

（2）额定工作电压。额定工作电压指主触点间的正常工作电压值，即主触点回路的电源电压。直流接触器额定电压有110V、220V、440V、660V；交流接触器额定电压有127V、220V、380V、500V、660V。

（3）额定工作电流。额定工作电流指主触点正常工作电流值。直流接触器额定工作电流有40A、80A、100A、150A、250A、400A、600A；交流接触器额定工作电流有10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。

（4）额定通断能力。指主触点在规定的条件下能可靠地接通与分断的最大电流值。在此电流下，主触点在接通电路时不会发生熔焊；在分断电路时，不应发生长时间燃弧。

（5）线圈额定工作电压。线圈额定工作电压指电磁吸引线圈正常工作电压值。常用的有交流110V、127V、220V、380V；直流110V、220V、440V等。

（6）允许操作频率。元件操作频率指接触器每小时内可实现的最高操作次数。

（7）机械寿命和电气寿命。机械寿命是指接触器在需要修理或更换机构零件前所能承受的无载操作次数；电气寿命是指在正常的工作条件下（触点回路在额定的工作电压下，并通过额定的负载电流，负载的类别也符合要求），接触器不需要修理或更换机构零件前所能承受的有载操作次数。

（8）接触器线圈的启动功率和吸持功率。接触器线圈的启动功率是指电磁机构吸合过程中所消耗的平均功率；接触器线圈的吸合功率是指电磁机构维持吸合状态所消耗的功率。直流接触器的启动功率和吸持功率相等；交流接触器启动功率一般视为吸持功率的5～8倍。而技术数据中的工作功率是指吸持有功功率。

（9）使用类别。使用类别是指负载的感性（容性）和接通与断开过程中对触点的冲击程度，如表1-1所示。

①AC1和DC1类允许接通和分断额定电流；

②AC2、DC2和DC3类允许接通和分断4倍的额定电流；

③AC3类允许接通6倍的额定电流和分断额定电流；

④AC4类允许接通和分断6倍的额定电流。

5.接触器的选用

（1）根据接触器极数和电流种类来确定。

（2）根据负载的工作任务选相应类别的接触器。

（3）根据负载的功率和操作情况来确定接触器主触点的电流等级。

（4）根据接触器接通与断开主电路的电压等级来确定它的额定电压。

（5）吸引线圈的额定电压由所控制电路的电压决定。

6.接触器的图形与文字符号和接线图

接触器的图形与文字符号如图1-5所示。

以施耐德LC1-D1210交流接触器为例，其接线图如图1-6所示。

二、热继电器

电动机在运行过程中可能会出现过载的现象。短时的过载不会引起电动机的损坏，但如果电动机长期处于过载状态，电动机会发热，当电动机的温升超过绝缘等级的允许温升时，会引起电动机的绝缘损坏，引发绕组的匝间短路，烧坏电动机。所以在电动机控制电路中要加入过载保护器件。

1.热继电器的用途

热继电器是过载保护器件，让流过被保护对象电流流过热继电器热元件，采用模拟发热的方式模拟保护对象的过载发热，在被保护对象过载之前，让热继电器的执行机构发生动作，切断接触器的线圈回路，使接触器释放，接触器常开主触点断开，从而切断保护对象的电源。热继电器实物外形图如图1-7所示。

2.双金属片式热继电器的结构与工作原理

双金属片式热继电器是应用最广泛的热继电器。

（1）结构：主要由主双金属片、触头系统、动作机构、复位按钮、电流整定装置和温度补偿组件等部分组成，如图1-8所示。

（2）工作原理：感温组件——双金属片是由两种不同膨胀系数的金属机械辗压在一起，在其上环绕电阻丝2串联在电动机回路中，电阻丝中流过电动机定子绕组的电流，热元件受热后，主双金属片1膨胀，并弯向膨胀系数小的一面（向左），电动机正常工作时，主双金属片的弯曲不足使触点动作。而当电动机过载，并经过一段时间后，主双金属片的弯曲推动导板3并通过补偿双金属片4与推杆6将静触点7与动触点8分开，而此触点串联在接触器线圈回路中，接触器释放。接触器主触点断开电动机定子电源，实现电动保护。调节凸轮10来改变补偿双金属片与导板间的距离，达到调节整定动作电流的目的。

双金属片式热继电器主要用作电动机过载保护，由于热元件有热惯性，所以热继电器不能作为短路保护和瞬时大电流保护。

3.热继电器的主要参数

热继电器的主要参数有：型号、热元件号。表1-2是JR20系列热继电器技术数据。其中JR20-10是型号：JR表示热继电器，20表示设计序号，10表示额定电流10A。1R～15R表示同一种型号下不同的热元件号。

4.热继电器的选用

（1）安装方式：主要有独立安装、导轨安装、组合式安装共3种。

（2）热继电器额定电流的选择，与电动机额定电流一致。所选的热元件号应在型号的中间位置。

（3）对于三角形联结的电动机应选用带缺相保护装置的热继电器。

（4）频繁启动，重复短时间工作时不宜采用热继电器。

常用的热继电器有JR20、JRS4、JR36、JR21、3UA5、3UA6、LR1-D、T、LR2系列。

5.热继电器的图形与文字符号和接线图

热继电器的图形与文字符号和接线图（以施耐德LR2系列热继电器为例）如图1-9所示。

热继电器的热元件串联在电动机主回路中，当电动机过载时，热继电器的执行机构（触头系统）动作，常闭触点（95—96）断开接触器线圈回路，接触器失电释放，接触器主触点断开电动机的电源，实现过载保护。

三、熔断器

熔断器串联于被保护的电路中，当流过它的电流超过一定值后，熔体本身熔化，切断所保护电器的电源。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统中，进行短路保护和过电流保护。

1.熔断器的外形与结构

熔断器由熔体（芯）和熔管（座）组成，熔体内有填料。熔体两头有导电体将其与熔座相连。熔体的材料有两类：一类为低熔点材料，如铅和锡的合金等；另一类为高熔点材料，如银、铜、铝等。熔体的形状有丝状、片状和带状。填料一般为石英砂，其作用是灭弧和散热。低压熔断器实物外形图如图1-10所示。

2.熔断器选用

（1）类型的选择：小容量负载的过载保护选用熔化系数小的熔断器；大容量负载，除考虑过载保护外，还应考虑短路保护时的分断能力，一般选用熔化系数大的熔断器。

（2）额定电压：熔断器的额定电压应大于（至少等于）所接电路的额定电压。

（3）熔体、熔管（座）额定电流的选择：

①熔体额定电流的选择：

a.单台电动机长期工作：INP=（1.5～2.5）INM。

b.单台电动机频繁启动：INP=（3～3.5）INM。

c.多台电动机共享一熔断器保护：INP=（1.5～2.5）INMmax+∑INM。式中，INP为熔体额定电流，INM为电动机额定电流。

②熔管额定电流的选择：当熔体的电流确定后，熔管（座）的额定电流大于或等于熔体电流。

熔断器的图形与文字符号和接线图如图1-11所示。

四、主令电器

1.控制按钮

控制按钮是一种广泛应用的主令电器，主要用于远距离操作电磁式电器的线圈，如接触器等。控制按钮的实物外形、结构和图形与文字符号如图1-12所示。

控制按钮的接线图，如图1-13所示。图中为1个常开按钮和1个常闭按钮接线图。

2.低压开关

低压开关主要有刀开关、组合开关及刀开关和熔断器组合的开关，一般用于电路的配电和电源的隔离。

常用低压开关有HK2系列胶盖瓷底刀开关、HR5系列熔断器式刀开关与HZ10普通组合式开关，实物外形图如图1-14所示。HK2系列胶盖瓷底刀开关，一般用于电路的隔离、小容量电动机的不频繁启停，安装时需要注意不能倒装和平装，以防止由于手柄自重下滑而引起的人身事故。

HR5系列熔断器式刀开关主要用于交流电路的配电和电动机电路中，作为电源开关、隔离开关，具有短路保护功能，但不作为直接启停电动机用。

HR5系列熔断器式刀开关型号含义如下：

HR5系列熔断器式刀开关的主要技术参数见表1-3。

低压开关（隔离开关）的图形与文字符号和接线图如图1-15所示。

五、低压断路器

低压断路器又称空气开关，具有过载、短路、欠电压、失电压（可选）保护功能。

1.低压断路器的分类

按用途分：有电动机保护用、配电保护用、照明保护用这3种。

按极数分：有单极、双极、三极、四极这4种。

按结构形式分：有框架式、塑壳式这2种。

2.低压断路器的结构和工作原理

低压断路器由主触点和灭弧装置、各种脱扣器、自由脱扣器和操作机构等部分组成。图1-16是低压断路器的结构和工作原理图，图中主触点2有3对，串联在被保护的三相主电路中，手动扳动按钮为“合”位置（图中画出），这时主触点由传动杆3保持在闭合状态，传动杆由锁扣4钩住。要使开关分断，扳动按钮为“分”位置（图中未画出），锁扣被顶杆顶开（锁扣可绕轴5转动），主触点就被分闸弹簧1拉开，电路分断。

低压断路器的自动分断是由过电流脱扣器6、欠电压脱扣器8和热脱扣器7（双金属片）使锁扣被顶开而完成的。过电流脱扣器的线圈和主电路串联，当电路工作正常时，所产生的电磁吸力不能将衔铁吸合，只有当电路发生短路或产生很大的过电流时，其电磁吸力才能将衔铁吸合，顶开锁扣，使主触点断开，从而将电路分断。

欠电压脱扣器的线圈并联在主电路上，电路电压正常时，欠电压脱扣器产生的电磁吸力能够克服弹簧的拉力而将衔铁吸合，如果电路电压降到某一值以下，电磁吸力小于弹簧的拉力，衔铁被弹簧拉开，衔铁撞击顶杆使锁扣顶开，则主触点分断电路。

当电路发生过载时，过载电流通过热脱扣器的热元件而使双金属片受热弯曲，于是顶杆顶开锁扣，使触点断开，从而起到过载保护的作用。低压断路器最大的好处是脱扣器可以重复使用，不需要更换。

低压断路器的实物外形图、图形与文字符号如图1-17所示。

3.低压断路器的主要技术参数和保护特性

（1）低压断路器的主要技术参数：

a.额定电压：断路器在电路中长期工作时的允许电压值。

b.脱扣器额定电流：允许脱扣器长期通过的电流。

c.壳架等级额定电流：在框架或塑壳中能安装的最大脱扣器额定电流。

d.断路器的通断能力：在规定的操作条件下，断路器能接通和分断短路电流的能力。

（2）保护特性。如图1-18所示，ab段曲线为过载保护特性曲线，和双金属片式热继电器很相似。df段为短路瞬时保护特性曲线，当故障电流超过d点对应的值时，过电流保护动作。一般的断路器保护特性为abdf特性曲线，即具有过载保护和短路瞬时保护。ce段曲线为定时限延时动作曲线，如保护曲线为abce的曲线，则为过载长延时和短路延时保护；如保护曲线为abcghf曲线，则为过载长延时、短路短延时和特大短路的瞬时保护。

为了达到良好的保护作用，低压断路器的保护特性要与被保护对象的发热特性相匹配，低压断路器的保护特性2应位于被保护对象的发热特性1的下方。

4.塑壳式断路器的选用

（1）额定电压大于或等于电路额定电压。

（2）额定电流大于或等于电路或设备额定电流。

（3）通断能力大于或等于电路中可能出现的最大短路电流。

（4）欠电压脱扣器额定电压等于电路额定电压。

（5）分励脱扣器额定电压等于控制电源电压。

（6）长延时电流整定值等于电动机额定电流。

（7）瞬时整定电流：笼形异步电动机的瞬时整定电流为额定电流的8～15倍。

（8）6倍长延时电流整定值的可返回时间大于或等于电动机的启动时间。

电路分析

1.点动与连续运转控制

生产机械有时要求连续运行、有时要求短时间运行，这就要求电动机有点动与连续运转控制，如图1-19所示。图1-19（a）所示是基本点动控制电路，按下SB2按钮，KM吸合，电动机旋转；松开SB2按钮，KM释放，电动机停转。图1-19（b）所示是开关选择点动与连续运转控制电路，用选择开关SA选择接通与断开自锁，实现点动与连续运转的选择控制。闭合自锁，实现连续运转控制；断开自锁，实现点动控制。图1-19（c）所示是2个按钮控制电路，按钮SB3实现点动控制，按钮SB2实现连续运转控制。

2.电动机单向启停控制

（1）主电路：380V电源从L1、L2、L3加到隔离开关Q的上端，如图1-20所示。闭合隔离开关Q，380V电源送到熔断器FU1的上端，熔断器正常为接通状态，380V电源送到交流接触器触点的上端头U12、V12、W12，这时只有当交流接触器KM线圈得电，它的主触点才能闭合，380V电源才能送到交流接触器触点的下端头U11、V11、W11。图1-20中的FR是热继电器的热元件，起过载保护、温度检测作用。

（2）控制电路：AC380V电源取自U12、W12，经变压器变压后变为220V控制电源，从1、2端送出。经FU3送3号端，经FR热继电器的常闭触点送5号端，经SB1按钮的常闭触点送7号端，即SB2的常开触点上端头。这时按下SB2按钮，7号和9号端头接通，交流接触器KM线圈得电，触点闭合，其主触点接通电动机回路，使电动机得电，启动运行，其辅助常开触点闭合，7号和9号端头接通，使得7号和9号端头间有两条闭路，这时可以松开按钮SB2，断开其中一条闭路，但7号和9号端头仍维持接通状态，这种现象在电气控制中称为自锁。在交流接触器KM线圈得电，触点闭合，电动机处于闭合状态时，按下停止按钮，断开5号和7号端头，交流接触器KM线圈失电，触点断开，电动机断电停止。接触器KM的7号和9号端头间辅助常开触点断开，自锁释放。

任务实施

1.元器件的选型

根据任务要求，填写所要领取的材料清单，如表1-4所示。

2.电路的仿真接线

请读者参照附录A电气控制系统图的绘制原则，绘制电动机启停控制的元器件布局图和接线图。图1-21是接触器、按钮开关和热继电器的接线端子分布图，在熟悉各端子含义的基础上，完成图1-22电路的仿真接线。

3.电路的安装接线

模拟接线在没有实训设备的情况下完成，它和实际的接线还是有区别的。图1-23是实际接线过程中的示意图。图中有不规范的接线方式，请读者要引以为戒。

电路安装接线要正确使用电工工具进行剪线、剥线、压线等操作；每根导线要有线标，接线端要压端子，端子露铜不要太多；硬线走线横平竖直，软线过线槽走线；按接线规范完成接线，接线过程中要注意安全，工具摆放合理；元器件选型正确并且布局合理等。

4.电路的调试

不可带电安装设备或连接导线，接线完成后首先自查电路。如有故障需要断开电源后再进行故障处理；通电检查和试车时必须通知指导教师，在有指导教师现场监督的情况下才能通电试车，不可私自通电试车。图1-24是电路调试前的检测示意图。

这是我们完成的第一个任务，请读者一定要打好接线功底，牢记接线规范！