电机与电气控制第7章

1、第7章 电气控制系统设计 第7章 电气控制系统设计 7.1 电气控制设计的一般原则和基本内容电气控制设计的一般原则和基本内容 7.2 电气控制系统设计的一般步骤电气控制系统设计的一般步骤 7.3 电气控制电路的设计电气控制电路的设计 7.4 电气元件布置图与接线图的设计电气元件布置图与接线图的设计 第7章 电气控制系统设计 7.1 电气控制设计的一般原则和基本内容电气控制设计的一般原则和基本内容7.1.1 7.1.1 电气控制设计的一般原则电气控制设计的一般原则在电气控制系统的设计过程中，通常应遵守以下几个原则： 最大限度原则，即要最大限度地满足控制设备对电气控制的要求。对控制设备的控制要求是

2、由相关专业人员从他们的专业角度提出的， 这也是对电气控制系统设计的主要依据，这些要求常常以工作循环图、执行元件动作节拍表、检测元件状态表等形式提供，对于有调速要求的场合，还应给出调速技术指标。其他如起动、转向、制动、照明、保护以及与BAS、FAS系统的接口等要求， 应根据具体需要充分考虑。 第7章 电气控制系统设计 简单、经济原则，即在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不宜盲目追求自动化和高指标。 合理选用原则， 即要正确合理地选用各种电器元件。 安全可靠原则， 即要确保使用安全、 可靠。 实用原则， 即造型美观、 使用维护方便。 第7章 电气控制系统设计 7.1.2 电气控制设计

3、的基本任务与内容电气控制设计的基本任务与内容 1. 1. 原理设计的内容原理设计的内容(1) 拟定电气设计任务书。 (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， 拟定部分技术要求。 (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， 制定元器件目录清单。 (7) 编写设计说明书。 第7章 电气控制系统设计 2. 2. 工艺设计的内容工艺设计的内容(1) 根据设计的原理图及选定的电器元件，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

4、图或划分的组件，对总原理图进行编号， 绘制各组件原理图，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（电器元件布置与安装图）和接线图。 第7章 电气控制系统设计 (4) 根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准电器安装零件图纸，标明技术要求。 (5) 设计电气箱。根据组件尺寸及安装要求确定电气箱结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热以及开门方式。在电气箱设计中，应注意操作、维护方便与造型美观。 (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

5、、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。 第7章 电气控制系统设计 7.2 电气控制系统设计的一般步骤电气控制系统设计的一般步骤 7.2.1 7.2.1 电力拖动方案的确定电力拖动方案的确定电力拖动方案是指根据机械设备的结构，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条件去确定电动机的类型、数量、传动方式以及电动机起动、 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。 例如，在研制某些高效率专用加工机床时，可以采用交流拖动也可以采用直流拖动，可以采用集中拖动，也可以采用单独分散拖动，要根据以上各方面因素综合考虑、比较， 做

6、出选择。 第7章 电气控制系统设计 1 1 拖动方式的选择拖动方式的选择电力拖动方式有单独拖动与集中拖动两种。电力传动发展的趋势是电动机逐步接近工作机构，形成多电动机的拖动方式， 如有些机床，除必需的内在联系外，主轴、刀架、工作台及其它辅助运动机构都分别由单独的电动机拖动，这样不仅缩短了机械传动链，提高了传动效率，便于实现自动控制，而且还可使机床总体结构得到简化。在具体选择时，应根据工艺及结构具体情况决定电动机数量。 第7章 电气控制系统设计 2 2调速方案的选择调速方案的选择一般金属切削机床的主运动和进给运动都要求具有一定的调速范围。为此，可采用齿轮变换调速、 液压调速、 双速或多速电动机及

7、电气的无级调速等。 在选择调速方案时， 可从以下几点考虑： （1） 重型或大型设备的主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。这有利于简化机械结构，减小齿轮箱体积，降低制造成本，提高机床效率。 （2）精密机械设备如坐标镗床、精密磨床、数控机床等， 为保证加工精度，便于自动控制，应采用电气无级调速。 第7章 电气控制系统设计 （3） 一般中小型设备如普通机床，在没有特殊要求时， 可选用经济、简单、可靠的三相笼型感应电动机，因为这种电动机结构简单、运行可靠、价格经济、维护方便， 配以适当级数的齿轮变速箱，便能满足一般机床的调速要求。有时为简化结构、 扩大调速范围，也可采用双速或多速笼型感应电动机。

8、在选用笼型感应电动机的额定转速时，应满足工艺条件要求，选用二极、四极或更低的同步转速，以便简化机械传动链， 降低齿轮减速箱的制造成本。 第7章 电气控制系统设计 3 电动机调速性质的确定电动机调速性质的确定机械设备中的各个工作机构具有各自不同的负载特性， 如机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。 选择电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应，以使电动机获得充分合理的使用，如双速笼型感应电动机，当定子绕组由三角形连接改成双星形连接时， 转速增加一倍，功率却增加很少，它适用于恒功率传动；对于低速、星形连接的双速电动机，改成双星形连接后，转速和功率都增加一倍，而电动机所输出的转矩却保

9、持不变，它适用于恒转矩传动。 第7章 电气控制系统设计 7.2.2 7.2.2 电动机的选择电动机的选择拖动方案确定后，下一步就要确定拖动用的电动机了， 选择电动机主要是确定其种类、结构型式、 电动机额定转速和额定功率(容量)等， 但主要是容量的选择。 电动机选择的基本原则、 方法和具体要求在本书6.1节已讲过，这里不再重复。 第7章 电气控制系统设计 7.2.3 7.2.3 电气控制方案的确定电气控制方案的确定拖动方案及拖动电动机确定之后，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了。 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

10、断提高，机械设备电力拖动的控制方式发生了深刻的变革，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，系统复杂程度差异也很大。因此， 合理选择电气控制方案是可靠、经济、简便地实现工艺要求的重要步骤。 第7章 电气控制系统设计 选择控制方案时应遵循以下原则： (1) 控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应： 以金属切削机床为例，对于一般普通机床和专用机床， 其工作程序往往是固定的，使用中并不需要经常改变原有的程序。 因此，可采用继电接触器控制系统，其控制电路在结构上接成固定式的。对于万能机床，

11、为了适应不同工艺过程的需要， 其工作程序往往需要在一定范围内加以更改，在这种情况下， 宜采用可编程序控制器控制。 第7章 电气控制系统设计 在机床自动线中，可根据控制要求和联锁条件的复杂程度，采用分散控制或集中控制的方式。但是各台单机的控制方案和基本控制环节应尽量一致，以简化设计和制造过程。 数控机床具有较好的通用性和灵活性，可以保证产品质量，提高生产率，降低成本，因而获得了广泛的应用。 微处理机已进入机床、自动线、机械手的控制领域， 且发展迅猛，已引起电气设计者的高度重视。 第7章 电气控制系统设计 (2) 控制系统的工作方式：应在经济、安全的前提下， 最大限度满足工艺要求。作为控制方案，应

12、采用自动循环或半自动循环；应具有手动调整、动作程序的变更及有关检测功能；应考虑各个运动之间的联锁、各种保护、故障诊断、 信号指示、照明及操作方便等问题。 第7章 电气控制系统设计 (3) 控制电路的电源：当控制系统所用电器数量较多时， 可采用直流低压供电。简单的控制回路可直接由电网供电， 当控制电器较多，线路分支较复杂，可靠性要求较高时， 可采用控制变压器隔离并降压。 第7章 电气控制系统设计 7.2.4 7.2.4 控制原理图的设计控制原理图的设计控制方式确定以后，就可以根据控制要求和生产工艺设计电气控制原理图了，其内容包括主电路和控制电路的设计。 设计方法有分析设计法与逻辑设计法。 第7章

13、 电气控制系统设计 7.2.5 电气元件的选择电气元件的选择 1. 1. 电器元件选择的基本原则电器元件选择的基本原则（1） 根据对控制元件功能的要求，确定电器元件的类型。 例如，当用于通断功率较大的主电路时，应选交流接触器。 （2） 确定元器件的额定承载能力和使用寿命。主要根据电器控制的电压、电流和功率大小确定元件的规格。 （3） 确定元器件的工作环境和以后的供应情况。 （4） 确定元器件在工作时的可靠性。 第7章 电气控制系统设计 2 2 合理选择元器件合理选择元器件根据电器控制原理图合理选择元器件， 编制元器件目录清单。 详细内容见本书第4章。 第7章 电气控制系统设计 7.3 电气控制

14、电路的设计电气控制电路的设计 7.3.1 7.3.1 电气原理图设计中应注意的问题电气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，在控制线路比较简单的情况下，可直接采用电网电压，即交流220V、380V供电，以省去控制变压器。 当控制系统所用电器数量比较多时，应采用控制变压器降低控制电压， 或用直流低电压控制，既节省安装空间，又便于采用晶体管无触点器件，具有动作平衡可靠、检修操作安全等优点。对于微机控制系统，应注意弱电控制与强电源之间的隔离， 不能共用零线，以免引起电源干扰。照明、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

15、71所示。 第7章 电气控制系统设计 表表7-1 常用控制电压等级常用控制电压等级 第7章 电气控制系统设计 (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，尽可能选用性能优良、价格便宜的新型器件， 同一用途尽可能选用相同型号。电气控制系统的先进性总是与电器元件的不断发展、更新紧密联系在一起的，因此，设计人员必须密切关注电机、电器技术、电子技术的新发展，不断收集新产品资料，以便及时应用于控制系统设计中，使控制线路在技术指标、 稳定性、 可靠性等方面得到进一步提高。 第7章 电气控制系统设计 (3) 正常工作中，尽可能减少通电电器的数量，以利节能，延长电器元件寿命以及减少故障。 (

16、4) 合理使用电器触点。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， 使用的触点也多， 线路设计时应注意： 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、辅触点数量是有一定限制的。设计时应注意尽可能减少触点使用数量， 如图7-1中()图比()图就节省一对触点。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。 第7章 电气控制系统设计 图7-1 减少触点使用数量 第7章 电气控制系统设计 触点容量是否满足控制要求，避免因使用不当而出现触点烧坏、粘滞和释放不了的故障，要合理安排接触器主、 副触点的位置，避

17、免用小容量继电器触点去切断大容量负载。 总之，要计算触点通断能力是否满足被控制负载的要求， 以保证触点的工作寿命和可靠性。 第7章 电气控制系统设计 (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， 即使是两个同型号的电压线圈也不能串联使用，以免电压分配不匀引起工作不可靠，如图7-2所示。 对于电感较大的电器线圈，如电磁阀、电磁铁或直流电机励磁线圈等，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。 第7章 电气控制系统设计 图7-2 线圈连接 第7章 电气控制系统设计 合理安排电器元件及触点位置。对于一个

18、串联回路， 各电器元件或触点位置互换，并不影响其工作，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7-3所示的两种接法，两者工作原理相同，但是采用图7-3(a)的接法既不安全又浪费线。因为限位开关SQ的常开、常闭触点靠得很近， 在触点断开时，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四根线，很不合理，图7-3(b)的所示的接法比较合理。 第7章 电气控制系统设计 图7-3 合理安排触点位置 第7章 电气控制系统设计 注意避免出现寄生回路。 在控制电路的动作过程中出现的不是由于误操作而产生的意外接通的电路， 称为寄生回路。图7-4所示为电动机可逆运行控制线路，

19、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采用图中所示的接法，正常情况下线路能完成启动、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7-4中虚线所示的寄生回路， 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，则可避免产生寄生回路。 第7章 电气控制系统设计 图7-4 寄生回路 第7章 电气控制系统设计 (6) 尽可能提高电路工作的可靠性、 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的竞争。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

20、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, 这种现象称为电路的“竞争”。另外，对于开关电路， 由于电路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， 我们称这种现象为“冒险”。 第7章 电气控制系统设计 “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。通常我们分析控制回路的电器动作及触点的接通和断开都是静态分析，没有考虑其动作时间。实际上，由于电磁线圈的电磁惯性、 机械惯性、 机械位移量等因素， 通、 断之间存在一定的时间（几十毫秒到几百毫秒），是电器元件固有因素，它不同于因控制需要人为设置的延时，前者的延时通常是不可调的，而后

21、者的延时是可调的。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配合的方法。例如用时间图来分析执行元件的动作可靠性。 第7章 电气控制系统设计 图7-5 时间图 第7章 电气控制系统设计 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。如图7-5所示，用点1到点2的斜线表示线圈是通电的， 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， 以斜线34表示。 在这段时间， 线圈已断电， 但触点仍闭合，到点4时刻触点才断开。 图中点13阴影部分为线圈通电时间，点24为触点闭合时间，只有水平线23为线圈通电而触点

22、也闭合时间。这种电器动作过程与时间的关系图称为时间图。 第7章 电气控制系统设计 误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。 第7章 电气控制系统设计 (7) 线路设计要考虑操作、使用、调试和维修的方便。 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， 考虑到运动机构修理所必要的单机点动、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， 等等。 第7章 电气控制系统设计 (8) 原理图绘制应符合国家有关标准规定。 其中包

23、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电气技术中项目代号的规定。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、控制流程等表示在图面上，也可以在控制电路的每一支路边上标出控制目的。 第7章 电气控制系统设计 7.3.2 7.3.2 电气原理图的设计方法电气原理图的设计方法1. 1. 经验设计法经验设计法经验设计法又称为分析设计法，是根据生产工艺的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

24、熟电路， 按各部分的联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的方法。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地组合与变换，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。 第7章 电气控制系统设计 经验设计法的特点是无固定的设计程序，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，因此在电气设计中被普遍采用。其缺点是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

25、可靠性。 第7章 电气控制系统设计 2 2 逻辑设计法逻辑设计法逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设计的方法，即根据机械设备的拖动要求及工艺要求， 将执行元件需要的工作信号以及主令电器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， 即能获得需要的控制线路。 第7章 电气控制系统设计 采用逻辑设计法能获得理想、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

26、内在规律，在设计复杂控制线路时，更能显示出它的优点。 任何控制线路，控制对象与控制条件之间都可以用逻辑函数式来表示，所以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控制元件的关系能一目了然，不会读错和遗漏。 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。 第7章 电气控制系统设计 7.3.3 7.3.3 设计举例设计举例下面以热循环泵的电气控制设计为例来进一步说明经验设计法和逻辑设计法。热循环泵是用来为民用建筑内的洗澡、 洗脸和食堂洗涤等提供热水的电气设备。由于建筑内不同的地方需要的热水温度是不一样的，

27、如洗澡用水一般不低于60， 洗脸用水较低，一般为30，因此热循环泵提供的热水温度应有一定的范围，一般其供水出口的温度在5565，也就是要求热循环泵55起泵，65停泵。热循环泵的拖动电机一般采用10 kW以下的笼型电动机，对其电气控制的主要要求是： 第7章 电气控制系统设计 (1) 电动机一般采用三相笼型异步电动机拖动，单方向运行；电动机容量通常在10 kW以下。 (2) 控制电路具有手动和自动两种控制方式。设置手动控制的目的主要是便于检修和维护。自动控制采用温度控制， 应在55起泵，65停泵。 (3) 控制电路应能提供控制系统的运行状态信号。 (4) 必要的电气保护措施，如主电路与控制电路的过

28、电流保护、 电动机的过载保护等。 第7章 电气控制系统设计 1 1 主电路的设计主电路的设计(1) 由于电动机单向运行，因此采用一个接触器KM控制电动机M的启动。 (2) 在控制电路中用热继电器FR实现电动机的过载保护。 采用断路器QF供电，并实现其短路保护。 根据以上两点可绘制出如图7-6所示的主电路。 (3) 加上必要的电气保护措施， 如主电路与控制电路的过电流保护、电动机的过载保护等。 第7章 电气控制系统设计 图7-6 热循环泵电气控制电路草图1 第7章 电气控制系统设计 2 2 控制电路的设计控制电路的设计1) 分析设计法(1) 根据控制要求有自动和手动控制，采用选择开关实现其转换，

29、 手动采用按钮控制，可采用按钮控制单向旋转、 连续运行的基本控制环节，如图7-6所示。 (2) 热循环泵根据温度的高低信号自动地启动和停止， 因此需要一个检测温度信号的传感器，由于要求55起泵， 65停泵，因此所需的温度信号是一个两位信号，所以采用具有电触头的温度计ST。 第7章 电气控制系统设计 温度计ST有一个温度控制范围，当温度达到温度计设定温度范围的上限时，ST的电触头动作，其常开触头闭合，常闭触头断开；当温度达到温度计设定温度范围的下限时，ST的常开触头断开， 常闭触头闭合。ST的常闭触头接通中间继电器KA， 再由中间继电器的常开触头控制接触器KM的断开。对接触器来讲， 实际上是由手

30、动和自动两条路并联控制，由选择开关转换， 如图7-7所示。 第7章 电气控制系统设计 图7-7 热循环泵电气控制电路草图2 第7章 电气控制系统设计 (3) 根据控制要求，设置一个电源指示灯HLG、自动位置指示灯HLW及热循环泵工作指示灯HLR，当接通电源而热循环泵不工作时，HLG亮。而热循环泵开始工作时，KM通电，使HLG灭， HLR亮。当选择开关放在自动位置时，HLW亮，故设计出如图7-8所示的控制线路。 第7章 电气控制系统设计 图7-8 热循环泵电气控制电路图 第7章 电气控制系统设计 2） 逻辑设计法根据控制要求，当启动按钮SB2动作且停止按钮SB1不动作时，或选择开关处于接通时，电

31、动机都可启动，即接触器KM通电。因此，可列出控制元件与执行元件的动作状态表如表7-1所示。表中，“0”表示不通电或不动作状态， “1”表示通电或动作状态。 第7章 电气控制系统设计 表表7-2 7-2 控制元件与执行元控制元件与执行元件的动作状态表件的动作状态表 第7章 电气控制系统设计 根据状态表可知SB1、SB2、ST的状态共有8种，其中5种状态下KM会接通，即KM状态为“1”。这5种状态分别是001、010、 011、101、111，因此可写出KM的逻辑代数式，并进行化简： STSBSBSTSBSBSBSTSBSTSB)SBST(SBSTSBSBSTSBSBSTSBST)ST(SBSTS

32、B(SBST)SBSTSB(SBST)SBSTSBSTSB(SBSTSBSBSTSBSBSTSBSBSTSBSBSTSBSBKM2112111211221122122122212121212121第7章 电气控制系统设计 图7-9 控制电路 第7章 电气控制系统设计 7.4 电气元件布置图与接线图的设计电气元件布置图与接线图的设计 7.4.1 电气设备总体配置设计电气设备总体配置设计 1 1 组件的划分原则组件的划分原则（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、 弱电控制电器分离， 以减少干扰。 （4） 力求整齐美观， 外形尺寸、 重量相近的电器组合在一起。 （5） 便于检查与调试， 需经常调节、 维护的元件和易损元件组合在一起。 第7章 电气控制系统设计 2 2 电气控制设备的各部分及组件之间的接线方式电气控制设备的各部分及组件之间的接线方式 （1） 电器板、控制板、机床电器的进出线一般采用接