第四章 电气控制系统设计(改)

第四章电气控制系统设计

第一节电气控制设计的原则、内容和程序第二节电力拖动方案的确定和电动机的选择第三节电气原理图设计的步骤与方法第四节常用控制电器的选择第五节电气控制工艺设计1/16/2023为电气控制装置本身的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产工艺设计。电气控制设计包括：1、电气原理图设计为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制设计。2、电气工艺设计1/16/2023第一节电气控制设计的原则、内容和程序一、电气控制设计的一般原则1）最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求，这些生产工艺要求是电气控制设计的依据。2）在满足控制要求前提下，设计方案力求简单、经济、合理，不要盲目追求自动化和高指标。1/16/20233）正确、合理地选用电器元件，确保控制系统安全可靠地工作。4）为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能力留有适当裕量。1/16/2023二、电气控制设计的基本任务和内容

电气控制系统设计的基本内容是根据控制要求，设计和编制出电气设备制造和使用维修中必备的图样和资料等。包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。1/16/2023（一）电气原理图设计内容1）拟定电气设计任务书

2）选择电气拖动方案和控制方式3）确定电动机类型、型号、容量、转速4）设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟订各部分技术指标与要求5）设计并绘制电气控制原理图，计算主要技术参数6）选择电气元件，制定元件目录清单7）编写设计说明书1/16/2023（二）电气工艺设计内容1)根据设计出的电气原理图及选定的电气元件,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，列出各部件的元件目录表。3）根据组件原理电路图及选定的元件目录表，设计组件电器装配图、接线图，图中应反映元件的安装方式和接线方式。1/16/20234）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。5）设计电气箱。6）汇总总原理图、总装配图及各组件原理图等资料，列出外购件清单，标准件清单，主要材料消耗定额等。7）编写使用维护说明书1/16/2023三、电气控制设计的一般程序以电力拖动电气控制设计为例1．拟定设计任务书2．选择拖动方案3．电动机的选择4．选择控制方式5．设计电气控制原理图、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、调试所必需的各种施工图，并以此依据编制各种材料定额清单。7．编写设计说明书和使用说明书。1/16/2023第二节电力拖动方案的确定和电动机的选择一、电力拖动方案的确定（三）电动机调速性质应与负载特性相适应（一）拖动方式的选择（二）调速方案的选择1/16/2023二、拖动电动机的选择（一）电动机选择的基本原则1）电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载的负载特性相适应。保证运行稳定且具有良好的起动、制动性能。2）工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。1/16/20233）电动机结构型式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。4）在满足设计要求前提下，应优先采用结构简单、价格便宜、使用维护方便的三相笼型异步电动机。1/16/2023（二）电动机容量的选择1．分析计算法根据生产机械负载图预选一台电动机，再用该电动机的技术数据和生产机械负载图求出电动机的负载图。最后按电动机的负载图从发热的方面进行校验，并检查电动机的过载能力与起动转矩是否满足要求，如若不合格，另选一台电动机重新计算，直到合格为止。1/16/20232．统计类比法将各国同类型、先进的电动机容量进行统计和分析，从中找出电动机容量与机床主要参数间的关系，再根据国情得出相应的计算公式来确定电动机容量的一种实用方法。式中：P—电动机容量，单位为KW；

D—工件最大直径，单位为m。（1）车床1/16/2023（2）立式车床式中：P—电动机容量，单位为KW；

D—工件最大直径，单位为m。式中：D—最大钻孔直径，单位为mm。（3）摇臂钻床1/16/2023（4）卧式镗床式中：D——镗杆直径，单位为mm。（5）外圆磨床式中：B—砂轮宽度，单位为mm。

K—砂轮主轴用滚动轴承时，K=0.8~1.1,

砂轮主轴用滑动轴承时，K=1.0~1.3。1/16/2023（6）龙门铣床式中：B——工作台宽度，单位为mm。1/16/2023第三节电气原理图设计的步骤与方法一、电气控制原理图设计的基本步骤

1、根据选定的拖动方案和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。1/16/2023

3、绘制系统总原理图。按系统框图结构将各部分电路联成一个整体，完善辅助电路，绘成系统原理图。

4、合理选择电气原理图中每一电器元件，制订出元器件目录清单。

2、根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路。对于每一部分电路的设计都是按照主电路→控制电路→联锁与保护→总体检查，反复修改与完善的步骤来进行。1/16/2023二、电气控制原理图的设计方法（一）分析设计法1、设计各控制单元环节中拖动电动机的起动、正反向运转、制动、调速、停车等的主电路或执行元件的电路。2、设计满足各电动机的运转功能和工作状态相对应的控制电路，以及满足执行元件实现规定动作相适应的指令信号的控制电路。1/16/20233、连接各单元环节构成满足整机生产工艺要求，实现加工过程自动或半自动和调整的控制电路。4、设计保护、联锁、检测、信号和照明等环节控制电路。5、全面检查所设计的电路。1/16/2023（二）逻辑设计法采用逻辑设计法设计电气控制电路大体按五步进行：1、按工艺要求画出工作循环图2、决定执行元件与检测元件，作出执行元件动作节拍表和检测元件状态表。3、根据检测元件状态表写出各程序的特征码，并确定相区分组，设置中间记忆元件，使各待相区分组所有程序皆可区分。1/16/20234、列写中间记忆元件开关逻辑函数式及执行元件动作逻辑函数式，进而画出相应的电路结构图。5、对画出的电路进行检查、化简和完善。1/16/2023通过下面的例子来说明如何用分析设计法来设计控制电路：例题：某机床有左、右两个动力头，用以铣削加工，它们各由一台交流电动机拖动；另外有一个安装工件的滑台，由另一台交流电动机拖动。加工工艺是在开始工作时，要求滑台先快速移动到加工位置，然后自动变为记速进给，进给到指定位置自动停止，再由操作者发出指令使滑台快速返回，回到原位后自动停车。要求两动力头电动机在滑台电动机正向起动后起动，而在滑台电动机正向停车时也停车。

1/16/2023主电路设计：动力头拖动电动机只要求单方向旋转，为使两台电动机同步起动，可用一只接触器KM3控制。滑台拖功电动机需要正转、反转，可用两只接触器KM1、KM2接制。滑台的快速移动由电磁铁YA改变机械传动链来实现，由接触器KM4来控制。1/16/2023控制电路设计滑台电动机的正转、反转分别用两个按钮SBl与SB2控制，停车则分别用SB3与SB4控制。由于动力头电动机在滑台电动机正转后起动，停车时也停车，故可用接触器KM1的常开辅助触点控制KM3的线圈，如图a所示。滑台的快速移动可采用电磁铁YA通电时，改变凸轮的变速比来实现。滑台的快速前进与返回分别用KM1与KM2的辅助触点控制KM4，再由KM4触点去通断电磁铁YA。滑台快速前进到加工位置时，要求慢速进给，因而在KM1触点控制KM4的支路上串联限位开关SQ3的常闭触点。此部分的辅助电路如图b所示。

1/16/2023联锁与保护环节设计：用限位开关SQ1的常闭触点控制滑台慢速进给到位时的停车；用限位开关SQ2的常闭触点控制滑台快速返回至原位时的自动停车。接触器KM1与KM2之间应互相联锁，三台电动机均应用热继电器作过载保护。1/16/2023电路的完善：电路初步设计完后，可能还有不够合理的地方，因此需仔细校核。一共用了三个KM1的常开辅助触点，而一般的接触器只有两个常开辅助触点。因此，必须进行修改。从电路的工作情况可以看出，KM3的常开辅助触点完全可以代替KM1的常开辅助触点去控制电磁铁YA，修改后的辅助电路如图所示。1/16/2023控制电路设计时应注意的问题：尽量减少连接导线。设计控制电路时，应考虑电器元件的实际位置，尽可能地减少配线时的连接导线，如图a是不合理的。

按钮一般是装在操作台上，而接触器则是装在电器柜内，这样接线就需要由电器柜二次引出连接线到操作台上，所以一般都将起动按钮和停止按钮直接连接，就可以减少一次引出线，如图b所示。

电器连接图1/16/2023正确连接电器的线圈。

a)电压线圈通常不能串联使用，如图a所示。由于它们的阻抗不尽相同，会造成两个线圈上的电压分配不等。即使外加电压是同型号线圈电压的额定电压之和，也不允许。因为电器动作总有先后，当有一个接触器先动作时，则其线圈阻抗增大,该线圈上的电压降增大，使另一个接触器不能吸合，严重时将使电路烧毁。b)电感量相差悬殊的两个电器线圈，也不要并联连接。图b中直流电磁铁YA与继电器KA并联，在接通电源时可正常工作，但在断开电源时，由于电磁铁线圈的电感比继电器线圈的电感大得多，所以断电时，继电器很快释放，但电磁铁线圈产生的自感电动势可能使继电器又吸合一段时间，从而造成继电器的误动作。解决方法可备用一个接触器的触点来控制。如图c所示。

电磁线圈的串并联1/16/2023控制电路中应避免出现寄生电路:

寄生电路是电路动作过程中意外接通的电路。如图所示具有指示灯HL和热保护的正反向电路.正常工作时，能完成正反向起动、停止和信号指示。当热继电器FR动作时，电路就出现了寄生电路，如图中虚线所示，使正向接触器KM1不能有效释放，起不了保护作用。寄生电路1/16/2023尽可能减少电器数量，采用标准件和相同型号的电器:如图所示。当控制的支路数较多，而触点数目不够时，可采用中间继电器增加控制支路的数量。简化电路去掉不必要的KM1，简化电路，提高电路可靠性1/16/2023多个电器的依次动作问题在电路中应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制电路。可逆电路的联锁

在频繁操作的可逆电路中，正反向接触器之间不仅要有电气联锁，而且还有机械联锁。要有完善的保护措施常用的保护措施有漏电流、短路、过载、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、安全等必须的指示信号。1/16/2023三、电气控制原理图设计中的一般要求电气控制原理图设计应满足以下要求：1．电气控制电路满足生产工艺要求2．尽量减少控制电路中电流、电压的种类，控制电压选择标准电压等级。1/16/2023常用控制电压等级表整流器48、24、12直流电磁铁及电磁离合器的控制电路整流器或直流发电机220、110直流直流电力传动的控制电路采用控制电源变压器48、24、6照明及信号指示电路采用控制电源变压器110（127）、48交流电力传动的控制电路较复杂不用控制电源变压器380、220交流交流电力传动的控制电路较简单电源设备常用的电压值/V控制电路类型1/16/20233．确保电气控制电路工作的可靠性和安全性为保证电气控制电路可靠的工作，应考虑以下几方面：1）尽量减少电器元件的品种、规格与数量。2）正常工作中，尽可能减少通电电器的数量。3）合理使用电器触头。

4）做到正确接线。1/16/2023●首先正确连接电器线圈。●第二要合理安排电器元件及触头的位置。a)不合理b）合理1/16/2023●第三要注意避免出现寄生电路。

存在寄生电路的控制电路1/16/20235）尽量减少连接导线的数量，缩短连接导线的长度。6）尽可能提高电路工作的可靠性、安全性。4．应具有必要的保护5．电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便。6．电路力求简单经济。1/16/2023第四节常用控制电器的选择一、接触器的选用通常接触器选用的