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电气控制. 主 编 汪明添 主 审 邵良成. 西南交通大学出版社. 第 6 章 电气控制系统设计 6.1 电气控制系统原理设计的基本原则和内容 6.1.1 电气控制系统设计的基本原则. 6.1.2 电气设计的基本内容 1. 拟定电气设计任务书 ( 技术条件 ) 2. 电力拖动方案的选择
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电气控制 主 编 汪明添 主 审 邵良成 西南交通大学出版社
第6章 电气控制系统设计 • 6.1 电气控制系统原理设计的基本原则和内容 • 6.1.1 电气控制系统设计的基本原则 • 6.1.2 电气设计的基本内容 • 1. 拟定电气设计任务书(技术条件) • 2.电力拖动方案的选择 • 设备的拖动方法主要有电力拖动、液压传动、气动等。电力拖动的传动，液压和气动系统的控制要求是电气控制系统设计的主要依据。采用电力拖动时，根据机械设备驱动力矩或功率的要求，合理选择电动机类型、参数。电力拖动方案要考虑电动机起动及换向方法、调速方式及方法、制动方法等内容。 • 3. 控制方式的选择 • 4. 设计电气控制原理图以及选择元器件 • 5. 绘图 • 6. 编写使用说明书和维修说明书
6.2 电气控制线路设计的一般规律 • 下面从几个不同角度说明继电—接触器控制电路设计的一般规律： • （1）尽量选用典型环节或经过实际检验过的控制线路。 • （2）在控制原理正确的前提下，减少连接导线的根数与长度。电气原理图设计时，合理安排各电器元件之间的连线，尤其要注重电气柜与各操作面板、行程开关之间的连线，使其尽量合理。 例如，图6.2.1 (a)所示两地控制的电路原理虽然正确，但因为电气柜及一组控制按钮安装在一起(一地)，距另一地的控制按钮有一定距离，两地间的连线较多，电路结构不尽合理；图6.2.1 (b)所示电路两地间连线较少更为合理。
(a) (b) 图6.2.1 两地控制电路
（3）减少线圈通电电流所经过的触点点数，提高控制线路的可靠性。图6.2.2(a)所示的顺序控制电路，KA3线圈通电电流要经过KA1、KA2、KA3的三对触点，若改为图6.2.2 (b)电路，则每个继电器的接通，只需经过一对触点，工作较为可靠。 (a) (b) 图6.2.2 顺序控制电路
（4）减少不必要的触点和电器通电时间。 （5）电磁线圈的正确连接方法。电磁式电器的电磁线圈分为电压线圈和电流线圈两种类型。为保证电磁机构可靠工作，同时动作电器的电压线圈只能并联连接。如图6.2.3所示的电压线圈不允许串联连接，只能并联连接。否则，因衔铁气隙的不同，线圈交流阻抗不同，电压不会平均分配，导致电器不能可靠工作。反之电流线圈同时工作时只能串联，不能并联。 图6.2.3 电压线圈并联
（6）防止竞争观念。图6.2.4(a)为时间继电器组成的反身关闭电路，电路的设计方法是时间继电器延时时间到后，动断触点断开，线圈断电自动复位，为下一次通电延时做准备。但依赖继电器自身所带的动断触点来切断其线圈的导电通路将会产生不可靠的竞争现象，线路设计时应力求避免。（6）防止竞争观念。图6.2.4(a)为时间继电器组成的反身关闭电路，电路的设计方法是时间继电器延时时间到后，动断触点断开，线圈断电自动复位，为下一次通电延时做准备。但依赖继电器自身所带的动断触点来切断其线圈的导电通路将会产生不可靠的竞争现象，线路设计时应力求避免。 竞争现象的分析：当时间继电器动断触点延时断开后，时间继电器线圈断电，使得经过tS秒断开的动断延时闭合触点恢复闭合，以及经过t1秒瞬时动合触点断开。若tS> t1，则电路能反身关闭。若tS< t1，则继电器KT线圈将再次通电，这种现象叫触点竞争。图6.2.4(b)电路增加了起控制作用的中间继电器KA，电路可以避免竞争现象。 （7）应具有完善的保护环节，以避免因误操作而发生事故。完善的保护环节包括运载、短路、过电流、过电压、失电压等保护环节，有时还应设有合闸、断开、事故、安全等必需的指示信号。
(a) (b) 图6.2.4 反身自停电路
6.3 电气控制线路的设计方法 • 6.3.1 经验设计法 • 经验设计是根据生产机械的工艺要求和加工过程，利用各种典型的基本控制环节，加以修补、补充、完善，最后得出最佳方案。 • 6.3.2 逻辑设计法 • 逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来设计电器控制线路，同时也可以用于线路的简化。 • 把电器控制线路中的接触器、继电器等电器元件线圈的通电和断电、触头的闭合和断开看成逻辑变量，线圈的通电状态和触头的闭合状态设定为“1”态；线圈的断电状态和触头的断开状态设定为“0”态。根据工艺要求，将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数的关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律，对逻辑函数式进行化简，然后由简化的逻辑函数式画出相应的电气原理图。 • 逻辑电路有两种基本类型：一种为逻辑组合电路；另一种为逻辑时序电路。逻辑组合电路没有反馈电路(如自锁电路)，对于任何信号都没有记忆功能，控制线路的设计比较简单。
例如，某电动机只有在继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或任何两个继电器动作时才能运转，而在其他任何情况下都不运转，试设计其控制线路。例如，某电动机只有在继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或任何两个继电器动作时才能运转，而在其他任何情况下都不运转，试设计其控制线路。 电动机的运转由接触器KM控制。根据题目的要求，列出接触器通电状态的真值表，如表6.3.1所示。 表6.3.1 接触器通电状态的真值表
根据真值表，继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或两个继电器动作时，接触器KM通电的逻辑函数式为根据真值表，继电器KA1、KA2、KA3中任何一个或两个继电器动作时，接触器KM通电的逻辑函数式为 利用逻辑代数基本公式进行化简得
根据简化的逻辑函数关系式，可绘制如图6.3.1所示的电气控制线路。 图6.3.1 电气控制线路
6.4 电气控制系统设计的应用举例 • 下面结合电气控制设备制造的工程实际，以一台小型电动机控制线路设计为例，电气控制系统设计的过程。 • 1. 电动机起停控制电气原理图 • 电动机起停控制电路如图6.4.1所示，为简化分析，电路原理分析从略。为便于施工和设计电气接线图，电气原理图中依据线号标注原则标出了各导线标号，大电流导线标出了载流面积(根据电动机工作电流计算出导线的截面积)。 • 2．电气安装位置图 • 电气安装位置图又称布置图，主要用来表示原理图所有电器元件在设备上的实际位置。为电气设备的制造、安装提供必要的资料。图中各电器符号与电气原理图和元器件清单中的器件代号一致。根据此图可以设计相应器件安装打孔位置图，用于器件的安装固定。电气安装位置图同时也是电气接线图设计的依据。
图6.4.2主配电盘电气安装位置图 图6.4.3 操作面板电气安装位置图
3．电气接线图 • 电气安装接线图简称电气接线图，是为安装电气设备、对电器元件配线或设备检修服务的。接线图的特点是将同一元件的所有电气符号画在同一方框内，该方框的位置与电气安装位置图中的相对位置一致。但方框的大小不受限定。绘制电气接线图的方法有多种，本教材主要介绍基于导线二维标注的绘制方法。导线二维标注法的设计思想，是在器件接线端用数字标明导线线号和器件编号，用来指示导线的编号和去向，省去了器件间的连接导线束，使得电气接线图接线关系更加简单明了，图面更加整洁，应用非常普遍。 • （1）电器安装底板(配电盘)的电气接线图 • 如图6.4.4所示，配电盘接线图中，元件所有电气符号均集中在本元件框的方框内；各个器件编号，连同电器符号标注在器件方框的右上方；电气接线图采用二维标注法，表示导线的连接关系，线侧数字表示线号；线端数字20～25表示器件编号，用于指示导线去向。 例FU1中（FU1/21）其21表示21号元件。24/2（二维标注法）、25/N表示连接到24号元件的2线号， 25号元件的N线号。
（3）操作(控制)面板的电气接线图 操作面板控制线路的电气接线图如图6.4.5所示。控制面板接线图中，线侧和线上数字1～7表示线号；线端数字10～25表示所去器件编号，用于指示导线去向。控制面板与主配电盘间的连接导线通过接线端子连接，并采用塑料蛇形套管防护。 图6.4.5 操作面板电气接线图
4．电气安装互连图 • 电气安装互连图用来表示电气设备各单元间的接线关系。互连图可以清楚地表示电气设备外部元件的相对位置及它们之间的电气连接，是实际安装接线的依据，在生产现场中得到广泛应用。 • 表示电动机起停控制电路的电气控制柜和外部设备及操作面板间的接线关系的电气安装互连图如图6.4.6所示，图中导线的连接关系用导线束表示，并注明了导线规范(颜色、数量、长度和截面积等)和穿线管的种类、内径、长度及考虑备用导线后的导线根数，连接电器安装底板和控制面板的导线，采用蛇形塑料软管或包塑金属软管保护，控制柜与电源、电动机间采用电缆线连接(注：为作图方便，图中接线端子与实际位置不相一致)。 • 5. 安装调试
6.5 电气控制线路常用控制电器的选择 • 6.5.1 电器元件选择的基本原则 • 6.5.2 电动机的选择 • 1. 电动机容量的选择 • 1）主拖动电动机容量的选择 • ①分析计算法 • ②统计类比法 • 目前采用的拖动电动机功率的统计分析公式如下： • P =36.5D1.54 (6.5.1) • 式中P —主拖动电动机功率，kW； • D —工件最大直径，m。 • 立式车床主拖动电动机的功率： • P = 20D0.88 (6.5.2) • 式中P —主拖动电动机功率，kW； • D —工件的最大直径，m。
2）进给拖动电动机容量的选择 主进给拖动和进给拖动共用一台电动机的情况下，计算主拖动电机的功率即可。而主拖动和进给拖动没有严格内在联系的机床(如铣床)，一般进给拖动采用单独的电动机拖动，该电动机除拖动进给运动外，还拖动工作台的快速移动。由快速移动所需的功率比进给运动所需功率大得多，所以该电动机的功率常按快速移动所需功率来选择。快速移动所需功率，一般按经验数据来选择，见表6.5.1。 表6.5.1 进给电动机功率经验数据
2. 电动机额定电压的选择 • 直流电动机的额定电压应与电源电压相一致。当直流电动机由直流发电机供电时，额定电压常用220 V或110 V。大功率电动机可提高到600～800 V，甚至为1000 V。当电动机由晶闸管整流装置供电时，为了配合不同的整流电路形式，Z3型电动机除了原有的电压等级外，还增加了160V(单相桥式整流)及440V(三相桥式整流)两种电压等级；Z2型电动机也增加了180V、340V、440V等电压等级。 • 对于交流电动机，额定电压则与供电电网电压一致。一般车间电网电压为380 V，因此，中小型异步电动机额定电压为220／380 V(△／Y连接)及380／600 V(△／Y连接)两种。 • 3. 电动机额定转速的选择 • 4.电动机结构形式的选择 • 电动机的结构形式按其安装位置的不同可分为卧式、立式等。另外，按电动机工作的环境条件，还有不同的防护形式供选择，如防护式、封闭式、防爆式等。
6.5.3 控制变压器容量计算 • 当控制线路比较复杂，控制电压种类较多时，需要采用控制变压器进行电压变换，以提高工作的可靠性和安全性。 • 控制变压器的容量可以根据由它供电的控制线路在最大工作负载时所需要的功率来考虑，并留有一定的余量。即 • ST = KT ∑ SC (6.5.6) • 式中ST — 控制变压器容量，VA； • ∑ SC —控制电路在最大负载时所有吸持电器消耗功率的总和，VA。对于交流电磁式电器，SC应取其吸持视在功率，VA； • KT —变压器容量储备系数，一般取1.1～1.25。 • 常用交流电磁式电器的起动与吸持功率(均为视在功率)列于表6.5.3中。
