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【内容提要】
本任务主要通过学习电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则，了解继电器的基本概念和作用，完成三相异步电动机全压启动控制电路的安装与调试。
【学习要求】
①掌握电气控制线路的图形、符号和绘制原则。
②掌握基本电气控制电路的特点和各电器触点间的逻辑关系。
③能分析复杂的电气控制线路图。
④能根据控制要求，设计出简单的控制线路。
在生产过程中，要经常对电气控制系统进行维护，这时就会接触到各种各样的电气图纸，那么到底电气图有哪些类型，电气图又应如何绘制呢？
在任务一中，完成了三相异步电动机点动控制电路的安装与调试，但在实际生活中，更多情况需要电动机在额定电压下稳定持续地运行。如何实现电动机的连续运行呢？
在各行各业广泛使用的电气设备和生产机械设备中，其自动控制线路大多数以各类电动机或其他执行电器为被控对象，以继电器、接触器、按钮、行程开关、保护元件等器件组成的自动控制线路，通常称为电气控制线路。
各种生产机械的电气控制设备有着各种各样的电气控制线路，这些控制线路无论是简单的还是复杂的，一般都是由一些基本控制环节组成的，在分析线路原理和判断其故障时，都是从这些基本控制环节入手。因此，掌握基本电气控制线路，对生产机械设备电气控制线路的工作原理分析及维修有着重要意义。
电气控制线路是用导线将电动机、电器、仪表等电器元件按照一定的要求和方式联系起来，并能实现某种功能的电气线路。为表达电气控制线路的组成、工作原理及安装、调试、维修等技术要求，需要用统一的工程语言即用图的形式来表示。在图上用不同的图形符号来表示各种电器元件，用不同的文字符号来进一步说明图形符号所代表的电器元件的基本名称、用途、主要特征及编号等。因此，电气控制线路应根据简单易懂的原则，采用统一规定的图形符号、文字符号和标准画法来进行绘制。
1）常用电气设备图形符号和文字符号
（1）图形符号和文字符号
电气控制系统图中，各种电气元件的图形符号和文字符号必须符合统一的国家标准。为便于掌握引进的先进技术和先进设备，加强国际交流，国家标准局颁布了《电气简图用图形符号》（GB / T 4728）和《电气技术中的文字符号制订通则》（GB 7159—1987）。规定从 1990 年 1月 1 日起，电气控制电路中的图形和文字符号必须符合现行国家标准。一些常用电气设备图形符号及文字符号见表 1.3。
表 1.3 电气控制电路中的常用图形符号和文字符号
续表
续表
（2）接线端子标记
电气控制系统图中各电器接线端子用字母数字符号标记，符合国家现行标准《电器接线端子的识别和用字母数字符号标志接线端子的通则》（GB 4026）的规定。
三相交流电源引入线用L1,L2,L3,N,PE标记。直流系统的电源正、负、中间线分别用L +,L -,M标记。三相动力电器引出线分别按U,V,W顺序标记。
三相感应电动机的绕组首端分别用U1,V1,W1 标记，绕组尾端分别用U2,V2,W2 标记，电动机绕组中间抽头分别用U3,V3,W3 标记。
对于数台电动机而言，其三相绕组接线端标记以 1U,1V,1W;2U,2V,2W等来区别。三相供电系统的导线与三相负荷之间有中间单元时，其相互连接线用字母U,V,W后面加数字来表示，且用从上到下、由小到大的数字表示。
控制电路各线号采用三位或三位以下的数字标记，其顺序一般为从左到右、从上到下，凡是被线圈、触点、电阻、电容等元件所间隔的接线端点都应标以不同的线号。
2）电气控制图绘制原则
电气控制系统图一般有电气原理图、电气元件布置图和电气安装接线图 3 种。
3）电气原理图
电气原理图是根据控制线路原理绘制的，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析线路工作原理的特性。电气原理图只包括所有电气元件的导电部件和接线端点之间的相互关系，不按各电气元件的实际位置和实际接线情况来绘制，也不反映元件的大小。现以如图 1.18所示CW6132 型车床的电气原理图为例来说明电气原理图绘制的基本规则和应注意的事项。
（1）绘制电气原理图的基本规则
①原理图一般分主电路和辅助电路两部分画出。主电路是指从电源到电动机绕组的大电流通过的路径。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等，由继电器的线圈和触点，接触器的线圈和触点、按钮、照明灯、控制变压器等元件组成。通常主电路用粗实线表示，画在左边（或上部）；辅助电路用细实线表示，画在右边（或下部）。
②各电气元件不画实际的外形图，采用国家规定的统一标准来画，文字符号也采用国家标准。属于同一电器的线圈和触点，都要采用同一文字符号表示。对同类型的电器，在同一电路中的表示可在文字符号后加注阿拉伯数字符号来区分。
③各电气元件和部件在控制线路中的位置，应根据便于阅读的原则安排。同一电气元件的各部件根据需要可不画在一起，但文字符号应相同。
④所有电器的触点状态，都应按没有通电和没有外力作用时的初始开、关状态画出。例如，继电器、接触器的触点，按吸引线圈不通电时状态画，控制器手柄处于零位时状态画，按钮、行程开关触点按不受外力作用时状态画出等。
⑤无论是主电路还是控制电路，各电器元件一般按动作顺序从上到下、从左到右依次排列，可水平布置或垂直布置。
⑥有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示；无直接电联系的交叉导线的连接点，交叉处不能画黑圆点。
（2）图面区域的划分
电气原理图上方的 1,2,3,…数字是图区编号（图区编号也可以设置在图的下方），是便于检索电气线路、方便阅读分析、避免遗漏而设置的。
图1.18 CW6132 型车床的电气原理图
图区编号下方的“电源开关及保护……”等字样，表明对应区域下方元件或电路的功能，使读者能清楚地知道某个元件或某部分电路的功能，以利于理解整个电路的工作原理。
（3）符号位置的索引
符号位置的索引用图号、页次和图区编号的组合索引法，索引代号的组成如下：
当某图仅有一页图样时，只写图号和图区的行、列号，在只有一个图号多页图样时，则图号可省略，而元件的相关触点只出现在一张图样上时，只标出图区号（无行号时，只写列号）。
在电气原理图中，接触器和继电器线圈与触点的从属关系应用附图表示。即在原理图中相应线圈的下方，给出触点的图形符号，并在其下面注明相应触点的索引代号，对未使用的触点用“× ”表明，有时也可采用省去触点图形符号的表示法。如图 1.18 所示的图区 4 中KM的线圈下是接触器KM相应触点的位置索引。
在接触器的位置索引中，左栏为主触点所在的图区号（3 个触点都在图区 2），中栏为辅助常开触点（一个在图区 5 中，另一个没有使用），右栏为辅助常闭触点（两个均没有使用）。
（4）电气原理图中技术数据的标注
电气元件的技术数据，除在电气元件明细表中标明外，也可用小号字体标注在其图形符号的旁边，如图 1.18 中FU1 额定电流为 25 A。
4）电气元件布置图
电气元件布置图主要用来表明各种电气设备在机械设备和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。各电气元件的安装位置是由机床的结构和工作要求决定的，如电动机要和被拖动的机械部件在一起，行程开关应放在要取得信号的地方，操作元件要放在操纵箱等操作方便的地方，一般元件应放在控制柜内。
机床电气元件布置主要由机床电气设备布置图、控制柜及控制板电气设备布置图、操作台及悬挂操纵箱电气设备布置图等组成。如图 1.19 所示为CW6132 型车床电气位置图。
5）电气安装接线图
为了进行装置设备或成套装置的布线或布缆，必须提供其中各个项目（包括元件、器件、组件、设备等）之间的电气连接的详细信息，包括连接关系、线缆种类和敷设路线等。用电气图的方式表达的图称为接线图。
安装接线图是检查电路和维修电路不可缺少的技术文件，根据表达对象和用途的不同，接线图有单元接线图、互连接线图和端子接线图等。《电气技术用文件的编制 第 1 部分：规则》（GB / T 6988.1—2008）详细规定了安装接线图的编制规则。主要包括：
①在接线图中，一般都应标出项目的相对位置、项目代号、端子间的电连接关系、端子号、等线号、等线类型、截面积等。
②同一控制盘上的电气元件可直接连接，而盘内元器件与外部元器件连接时必须绕接线端子板进行。
③接线图中各电气元件图形符号与文字符号均应以原理图为准，并保持一致。
④互连接线图中的互连关系可用连续线、中断线或线束表示，连接导线应注明导线根线、导线截面积等。一般不表示导线实际走线途径，施工时由操作者根据实际情况选择最佳走线方式。如图 1.20 所示为CWB132 型车床电气互连接线图。
图1.19 CW6132 型车床电气位置图
图1.20 CWB132 型车床电气互连接线图
继电器是一种根据电气量（如电压、电流等）或非电气量（如温度、时间、压力、转速等）的变化接通或断开控制电路，以实现自动控制和保护电力拖动装置的电器。继电器一般由感测机构、中间机构和执行机构 3 个基本部分组成。感测机构把感测到的电气量或非电气量传递给中间机构，将它与额定的整定值进行比较，当达到整定值（过量或欠量）时，中间机构便使执行机构动作，从而接通或断开被控电路。
继电器种类繁多，常用的有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及温度、计数、频率继电器等。
1）电流继电器和电压继电器
（1）电流继电器
根据线圈中电流的大小而接通和断开电路的继电器称为电流继电器。使用时电流继电器的线圈与负载串联，其线圈的匝数少而线径粗。当线圈电流高于整定值动作的继电器时称为过电流继电器；低于整定值时动作的继电器称为欠电流继电器。过电流继电器线圈通过小于整定电流时继电器不动作，只有超过整定电流时，继电器才动作。过电流继电器的动作电流整定范围为：交流过电流继电器为（110%~ 400%） I N ，直流过电流继电器为（70%~300%） I N 。欠电流继电器线圈通过的电流大于或等于额定电流时，继电器吸合，只有电流低于整定值时，继电器才释放。欠电流继电器动作电流整定范围为：吸合电流为（30%~ 65%） I N ，释放电流为（10%~ 20%） I N 。
型号意义如下：
（2）电压继电器
电压继电器检测对象为线圈两端的电压变化信号。根据线圈两端电压的大小而接通或断开电路，在实际工作中，电压继电器的线圈并联于被测电路中。
根据实际应用的要求，电压继电器分过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。过电压继电器是当电压大于其整定值时动作的电压继电器，主要用于对电路或设备进行过电压保护，其整定值为（105%~ 120%）额定电压。欠电压继电器是当电压降至某一规定范围时动作的电压继电器；零电压继电器是欠电压继电器的一种特殊形式，是当继电器的端电压降至或接近消失时才动作的电压继电器。欠电压继电器和零电压继电器在线路正常工作时，铁芯与衔铁是吸合的，当电压降至低于整定值时，衔铁释放，带动触点动作，对电路实现欠电压或零电压保护。欠电压继电器整定值为（40%~ 70%）额定电压，零电压继电器整定值为（10%~ 35%）额定电压。
过电流、欠电流继电器图形符号，如图 1.21 所示，文字符号为KA。电压继电器图形符号，如图 1.22 所示，文字符号为KV。
图1.21 过电流、欠电流继电器图形符号
图1.22 电压继电器图形符号
2）中间继电器
中间继电器在控制电路中主要用来传递信号、扩大信号功率以及将一个输入信号变换成多个输出信号等。中间继电器的基本结构及工作原理与接触器完全相同。但中间继电器的触点对数多，且没有主辅之分，各对触点允许通过的电流大小相同，多数为 5 A。因此，对工作电流小于 5 A的电气控制线路，可用中间继电器代替接触器实施控制。
中间继电器的图形符号如图 1.23 所示，文字符号为KA。
目前，国内常用的中间继电器有JZ7、JZ8（交流）、JZ14、JZ15、JZ17（交、直流）等系列。引进产品有德国西门子公司的 3TH系列和BBC公司的K系列等。
图1.23 中间继电器图形符号
JZ15 系列中间继电器型号的含义如下：
3）热继电器
热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器。热继电器主要用于电动机的过载保护、断相保护。
（1）热继电器结构及工作原理
热继电器主要由热元件、双金属片、动作机构、触点、调整装置及手动复位装置等组成，如图 1.24 所示。
热继电器的热元件串接在电动机定子绕组中，一对常闭触点串接在电动机的控制电路中，当电动机正常运行时，热元件中流过的电流小，热元件产生的热量虽能使金属片弯曲，但不能使触点动作。当电动机过载时，流过热元件的电流加大，产生的热量增加，使双金属片产生弯曲的位移增大，经过一定时间后，通过导板推动热继电器的触点动作，使常闭触点断开，切断电动机控制电路，使电动机主电路失电，电动机得到保护。当故障排除后，按下手动复位按钮，使常闭触点重新闭合（复位），可以重新启动电动机。
图 1.24 热继电器工作原理示意图
1—凸轮；2a,2b—簧片；3—手动复位按钮；4—弓簧；5—主双金属片；6—外导板；7—内导板；8—静触点；9—动触点；10—杠杆；11—调节螺钉；12—补偿双金属片；13—推杆；14—连杆；15—压簧
图1.25 热继电器图形符号
由于热继电器主双金属片受热膨胀的热惯性及动作机构传递信号的惰性原因，热继电器从电动机过载到触点动作需要一定的时间，也就是说，即使电动机严重过载甚至短路，热继电器也不会瞬时动作，因此，热继电器不能用于短路保护。但也正是这个热惯性和机械惰性，保证了热继电器在电动机启动或短时过载时不会动作，从而满足了电动机的运行要求。热继电器的文字符号为FR，图形符号如图 1.25 所示。
（2）热继电器型号及主要参数
热继电器的型号及含义如下：
热继电器的主要参数如下：
①热继电器额定电流：是热继电器中可以安装的热元件的最大整定电流值。
②热元件额定电流：热元件整定电流调节范围的最大值。
③整定电流：热元件能够长期通过而不致引起热继电器动作的最大电流值。通常热继电器的整定电流与电动机的额定电流相当，一般取（95%~ 105%）额定电流。
电动机接通电源后，由静止状态逐渐加速到稳定的运行状态的过程称为电动机的启动。全压启动，即是将额定电压直接加在电动机的定子线组上使电动机运转。在变压器容量允许的情况下，电动机应尽可能地采用全压启动。这样，控制电路简单，提高了电路的可靠性，且减少了电气维修工作量。如图 1.26 所示为三相笼型异步电动机单向全压启动控制电路。
图1.26 三相笼型异步电动机单向全压启动控制电路
（1）控制电路工作过程
启动时，合上刀开关QS，主电路引入三相电源。按下启动按钮SB2,KM线圈得电，主触点闭合，电动机接通电源开始全压启动，同时KM辅助触点闭合。当松开启动按钮SB2 后，KM线圈仍能通过其辅助触点通电并保持吸合状态。这种依靠接触器本身辅助触点使其线圈保持通电的现象称为自锁。起自锁作用的触点称为自锁触点。
按下SB1 按钮，KM线圈失电，主触点复位（开），切断电动机电源，电动机自动停车。同时KM自锁触点复位（开），控制电路回到启动前的状态。
（2）控制电路的保护环节
①短路保护。当控制电路发生短路故障时，控制电路应能迅速断开电源，熔断器FU1 是作为主电路短路保护。熔断器FU2 为控制电路的短路保护，熔断器仅做短路保护而不能起过载保护，这是因为，一方面熔断器的规格必须根据电动机启动电流的大小做适当选择；另一方面还要考虑熔断器保护特性的反时限保护特性。
②过载保护。热继电器FR作电动机的过载保护之用。当电动机过载、堵转或断相等都会引起定子绕组电流过大，热继电器根据电流的热效应，而使热继电器FR动作，即FR的常闭触点断开，则使KM线圈断电，从而使KM主触点断开，切断电动机电源。由于热惯性，热继电器不会受电动机短时过载、冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器做过载保护的同时还必须设有短路保护，并且选做短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过 4 倍热继电器发热元件的额定电流。
③欠压和失压保护。欠压和失压保护是依靠启动按钮复位功能和接触器本身的电磁机构来实现的。当电动机正在运行时，如果电源电压因某种原因过分地降低或消失时，接触器KM衔铁自行释放，电动机停止，同时KM自锁触点断开。当电源电压恢复正常时，接触器KM线圈也不可能自行通电，即电动机不会自行启动，要使电动机启动，操作者必须再次按下启动按钮。
控制电路具有欠压和失压保护功能后，具有以下 3 个方面的好处：
a.防止电压严重下降时电动机低压运行。
b.避免电动机同时启动造成电压严重下降。
c.防止电源电压恢复正常时，电动机突然启动造成设备和人身事故。
1）元件选择与检查
根据之前的学习情境知识，请参照图 1.26 选出合适的低压电器元件并检查其功能完好性。
2）电路的安装与连接
装接电路的原则：应遵循“先主后控，先串后并；从上到下，从左到右；上进下出，左进右出”的原则进行接线。其意思是接线时应先接主电路，后接控制电路；先接串联电路，后接并联电路；并且按照从上到下、从左到右的顺序逐根连接；对电气元件的进出线，则必须按照“上面为进线，下面为出线，左边为进线，右边为出线”的原则接线，以免造成元件被短接或接错。
3）电路的检查
接好电路后，应使用万用表等电气仪表对电路进行检查，确保线路无误后方可通电试车。
4）通电试车
通电试车时应注意安全，观察按钮的按下情况与电动机的运行状态。
单向点动与连续运行控制是在点动控制与单向连续运行控制的基础上增加一个复合按钮，即能实现单向点动与连续运行控制电路，其电路图如图 1.27 所示。
图1.27 电动机单向点动与连续运行控制电路图
1.分析并说明图 1.27 单向点动与连续运行控制电路的工作过程。
2.设计一个电动机连续运行两地控制电路，画出其电路图并简述工作过程。