电气控制装置设计基础

1、电气控制装置设计包括原理与工艺设计两个方面。 电气工程技术人员，必须掌握电气控制装置设计的基本原则、设计内容和一般设计方法，以便根据生产机械的拖动要求及工艺需要去设计各类图纸和必要的技术资料。 本章将讨论电气控制系统的设计过程。电气控制系统设计要求具有较丰富的实践经验。这里仅讨论设计中的一般共性问题。,第九章 电气控制装置设计基础,第一节 电气控制装置设计的一般原则、基本内容和设计程序 正确的设计思想和工程观点是高质量完成设计任务的保证。 一、电气控制设计的一般原则 电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原则： 1）最大限度满足生产机械和工艺对电气控制的要求. 2）在满足控制要求的前提下，设

2、计方案应力求简 单、经济、不宜盲目追求自动化和高指标。 3）妥善处理机械与电气关系。 4）正确合理的选用电器元件。 5）确保使用安全、可靠。 6）造型美观、使用维护方便。,二、电气控制设计的基本任务与内容 电气设计的基本任务是根据控制要求设计和编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图样、资料，包括电气原理图、电气系统的组件划分与元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板及电器元件安装底板、非标准紧固件加工图等，编制外构元件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等资料。 由此可见，电气控制设计包含原理设计与工艺设计两个基本部分，以电力拖动控制设备为例，二方面的设计内容分述如下：,（一）原理设计内容

3、 电气控制系统原理设计内容主要包括： 1）拟订电气设计任务书。 2）选择拖动方案与控制方式。 3）确定电动机的类型、容量、转速，并选择具体 型号。 4）设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关 系，拟订各部分技术要求。 5）设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数。 6）选择电气元件，制订元器件目录清单。 7）编写设计说明书。 电气原理图是整个设计的中心环节，因为它是工艺设计和制订其他技术资料的依据。,（二）工艺设计内容 工艺设计的主要目的是便于组织电气控制装置的 制造，实现原理设计要求的各项技术指标，为设备的 调试、维护、使用提供必要的图样资料。工艺设计主 要内容是： 1）根据设计的原理图及选

4、定的电器元件，设计 电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的 总装配图及总接线图。 2）按照原理框图或划分的组件，对总原理图进 行编号，绘制各组件原理电路图，列出各部 分的元件目录表，并根据总图编号统计出各 组件的进出线号。,3）根据组件原理电路及选定的元件目录表， 设计组件装配图、接线图，图中应反映 各电器元件的安装方式与接线方式。 4）根据组件装配要求，绘制电器安装板和非 标准的电器安装零件图纸，标明技术要求。 5）设计电气箱。 6）根据总原理图、总装配图及各组件原理图 等资料，进行汇总，分别列出外购件清 单，标准件清单以及主要材料消耗定额。 7）编写使用维护说明书。,三、电气控制设计的一般

5、程序 以电力拖动控制设计项目为例，通常电气系统的设计程序是按以下步骤进行的。 1.拟订设计任务书 设计任务书是整个系统设计的依据，同时又是今后设备竣工验收的依据。因此设计任务书的拟订是一个十分重要而且必须认真对待的问题。在很多情况下，设计任务下达部门对本系统的功能要求、技术指标只能描述一个粗略轮廓，涉及设备使用中应达到的各种具体的技术指标及其他各项基本要求实际是由技术领导部门、设备使用部门及承担机电设计任务部门等几方面共同协商，最后以技术协议形式予以确定的。,电气设计任务书中，除简要说明所设计设备的型 号、用途、工艺过程、动作要求、传动参数、工作条 件外还应说明以下主要技术指标及要求： 1）控

6、制精度、生产效率要求。 2）电气传动基本特性如运动部件数量、用途、动 作顺序，负载特性、调速指标、起动、制动要 求等。 3）自动化程度要求。 4）稳定性及抗干扰要求。 5）联锁条件及保护要求。 6）电源种类、电压等级、频率及容量等要求。 7）目标成本与经费限额。 8）验收标准及验收方式。 9）其他要求如设备布局、安装要求、操作台布 置、照明、信号指示、报警方式等等。,2.选择拖动方案与控制方式 电力拖动方案与控制方式的确定是设计的重要部分，因为只有在总体方案正确的前提下，才能保证生产设备各项技术指标实施的可能性。在电气设计主要技术指标确定并以任务书格式下达后，必须认真做好调查研究工作，列出几种

7、可能的方案，并根据自己的条件和工艺要求进行比较分析后作出决定。 所谓电力拖动方案是指根据零件加工精度、加工效率要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要求、负载性质、调速要求以及投资额等去确定电动机的类型、数量、传动方式以及拟订电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求，作为电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。,3.选择电动机 拖动方案决定以后，就可以进一步选择电动机 的类型、数量、结构形式以及容量、额定电压与额定 转速等要求。 电动机选择的基本原则是： 1）电动机的机械特性应满足生产机械提出的要 求，要与负载特性相适应，以保证加工过程中 运行稳定并具有一定的调速范围与良好的起 动、制

8、动性能。 2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，即温 升尽可能达到或接近额定温升值。 3）电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装 要求，并能适应周围环境工作条件。 应该强调，在满足设计要求情况下优先考虑采 用结构简单，价格便宜，使用维护方便的三相交流 异步电动机。,正确选定电动机容量是电动机选择中的关键问题。 电动机容量计算的基本步骤是：首先根据生产机 械提供的 功率负载图 P=f（t）或 转矩负载图 ML=f（t） 预选一台电动机，然后根据负载进行发 校验，将校验结果与预选电动机参数进行比较，若发 现预选电动机的额定容量太大或太小，再重新选择， 直到电动机容量得到充分利用，最后再校验其过

9、载能 力与起动转矩是否满足拖动要求。 由于分析计算过程较为复杂，在比较简单、无特 殊要求、生产数量又不多的电力拖动系统中，电动机 容量选择往往采用统计类比法，或者根据经验采用工 程估算的方法来选用。,4.选择控制方式 拖动方案确定之后，采用什么方法去实现 这些控制要求就是控制方式的选择问题。随着 电气技术、电子技术、计算机技术、检测技术 以及自动控制理论的迅速发展和机械结构与工 艺水平的不断提高，生产机械电力拖动的控制 方式已从传统的继电接触控制向顺序控制、可 编程逻辑控制、计算机联网控制等方面发展， 各种新型的工业控制器及标准系列控制系统也 不断出现，可供选择的控制方式较多，系统复 杂程度差

10、异也很大。,5.设计电气控制原理线路图并合理 选用元器件，编制元器件目录清单。 6.设计电气设备制造、安装、调试 所必须的各种施工图样并以此为根据 编制各种材料定额清单。 7.编写说明书。,第二节 电气控制原理线路设计的方法与步骤 原理线路设计是原理设计的核心内 容。在总体方案确定之后具体设计是从电 气原理图开始，各项设计指标是通过控制 原理图来实现的，同时它又是工艺设计和 编制各种技术资料的依据。,一、电气原理图设计的基本步骤 原理线路设计的基本步骤是： 1）根据选定的拖动方案及控制方式设计系统 的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和 主要技术参数。 2）根据各部的要求，设计出原理框图中各

11、个 部分的具体电路。按主电路控制电路辅助 电路联锁与保护总体检查反复修改与完善 的步骤进行。 3）绘制总原理图。 4）正确选用原理线路中每一个电器元件，并 制订元器件目录清单。,对于比较简单的控制线路，可以省略 前两步直接进行原理图设计和选用电器元 件。但对于比较复杂的自动控制线路，就 必须按上述过程一步一步进行设计。只有 各个独立部分都达到技术要求，才能保证 总体技术要求的实现，保证总装调试的顺 利进行。,二、电气原理图的设计方法及设计实例 电气原理设计的主要方法：分析设计法、逻辑设计法 （一）分析设计法 根据生产工艺要求去选择适当的基本控制环节 （单元电路）或经过考验的成熟电路按各部分的联

12、锁 条件组合起来并加以补充和修改，综合成满足控制要 求的完整线路。当找不到现成的典型环节时，可根据 控制要求边分析边设计，将主令信号经过适当的组合 与变换，在一定条件下得到执行元件所需要的工作信 号。设计过程中，要随时增减元器件和改变触点的组 合方式，以满足拖动系统的工作条件和控制要求，经 过反复修改得到理想的控制线路。,特点：无固定的设计程序，设计方法简单，容易为初学者所掌握，对于具有一定工作经验的电气人员来说，也能较快地完成设计任务。 缺点：设计方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周时会影响线路工作的可靠性。,下面通过C534JI立式车床横梁升降电气控制原理线路的设计实例，进一步说明分

13、析设计法的设计过程。 1.电力拖动方式及其控制要求 为适应不同高度工件加工时对刀的需要，要求安装有左、右立刀架的横梁能通过丝杠传动快速上升下降的调整运动。丝杠的正反转由一台三相交流异步电动机M1拖动，为了保证零件的加工精密，当横梁点动到需要的高度后应立即通过夹紧机构将横梁夹紧在立柱上。每次移动前要先放松夹紧装置，因此设置另一台三相交流异步电动机M2拖动夹紧放松机构，以实现横梁移动前的放松和到位后的夹紧动作。在夹紧、放松机构中设置两个行程开关SQ1与SQ2分别检测已放松与已夹紧信号。,横梁升降控制要求是： 1）采用短时工作的电动控制。 2）横梁上升控制动作过程： 按上升按钮横梁放松（夹紧电动机反

14、 转）压下放松位置开关停止放松横梁自 动上升（升/降电动机正转）到位放开上升按 钮横梁停止上升横梁自动夹紧（夹紧电动 机正转）已放松位置开关松开，达到一定夹 紧紧度已夹紧位置开关压下上升过程结束。,3）横梁下降控制动作过程： 按下降按钮横梁放松压下已放松位置开关停止放松，横梁自动下降到位放开下降按钮横梁停止下降并自动短时回升（升/降电动机短时正转）横梁自动夹紧已放松位置开关松开，并夹紧至一定紧度已夹紧位置开关压下下降过程结束。 下降与上升控制的区别在于到位后多了一个自动的短时回升动作，其目的在于消除移动螺母上端面与丝杠的间隙，以防止加工过程中因横梁倾斜造成的误差，而上升过程中移动螺母上端面与丝

15、杠间不存在间隙。 4）横梁升降动作应设置上、下极限位置保护。,2.设计过程 1）根据拖动要求设计主电路 由于升、降电动机M1与夹紧放松电动机M2都要求正反转，所以采用KM1、KM2及KM3、KM4接触器主触头变换相序控制。 考虑到横梁夹紧时有一定的紧度要求，故在M2正转即KM3动作时，其中一相串过电流继电器KI检测电流信号，当M2处于堵转状态，电流增长至动作值时，过电流继电器KI动作，使夹紧动作结束，以保证每次夹紧紧度相同。由于M1、M2均为短时工作，因而不设置过载保护。据此便可设计出如图9-1所示的主电路。,图9-1 主电路与控制电路草图之一,2）设计控制电路草图 如果暂不考虑横梁下降控制的

16、短时回升，则上升与下降控制过程完全相同，当发出“上升”或“下降”指令时，首先是夹紧放松电动机M2反转（KM4吸合），由于平时横梁总是处于夹紧状态，行程开关SQ1（检测已放松信号）不受压，SQ2处于受压状态（检测已夹紧信号），将SQ1常开触点串在横梁升降控制回路中，常闭触点串于发出上升或下降指令时（SQ2常开触点串在立车工作台转动控制回路中，用于联锁控制），因此在发出上升或下降指令时（按SB1或SB2），必然时先放松（SQ2立即复位，夹紧解除），当放松动作完成SQ1受压，KM4释放，KM1（或KM2）自动吸合实现横梁自动上升（或下降）。上升（或下降）到位，放开SB1（或SB2）停止上升，由于此时

17、SQ1受压，SQ2不受压，所以KM3自动吸合，夹紧动作自动发出直到SQ2压下，再通过KI常闭触点与KM3的常开触点串联的自保回路继续夹紧至过电流继电器动作，控制过程自动结束。按此思路设计的草图如9-1所示。,3）完善设计草图 图9-1设计草图功能不完善，主要是未考虑下降的短时回升。下降到位的短时自动回升，是满足一定条件下的结果，此条件与上升指令是“或”的逻辑关系，因此它应与SB1并联，应该是下降动作结束即用KM2常闭触点与一个短时延时断开的时间继电器KT触点的串联组成，回升时间有时间继电器控制。于是便可设计出如图9-2所示的设计草图之二。,图9-2 控制电路设计草图之二,4）检查并改进设计草图

18、 图9-2在控制功能上已达到上述控制要求，但仔 细检查会发现KM2的副触点使用已经超出接触器拥有 数量，同时考虑到一般情况下不采用二常开二常闭的 复式按钮，因此可采用中间继电器KA来完善设计。如 图9-3所示。其中R-M、L-M为工作台驱动电动机正 反转联锁触点，以保证机床进入加工状态，不允许横 梁移动。反之横梁放松时就不允许工作台移动，是通 过行程开关SQ2的常开触点串联在R-M、L-M的控制 回路中来实现。另一方面在完善控制电路设计过程 中，进一步考虑横梁上下极限位置保护面而采用 SQ3、SQ4的常闭触头串接在上升与下降控制线路中.,图9-3 控制电路设计草图之三,5）总体校核 控制线路设

19、计完毕，最后需进行总体校核，检查是否存在不合理、遗漏或进一步简化的可能。检查内容包括：控制线路是否满足拖动要求，触头使用是否超出允许范围，必要的联锁与保护，电路工作的可靠性，照明显示及其他辅助控制要求以及进一步简化的可能性。,（二）逻辑设计法 利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设 计，即根据生产机械的拖动要求及工艺要求， 将执行元件需要的工作信号以及安全电气的接 通与断开状态看成逻辑变量，并根据控制要求 将它们之间的关系用逻辑函数关系式来表达， 然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行 简化，使之成为需要的最简“与、或”关系 式，根据最简式画出相应的电路结构图，最后 再作进一步的检查和完善，即

20、能获得需要的控 制线路。,优点： 能获得理想、经济的方案，所用元件 数量少，各元件能充分发挥作用，当给定 条件变化时，能指出电路相应变化的内在 规律，在设计复杂控制线路时，更显方 便。逻辑法不仅能用于线路设计，也可以 用于线路简化和读图分析。逻辑代数读图 法的优点是各个控制元件关系能一目了 然，不会读错和遗漏。,逻辑电路有两种基本类型，组合逻辑电路 和时序逻辑电路。对应其设计方法也各不相 同。 组合逻辑电路：使执行元件的输出状态， 只与同一时刻控制元件的状态相关。输入、输 出呈单方向关系，即输出量对输入量无影响。 其设计方法比较简单，可以作为经验设计法的 辅助和补充，用于简单控制电路的设计，或

21、对 某些局部电路进行简化，进一步节省并合理使 用电器元件与触点。举例说明如下：,设计要求：某电动机只有在继电器KA1、KA2、KA3中任何 一个或两个动作时才能运转，而在其他条件下都不运转，试设 计其控制线路。 设计步骤： 1）列出控制元件与执行元件的动作状态表，如表9-1所示。,表9-1 状态表,1）根据表9-1写出KM的逻辑代数式： 2）利用逻辑代数基本公式化简至最简“与、或”式： 3）利用逻辑代数基本公式化简至最简“与、或”式：,KA1KA2KA3+ KA1KA2KA3+ KA1KA2KA3,4）根据简化了的逻辑式绘制控制电路，如图9-4所示。,图9-4控制电路,KA1,KA1,KA2K

22、A3,KA2KA3,时序逻辑电路 特点：输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，而且还与输出量的原有状态及其组合顺序有关，即输出量通过反馈作用，对输入状态产生影响。这种逻辑电路设计要设置中间记忆元件（如中间继电器等），记忆输入信号的变化，以达到各程度两两区分的目的。其设计过程比较复杂。,基本步骤如下： 1）根据拖动要求，先设计主电路，明确 各电动机及执行元件的控制要求，并选择产生 控制信号（包括主令信号与检测信号）的主令 元件（如按钮、控制开关、主令控制器等）和 检测元件（如行程开关、压力继电器、速度继 电器、过电流继电器等）。 2）根据工艺要求作出工作循环图，并列 出主令元件、检测元件以及执行

23、元件的状态 表，写出各状态的特征码。,3）为区分所有状态（重复特征码）而增设 必要的中间记忆元件（中间继电器）。 4）根据已区分的各种状态的特征码，写出 各执行元件（输出）与中间继电器、主令元件 及检测元件（逻辑变量）间的逻辑关系式。 5）化简逻辑式，据此绘出相应控制线路。 6）检查并完善设计线路。 由于这种方法设计难度较大，整个设计过 程较复杂，还要涉及一些新概念，因此，在一 般常规设计中，很少单独采用。,三、原理图设计中应注意的问题 1）尽量减少控制线路中电流、电压的种类，控制电压等级应符合标准等级。对于微机控制系统应注意弱电控制与强电电源之间的隔离，不能共用零线，以免引起电源干扰。照明、

24、显示及报警等电路应采用安全电压。电气控制线路常用的电压等级如表9-2所示。,表9-2 常用控制电压等级,2）尽量减少电器元件的品种、规 格与数量在电器元件选用中，尽可能 选用性能良好，价格便宜的新型器 件，同一用途尽可能选用相同型号。 3）尽可能减少通电电器的数量 正常工作中以利节能，延长电器 元件寿命以减少故障。,4）合理使用电器触头与触点 在复杂的继电接触控制线路中，各类接触器、继电器数量较多，使用的触头、触点也多，线路设计应注意： 主触头与副触点的使用量不能超过限定 对数，因为各类接触器、继电器的主触头与副 触点数量是一定的。设计时应注意尽可能减少 其使用量，如图9-5b比图9-5a就节

25、省一对触 点。因控制需要触点数量不够时，可以采用逻 辑设计化简方法，改变触点的组合方式以减少 触点使用数量或增加中间继电器来解决。,a）不合理 b）合理 图9-5减少触头使用量,SB4, 检查触头容量是否满足控制要 求，避免使用不当而出现触头烧坏、 粘滞和释放不了的故障。要合理安排 接触器主触头与副触点的位置，避免 用小容量继电器触点去切断大容量负 载。总之，要计算触头断流容量是否 满足被控制负载的要求，以保证触头 工作寿命和可靠性。,5）做到正确连线 具体应注意以下几方面： 正确连接电器线圈 电压线圈通常不串联使用，即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联施加额定电压之和，以免电压分配不匀引起

26、工作不可靠，如图9-6所示。 对于电感较大的电器线圈，例如电磁阀、电磁铁或直流电机励磁线圈等则不宜与相同电压等级的接触器或中间继电器直接并联工作，否则在接通或断开电源时会造成后者的误动作。,a）不正确 b）正确 图9-6 线圈连接,合理安排电器元件及触点位置 对一个串联回路，各电器元件或触点位 置互换，并不影响其工作原理，但从实际连线 上却影响到安全、节省导线等方面的问题。如 图9-7两种接法所示，两者工作原理相同，但 是采用图9-7a接法既不安全而且浪费导线。 因为限位开关SQ的常开、常闭触头靠得很 近，在触头断开时，由于电弧可能造成电源短 路，很不安全，而且这种接法电气箱到现场要 引出4种

27、线，很不合理，图9-7b所示的接法较 合理。,a）不合理 b）合理 图9-7 合理安排触点位置,注意避免出现寄生回路 在控制线路的动作过程中，如果出现不 是由于误操作而产生的意外接通的电路，称为 寄生线路。图9-8所示为电动机可逆运行控制 线路，FR为热继电器保护触点。为了节省触 点，显示电动机工作状态的指示灯HLR和HLL 采用图中所示的接法，正常情况下线路能完成 起动、正反转及停止操作。但在运行中电动机 过载，FR触点断开就会出现如图中虚线所示 的寄生线路，使接触器不能可靠释放而得不到 过载保护。如果将FR触点位置移接到SB1上 端就可避免产生寄生回路。,图9-8寄生回路,6）尽可能提高电

28、路工作的可靠性、安全性 设计中应考虑以下几点： 电器元件动作时间配合不良引起竞争 复杂控制电路中，在某一控制信号作用 下，电路从一种状态转换到另一种状态，常常 有几个电器元件的状态同时变化，考虑电器元 件总有一定的动作时间，对时序电路来说，就 会得到几个不同的输出状态。称为电路的“竞 争”。对于开关电路，由于电器元件的释放延 时作用，也会出现开关元件不按要求的逻辑功 能输出的可能性，称为“冒险”。,“竞争”与“冒险”现象都将造 成控制回路不能按要求动作，引起控 制失灵。当电气元件的动作时间可能 影响到控制线路的动作程序时，就需 要用能精确反映元件动作时间及它们 之间互相互配合的方法。例如用时间

29、 图来分析执行元件的动作可靠性。,继电器或接触器线圈从通电到触点的闭合 或打开，这段时间称为吸引时间（t1）。如图 9-9所示，用点1到2的斜线表示线圈时通电的， 但其触点要到点2才闭合。而线圈断电到触点打 开这段时间称为释放时间（t2），以斜线3-4表 示。在这段时间线圈已断开，但触点仍闭合， 到点4时刻触点才断开。图中点1-3阴影部分为 线圈通电时间，点2-4为触点闭合时间，只有水 平线2-3为线圈通电而触头也闭合时间。这种电 器动作过程与时间关系图称为时间图。,图9-9 时间图,吸引时间,释放时间,现用时间图来分析图9-10a所示的绕线转子异步电动机按电流原则起动控制线路的动作顺序。 在

30、图9-10b与c中用垂直箭头表示元件动作作用的传递，水平线表示时间。由图9-10a线路的静态分析来看，电路控制作用似乎不存在什么问题。但是据图9-10b时间图来看，由于接触器KM1、KM2的动作时间小于电流继电器KI1、KI2的动作时间，从而使KM1、KM2触点在KI1、KI2触点之前动作，使电流继电器失去控制作用，R1、R2不能起到限制起动电流的目的。只有图9-10c时间图中所示，在t2t3条件下，才能使KI1先于KM1动作，这样才能实现按电流原则，逐级切除起动电阻，达到限制起动电流的目的。,a）起动控制线路 b）动作时间配合不好 c）动作时间配合好 图9-10 时间图分析电动机起动过程,误

31、操作可能带来的危害 特别 是一些重要设备应仔细考虑每一控制 程序之间必要的联锁，即使发生误操 作也不会造成设备事故。 应考虑到故障状态下，设备的 自动保护作用 应根据设备特点及使用情况设 置必要的电气保护。,7）线路设计要考虑操作、使用、 调试与维修的方便 例如设置必要的显示，随时反映 系统的运行状态与关键参数，考虑到 刀具调整与运动机构修理必要的单机 点动、单步及单循环动作，必要的照 明，易损触点及电器元件的备用等。,8）原理图绘制应符合国家有关标准规定 包括器件图形符号应符合GB4728中1-13电 气图形符号的规定，绘制时要合理安排版面， 项目代号应符合GB5924电气技术中的项目代 号

32、的规定。例如，主电路一般排在左面或上 面，控制电路或辅助电路排在右面或下面，元 器件目录表排在标题上方。为了帮助读图，有 时以动作状态或工艺过程形式将主令开关的通 断、电磁阀动作要求、控制流程图等表示在图 面上，也可以在控制电路的每一支路边上标注 出控制目的。,第三节 电气保护类型及实现方法 电气保护时电气线路设计中必须考虑的一个重要问题，下面从电气设计角度讨论电气故障的类型、产生原因、保护方法以供设计中选用参考。 一、电流型保护 电气元件在正常工作中，通过的电流一般在额定电流以内。短时间内，只要温升不超过允许值，超过额定电流也是允许的。电器元件由于电流过大引起损坏的根本原因是发热引起的温升超

33、过绝缘材料的承受能力。在散热条件一定的情况下，温升决定于发热量，而发热量不仅决定于电流大小，而且于通电时间密切相关。因此，在谈到电流保护时，总是要与通电时间这一因素紧密联系在一起的。 电流型保护的基本原理是：通过保护电器检测电流信号，经过变换或放大后去控制被保护对象，当电流达到整定值时保护电器动作。属于电流型保护主要有以下几种：,1短路保护 短路保护要求在很短时间内迅速切断电源。 短路保护的常用方法使采用熔断器、断路器或采用专门的短路保护继电器。 2. 过电流保护 这种保护的特点是电流值比短路时小，一般不超过 2.5 IN。过电流保护要求有瞬时保护特征，即只要过电流值达到整定值，保护电器立即动

34、作，切断电源。 过电流保护是采用过电流继电器与接触器配合动作的方法。,3. 过载保护 过载也是指电动机的运行电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数更小些，通常在 1.5IN 以内。 过载保护要求保护电器具有反时限特性，即根据电流过载倍数的不同，其动作时间时不同的，它随着电流的增加而减小。 4. 欠电流保护 欠电流保护是指被控制电路电流低于整定值时需要动作的一种保护。 欠电流保护通常时采用欠电流继电器来实现的。欠电流继电器线圈串联在被保护电路中，正常工作时吸合，一旦发生欠电流就释放切断电源。,5. 断相保护 异步电动机在正常运行中，由于电网故障或一相熔断器熔断引起对称三相电压缺少一相，电动机将

35、在两相电源中低速运转或堵转，定子电流很大，是造成电动机绝缘及绕组烧损的常见故障之一。由于热继电器热元件是串接在三相电流进线中，采用普通三相式热继电器起不到保护作用。 断相保护可以采用专门为断相运行而设计的断相保护热继电器，也可以在三相线路上跨接两只电压继电器，当发生缺相时，电压继电器动作带动控制元件去切断电源。,二、电压型保护 电动机或电器元件都是在一定的额定电压下正常工作，电压过高、过低或者工作过程中非人为因素的突然断电，都可以造成生产机械的损坏或人身事故，因此在电气控制线路设计中，应根据要求设置失电压保护、过电压保护及欠电压保护。 1. 失电压保护 为了防止电压恢复时电动机的自行起动或电器

36、元件的自行投入工作而设置的保护，称为失电压保护。 采用接触器及按钮控制电动机的起停，具有失电压保护作用。如果不是采用按钮，而是用不能自动复位的手动开关、行程开关等控制接触器，必须采用专门的零压继电器。,2. 欠电压保护 电动机或电器元件在正常运行中，电网电压降低到UN的6080（UN为其额定电压）时，就要求能自动切除电源而停止工作，这种保护称为欠电压保护。 采用接触器及按钮控制方式具有欠电压保护作用，还可以采用空气开关或专门的电磁式电压继电器、直流高返回系数电压继电器来进行欠电压保护。 3. 过电压保护 为防止电网电压过高引起电流增大或绝缘击穿而损坏电气设备的保护措施称为过电压保护，通常用过电

37、压继电器实现。,4. 浪涌电压吸收保护 电磁铁、电磁吸盘等类电感量较大负载，在切断电源时会产生很高的浪涌电压，为此需采用适当的保护。常用的保护方法是在线圈两端并接电阻、电阻电容串联或二极管等方式，以构成续流回路。图9-11示磨床电磁吸盘的吸收保护。,图9-11 电磁吸盘的吸收保护,三、位置保护 生产机械运动部件的行程，越位大小及运动部件的相对位置都要限制在一定范围内。这类保护称为位置保护。 位置保护可以采用限位开关、干簧继电器、接近开关等类电器，当运动部件到达调定位置，使限位开关或继电器动作，其常闭触头串联在接触器控制电路中，因常闭触头打开而使接触器释放，于是，运动部件停止运动。,四、温度、压

38、力、流量、转速等保护 在电气控制线路设计中，常提出对生产机械某一部分的温度，液压或气压系统的压力和流量，运动速度等的保护要求，即要求以上各物理量限制在一定范围以内。 各种专用的温度、压力、流量、速度继电器，基本原理都是在控制回路中串联一个受这些参数控制的常开触点或常闭触点。,第四节 电气控制线路设计中的 主要参数计算及常用元件选择,一、异步电动机有关起动、制动电阻计算 （一）三相绕线转子异步电动机起动转距电阻计算 为了减少起动电流，增加起动转距并获得一定的调速要求，常常采用绕线转子异步电动机转子绕组串接外加电阻的方法来实现。为此要确定外加电阻的级数，以及各级电阻的大小。电阻的级数越多，起动或调

39、速时转距波动就越小，但控制线路也就越复杂。通常电阻级数可以根据表9-3来选取。,表9-3 电阻级数及选择,起动电阻级数确定以后,对于平衡短接法,转子绕组中每相串联的各级电阻值,可以用下面的公式计算： 式中,m为起动电阻级数；n为各级起动电阻的序号，n1表示第一级，即最先被接的电阻；k为常数；r为最后被短接的那一级电阻值。 k、r值可分别由下列两个公式计算：,式中，s为电动机额定转差率； 为正常工作中电动机转子电压（V）； 为正常工作时电动机转子电流（A）。 每相起动电阻的功率为： 式中， 为转子起动电流(A),取 1.5；R为每相串联电阻（ ）。,（二）笼型异步电动机反接制动电阻的计算 反接制

40、动时，三相定子回路中各相串联的限流电阻R可按下面经验公式近似计算： 式中 为电动机定子绕组相电压（V）； 为全压起动电流（A）；k为系数，当要求最大反接制动电流 时，k0.13，当要求 时，k1.5。,若在反接制动时，仅在两相定子绕组中串接电阻，选用电阻值应为上述计算值的1.5倍，而制动电阻的功率为： 式中， 为电动机额定电流；R为每一相串接的限流电阻值。 根据制动频繁程度适当选取前面系数。,二、笼型异步电动机能耗制动参数计算 图9-12为能耗制动整流装置的原理图。,图9-12 能耗制动整流装置的原理图,（一）能耗制动直流电流与电压的计算 从制动效果来看，希望直流电流大些，但是过大的电流会引起

41、绕组发热，耗能增加，而且当磁路饱和后对制动力矩的提高也不明显，通常制动直流电流按下式选取 或 式中，I0为电动机空载电流； 为电动机额定电流。制动时，直流电压为 式中，R为两相串联定子绕组的冷电阻。,（二）整流变压器参数计算 对单相桥式整流电路： 1）变压器二次交流电压为： 2）变压器容量计算。由于变压器仅在能耗制动时工作，故容量允许比长期工作小。根据制动频繁程度，取计算容量的（1/21/4）。,三控制变压器容量计算 当控制线路比较复杂，控制电压种类比较多时，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

42、，并留有一定的余量。即 式中， 为控制变压器容量（VA）； 为控 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， 应取其吸持视在 功率（VA）； 为变压器容量储备系数，一般取 1.11.25。,表9-4 起动与吸持功率,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9-4中。,四、常用电器元件的选择 在控制系统原理图设计完成之后，就 可根据线路要求，选择各种控制电路，并 以元件目录表形式列在标题栏上方。正 确、合理地选用各种电器元件，是控制线 路安全、可靠工作的保证，也是使电气控 制设备具有一定的先进性和良好的经济性 的环节。下面介绍一些常用控制电器的选

43、 用依据。,1按钮 选用依据主要是根据需 要的触点对数、动作要求、是否需要 带指示灯，使用场合以及颜色等要 求。 2刀开关 选用根据是电源种 类、电压等级、断流容量及需要极 数。当用刀开关来控制电动机时，其 额定电流要大于电动机额定电流的 3 倍。,3组合开关 选用依据是电源种类、电压等级、 触头数量以及断流容量。当采用组合开关来 控制 5kW以下小容量异步电动机时，其额定电流一般为 （1.52.5）IN ,接通次数小于（1520）次/h， 常用的组合开关为HZ10系列。 4限位开关 选用根据是机械位置对开关型式的 要求和控制线路对触头数量的要求，以及电流、电压 等级来确定其型号。 5断路器

44、在初步确定断路器的类型和等级 后，各级保护动作值的整定还必须注意和上、下级开 关保护特性的协调配合，从总体上满足系统对选择性 保护的要求。,（一）接触器的选择 交流接触器的选用主要依据是接触器主触头的额定电压、电流要求、辅助触头的种类、数量以及额定电流，控制线圈电源种类、频率与额定电压，操作频繁程度负载类型等因素。具体选用方法是： 1）主触头额定电流IN的选择。 主触头的额定电流应大于、等于负载电流，对于电动机负载可按下面经验公式计算主触头电流IN： 式中，PN为被控制电动机额定功率（kW）；UN为电动机额定线电压（V）；k为经验系数取11.4。 在选用接触器额定电流应大于计算值，也可以参照表

45、9-5，按被控制电动机的容量进行选取。,对于频繁起动，制动与频繁正反转工作情况，为了防止主触头的烧蚀和过早损坏，应将接触器的额定电流降低一个等级使用，或将表9-5中的控制容量减半选用。,表9-5 接触器额定电流的选取,2)主触头额定电压UN应大于控制线的额定电压。 3）接触器副触点数量、种类应满足控制要求， 当辅助触点的对数不能满足要求时，可用增设中 间继电器方法来解决。 4）接触器控制线圈的电压种类与电压等级应根 据控制线路要求选用。 简单控制线路可直接选用交流380V、220V。线路 复杂，使用电器较多时，应选用127V。110V或更 低的控制电压。 直流接触器主要有CZ0系列，选用方法与

46、交 流接触器基本相同。,（二）继电器的选择 1电磁式继电器的选用 选用的依据主要是：被控制或被保护对象的特性、触点的种类、数量、控制电路的电压、电流、负载性质等因素。线圈电压、电流应满足控制线路的要求。如果控制电流超过继电器触点额定电流，可将触点并联使用，也可以采用触点串联使用方法来提高触头的分断能力。,2时间继电器的选用 选用时应考虑延时方式、延时范围、延时精度要求、外形尺寸、安装方式、价格等因素。 常用的时间继电器有气囊式、电动式和晶体管式等，在延时要求精度不高，电源电压波动大的场合，宜选用价格较低的电磁式或气囊式时间继电器。当延时范围大，延时准确度要求高时，可选用电动式或晶体管式时间继电

47、器。,3热继电器的选用 一般的电动机都应考虑过载保护。 热继电器有两相式、三相式及三相带断相保护式等型式。对于星型接法的电动机及电源对称性好的情况可采用两相结构的热继电器。对于三角形接法的电动机或电源对称性不够好的情况则应选用三相结构或带断相保护的三相结构热继电器。而在重要场合或容量较大的电动机，可选用半导体温度继电器进行过载保护。 热继电器发热元件额定电流，原则上按被控制电动机的额定电流选取，并依次去选择发热元件编号和一定的调节范围。,（四） 熔断器选择 熔断器选择的主要内容是其类型、额定电压、熔 断器额定电流等级与熔体额定电流。根据负载保护特 性、短路电流大小、各类熔断器的适用范围来选用熔

48、 断器的类型。额定电压根据被保护电路的电压来选择 的。 熔体额定电流是选择熔断器的关键，它与负载大 小、负载性质密切相关。对于负载平稳、无冲击电 流，如照明、信号、电热水器可直接按负载额定电流 选取。而对于像电动机一类有冲级电流负载，熔体额 定电流可按下式计算值选取。,单台电动机长期工作 多台电动机长期共用一个熔断器保护 式中， 为容量最大一台电动机的额定电流； 是除容量最大的电动机之外，其余电动机额定电流之和。 轻载及起动时间短时，系数取1.5，起动负载较重及起动时间长，起动次数又多的情况，则取2.5。 熔体额定电流的选择还要照顾到上下级保护的配合，以满足选择性保护的要求，使下一级熔断器的分

49、断时间较上一级熔断器熔体的分断时间要小，否则将发生越级动作，扩大停电范围。,第五节 电气控制装置工艺设计 工艺设计的目的是为了满足电气控制设备的制造和使用要求。在完成电器原理设计及电器元件选择后，就可以进行电气控制设备总体配置，既总装配图、总接线图设计，然后再设计各部分的电器装配图与接线图，并列出各部分的元件目录、进出线号以及主要材料清单等技术资料，最后编写使用说明书。,一、电气设备总体配置设计 各种电动机以及各类电器元件根据各自的作用，都有一定的装配位置。由于各种电器元件安装位置不同，在构成一个完整的自动控制系统时，必须划分组件，同时要解决组件之间，电器箱之间以及电器箱与被控制装置之间的连线

50、问题。 划分组件的原则是： 1）功能类似的元件组合在一起 2）尽可能减少组件之间的连线数量 接线关系密切的控制电器置于同一组件中 3）强弱电控制器分离以减少干扰 4）力求整齐美观 外形尺寸，重量近似的电器组合在一起。 5）便于检查和调试 需经常调节、维护和易损元件组合在一起。,电气控制设备的各部分及组件之间的 接线方式通常有： 1） 电器板、控制板、机床电器的进出线一般采用接线端子。 2） 被控制设备与电气箱之间采用多孔接插件，便于拆装、搬运。 3） 印刷电路板及弱电控制组件之间宜采用各种类型标准接插件。,电气设备总体配置设计任务是根据电气原理图的工作原理与控制要求，将控制系统划分为几个组成部

51、分称为部件，根据电气设备的复杂程度，每一部分又可划成组件。要根据电气原理图的接线关系整理出各部分的进出线号，并调整他们之间的连接方式。 总体配置设计是以电气系统的总装配图与总接线图形式来表达的，图中应以示意形式反映出各部分主要部件的位置及各部分接线关系、走线方式及使用管线要求等。,总装配图、接线图是进行分部设计和协调各部分组成一个完整系统的依据。总体设计要使整个系统集中、紧凑，同时在场地允许条件下，对发热厉害，噪声振动大的电气部件，如电动机组，起动电阻箱等要尽量放在离操作者较远的地方或隔离起来，对于多工位加工的大型设备，应考虑两地操作地可能。总电源紧急停止控制应安放在方便且明显的位置。总体配置

52、设计合理与否将影响到电气控制系统工作的可靠性，并关系到电气系统的制造、装配质量、调试、操作及维护是否方便。,二、元件配置图的设计与绘制 电气元件布置图是某些电器元件按一定规 则的组合。电器元件布置图的设计依据是部件 原理图（总原理图的一部分）。同一组件中电 器元件的布置应注意： 1）体积大和较重的电器元件应安装在电气 板的下面，而发热元件应安装在电气板的上面. 2）强电弱电分开并注意屏蔽，防止外界干 扰。,3）需要经常维护、检修、调整的电器元件 安装位置不宜过高或过低。 4）电器元件的布置应考虑整齐、美观、对 称。外形尺寸与结构类似的电器安放在一起， 以利加工、安装和配线。 5）电器元件布置不

53、宜过密，要留有一定间 距，若采用板前走线槽配线方式，应适当加大 各排电器的间距，以利布线和维护。,各电器元件的位置确定以后，便可绘制电器布置图。布置图是根据电器元件的外形绘制，并标出各元件间距尺寸。每个电器元件的安装尺寸及其公差范围，应严格按产品手册标准标注，作为底板加工依据，以保证各电器顺利安装。 在电器布置图设计中，还要根据本部件进出线的数量（由部件原理图统计出来）和采用导线规格，选择进出线方式，并选用适当接线端子板或接插件，按一定顺序标上进出线的接线号。,三、电器部件接线图的绘制 电气部件接线图是根据部件电气原理及电 气元件分布图绘制的。它是表示成套装置的连 接关系，是电气安装与查线的依

54、据。接线图应 按以下要求绘制： 1）接线图和接线表的绘制应符合 GB6988 中电气制图接线图和接线表的规定。 2）电气元件按外形绘制，并与布置图一 致，偏差不要太大。,3）所有电气元件及其引线应标注与电器原 理图中相一致的文字符号及接线号。原理图中 的项目代号、端子号及导线号的编制分别应符 合 GB5094电气技术中的项目代号、 GB4026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及 GB4884绝缘导线标记等规定。,4）与电气原理图不同，在接线图中同一电器 元件的各个部分（触头、线圈等）必须画在一 起。 5）电气接线图一律采用细线条，走线方式有 板前走线和板后走线两种，一般采

55、用板前走 线，对于简单电气控制部件，电气元件数量较 少，接线关系不复杂，可直接画出元件间的连 线。但对于复杂部件，电器元件数量多，接线 较复杂的情况，一般是采用走线槽，只要在各 电器元件上标出接线号，不必画出各元件间连 线。,6）接线图中应标出配线用的各种导线的型号，规格、截面积及颜色要求。 7）部件的进出线除大截面导线外，都应经过接线板，不得直接进出。,四、电气箱及非标准零件图的设计 在电气控制比较简单时，控制电器可以附 在生产机械内部，而在控制系统比较复杂，或 生产环境及操作的需要时通常都带有单独的电 器控制箱，以利制造、使用和维护。 电气控制箱设计要考虑以下几方面问题： 1）根据控制面板及箱内各电气部件的尺 寸确定电气箱总体尺寸和结构方式、,2）结构紧凑外形美观，要与生产机械相 匹配，应提出一定装饰要求。 3）根据控制面板及箱内电气部件的安装 尺寸，设计箱内安装支架（采用角铁、槽钢、 扁铁和直接由外壳弯出筋条做固定架，并算出 安装孔或焊接安装螺栓尺寸，或注明采用配作 方式。,4）从方便安装、调整及维修要求，设计其