实验电器控制实验指导.docx
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实验电器控制实验指导
【关键字】实验
前言
本套实验指导书是与《电气控制及可编程序控制器》课程配套，从实际工程应用和便于教学出发，选择了常用的电气控制技术及PLC控制的典型环节做为实验项目。
所设计的实验项目完全满足大、专院校本、专科工业电气自动化及相关专业在《电气控制及可编程序控制器》课程方面的课程实验，课程设计和毕业调试方面的要求。
其中，本书中所列继电器控制部分的实验项目，全部可以演变成PLC模拟控制实验和PLC控制系统实验。
大家可以自行按要求进行实验。
由于时间紧迫，在编写本书过程中难免会有错误和不足之处，敬请读者批评指正。
第一部分基本控制线路实验
实验一、三相笼型异步电动机直接启动控制，电动控制、两地控制
（方法一、继电器控制）
一实验目的
1、掌握三相笼型异步电动机直接启动控制，点动控制、两地控制的工作原理和电路的接线。
2、了解三相笼型异步电动机运行时的保护方法。
二概述
三相笼型异步电动机启动时，电源电压全部加在定子绕组，这种启动方法，成为全压启动、也叫直接启动。
全压启动时，电动机的启动电流达到额定电流的4~7倍、容量较大的电动机的启动电流对电网具有大的冲击。
因此，这种启动方式主要用于小容量电动机的启动。
1、三相笼型异步电动机单向直接启动控制电路
主电路由电源隔离开关QS、熔断器FU、接触器KM的主触头，热继电器FR的热元件与电动机M构成。
控制回路由启动按钮SB2、停止按钮SB1，接触器KM的线圈及其常开辅助触头，热继电器FR的常闭触头和熔断器FU2构成。
（1）线路的工作原理
启动时，合上QS，引入三相电源。
按下SB2，交流接触器KM的线圈通电，接触器主触头闭合，电动机接通电源直接启动运转。
同时与SB2并联的常开辅助触点KM闭合，使接触器线圈经两条路径通电。
这样，当SB2复位时，接触器KM的线圈仍可通过KM的辅助触头继续通电，从而保持电动机的连续运行。
这种依靠接触器自身辅助触头、而使其线圈保持通电的现象称为自锁。
这一对起自锁作用的辅助触头称为自锁触头。
要使电动机M停止运转，只要按下停止按钮SB1，将控制电路断开即可。
这时接触器KM断电释放，KM的常开主触点将三相电源切断，电动机M停止运转。
当手松开按钮后，SB1的常闭触头在复位弹簧到原来的常闭状态，但接触器线圈已不能再靠自锁触头通电了，因为原来闭合的自锁触头已随着接触器线圈的断电而断开了。
（2）电路的保护环节
①熔断器FU作为电路短路保护环节
②热继电器FR作为电路过载保护环节
③欠电压保护与失电压保护是依靠接触器本身的电磁机构来实现的。
当电源电压严重欠电压或失电压时，接触器的衔铁自行释放，电动机停止旋转。
而当电源电压恢复正常时，接触器线圈也不能自动通电，只有操作人员再次按下启动按钮SB2后，电动机才会启动。
2、点动控制
在生产实际中，有的生产机械需要点动控制，还有生产机械在进行调整工作时采用点动控制，也有些生产机械既需要常规工作，又需要点动控制。
图1—2所示为能实现点动控制的几种电气控制线路。
图1—2a是最基本的点动控制线路。
控制启动按钮SB的闭合与断开，即可以控制接触器KM的吸合与断开，来实现电动机M的运转与停止。
图1—2b是带手动开关SA的点动控制线路，当需要点动时，将开关SA打开，操作SB2即可实现点动控制。
当需要连续工作时，合上开关SA，将自锁触头接入，即可实现连续控制。
图1—2C中增加了一个复合控制按钮SB3。
点动控制时，按下点动按钮SB3其常闭触头先断开自锁电路，常开触头后闭合，接通启动控制电路，KM线圈通电，主触头闭合，电动机启动旋转。
当松开SB3时，KM线圈断电，主触头断开，电动机停止转动。
若需要电动机连续运转，则按启动按钮SB2即可，停机时需按停止按钮SB1。
3、两地控制
有些生产设备需要在两地或两个以上的地点进行操作。
例如：
重型龙门刨床，有时在固定的操作台上控制，有时需要站在机床四周用悬挂按钮控制；有些场合，为了便于集中管理，由中央控制台进行控制，但每台设备调整检修时，又需要就地进行机旁控制等。
要实现两地控制，就要有两组按钮，而且这两组按钮的连接原则必须是：
常开按钮需并联；常闭停止按钮应串联。
图1—3所示就是实现两地控制的控制电路。
图中虚线框内的元件安放在另外一处，如电动机旁边，通过导线连接。
这一原则也适用于三地或更多地点的控制。
图1—1
注：
QS：
主电路刀闸开关FU1：
熔断器KM：
接触器的主触点FR：
热继电器SB1：
停止按钮SB2：
启动按钮
图1—2
注：
QS：
主电路刀闸开关FU1：
熔断器KM：
接触器的主触点FR：
热继电器SB：
启动按钮
图1—3
注：
QS：
主电路刀闸开关FU1：
熔断器KM：
接触器的主触点FR：
热继电器SB1：
停止按钮SB2：
启动按钮SB3：
复合按钮
三实验内容
1、三相笼型异步电动机直接启动控制
（1）按图1—1接线。
（2）合上电源开关，操作按钮SB2和SB1，使电动机启动和停止。
（3）拆除控制电路的自锁触头，在按下启动按钮SB2，体会自锁触头的作用。
2、点动控制
（1）按图1—2接线。
（2）合上电源开关，进行点动控制实验。
体会三种点动控制线路和区别。
3、两地控制
（1）按图1—3接线
（2）合上电源开关，进行两地控制实验。
体会如何实现多地控制。
四实验设备
1、DJK—1交流调速实验台1台
2、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
3、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
4、交流电动机1台
五预习要求
1、认真阅读实验指导书中各项内容、复习交流接触器、热继电器、按钮等元件的基本结构和工作原理。
2、分析图1-1、图1-2和图1-3电路的工作原理。
六实验报告要求
1、分析直接起动电路中的短路、过载和失压三种保护功能是如何实现的？
2、分析自锁点的作用。
3、分析三种点动控制线路的特点。
4、根据两地控制线路如何进行多地控制？
实验一：
三相笼型异步电动机直接启动控制、点动控制、两地控制
（方法二、PLC模拟控制）
一实验目的
1、掌握三相笼型异步电动机直接启动控制、点动控制、两地控制的PLC程序设计和模拟控制。
2、掌握PLC的控制逻辑。
二概述
与继电器控制采用硬接线逻辑不同，PLC是采用软件实现控制逻辑。
是通过PLC的程序来实现PLC的输入和输出之间的控制关系，上述实验是在PLC教学实验系统上进行的一种模拟实验，各控制信号的输入、接到PLC的输入端上，而PLC的输出接到发光二极管。
实验时，各控制按钮，开关作为输入信号，传送给PLC，通过程序来控制PLC的各输出端，用发光二极管的亮与灭，表示PLC的输出端是否有输出，并以此来模拟接触器的通、断和电动机的运行，停止。
在PLC的程序中也可以实现“自锁”的功能。
图1—4
注：
SB1：
停止按钮SB2启动按钮SB3：
模拟热继电器常开触点按钮1HL：
发光二极管（模拟接触器线圈）
图1—5（a）图1—5（b）
注：
SB1：
点动控制按钮SB2模拟热继电器注：
SB1：
点动按钮
1HL：
发光二极管（模拟接触器线圈）SA：
点动/连续控制转换按钮
SB2：
模拟热继电器常开触点按钮
图1—5（c）图1—6
注：
SB1：
停止按钮SB2：
连续控制起动注：
SB1；停止按钮SB2：
异地
按钮SB3：
点动SB4：
模拟热继电器停止SB3：
启动SB4：
异地起动
1HL：
二极管（模拟接触器线圈）
三实验内容
1、编写相应PLC控制程序，并进行调试。
2、按图1—4、图1—5和图1—6接线，并进行模拟实验。
3、检验软件自锁的作用。
四实验设备
1、DJK—1交流调速实验台1台
2、PLC—1型教学实验系统1套
五预习要求
1、认真阅读实验指导书中各项内容、复习PLC位指令编程。
2、画出PLC硬件接线图，I/O地址分配，编写相应的PLC控制程序。
六实验报告要求
1、写出各实验的PLC控制程序及PLC硬件接线图，I/O地址分配
2、分析PLC软件自锁与继电器控制硬件自锁的区别。
3、说明PLC硬件与软件之间的关系。
实验一：
三相笼型异步电动机直接启动控制、点动控制、两地控制
（方法三、PLC控制）
一实验目的
1、掌握三相笼型异步电动机直接启动控制、点动控制、两地控制的PLC程序设计和PLC控制。
2、掌握如何组建PLC控制系统。
二、概述
在电气控制领域，PLC控制系统是以PLC为核心构成的电气控制系统，该系统的输入元件和输出元件分别连接到PLC的输入端和输出端，系统中输入元件和输出元件之间的控制逻辑，由PLC的程序建立。
改变PLC的程序既可改变输入、输出之间的控制逻辑。
因此PLC控制系统有结构简单、通用性强等特点，在工业上广泛应用。
上述实验是在PLC教学实验系统和电气控制技术教学实验系统共同组建的PLC控制系统上进行实验。
实验时，控制系统的主回路由电源隔离开关QS、熔断器FU1、接触器KM的主触点，热继电器FR的热元件与电动机M组成。
如图1-7所示。
控制回路起动按钮、停止按钮、开关和热继电器的常开辅助触点作为输入信号连接到PLC的输入端，系统的输出信号由PLC输出端送出，PLC的输出端连接中间继电器KA的线圈，接触器线圈经中间继电器KA的常开点与电源连接。
用PLC的程序建立系统的控制逻辑。
在PLC控制系统中完全可以用软件“自锁”取代硬件“自锁”，使系统变得更加简单、可靠，系统功能改变时，系统连接可以改变量最小。
图1—7（a）图1—7（b）
图1—8（a）图1—8（b）
图1—8（c）图1—8（d）
注：
SB1：
停止SB2：
启动FR：
热继电器KA；中间继电器KM：
接触器
三实现内容
1、编写相应PLC控制程序。
2、按图1—7、图1—8和图1—9接线，构成PLC控制系统。
3、按控制线路功能进行实验。
4、进行通过改变程序的方式来改变系统功能的实验。
四实验设备
1、DJK—1交直流调速实验台1台
2、PLC—1型教学实验系统1套
3、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
4、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
5、交流电动机1台
五预习要求
1、认真阅读实验指导书中各项内容、复习PLC位指令编程和该实验的继电器控制。
2、画出PLC控制系统硬件接线图，进行I/O地址分配，编写相应的PLC控制程序。
六实验报告要求
1、写出各实验的PLC控制程序、画出PLC控制系统硬件接线图，写出I/O地址分配。
2、分析PLC软件逻辑与继电器控制硬件逻辑的区别。
3、说明PLC软件与硬件之间的关系。
实验二三相笼型异步电动机正反转控制
（继电器控制）
一实验目的
1、掌握三相笼型异步电动机正反转控制电路的工作原理、接线及操作方法。
2、掌握继电器控制系统中“互锁”的概念及线路构成。
二概述
在生产加工过程中，往往要求电动机能够实现可逆运行。
如机床工作台的前进与后退，主轴的正转与反转，起重机吊钩的上升与下降等等。
这就要求电动机可以正反转，由电动机原理可知，若将接至电动机的三相电源进线中的任意两相对调，即可使电动机反转。
所以，正反转运行控制线路实质上是两个方向相反的单向运行线路，为避免误动作引起电源相间短路，要在这两个相反方向的单向运行线路中加设必要互锁。
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。
1、电动机“正—停—反”控制线路
图2—1为电动机正反转控制线路。
该图为利用两个接触器的常用触头KM1，KM2起相互控制作用，即一个接触器通电时，利用其常闭辅助触头的断开来锁住对方线圈的电路，这种利用两个接触器的常用辅助触头相互控制的方法叫做互锁，而两对起互锁作用的触头叫做互锁触头。
图2—1a控制线路正反向操作控制时，必须先按下停止按钮SB1，然后再反向启动，因此它是“正—停—反”控制线路。
2、电动机“正—反—停”控制线路
在生产实际中为了提高劳动生产率，减少辅助工时，要求直接实现正反转的变换控制，如图2—1b所示，在这个线路中，正转启动按钮SB2的常开触头用来使正转接触器KM1的线圈瞬时通电，其常闭触头则串联在反转接触器KM2线圈电路中，用来使之释放。
反转启动按钮SB3也按SB2同样安排，当按下SB2或SB3时，首先是常闭触头断开，然后才是常开触头闭合。
这样在需要改变电动机运转方向时，就不必按SB1停止按钮了，可直接操作正反转按钮即能实现电动机运行情况的改变。
图2—1b中，既有接触器的互锁，又有按钮的互锁，保证了电路可靠地工作。
图2—1图2—1a图2—1b
三实验内容
1、按图2—1接线，按“正—停—反”和“正—反—停”顺序进行实验。
2、检验图2—1a“互锁”的作用。
分析图2—1b中“互锁”的作用。
四实验设备
1、DJK—1交直流调速实验台1台
2、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
3、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
4、交流电动机1台
五预习要求
1、认真阅读实验指导书中各项内容，掌握三相笼形异步电动机正反转控制原理。
2、掌握“互锁”的概念，掌握元件动作时序的概念。
六实验报告要求
1、分析图2—1的实验原理。
2、讨论自锁触头和互锁触头的作用。
实验三两台电动机顺序启动控制
（继电器控制）
一实验目的
1、掌握两台电动机顺序启动控制电路的工作原理，接线及操作方法。
2、掌握时间继电器的工作原理及正确使用。
二概述
生产实践中常要求各运动部件之间能够按顺序工作。
例如车床主轴运转时要求油泵先给齿轮箱提供润滑油，即要求保证润滑，油泵电机启动后，主拖动电动机才可以启动，也就是控制对象对控制线路提出了按顺序工作的联锁要求。
如图3—1所示。
M1为油泵电动机，M2为主拖动电动机。
将控制油泵电动机的接触器KM1的常开辅助触点串入控制主拖动电动机的接触器KM2的线圈电路中，可以实现按顺序工作的联锁要求。
图3—2所示，是采用时间继电器，按时间顺序启动的控制线路。
线路要求电动机M1启动t秒后，电动机M2自动启动。
可利用时间继电器的延时闭合常开触点来实现。
按启动按钮SB2，接触器KM1线圈通电并自锁，电动机M1启动，同时时间继电器KT线圈也通电。
定时x秒后，时间继电器延时闭合的常开触点KT闭合，接触器KM2线圈通电并自锁，电动机M2启动。
同时接触器KM2的常闭点切断了时间继电器KT的线圈电源。
图3—1
图3—2
三实验内容
1、按图3—1接线，按工作原理进行实验。
2、按图3—2接线，按工作原理进行实验，改变KT的延时时间，观测KM2是否按KT设定的时间进行闭合。
四实验设备
1、DJK—1交直流调速实验台1台
2、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
3、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
五预习要求
1、认真阅读实验指导书中各项内容，掌握两台电动机顺序启动控制的工作原理。
2、掌握时间继电器的工作原理。
六实验报告要求
1、分析图3—1和图3—2的实验原理。
2、分析图3—1中KM1常开辅助触点的作用，分析图3—2中KM2常闭辅助触点的作用。
实验四自动循环控制线路
一实验目的
1、掌握自动循环控制线路的工作原理，接线及操作方法。
2、了解行程开关的结构及应用。
二概述
在生产实践中，有些生产机械的工作台需要自动往复运动，如龙门刨床，导轨磨床等。
图4—1为最基本的自动往复循环控制电路，它是利用行程开关实现往复运动控制的，这通常称为行程控制。
限位开关SQ1放在左端需要反向的位置，而SQ2放在右端需要反向的位置，机械挡铁要装在运动部件上。
启动时间利用正向或反向启动按钮，如按正转按钮SB2，KM1通电吸合并自锁，电动机正转并带动工作台左移。
当工作台移至左端并碰到SQ1时，将SQ1压下，其常闭触点断开，切断KM1接触器线圈电路，同时其常开点闭合，接通反转接触电器KM2线圈电路。
此时电动机由正转变为反转，带动工作台向右移动，直到压下SQ2限位开关，电动机由反转变为正转，工作台向左移动。
因此工作台实现自动的往复循环运动。
在上述线路中，SQ3和SQ4分别为左、右超限位保护用的行程开关。
图4—1自动循环往复控制线路
三实验内容
1、按图4—1接线，按工作原理进行实验。
2、分别触动SQ3和SQ4，观察其在电路中的作用。
四实验设备
1、DJK—1交直流调速实验台1台
2、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
3、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
4、交流电动机1台
五预习要求
1、认真阅读实验指导书中各项内容，掌握自动循环控制电路的工作原理。
2、了解行程开关的结构及动作原理。
六实验报告要求
1、分析图4—1控制线路的工作原理。
2、分析图4—1中SQ1、SQ2、SQ3和SQ4的作用。
实验五三相笼型异步电动机串电阻降压起动控制
一实验目的
掌握三相笼型异步电动机串电阻降压起动控制电路的工作原理，接线及操作方法。
二概述
图5—1是定子串电阻减压起动控制线路。
电动机起动时，为了限制起动电流，在三相定子电路中串接电阻，使电动机定子绕阻电压降低，起动结束后，再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。
这种起动方式由于不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型生产机械中应用较广。
图5—1a控制线路工作原理如下：
合上电源开关QS，按启动按钮SB2，KM1得电吸合并自锁，电动机串电阻R启动，接触器KM1得电同时，时间继电器KT得电吸合，其延时闭合常开触点的延时闭合使接触器KM2不能得电，经一段延时后，KM2得电动作，将主回路电阻R短接，电动机在全压下进入稳定正常运转。
图5—1b为图5—1a的改进方案。
图5—1a图5—1b
三实验内容
分别按图5—1a和图5—1b接线，按工作原理进行实验，记录直接起动和串电阻起动电路的起动电流。
四实验设备
1、DJK—1交直流调速实验台1台
2、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
3、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
4、交流电动机1台
五预习内容
认真阅读实验指导书中各项内容，掌握三相笼型异步电动机串电阻降压起动原理。
六实验报告要求
1、记录直接起动和串电阻起动时的起动电流。
2、分析图5—1a电路，图5—1b电路工作原理，指出5—1b电路的优点。
实验六三相笼型异步电动机星形—三角形降压起动控制
一实验目的
掌握三相笼型异步电动机星形—三角形降压起动控制线路的工作原理及操作。
二概述
正常运行时定子绕组接成三角形的笼型异步电动机，可采用星形—三角形降压起动方式来限制起动电流。
起动时将电动机定子绕组接成星形，加到电动机的每相绕组上的电压为额定值的
，从而减少起动电流。
当转速接近额定转速时，定子绕组改接成三角形，使电动机在额定电压下正常运转。
图6—1a所示为星形—三角形转换绕组连接图。
起动控制线路如图6—1b所示。
这一线路的设计思想是按时间原则控制起动过程。
待起动结束后，按预先整定的时间切换成三角形接法。
当电动机起动时，合上刀开关QS，按下起动按钮SB2，接触器KM、KMY与其时间继电器KT的线圈同时得电，接触器KMY的主触点将电动机接成星形，并经过KM的主触点接至电源，电动机降压起动。
当KT的延时时间到，KMY线圈断电，KM△线圈通电，电动机主回路换接成三角形接法，电动机投入正常运转。
该线路的优点是，星形起动电流只是原来三角形接法起动电流的1/3。
约为电动机额定电流的2倍左右，起动电流特性好，结构简单，价格低。
缺点是启动转矩也相应下降为原来三角形的直接起动时的1/3，转矩特性差，适合电动机空载或轻载起动的场合。
图6—1a星形—三角形转换绕组连接图
图6—1b星形—三角形启动控制线路
三实验内容
1、按图6—1b接线，并进行实验。
2、记录电动机起动电流值和稳定工作电流值。
四实验设备
1、DJK—1交直流调速实验台1台
2、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
3、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
4、交流电动机1台
五预习内容
1、认真阅读实验指导书中各项内容。
2、掌握三相笼型异步电动机星形—三角形降压起动控制的工作原理。
六实验报告要求
1、分析图6—1b的工作原理。
2、对起动电流和稳定工作电流进行比较，说明原因。
实验七三相笼型异步电动机反接制动控制
（继电器控制）
一实验目的
掌握三相笼型异步电动机反接制动控制线路的工作原理，接线及操作方法。
二概述
反接制动是利用改变电动机电源相序，使定子绕组产生相反方向的旋转磁场，因而产生制动转矩的一种制动方法。
反接制动时，转子与旋转磁场的相对速度接近两倍的同步转速，所以定子绕组中流过的反接制动电流相当于全电压直接启动时电流的两倍。
为了减少冲击电流通常要求串接一定的电阻以限制反接制动电流。
反接制动的特点是制动效果好，迅速，但冲击大，通常适用于10KW以下的小容量电动机。
反接制动要求在电动机转速接近于零时，要及时切断反相序的电压，防止电动机反向再起动。
通常使用速度继电器来检测电动机的速度变化，在120~300r/min范围内速度继电器触点动作，当转速低于100r/min时，其触点恢复原位。
反接制动时也可以采用时间继电器制动，这种情况下，通过时间继电器来控制反接制动转矩施加的时间。
图7—1为带制动电阻的单向反接制动控制线路。
制动时间由时间继电器控制。
起动时，按下起动按钮SB2，接触器KM1线圈通电并自锁，电动机M通电旋转。
停车时，按下停止按钮SB1，接触器KM1断电触头复位后，常闭触点接通接触器KM2线圈和时间继电器KT线圈，接触器KM2闭合，进行反接制动，时间继电器KT计时，当时间到，KT的常闭触点断开，将接触器KM2线圈断开，撤去制动转矩。
电动机惯性停车。
图7—1单向反接制动控制线路
三实验内容
1、按图7—1接线。
2、测试反接制动时，电动机的转速达到0r/min的时间，并设置时间继电器KT的动作时间，KT的动作时间应小于电动机转速到0r/min的时间。
3、按工作原理进行实验，检验制动效果，必要时对时间继电器的设定时间进行调整。
四实验设备
1、DJK—1交直流调速实验台1台
2、DQ1—1电气控制技术实验箱1台
3、DQ1—2电气控制技术实验箱1台
4、DQ1—3电气控制技术实验箱1台
5、交流电动机1台
五预习要求
1、认真阅读实验指导书中各项内容，掌握三相笼型异步电动机反接制动控制工作原理。
2、掌握时间继电器的工作原理和定时时间设置方法。
六实验报告要求
1、分析7—1工作原理
2、记录电动机反接制动时转速到0r/min的时间，KT的设置时间为多少，为什么？
实验八三相笼型异步电动机能耗制动控制
（继电器控制）
一实验目的
掌握三相笼型异步电动机能耗制动控制线路的工作原理、接线及操作方法。
二概述
能耗制动就是在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压通入直流电流。
利用转子感应电流与静止磁场的作用以达到制动的目的。
能耗制动可以由时间继电器控制和由速度继电器控制两种控制线路。
能耗制动比反接制动的能耗的能量小，其制动电流也比反接制动电流小得多，能耗制动的制动效果不及反接制动明显。
一般适用于电动机容量大和起动制动频繁的场合。
图8—1为用时间继电器控制的单向能耗制动控制线路。
当电动机需要停止时，按下停止按钮SB1，电动机由于KM1断电而脱离三相交流电源。
同时接触器KM2吸合，将直流电引入电动机定子绕组，时间继电器KT线圈与接触器KM2线圈同时接通时通电并自锁，电动机进入能耗制动状态。
当转子的速度接近于零时，时
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