皮带运输机电气控制系统设计

1、皮带运输机电气控制系统设计任务书一、设计目的通过对皮带运输机电气控制系统设计，使学生初步掌握电气控制系统的设计方 法，以及电气常用元器件的选型；使学生初步具有控制系统主电路、控制电路的 分析和设计方法；同时使学生掌握电气线路原理图的绘制方法，为今后走上工作 岗位应用电气控制基本理论知识奠定良好的基础。二、原始资料某建筑工地采用皮带运输机运送沙料，其工作示意图由下图所示：1）起动时，顺序为3#、2#、1#电动机，并要有一定的时间间隔，以免沙 料在皮带上堆积，造成后面的皮带重载起动（2）电动机的停车顺序为1 #、2#、3 #，且应有一定的时间间隔，以保 证停车后皮带上不残存沙料（3）无论哪台电动机

2、过载，所有电动机必须按顺序停车，以免造成沙料堆积（4）线路应有失压、过载、短路等保护环节三、设计主要内容1、设计主电路2、设计基本控制电路3、设计保护环节，完善控制线路4、对线路工作原理进行分析，最后审查确定线路的可靠性5、完成器件选型摘要:皮带运输机被广泛应用在港口、电厂等生产线，在生产中发挥着越来越重 要的作用.本次设计的皮带运输机基于改善常规生产中出现的种种状况，通过改 进设计将生产要求的安全、可靠、稳定等技术指标进一步提高.皮带运输机核心 部分的控制线路设计尤显重要，对实现皮带运输机的启动、调速、反转和制动等 进行性能控制;实现对拖动系统的保护;满足生产工艺要求;实现生产过程自动化.

3、在完成设计的过程中一直立足于:设计简单，设计、安装、调整、维修方便，价格 低廉，运行可靠.为完善设计和提高设计效率,除了建立必要的数据、符号、标准 元件库外，另采用了CAD、PLC等相关分析和计算软件.对控制线路、电动机的设计 和选择上,通过反复比较和讨论以求获得最优方案.关键词：电气控制系统；主电路；控制线路；保护电路Abstract： Belt conveyor is widely used in port and power plant generating line，in the production plays an increasingly important role. This

4、 belt conveyor design based on the improvement in the conventional production in the various conditions by improving the design requirements of the production will be safe, reliable, stability, and technical indicators have improved further. core part of the belt conveyor control circuit design is p

5、articularly important for achieving the belt conveyor, the start of speed, braking and reverse control, etc. Performance ; to achieve the protection of the drive system; meet production process requirements; production process automation. to complete the design process has been based on: simple desi

6、gn, design, installation, adjustment and maintenance convenience, low prices, reliable operation. for the perfect design and improving the design efficiency, in addition to the establishment of the necessary data, symbols, the standard component library, another by the CAD, PLC, and other related an

7、alysis and calculation software. control lines, motor design and selection, and through repeated comparisons to be discussed Optimal programme. Key words： electric control system； main circuit； control circuit; protection circuit（一）设计对象分析根据设计题目，我们所要设计的皮带运输机电气控制系统应满足以下要求：1、“电动机的起动顺序为3#、2#、1#，并且有一定的时间

8、间隔，以免沙 料在皮带上堆积，造成后面的皮带重载起动”。我们可以利用按扭自锁、继电器 触点等控制电动机的启停，使用时间继电器控制一定的时间间隔，让电动机按先 后顺序启动。2、“电动机的停车顺序为1 #、2#、3 #，且应有一定的时间间隔，以 保证停车后皮带上不残存沙料”。由于停止顺序与开始顺序要求相反，所以我们 同样可以通过时间继电器来控制，只是时间继电器的控制顺序相反而已。3、“无论哪台电动机过载，所有电动机必须按顺序停车，以免造成沙料堆积。 为了达到此目的我们将FR1，FR2, FR3三个过载保护器件与开关串联在一条线路 上，无论哪台电动机过载，都可使得相当于开关断开，达到按照预先安排的1

9、#， 2#，3#的电机顺序停止。4、“线路应有失压、过载、短路等保护环节。”我们用熔断器实现短路保护； 热继电器FR实现过载保护；而失压保护是指电动机自动的保护，我们利用电压 继电器实现失压保护，即自锁控制。总而言之，我们根据题目的要求，选取相对应的器件，手动或自动地接通或 断开电路，断续或连接地改变电路参数，一实现该电路的切换，控制，保护，检 测，变换和调节。（二）系统程序流程图根据对设计题目的分析，我们得出该系统的运行方式：按下启动按钮后，电 动机M3最先启动，经过一定时间的延时后，电动机M2启动，再过一定时间，电 动机电动机M1启动，系统启动完毕，在正常运行情况下，电动机的停车顺序为 M

10、1、M2、M3,且应有一定的时间间隔，以保证停车后皮带上不残存沙料。在运行 过程中若发生异常情况，如过载等，系统立刻按M1、M2、M3的顺序停车，以保 证系统的安全。具体的流程图如下图所示：系统运行流程图（三）、本文所用的电气图符号说明如下：1、图形符号根据GB4728电器图用图形符号2、文字符号根据GB7159-87的规定，文字符号分为基本文字符号（单字母或双字母）、 辅助文字符号和附加文字符号。（1）、基本文字符号单字母符号：按拉丁字母将各种电器设备装置和元器件划分为23大类，每 一类用一个专用单字母符号表示。如：“T”表示变压器；“K”表示继电器、接触器；“R”表示电阻器。双字母符号：由

11、一个表示种类的单字母和另一个按有关电器术语国家标准或 专业标准中规定的英文术语缩写而成的字母组成。如：“KT”表示是继电器，其中“K”表示继电器、“T”表示时间；TA一电 流互感器；TV一电压互感器；TC一控制变压器；TM一电力变压器。（2）、辅助文字符号表示电器设备、装置和元器件及线路的功能、状态、特征。（3）、补充文字符号的原则3、接线端子标记接线端子用字母数字符号标记三相交流电源引入线：L1、L2、L3、N、PE直流电源正、负、中间线：L+、L-、M三相动力电器引出线：U、V、W三相感应电动机绕组首端：UVW1三相感应电动机绕组尾端：U2、七、W2三相感应电动机绕组中间抽头：U3、匕、W

12、3对于数台电动机，在字母前冠以数字来区别：M11U、1V、1W； M22U、2V、2W控制电路各线号采用数字标志具体设计1、主电路设计(1)全压启动主电路图1全压启动主电路电路说明:在图1所示的电气线路的主电路中，主拖动电动机M 1、M2、M3电路分别由KM1、KM2、KM3的主触点和隔离开关QS、熔断器FU、热继电器FR的热元 件组成，属于全压启动方式。（2）降压启动主电路电路说明:在电动机起动工程中，常在三相定子电路中串接电阻（电抗）来降低定子绕 组上的电压，使电动机在降低了的电压下起动，以达到限制起动电流的目的。一 旦电动机转速接近额定值时，切除串联电阻（电抗），使电动机进入全电压正常

13、运行。这种线路的设计思想，通常都是采用时间原则按时切除起动时串入的电阻 （电抗），以完成起动过程。在具体线路中可采用人工手动控制或时间继电器自 动控制来加以实现。具体线路如图4所示。上图仅仅是对主电路中其中一个电机的降压控制电路。其他两个电机的降压 启动电路与上同，为了控制电路清晰明了而没有将该电路加到主控制电路 图6、图7中。入、手动控制运行方式图3为手动控制线路。其工作原理为：闭合电源开关QS；按起动按钮SB :2接触器KM1线圈得电，主触点KM1闭合，电动机M 1串入电阻R1起动，接触器KM 1 的常开辅助触点闭合自锁，即使释放sb2，电动机仍然为降压起动运行状态。当 电动机转速接近额定

14、值时，再按SB3:接触器KM4得电，其常开辅助触点闭合自 锁，常开主触点闭合，切除电阻R，使电动机进入正常全压运行，即降压起动过 程结束。按停止按钮SB1:接触器KM1、KM4失电，电动机M1停止运行。B、自动控制运行方式在上诉手动控制线路中，短接电阻的时间要由操作者估计，不容易掌握。如 果把时间估计得过长，起动过程变慢，影响劳动生产率；如果把时间估计得太短， 过早按下sb3，将会引起过大的换接冲击电流，导致电压波动。因此，在生产设 备上采用时间继电器来自动切除电阻。时间继电器的延时可以较为准确的整定。 整定动作时间就是电动机降压起动时间，不会出现过大的换接冲击电流，操作方 便，但需多用一个时

15、间继电器。串电阻降压起动自动控制线路如图4所示。线路工作原理：按起动按钮SB2 :接触器KM1线圈得电，KM1的常开辅助触点闭合自锁，常 开主触点闭合，电动机M 1串入电阻R1起动。在按下SB2的同时，时间继电器KT4 线圈也得电。经一定延时，其常开触点闭合，接触器KM4得电，KM4得主触点 闭合，短接电阻R，使电动机进入全电压下运行，降压起动过程结束。按停止按 1钮SB1 :切断KM1、KM4及K孔线圈电源电路，使电动机停转。这时主电路和控 制电路都恢复了常态，为下次降压起动作好了准备。串电阻降压起动的优点是控制线路结构简单，成本低，动作可靠，提高了功 率因素，有利于保证电网质量。适用于要求

16、起动平稳的中小容量电动机以及起动 不频繁的场合。（3）两种主电路的对比分析异步电动机采用全压直接起动时，控制线路简单，维修工作量较少。但是， 并不是所有异步电动机在任何情况下都可以采用全压起动的。这是因为异步电动 机的全压起动电流一般可达额定电流的47倍。过大的起动电流会降低电动机寿 命，致使变压器二次电压大幅度下降，减小电动机本身的起动转矩，甚至使电动 机根本无法起动，还要影响同一供电网路中其他设备的正常工作。一般规定，电 动机容量在10KW以下者，可直接起动。10KW以上的异步电动机是否允许直接起 动，要根据电动机容量和电源变压器容量的比值来确定。对于给定容量的电动机， 一般用下面的经验公

17、式来估计：式（1）七 3 *电源变压器容量（KVA） T 4 + 4 x电动机容量（KVA）e式中Iq电动机全电压起动电流（A）Ie电动机额定电流（A）若计算结果满足上述经验公式，一般可以全压起动，否则不予全压起动， 应考虑采用降压起动。有时，为了限制和减少起动转矩对机械设备的冲击作用， 允许全压起动的电动机，也多采用降压起动方式。以限制起动电流（一般降低电 压后的起动电流为电动机额定电流的23倍），减小供电干线的电压降落，保障 各个用户的电气设备正常运行。2、控制电路设计方案一：图5 控制电路电路启动说明:起动：按照顺序为3#、2#、1#电动机依次启动：按下启动按钮SB2，接触器KM3得电，

18、其常开触点闭合，常闭触点断开，电 动机M3启动运行，同时时间继电器KT1得电，其常开触电经一定延时后闭合， 接触器KM2得电，其常开触点闭合，常闭触点断开，电动机M2启动运行，同时 时间继电器KT2得电，其常开触电经一定延时后闭合，接触器KM3得电，其常开 触点闭合，常闭触点断开，电动机M1启动运行。停止：手动停车，停车顺序为1 #、2#、3 #:按下停止按钮SB1，中间继电器KA得电，其常闭触点断开，接触器KM1失 电，其常开触点断开，常闭触点吸合，电动机M1断电停止运行。同时时间继电 器KT3得电，其常闭触点延时断开导致接触器KM2失电，电动机M2断电而停止 运行。同时KT3常开触点延时闭

19、合，时间继电器KT4得电，其常闭触点延时断开， KM3失电，其常开触点断开，电动机M3断电停止运行。优点：可以较为有效实现控制，可以实现过载、欠压等保护缺点：用了过多得时间继电器，不够经济 万案一：KMl电路启动说明:起动：按照顺序为3#、2#、1#电动机依次启动当按下SB2,继电器KT1得电动作，触点KT1闭合，形成自锁并且使中间继 电器KA得电动作，使触点KA闭合；继电器KM3得电动作，电机M3延时运行， 触点KM3闭合形成自锁；同时时间继电器KT2得电，KM3支路上的延时断开触 电闭合，延时闭合触点KT2延时闭合，使继电器KM2得电，电机M2延时运行， 触点KM2闭合形成自锁；同时使时间

20、继电器KT2失电，并且使时间继电器KT3 得电动作，KM2支路上的延时断开触点KT3闭合，同时延时闭合触点KT3延时闭 合，使继电器KM1得电动作，电机M1延时启动，触点KM1断开，KT3失电，相 应触点动作。停止：手动停车，停车顺序为1 #、2#、3 #按下SB1，时间继电器KT1失电，KT1触点断开，使继电器KM1失电，电机 M1失电停止运行，触点KM1闭合；使时间继电器KT3失电，触点KT3延时断开， 使继电器KM2失电，电机M2经过KT3的延时后停止；KM2闭合，使时间继电器 KT2得电，延时断开触点KT2断开，使电机M3经过延时后停止。此时KA支路上 的触点全部断开，使中间继电器KA

21、失电，触点KA断开，而达到控制支路全部断 电的目的。在控制电路中，在关闭以前，时间继电器KT1 一直得电；中间继电器KA在 整个控制电路失电以前一直运行。优点:控制电路在实现相应功能与保护的同时，时间继电器运用比较少，并且 进行了双向运用，经济实用。缺点：电路在运行复杂，难以分析，对时间继电器的通断要求较高，否则容易 出现寄生电路。时间继电器KT1与中间继电器KA 一直得电，使器件寿命缩短。3、保护环节设计：过载保护对于方法一来说当任意一台电机发生过载情况，热继电器FU常闭触点断开， 导致KM1失电电动机M1断电停止运行。同时时间继电器KT5得电，其常闭触点 延时断开导致接触器KM2失电，电动

22、机M2断电而停止运行。同时KT5常开触点 延时闭合，时间继电器KT6得电，其常闭触点延时断开，KM3失电，其常开触点 断开，电动机M3断电停止运行。对于方法二来说为了在过载保护中达到顺序的关机，所以使过载保护FR1、 FR2、FR3的功能与开关SB1相同。对于过载保护也可以通过在主电路上接入电流检测器,通过对电流的检测与 给定最大额定电流的比较来判断电机是否过载。将比较后的信号与控制电路中过 载保护触点相连来达到过载保护。（2）欠压和失压保护当电动机三相电源中有任意一相断电时，如果电动机为Y接，则其中性点（中点） 电压将显著提高。因此，中点电压可用作断相故障的信号。如图7所示图7 失压保护电路

23、电路用电压继电器作保护器件。当某相断线（如熔丝FUl熔断）后，接在中点 的继电器KV动作，切断KM的控制回路，电动机M停车。该保护电路适用于0.6 55kW电动机。同时在控制线路中还可通过接触器的KM的自锁触电来实现欠压和失压保护。在电动机正常运行中，由于某种原因使电网电压消失或降低，当电压低于接 触器线圈的释放电压时，接触器释放，自锁触电断开，同时主触点断开，切断电 动机电源，电动机停转。如果电源电压恢复正常，由于自锁解除，电动机不会自 行起动，避免了意外事故发生。从控制系统设计的一般要求进一步分析我们的方案以确定最好的方案：（1）、为保证电气控制电路可靠的工作，我们从以下几方面考虑：、电路

24、元件应完好无损且符合质量要求，工作稳定可靠，符合使用环境条 件，电器元件动作时间的配合不致引起竞争。、电器元件的线圈和触点的连接符合GB5226-85的规定：每个电磁动作 器件的线圈、信号灯或向信号灯供电的变压器的一次线圈，必须连接在控制电路 接地的一边，各个器件的触点应接在线圈和控制电路的另一边之间。、在实际连接时，应注意以下几点：a）正确连按电器的电磁线圈。交流电压线圈通常不能串联使用。b）合理安排电器元件及触点位置。c）防止出现寄生电路。寄生电路是指在电气控制电路动作过程中，意外接通的电路。图8存在寄生电路的控制电路、尽量减少连接导线的数量，缩短连接导线的长度。、电气控制电路工作时，应尽

25、量减少通电电器数量，以减少故障可能性并 节约电能。、在电路中采用小容量的继电器触点来断开与接通大容量接触器线圈时， 要分析触点容量大小，如若不够，必须加大继电器容量或增加中间继电器，否则 工作不可靠。（2）、具有必要的保护环节完善的保护环节包括过载、短路、过流、过压、欠压、失压等保护环节，有 时还应没有合闸、断开、事故等必需的指示信号。（3）、操作和维修方便（4）、控制电路力求简单、经济在本电气设计系统中方法一和方法二都满足生产机械的加工工艺要求。方法 二中，导线的数量，线路的触点比较多，电器的数量用的也多，电路复杂，操作 和维护起来不是很方便，但是相对与方法一而言，它用的时间继电器比较少，时

26、 间继电器在总个电路中是比较昂贵的器件，方法二节约了成本，投资少。5、电路器件选型皮带运输机JZA-S-P系列皮带运输机专用节电器，采用最新的集成芯片控制技术，通 过监控皮带运输机的运行参数来动态的调整供给电机的电能，使皮带运输机始终 在最佳效率状态下工作，为皮带运输机与供电电网之间实现“智能化”的能量供 给提供一个自动化平台。当检测到皮带运输机轻载或负载不断变化时，通过功率 模块（SCR）在0.01S调整输入到皮带运输机的有功功率，使皮带运输机的输出功 率与实时负载刚好匹配，从而减少皮带运输机的运行电流与电压及铁损、铜损， 达到节能的目的。节电器主要技术参数如下：电压、频率：AC380V 5

27、0Hz 2、工作环境及温度：一35C 55C通风良好，相对湿度0-85%不结露3、软启动时间：0-60s可调4、绝缘等级:电源、控制回路、外壳之间耐压M2.5Kv 5、有功节电率：20%52%(视皮带运 输机负载率及设备运行状况而定)6、控制系统：电子控制线路，微处理器(MCU)控制7、保护系统：过流、过压、缺相保护(可选)8、安全旁路：手动、自动旁路(可选)9、冷却方式： 22KW以下自然风冷，22KW以上强制风冷节电器的适用对象：可广泛应用于任何不需要调节转速的皮带运输机，对处于轻载或负载变化较 大状态下运行的皮带运输机具有很好的节能效果，可以有效解决“大马拉小车” 状态下运行的电机造成的

28、浪费，亦可用在高性能的交流感应电机的控制系统上， 并提供一个极佳的软启动和软停车功效。型号：JZA-3-S-PJZA-280-S-P额定功率：3KW280KW额定电流：3*7A3*560A热继电器热继电器主要用于电动机的过载保护，因此必须了解电动机的工作环境、 起动情况，负载性质、工作制及允许的过载能力。热继电器的正确选用与电动机的工作制密切相关，皮带运输机属于长期工作或间 断长期工作制，可以根据以下来分析选用热继电器：根据电动机起动时间，选取6In下具有相应可返回时间的热继电器。热 继电器的可返回时间与动作时间有下列关系：t1=(0.5-0.7)t2式(2)式中，t1为热继电器在6In下可返

29、回时间(s)； t2为热继电器在6In下动作 时间.而t2值可在热继电器安秒特性上查出。热继电器整定电流范围的中间值为电动机的额定工作电流。使用前热继 电器的旋钮应调到该额定值，否则将不能起到保护作用。用热继电器作断相保护时的选用。对于Y联结电动机，只要选用正确、 调整合理；停用一般不带断相保护的三相热继电器是能反应一相断线后的过载， 对断相运行能起保护作用的.（4）三相与两相热继电器的选用。在一般故障情况下，两相热继电器与三相 热继电器具有相同的保护效果。但在下述情况下不宜选用两相热继电器如：电动 机定子绕组一相断线；多台电动机的功率差别比较显著；电源电压显著不平衡;Y-D（或D-Y）联结的

30、电源变压举一次侧断线。熔断器熔断器的选择主要包括熔断器类型、额定电压、熔断器额定电流与熔体额定 电流的确定。（一）熔断器类型与额定电压选择根据负载保护特性和短路电流大小、各类熔断器的适用范围采选用熔断器的 类型。根据被保护电路的电压来决定熔断器的额定电压。（二）熔体与熔断器额定电流的确定熔体额定电流大小与负载大小、负线性质有关。对于负载平稳、无冲击电流， 如一般照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流。对于有冲 击电流的电动机负载为达到短路保护目的，又保证电动机正常起动，对笼型感应 电动机其熔断器熔体的额定电流为：I = （1.5 2.5）I式（3）式中，Inr为熔体额定电流（A

31、）;Inm为电动机额定电流（A）。多合电动机共用一个熔断器保护1优偿2.5）/_+Z Im式轻载起动及起动时间较短时，式中系数取1.5,重载起动及起动时间较长时， 取2.5。熔断器的额定电流大于或等于熔体额定电流。（五）设计总结：为期两周的综合设计已经结束，在这两周的时间里，我小组七名成员先后查 阅和学习了大量资料，在对已学知识进行巩固和运用的同时，也学到了许多新的 知识，收获颇多。在本次综合设计中，控制线路的设计最为重要，尽管要求完成的设计较简单, 但是为了达到控制线路简单可靠，可操作性强等优点，我们先后画了多张草图，提 出了多种设计方案，然后通过成员们集体讨论，挑选出最优、最合理的设计方案. 电机选择作为次重要的内容，我们结合课本给出的电机型号，通过网络查找到市 场上的主流产品，并没有片面追求控制精度很高的电机,那样会增加生产成本，并 且不利于维修.挑选出的该电机型号适合普通工矿企业生产，具有安全、可靠、稳 定运行好等基本特点。经过本次课程设计锻炼了我们运用知识，理论联系实际的 能力，而且首次涉及到电器选型这方面，让我