现代电气控制与PLC应用-02

《电气控制与PLC应用》课程教学工学二部自动化教学研究室任继锋2012.12.8第2章电气控制线路2.1电气控制线路的文字及图形符号电气控制线路文字符号执行标准---GB5094-2005和GB/T20930-2007。电气控制线路图形符号执行标准---GB4278-2008和GB/T20930-2007。例如断路器图形符号2.2典型电器控制线路1.不可逆直接起、停控制线路（线路图见下页）该控制线路的组成：线路主要由主电路和控制电路组成。主电路由接触器实现接通与关断，控制电路由按钮和触点组成，控制接触器线圈的得失电，从而实现主电路的控制。动作过程按钮松开（SB2）线圈（KM）通过辅助触点继续得电按下按钮（SB2）

线圈（KM）通电主触头（KM）闭合电机全压启动；合刀开关（QS）

同时辅助触头（KM）闭合

电机连续运转线圈（KM）失电

电机停转。按下按钮（SB1）

触头（KM）打开2.2典型电器控制线路2-1不可逆直接起、停控制线路图电路保护：（1）短路保护。由熔断器FU1、FU2分别实现主电路和控制电路的短路保护。（2）过载保护。由FR继电器实现。（3）欠压与过压保护。2.正反转控制电路电动机正转KM1电动机反转KM2

◆电动机反转：将电动机任意两根火线对调。◆实现方法：接触器控制的电动机可逆运行控制电路当正反向起动按钮同时按下时，接触器KM1、KM2将同时得电，造成主回路相间短路。因此，该电路由于可靠性很差，实际中一般不采用互锁触点此电路必须先按下停止按钮SB1，然后才能进行反向的操作。因此，此电路只能构成正-停-反的操作顺序将KM1、KM2正反转接触器的动断辅助触点互相串联接在对方线圈电路中，形成相互制约的关系，使KM1、KM2的线圈不能同时得电。这种相互制约的关系称为互锁控制.这种由接触器（或继电器）动断辅助触点构成的互锁称为电气互锁。上述电路的基础上将正转起动按钮SB2和反转起动按钮SB3的常闭触点串接在对方电路中，构成互相制约的关系，称为机械互锁。这种电路具有电气、机械双重互锁，既可实现正转-停止-反转-停止的控制，又可实现正转-反转-停止的控制这种线路，习惯上称为“正反停”控制线路。接触器联锁正反转控制电路＃1电机M1控制要求：

1.M1起动后，M2才能起动

2.M2可单独停＃2电机M23、顺序控制顺序控制电路（1）：两电机只保证起动的先后顺序，没有延时要求。FU2KM2FR2ABCFU1M3~ABCKM1FR1M3~主电路QS1QS2控制电路KM1KM2SB3SB4FR2KM2KM1SB1SB2FR1KM1

顺序控制两台电动机顺序起动控制电路顺序控制电路(2)：M1起动后，M2延时起动。FRSB2KM1KT

KM2延时

KM2

M1起动KTM2起动主电路同前KM1SB1SB2KTKM1KM2KM2KM2KT控制电路KM1SB1SB2KTFRKM1KM2KM2KT

实现M1起动后M2延时起动的顺序控制，用以下电路可不可以？SB2KM1KT

KM2延时

KM2

M1起动M2起动

不可以！继电器、接触器的线圈有各自的额定值，线圈不能串联。顺序启动逆序停止控制FU1KM1M3～FR1QL1L3L2KM2M3～FR2KM2FU2FRSB3FRKM1SB1SB4SB2KM1KM2KM1KM2电气原理图：特点:主电路控制电路顺序控制电路(3)：M1起动后，M2才能起动;M2停止，M1才能停止。4.三地控制在两地或多地控制同一台电动机的控制方式启动(常开)按钮并联，停止(常闭)按钮串联5、行程控制

行程控制实质为电机的正反转控制，只是在行程的终端要加限位开关。正程逆程BAKMRM3~ABCKMFFUQSFR行程控制电路（1）正程限位开关SQASQB逆程至右极端位置撞开SQA

动作过程SB2正向运行电机停车（反向运行同样分析）

控制回路KMFFRKMRSB1KMFSB2SQASB3SQBKMRKMRKMF限位开关行程控制(2)--自动往复运动正程逆程电机工作要求：1.能正向运行也能反向运行

2.到位后能自动返回电机SQaSQb自动往复运动控制电路

限位开关采用复合式开关。正向运行停车的同时，自动起动反向运行；反之亦然。关键措施KMRSBRKMFFRKMFSB1KMFSBFKMRKMRSQaSQb工作台往复运动自动控制电路动画演示例一：运料小车的控制设计一个运料小车控制电路，同时满足以下要求：

1.小车启动后，前进到A地。然后做以下往复运动：

到A地后停2分钟等待装料，然后自动走向B。到B地后停2分钟等待卸料，然后自动走向A。

2.有过载和短路保护。

3.小车可停在任意位置。

正程逆程电机BA控制电路举例运料小车控制电路SQa、SQb为A、B两端的限位开关

KTa、KTb为两个时间继电器

M3~ABCKMFFUQSFRKMR主回路KMFFRKMRSBFSB1KMFSQaSQaKTaSQbKTbKMRKMRKMFSQbKTaKTbSBR该电路的问题：小车在两极端位置时，不能停车。动作过程SBFKMF小车正向运行至A端撞STaKTa延时2分钟KMR小车反向运行至B端撞STbKTb延时2分钟KMF小车正向运行……如此往反运行。KMFFRKMRSBFSB1KMFSTaSTaKTaSTbKTbKMRKMRKMFSTbKTaKTbSBRKMFKMFSBFKMRFRSTaSTaKTaSTbKTbKMRKTaKMRKMFSTbKTbSB1SB2KAKA加中间继电器（KA）实现任意位置停车的要求SBR例二：工作台位置控制起动后工作台控制要求：(1)运动部件A从1到2(2)运动部件B从3到4(3)运动部件A从2回到1(4)运动部件B从4回到3自动循环BM1AM2ST3ST4ST2ST11234正转反转工作台位置控制电路(1)根据动作顺序设计控制电路。(2)检查有无互锁。(3)检查能否正确启动、停车。设计步骤：A正转12B反转34A反转21B正转43KMAFFRST4KMBRST2KMBFKMBRKMARST4KMAFST1KMARKMBFST1KMBRST3KMBFKMAFSB1SB2KMARST2ST3工作台位置控制电路ST4KMBRST2KMBFKMBRKMARST4KMAFST1KMARKMBFST1KMBRST3KMBFKMAFSB1FRKMAFSB2KMARST2ST3

该电路有何问题？小车若在1、2、3、4规定的位置时，不能正常停车。电路的改进方法同前：加中间继电器（KA）KAFRST4KMBRST2KMBFKMBRKMARST4KMAFST1KMARKMBFST1KMBRST3KMBFKMAFKAKMAFSB2KMARST2ST3SB1KASB32.2.2鼠笼型电动机降压起动控制电路星形—三角形换接自耦变压器延边三角形起动定子串电阻(或电抗)常用的降压起动控制电路三相鼠笼型异步电动机能否直接起动主要取决于电源变压器的容量和电动机的容量。

当鼠笼型电动机不满足直接起动条件时应采用降压起动控制。起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流，减少对线路电压的影响，起动后再将电压恢复到额定电压。1、定子串电阻降压起动控制1）控制要求：电动机M起动时定子线路串联电阻R，以实现降压起动，电动机起动后，恢复额定电压进入稳定正常运转。2）实现方法：（1）接触器KM1闭合，电动机M定子线路串电阻降压起动。（2）接触器KM2闭合，电动机正常运转。（3）时间继电器KT通电开始计时，当达到时间继电器的整定值时，KM2闭合。

3）线路图（1）主电路（2）控制电路

定子串电阻降压起动控制线路4）工作原理

5）电路改进从前面分析可知，本线路在起动结束后，KM1、KT一直得电工作。为了减少能量损耗，延长接触器、继电器得使用寿命，要求M起动以后，KM1、KT断电。1.定子串电阻减压起动控制电路图2-15定子串电阻减压起动控制电路1.定子串电阻减压起动控制电路控制电路之1控制电路之22、定子线路串自耦变压器的降压起动控制

1）控制要求：自耦变压器按星形接线，起动时将电动机定子绕组接到自耦变压器二次侧。电动机定子绕组得到的电压即为自耦变压器的二次电压。当起动完毕时，自耦变压器被切除，额定电压（即自耦变压器的一次电压）直接加到电动机定子绕组上，电动机进入全压正常运行。为满足不同负载要求，自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头分别为电源电压的40%、60%、80%(55%、64%、73%)。

2）实现方法：（1）接触器KM1控制电动机降压起动。接触器KM2控制电动机进入全电压正常运行。（2）时间继电器KT通电开始计时，当达到时间继电器的整定值时，使KM1断电，KM2通电，使电动机进入全压正常运转。

3）线路图（1）主电路（2）控制电路补偿电压启动器：手动QJ3、QJ5

自动XJ01、CJZ4）工作原理2.自耦变压器降压起动控制电路图2-16自耦变压器降压起动控制电路图2-17自耦变压器降压起动控制电路之二3.改接线降压起动控制电路常见的改接线降压起动控制电路有星形-三角形降压起动、沿边三角形-三角形降压起动、星形-沿边三角-三角形降压起动控制电路等。改接线降压起动控制电路一般只能用于正常工作为三角形接线的电动机。一般功率在4千瓦以上的电动机均为三角形接线，由于这种降压起动方式只需改变电动机绕组的接线，无需专门的降压设备。图2-18电动机三相绕组接线形式星形－三角形降压起动控制

1）控制要求：电动机M起动时为星形连接，以实现降压起动，电动机起动后改为三角形连接，以恢复额定电压进入稳定正常运转。2）实现方法：（1）接触器KM1－控制电机M通电接触器KM2－控制电机M三角形连接接触器KM3－控制电机M星形连接（2）时间继电器KT通电开始计时，当达到时间继电器整定值时使KM3断电、KM2通电，电动机三角形连接正常运转。电动机的Y-起动采用星三角起动时，起动电流是按三角形接法直接起动时的1/3。起动电流降低了，起动转矩也降为原来按三角形接法直接起动时的1/3。KMFUQSFR电机绕组A'xB'yC'zKM-YA'B'C'XYZYZB'YXC'A'KM-主电路电动机的Y-起动KM-Y闭合，电机接成Y形；KM-闭合，电机接成形。3）线路图（1）主电路（2）控制电路（3）工作原理星形-三角形降压起动控制电路电机星-三角启动实物接线图星形-三角形降压起动控制的主电路图2-19星形-三角形降压起动控制主电路延边三角形降压起动控制电路1起动时将1、2、3三个出线端接电源;4、5、6分别与8、9、7相连，就构成了延边三角形连接法。此时相电压有所降低，起动电流也随之下降，相电压是随着电动机绕组不同的抽头比例而变化的延边三角形降压起动控制电路1

②主电路分析

KM1、KM3使接点1、2、3接三相电源，67、48、59对应端接在一起构成延边三角形接法，用于降压起动。

KM1、KM2使接点16、24、35接在一起，构成△连接，用于全压运行。控制电路与Y-△起动控制电路相同，不再分析。延边三角形降压起动2①原理：绕组连接6-8、4-9、5-7构成延边三角形接法，绕组连接1-5、2-6、3-4为△接法。图2-20延边三角形-三角形降压起动控制主电路图2-21星形-三角形降压起动和沿边三角形-三角形降压起动的几种控制电路星形-沿边三角-三角形降压起动控制电路图2-22星形-沿边三角-三角形降压起动控制电路三相鼠笼式异步电动机降压起动方法的比较2.3.3异步电动机的制动控制电路交流异步电动机的制动方法有机械制动和电气制动两种。机械制动是利用机械装置使电动机迅速停转。常用的机械制动装置有电磁抱闸制动、电液闸制动、带式制动和盘式制动等。电气制动是在电动机上产生一个与原转子转动方向相反的制动转距，迫使电动机迅速停转。电气制动方法有反接制动、能耗制动、阻容制动、发电制动等。1、机械制动机械制动的特点：停车准确，不受中途断电或电气故障的影响而造成事故。机械制动的制动力矩在一定范围内可以克服任何外加力矩，例如当提升重物时，由于抱闸的作用力，可以使重物停留在需要的高度，这是电气制动所不能达到的。但是制动时间越短，冲击振动越大。机械制动需要在电动机的轴伸端安装机械制动装置，这柯对某些空间位置比较紧凑的生产机械来说就有些困难的。机械制动一般应用在起重卷扬等设备上。机械制动制动原理：断电电磁抱闸制动方式：电磁抱闸的电磁线圈通电时，电磁力克服弹簧的作用，闸瓦松开，电动机可以运转。

电磁离合器的电磁线圈通电，动、静摩擦片分离，无制动作用，电磁线圈断电，在弹簧力的作用下动、静摩擦片间产生足够大的摩擦力而制动。3、控制电路分析启动时，接触器KM线圈通电时，其主触点接通电动机定子绕组三相电源的同时，电磁线圈YB通电，抱闸（动摩擦片）松开，电动机转动。停止时，接触器KM线圈断电—>电动机M断电—>电磁铁线圈YB失电—>实现抱闸或电磁制动。电磁抱闸制动控制电路图2-26电磁抱闸制动控制电路2、反接制动反接制动是在电动机停止时向定子绕组中通入反向序的电压，给转子一个反向转矩，使电动机产生一个向反方向旋转的力，使电动机转速迅速下降到零，当转速下降至接近零时及时将电源切除，以防电动机反向起动。（1）单向反接制动控制电路图2-27单向反接制动控制电路（1）单向反接制动控制电路（2）可逆反接制动控制电路图2-28电动机可逆反接制动控制电路缺点

主电路没有限流电阻，反接制动电流大，一般用于小功率电动机的控制。具有反接制动电阻的正反向反接制动控制电路图2-29具有反接制动电阻的正反向反接制动控制电路3、能耗制动控制电路能耗制动是在电动机脱离三相交流电源之后在定子绕组上加一个直流电压，即通入的直流电流在定子绕组中产生一个静止磁场，由于转子的惯性而旋转切割磁力线，利用转子感应电流与静止磁场的作用以达到制动的目的。根据能耗制动时间控制原则，可用时间继电器进行控制，也可以根据能耗制动速度原则，用速度继电器进行控制。(1)．单向能耗制动控制电路图2-30单向能耗制动控制电路图2-30单向能耗制动控制电路（2）可逆能耗制动控制电路图2-31可逆能耗制动控制电路2.2.4绕线型异步电动机起动控制电路三相绕线型异步电动机的转子回路可以通过滑环外串接可变电阻来减小起动电流，以达到提高转子电路功率因数和起动转矩的目的。在一般要求起动转矩较高的场合下。调节转子回路电阻的方法很多，有分段调节和连续调节两种。分段调节有时间原则调节，电流原则调节，速度原则调节以及综合原则调节等。连续调节有频敏变阻器、变阻器、水电阻器调节等多种方式。1.时间原则转子回路串接电阻起动控制电路转子绕组串接三相起动电阻，一般接成星形。在起动前，起动电阻全部接入电路，起动过程中电阻被逐段地短接。短接的方式有三相电阻不平衡短接法和三相电阻平衡短接法两种。不平衡短接是每相的起动电阻轮流被短接，平衡短接是三相的起动电阻同时被短接。串接在绕线转子异步电动机转子回路中的起动电阻，无论采用不平衡或平衡短接法，其作用基本相同。对于凸轮控制器，各对触头闭合顺序一般按不平衡短接法设计，这样使得控制电路简单，采用不平衡短接法。凡是起动电阻用接触器来短接时，全部采用平衡短接法。时间原则转子回路串接电阻起动控制电路

图2-23时间原则转子回路串接电阻起动控制电路2、电流原则转子回路串接电阻起动控制电路图2-24电流原则转子回路串接电阻起动控制电路3、转子回路串频敏变阻器起动控制电路图2-25转子回路串频敏变阻器起动控制电路2.3电气控制系统设计的一般原则、基本内容和设计程序一、电气控制系统设计的一般原则

1．最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求。电气控制系统设计的依据主要来源于生产机械和生产工艺的要求。

2．设计方案要合理。在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济、便于操作和维修，不要盲目追求高指标和自动化。

3．机械设计与电气设计应相互配合。许多生产机械采用机电结合控制的方式来实现控制要求，因此要从工艺要求、制造成本、结构复杂性、使用维护方便等方面协调处理好机械和电气的关系。

4．确保控制系统安全可靠地工作。

电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图纸、资料等。图纸包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板图、电器元件安装底板图和非标准件加工图等。电气控制系统设计的内容主要包含原理设计与工艺设计两个部分：

1、原理设计内容（l）拟订电气设计任务书。（2）确定电力拖动方案，选择电动机。（3）设计电气控制原理图，计算主要技术参数。

二、电气控制系统设计的基本任务、内容（4）选择电器元件，制订元器件明细表。（5）编写设计说明书。

2、工艺设计内容（l）设计电气总布置图、总安装图与总接线图。（2）设计组件布置图、安装图和接线图。（3）设计电气箱、操作台及非标准元件。（4）列出元件清单。（5）编写使用维护说明书。

1、拟订设计任务书设计任务书是整个电气控制系统的设计依据，又是设备竣工验收的依据。由技术领导部门、设备使用部门和任务设计部门等共同完成。电气控制系统的设计任务书中，主要包括以下内容：（1）设备名称、用途、基本结构、动作要求及工艺过程介绍。（2）电力拖动的方式及控制要求等。（3）联锁、保护要求。（4）自动化程度、稳定性及抗干扰要求。（5）操作台、照明、信号指示、报警方式等要求。（6）设备验收标准。（7）其它要求。

2、确定电力拖动方案电力拖动方案选择是电气控制系统设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。

三、电气控制系统设计的一般步骤

主要从几个方面考虑电力拖动方案：（1）拖动方式的选择：电力拖动方式，独立拖动？集中拖动？（2）调速方案的选择：大型、重型设备的主运动和进给运动，应尽可能采用无级调速；精密机械设备为保证加工精度也应采用无级调速；对于一般中小型设备，在没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼型异步电动机。（3）电动机调速性质要与负载特性适应恒功率负载？恒转矩负载？在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速特性与生产机械的负载特性相适应，使电动机得到充分合理应用。

3、拖动电动机的选择基本原则（1）根据生产机械调速的要求选择电动机的种类。（2）工作过程中电动机容量要得到充分利用。（3）根据工作环境选择电动机的结构型式。

4、选择控制方式控制方式要实现拖动方案的控制要求。随着现代电气技术的迅速发展，生产机械电力拖动的控制方式从传统的继电接触器控制向PLC控制、CNC控制、计算机网络控制等方面发展，控制方式越来越多。控制方式的选择应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺的要求。

5、设计电气控制原理图，并合理选用元器件，编制元器件明细表。

6、设计电气设备的各种施工图纸。

7、编写设计说明书和使用说明书。

一、电气控制原理电路的基本设计方法电气控制原理电路设计的方法有分析设计法和逻辑设计法。

1、分析设计法分析设计法是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节（单元电路）或将比较成熟的电路按其联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整线路。当没有现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计。

优点是设计方法简单，无固定的设计程序，它容易为初学者所掌握，在电气设计中被普遍采用；

缺点是设计出的方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周全时会影响线路工作的可靠性。

第二节电气控制原理电路设计的方法与步骤

2、逻辑设计法逻辑设计法是利用逻辑代数来进行电路设计，从生产机械的拖动要求和工艺要求出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，主令电器的接通与断开看成逻辑变量，根据控制要求将它们之间的关系用逻辑关系式来表达，然后再化简，做出相应的电路图。优点是能获得理想、经济的方案。

缺点是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。二、电气原理图设计的基本步骤（l）根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图。（2）设计出原理框图中各个部分的具体电路。设计时按主电路、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先后顺序进行。（3）绘制总原理图。（4）恰当选用电器元件，并制订元器件明细表。三、原理图设计的一般要求

1、电气控制原理应满足工艺的要求在设计之前必须对生产机械的工作性能、结构特点和实际加工情况有充分的了解，并在此基础上来考虑控制方式，起动、反向、制动及调速的要求，设置各种联锁及保护装置。

2、控制电路电源种类与电压数值的要求对于比较简单的控制电路，往往直接采用交流380V或220V电源，不用控制电源变压器。对于比较复杂的控制电路，应采用控制电源变压器，将控制电压降到110V或48V、24V。对于操作比较频繁的直流电力传动的控制电路，常用220V或110V直流电源供电。直流电磁铁及电磁离合器的控制电路，常采用24V直流电源供电。

交流控制电路的电压必须是下列规定电压的一种或几种：

6V，24V，48V，110V（优选值），220V，380V，50Hz。直流控制电路的电压必须是下列规定电压的一种或几种：

6V，12V，24V，48V，110V，220V。

（1）电器元件的工作要稳定可靠，符合使用环境条件，并且动作时间的配合不致引起竞争。复杂控制电路中，在某一控制信号作用下，电路从一种稳定状态转换到另一种稳定状态，常常有几个电器元件的状态同时变化，考虑到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。这种现象称为电路的“竞争”。而对于开关电路，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