任务2 三相异步电动机的正反转控制
知识目标
（1）加强对本项目任务1中低压电器的了解，熟悉行程开关的结构、工作原理、用途与选型及图形与文字符号；
（2）了解三相异步电动机正反转的工作原理，掌握正反转的主电路的连接方式；
（3）掌握互锁的基本规律，接触器常用互锁的形式；
（4）巩固电气原理图、布置图和接线图的设计和绘制。
能力目标
（1）能按电气操作的安全规范进行操作；
（2）能根据国家标准要求绘制电动机正反转的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）通电调试，能用万用表进行故障的排除。
任务要求
刨床工作台的往复运动由电动机正反转实现，如图1-25所示。电动机额定功率为2.2kW，额定电压为三相380V，额定工作电流为4.5A。要求实现以下控制：
按下正转启动按钮，工作台右移，碰到行程开关后自动切换到左移，左移到位，碰到行程开关后自动切换到右移，往复循环直至按下停止按钮停止；按下左转启动按钮，工作台左移，同样通过行程开关切换左右移动，按下停止按钮停止。请设计并调试此控制电路，要求电路应具有短路和过载保护。
图1-25 刨床工作台的实物外形图和示意图
任务分析
如果电动机加上三相380V的额定电压，电动机正向启动运行；要使电动机反转，必须给电动机加上反相序的电源。如何得到反相序的电源呢？将正相序电源任意两相对调，即可得到反相序电源。所以要满足电动机正反转的要求，必须由接触器分别给电动机接上正相序电源和反相序电源。当要求电动机正转时，正向接触器吸合，给电动机通上正相序电源；当要求电动机反转时，反向接触器吸合，给电动机通上反相序电源。刨床电路设计包含主电路和控制电路。控制电路中利用按钮和行程开关的配合实现正转接触器和反转接触器的得电和失电。
知识准备
行程开关：图1-26为直动式行程开关实物外形及结构示意图，工作台上装有挡块A和B，当工作台运动到位时，由挡块压下行程开关，行程开关内部的触点和按钮触点非常相似，有一组常开触点和一组常闭触点。
行程开关的图形与文字符号如图1-27所示。
图1-26 直动式行程开关实物外形及结构示意图
1—顶杆；2—弹簧；3—常闭触点；4—常开触点
图1-27 行程开关的图形与文字符号
行程开关除了直动式，还有滚轮式和微动式共3种，其实物外形及结构示意图如图1-28所示。
图1-28 滚轮式和微动式行程开关实物外形及结构示意图
1—壳体；2—弓弹片；3—常开触点；4—常闭触点；5—动触点；6—推杆
当移动速度低于0.4m/min时，直动式行程开关触点分断太慢，易拉弧，这时往往选用滚轮式行程开关，滚轮式行程开关由于弹簧的作用，触点动作迅速，适用于移动速度较慢的场合。微动式行程开关的动作迅速、灵敏，行程小、触点容量小，适用于动作要求灵敏的微型设备中。
电路分析
1.电动机正反转主电路分析
如图1-29所示，闭合低压开关QF，当KM1吸合时，L1送U11、L2送V11、L3送W11，通过热继电器，U11送U1、V11送V1、W11送W1，电动机U1、V1、W1上得到L1、L2、L3正相序电源，电动机正转；当KM2吸合时，L1送W1、L2送V1、L3送U1，电动机U1、V1、W1上得到L3、L2、L1反相序电源，电动机反转。
问题的提出：
由图1-29可见，KM1和KM2不能同时得电吸合，一旦同时吸合，L1通过KM1送U11、L3通过KM2也送U11；L3通过KM1送W11、L1通过KM2也送W11，出现了L1、L3短路现象，这是电气控制中不允许的，所以一定要防止KM1、KM2同时吸合，也就是下面要讲的互锁。
2.电动机正反转控制电路分析
（1）“正—停—反”控制。如图1-30所示，控制电源取自主回路QF的下端头U12和V12，控制电源为AC380V，V12经过FU2送2号线，U12经熔断器FU2送1号线，经FR的常闭触点送3号线，再经停止按钮SB1的常闭触点送5号线。
图1-29 电动机正反转主回路图
①电动机正转：按下正转启动按钮SB2，接通“5”至“7”号线，接触器KM1线圈得电，其主触点接通电动机主回路，使电动机得电正转。KM1的辅助常开触点接通“5”至“7”号线，并联在SB2常开触点两端，这称为“自锁”。KM1的常闭触点断开KM2线圈回路中的“9”至“13”号线，实现了正转状态下的反转互锁。
②电动机停止：按下停止按钮SB1，断开“3”至“5”号线，KM1线圈失电，电动机失电停机。
③电动机反转：按下反转启动按钮SB3，接通“5”至“9”号线，接触器KM2线圈得电，其主触点使电动机通以反相序的电源，电动机得电反转。KM2的辅助常开触点接通“5”至“9”号线，并联在SB3常开触点两端。KM2的常闭触点断开KM1线圈回路中的“9”至“11”号线，实现了反转状态下的正转互锁。
通常在控制电路中将KM1、KM2正反转接触器常闭辅助触点串联在对方线圈电路中，形成相互制约的控制，这种相互制约的控制关系称为电气互锁。
（2）“正—反—停”控制：
问题的提出：由图1-30可知，电动机从正转向反转转换（或从反转向正转转换）时，必须先按下停止按钮，先让正转（或反转）停止，才能再按下反转（或正转）启动按钮。运行方向的转换必须要先后按2个按钮才能实现。我们能不能只按1个按钮就可以实现这个转换呢？
电动机的正—反—停控制电路如图1-31所示，由按钮的结构图1-32可知，同一只按钮中可以有常开触点和常闭触点，如果将反转启动按钮SB3的常闭触点串联在正向接触器线圈回路中，在正向运行状态下，按下反转启动按钮SB3，SB3常闭触点首先将正向接触器KM1线圈失电，KM1失电复位，其主常开触点断开电动机正向电源供给，其辅助常闭触点闭合“15”至“17”号线，为KM2得电做好准备，当继续按下SB3，SB3的常开触点闭合“13”至“15”号线，KM2线圈得电并自锁，其常开主触点闭合接通电动机反相序电源，其常闭触点断开“9”至“11”号线，以防止KM1线圈得电。电动机反向运行状态下按下正转启动按钮SB2，其动作过程与上述过程相似。
图1-30 电动机的正—停—反控制电路
图1-31 电动机的正—反—停控制电路
图1-32 按钮的实物外形与结构示意图
将正反转启动按钮的常闭触点串联在对方接触器线圈中，这种互锁称为按钮互锁或机械互锁。
（3）用行程开关实现正转与反转的切换：
问题的提出：刨床工作台自动往复运行，不能靠按正反转启动按钮来实现，而是要用一种位置开关来实现自动转换，这如何实现呢？
如图1-33（a）所示，当电动机正转，工作台向前，前进到位压下行程开关SQ2，由行程开关将电动机从正转变为反转，工作台向后。向后到位，压下行程开关SQ1，电动机从反转又变为正转，循环往复。电动机正反转控制用行程开关代替按钮。
图1-33 工作台往复运动示意图
请读者分析在图1-34（a）中用行程开关代替按钮的控制电路图。
问题的提出：当机床停于中间位置，即没有行程开关被压下，设备无法启动。为解决这个问题，必须增加启动按钮。
在控制电路中加上正反转启动按钮SB2、SB3，按钮和行程开关均可进行启动与换向操作。SB2和SQ1的作用是一样的，均可使电动机以正转启动；同样，SB3和SQ2的作用是一样的，均可使电动机以反转启动。这也相当于多地控制，在控制面板上用按钮和在机床上用行程开关均能进行电动机正反运行控制。
请在图1-34（b）中将按钮与行程开关两地控制电路图补充完整。
图1-34 行程开关正反转切换控制电路图
（4）刨床工作台的控制电路：在图1-33（a）工作台在自动往复运动中，一旦出现SQ1或SQ2失灵，便出现不能换向，如在正向运行的过程中，碰到行程开关SQ2，但由于SQ2失灵，正向运行未能停止，工作台继续前进，会出现工作台开出导轨的现象，所以要加超限保护。
为了防止工作台开出导轨的现象发生，加装了极限保护开关SQ3、SQ4，如图1-33（b）所示。如工作台前进到位，碰到行程开关SQ2，如果SQ2不起作用，电动机未能换向，工作台继续前进，挡块A碰撞极限保护开关SQ3，工作台停止。同样，当工作台退压下行程开关SQ1，当SQ1失灵时，工作台继续后退，挡块B碰撞极限保护开关SQ4，工作台停止。
请读者在图1-35中将带超限保护的自动往复运动控制电路图补充完整。
图1-35 带超限保护的自动往复运动控制电路图
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1-5所示。
表1-5 材料清单
2.电路的仿真接线
请读者绘制刨床工作台往复运动控制电路的元器件布局图和接线图，并完成图1-36所示电路的仿真接线。行程开关的4个接线端子中上面一对为常开触点，下面一对为常闭触点。
3.电路的安装接线
在选择好元器件，设计好原理图的基础上按照接线规则完成控制板的接线。
4.电路的调试
接线完成后自查电路，确保接线无误，并在有指导教师现场监督的情况下通电试车。
图1-36 刨床工作台控制电路的仿真接线
知识拓展
1.多地联锁控制
一些设备或生产线要求多地进行操作与控制，如室外安装的水泵，调试时需要在水泵现场进行启动与停止操作，在正常运行时，需要在室内控制柜上进行启动与停止操作；再如一些控制设备与控制柜分开安装，控制柜集中安装在控制室内，控制设备和控制柜间有一定的距离，往往要求控制柜上和控制设备现场均可以进行启动与停止设备的操作。
图1-37 多地启动与停止控制电路图
如何实现多地控制呢？首先看看如何实现多地启动控制，如图1-37所示，启动按钮的作用就是将3—5两点短接一下，让接触器KM线圈得电且触点自锁。所有的启动按钮，不管它安装在何处，只要能短接一下3—5两点，便可实现启动控制，所以将所有启动按钮常开触点并联在3—5两点上，即可实现多地启动控制。
如图1-37所示，停止按钮串联在控制回路中，按一下停止按钮，让接触器线圈回路断开，接触器线圈失电，自锁触点释放。所以，将所有停止按钮的常闭触点都串联在接触器线圈回路中，任意按一下其中的一只按钮，都可让接触器线圈失电自锁释放，起到停止作用。图1-37所示为多地启动与停止控制电路图。
2.顺序控制
生产实际中，有些生产设备上的多台电动机要求按一定的顺序启动和停止，如车床、钻床等，先开启冷却泵，后开启主轴电动机，再开启走刀进给电动机；再如输送线，开机时，先开启后级输送机电动机，再开启前级输送机电动机；停机时，先停止前级输送机电动机，再停止后级输送机电动机，以避免货物在输送带上堆积。
顺序控制有按顺序启动、按顺序停止和它们的组合。图1-38是2台电动机的顺序控制电路图。图1-38（a）为主回路图，该图为顺序启动控制电路图，闭合电源开关Q，按下启动按钮SB2，KM1线圈得电并自锁，电动机M2启动旋转。KM1的常开触点（5—11）接通，这时按下按钮SB4，KM2得电吸合并自锁，M2启动旋转。如果KM1没有得电吸合，先按下按钮SB4，因KM1的常开触点（5—11）断开，KM2不能吸合。
图1-38（b）所示是在图1-38（a）顺序启动的基础上，增加了KM2的辅助常开触点并联在SB1的两端，这样在KM2吸合时，M2处于运行状态，按下电动机M1停止按钮SB1，由于KM2辅助常开触点连接5—7，KM1不会失电。只有在KM2先失电（M2停止）后，按下SB1才能使KM1失电，即M1停止。
图1-38 2台电动机顺序控制电路图