现代电气控制技术课件第2章线路

第二章电气控制线路定义：由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等低压控制电器组成的控制线路。作用：实现对电力拖动系统的启动、制动、正反向运动和调速等运行性能的控制；实现对拖动系统的保护；满足生产工艺要求，实现生产加工自动化。2—1概述一、电气控制线路---继电(器)接触(器)控制主电路：由交流接触器主触头，电动机的定子等组成的通过大电流的电路辅助电路：包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等。辅助电路中通过的电流较小。控制电路：由接触器和继电器的线圈、接触器的辅助触头、继电器和其他控制电器的触头以及自动装置的其他部件组成。二、电气控制线路的绘制应根据简明易懂的原则，用规定的方法和符号进行绘制。这样才能清楚地表达生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，也便于电器元件的安装、调试、使用和维护。(一)电气控制线路的绘制形式１．安装图---按电器的实际位置和实际接线，用规定的符号画出。特点：是属于同一电器的不同的部件(如交流接触器的主触头，辅助触头，线圈)全部按实际位置画在一起。作用：表示各电气设备之间实际接线情况，安装、调试与检修２．原理图----根据工作原理绘制(b)点动与自锁混合控制线路安装接线图特点：是属于同一电器的不同的部件，依据原理分别画在相应的电路中(如交流接触器的主触头画在主电路上，辅助触头及线圈画在控制电路上)。作用：能够清楚地表明电路的功能，便于分析工作原理。在电气控制线路的设计、安装、调试、维护、检修中都要用到原理图。举例:(a)点动与自锁混合控制线路原理图(二)原理图的若干绘制原则①表示导线、信号通路、连接线等的图线可水平或垂直地布置，也可以用斜的交叉线，但应是交叉和折弯最少的线段。②电路或元件应按功能布置，并尽可能地按工作顺序排列，对于次序清楚的简图，尤其是电路图和逻辑图，其布局顺序应该是从左到右、从上到下。③为了突出或区分某些电路、功能等，导线符号、信号通路、连接线等可采用粗细不同的线条来表示。④元件、器件和设备的可动部分通常应表示在非激励或不工作的状态或位置。⑤所用图形符号应符合GB4728—84、85《电气图用图形符号》的规定。当采用非国标规定的图形符号时，必须加以说明。⑥同一电器元件的不同部分的线圈和触点均采用同一文字符号标明。电工设备文字符号应符合GB7159—87《电气技术中的文字符号规定通则》的规定。另外：1、在表达清楚的前提下，尽量减少线条，尽量避免交叉线的出现。两线交叉连接时需用黑色实心圆点表示，两线交叉不连接时需用空心圆圈表示。2、原理图上应标注出各个电气电路的电压值、极性或频率及相数；某些元器件的特性；常用电气的操作方式和功能。举例:(a)点动与自锁混合控制线路原理图(b)点动与自锁混合控制线路安装接线图2—2异步电动机控制线路一、三相笼型异步电动机控制线路(一)笼型异步电动机的简单启、停控制线路主电路：由刀闸开关S、熔断器FU、接触器KM的常开触头、热继电器FR与三相异步电动机M构成。控制电路：由启动按钮SB2、停止按钮SB1、接触器KM的线圈和常开辅助触头、热继电器FR的常闭触头构成。工作过程线路保护环节

自锁触头:当松手断开SB2后，KM线圈通过其辅助触头继续保持通电，维持吸合状态。这个辅助触头通常称为自锁触头。电路主触头（KM）闭合按下按钮（SB）

线圈（KM）通电电机转动

即使松开SB2按钮，（KM）继续通电

（KM）常开辅助闭合触头（KM）打开按钮松开线圈（KM）断电电机停转(二)笼型异步电动机可逆运行控制线路可逆运行：实质上是两个方向相反的单向运行，因此，只需改变异步电动机定子电源的相序就可实现。可借助正反向接触器KM1、KM2来改变定子电源的相序。主电路有正—停—反控制线路和正—反—停控制线路“互锁”：为了避免同时按下正反向按钮SB1和SB2的误操作造成主电路线间短路故障，必须设置二者相互制约的联锁关系。(1)正—停—反控制线路(2)带有双重互锁的正—反—停控制线路KM1SB1KM1SB2FRKM2KM2KM2KM1SB3SB2SB3电气互锁机械互锁互锁可通过接触器的辅助触头来实现，也可采用按钮来实现。动作原理触头（KM）打开按钮松开线圈（KM）断电电机停转触头（KM）闭合按下按钮（SB）

线圈（KM）通电电机转动主电路(三)笼型电动机的点动与自锁混合控制线路)1.点动控制某些生产机械常常要求既能够正常启、制动，又能够在调整时实现点动。点动控制的关键是没有自锁电路。2.点动与自锁混合控制线路(四)具有自动停止及自动往返的控制线路行程开关作控制元件----行程原则在实际生产中，常常要求生产机械的运动部件能实现自动往返。因为有行程限制，所以常用行程开关做控制元件来控制电动机的正反转。图1.15为电动机往返运行的可逆旋转控制电路。图中KM1、KM2分别为电动机正、反转接触器，SQ1为反向转正向行程开关，SQ2为正向转反向行程开关，SQ3、SQ4分别为正向、反向极限保护用限位开关。(五)联锁控制既互相联系又互相制约的控制１．顺序控制控制对象对控制线路提出了按顺序工作的联锁要求在机床的控制线路中，常常要求电动机的起停要有一定的顺序。例如，铣床的主轴旋转后，工作台方可移动；龙门刨床在工作台移动前，导轨润滑油泵要先起动等等。顺序起停控制线路，有顺序起动、同时停止控制线路；有顺序起动、顺序停止控制线路；还有顺序起动、逆序停止控制线路。图中接触器KM1、KM2分别控制电动机M1和M2。图（a）为顺序起动、同时停止控制线路。在该线路中，只有接触器KM1先得电吸合后，接触器KM2才能得电；即M1先起动，M2后起动。按停止按钮SB1时，KM1和KM2同时失电，即M1和M2同时停转。图（b）为顺序起动、顺序停止控制线路。在该线路中，当KM1得电吸合后，KM2才能通电，即M1先起动，M2后起动。断电时，KM1先复位，KM2后复位，即先停M1再停M2。图（c）为顺序起动、逆序停止控制线路。起动时，先KM1后KM2顺序得电，即先M1后M2的顺序起动。断电时，先KM2后KM1顺序复位，即按先M2后M1的顺序。２．制约控制互锁环节就是一种互相制约的联锁控制(六)多地点控制两组按钮的连接原则必须是各地启动的常开按钮要并联，各地停机的常闭按钮要串联二、笼型异步电动机降压启动控制线路较大容量的异步电动机或经常启、制动的中容量的异步电动机必须采用降压启动方式，以防止过大的启动电流引起电源电压、转矩下降(一)定子串接对称电阻降压启动控制线路启动时在定子电路中串入对称电阻R，从而降低了电动机定子绕组上的电压。待启动后，再将电阻R切除，电动机就可在额定电压下正常运行。通常都是采用时间原则定时切除降压电阻以完成启动过程。时间继电器KT2—3电气控制线路的分析方法一、基本控制规律(环节)(一)根据逻辑关系实际的电气控制线路虽然复杂，但很大一部分都是常开与常闭触头的组合。掌握了这些触头的组合规律，就可以给分析电路提供一定的方便，这些触头的组合规律实际上反映继电器或接触器线圈与这些触头之间的某种逻辑关系，实现这种关系的控制环节就是一种基本控制环节。(b)控制线路实例1．逻辑“与”关系当几个条件都必须具备，接触器线圈才得电时，可采用常开按钮(或触头)串联接法来组成控制线路（如顺序控制等）图（b）显示出了继电控制线路中“与”运算的实例，它表示触点的串联。若规定触点接通为“1”，断开为“0”，线圈通电为“1”，断电为“0”，则可以写出KM＝KA1×KA2，只有触点KA1、KA2均接通，接触器线圈KM能通电。（b）控制线路实例（b）显示出了继电控制线路中“或”运算的实例，它表示触点的并联，可写成KM＝KA1+KA2，当触点KA1或KA2接通，或者KA1和KA2都接通时，接触器线圈都可通电。2．逻辑“或”关系当几个条件中有一个条件满足控制要求，接触器线圈就可得电时，可以采用几个常开按钮(或触头)并联接法来组成控制线路（如自锁、多点启动环节等）３．逻辑“非”关系若当某个条件满足时，接触器线圈不得电(失电)，则可采用常闭按钮(或触头)串联接入该线圈电路中的接法来组成控制线路（如互锁、制约控制等）b）示出了继电控制线路中“非”运算的实例，通常称KA为原变量，为反变量，它们是一个变量的两种形式，如同一个继电器的一对常开、常闭触点，在向各自相补的状态切换时同步动作。图（b）中，触点KA的取值与线圈KM的取值相同，而KM1与继电器的常闭触点的取值相同，所以，故实现了非运算。（b）控制线路实例(二)根据控制原则根据变化参量进行控制——“根据控制原则”就形成了一些典型的基本控制环节１．行程原则２．时间原则３．速度原则４．电流原则二、电气控制线路的分析步骤首先要对生产机械的基本结构、运动型式、工艺要求及操作过程等进行全面的了解然后由此出发，明确对其控制线路的要求，在此基础上去分析控制线路。控制线路的分析，应从以下几方面进行①主电路分析：看生产机械由几台电动机拖动，各拖动电动机作何用，负责何种运动，它们的拖动特点是什么，有何要求，各电动机的保护情况如何，等等。②根据对主电路的分析，按“化整为零看电路”的方法找出各“典型的基本控制环节”，然后再进行逐一分析。因为任何复杂的电气控制线路，基本上都是由若干个“典型的基本控制环节”组成的。③分析清楚各“基本控制环节”后，再根据机械、液压、电气三者的配合及运动顺序的要求，分析其各环节之间的联锁关系，即：机械手柄与电器元件的关系；液压系统与电气控制的关系；运动机构与电器元件的关系等。④根据生产机械的必要保护功能，分析其相应的保护电路，如，短路保护，过载保护，过流保护，失压过压保护，极限保护，误操作保护等。⑤按照“积零为整看全部”的方法纵观全电路，进行整体分析。抓住电气控制的特点，深刻理解并分析各电器元件的作用，以期完全掌握分析的基本方法，养成分析的习惯。例1:2.4.1电气控制系统设计的基本原则电气控制系统设计的基本原则就是：在最大程度满足生产设备和生产工艺对电气控制系统要求的前提下，力求运行安全、可靠、动作准确、结构简单、经济，电动机及电气元件选用合理，操作、安装、调试和维修方便。2—4电气控制线路原理图的设计1.最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求

2.在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简单、经济

(1)尽量选用标准的、成熟的环节和线路。(2)尽量缩短连接导线的数量和长度。设计控制线路时，应合理安排各电器的位置、考虑各个元件之间的实际接线。要注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线，如图3.1(a)和图3.1(b)所示，仅从控制线路上分析，没有什么不同，但若考虑实际接线，图3.1(a)就明显不合理，因为按钮在操作台上，而接触器在电气柜内，这样就需要由电气柜二次引出较长的连接线到操作台的按钮上。而图

3.1(b)的连接是将启动按钮和停止按钮直接连接，这样就可以减少一次引出线，减少布线的麻烦和导线的使用数量。特别要注意，同一电器的不同触头在线路中应尽可能具有更多的公共接线，这样可以减少导线数和缩短导线的长度。图电器连接图

(3)尽量减少电器数量，采用标准件，尽可能选用相同型号的电器元件，以减少备用量。

(4)尽量减少不必要的触头，简化控制线路以减小控制线路的故障率，提高系统工作的可靠性。为此可采用以下4种方法。①合并同类触头。如图3.2所示，在获得同样功能的情况下，图3.2(b)比图3.2(a)在电路中减少了一对触头。但是在合并触头时应注意触头对额定电流值的限制。图3.2同类触头的合并②利用转换触头。利用具有转换触头的中间断电器，将两触头合并成一对转换触头，如图3.3所示。图3.3转换触头的应用图3.4利用二极管等效③利用半导体二极管的单向导电性来有效减少触头数，如图3.4所示。对于弱电电气控制电路，这样做既经济又可靠。

④利用逻辑代数进行化简，以便得到最简化的线路。(5)线路在工作时，除必要的电路必须通电外，其余的尽量不通电以节约电能，并延长电路的使用寿命。由图3.5(a)可知，接触器KM2得电后，接触器KM1和时间继电器KT就失去了作用，不必继续通电，但它们仍处于带电状态。图3.5(b)线路比较合理。在KM2得电后，就切断了KM1和KT的电源，节约了电能，并延长了该电器的寿命。图3.53.保证控制线路工作的可靠性

(1)选用的电器元件要可靠、抗干扰性能好。(2)正确连接电器的线圈。在交流控制电路中不能串联接入两个电器的线圈，即使外加电压是两个线圈额定电压之和，也是不允许的，如图3.6(a)所示。因为每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，两个电器动作总是有先有后，不能同时吸合。若接触器KM1先吸合，线圈电感显著增加，其阻抗比未吸合的接触器KM2的阻抗大，因而在该线圈上的电压降增大，使KM2的电压达不到动作电压。因此，若需两个电器同时动作时，其线圈应该并联连接，如图

3.6(b)所示。

图3.6线圈在交流控制线路中的连接

(4)在控制线路中，采用小容量继电器的触头来断开或接通大容量接触器的线路时，要计算继电器触头断开或接通容量是否足够，不够时必须加小容量的接触器或中间继电器，否则工作不可靠。(5)在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器应选加重型的接触器，同时应有电气和机械的联锁。(6)在线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线路。图3.9(a)中的继电器K4需要在K1、K2、K3相继动作后才接通。改为如图3.9(b)所示的接线形式，每一继电器的接通只需经过一对触头，工作可靠性大大提高了。图3.9触头的连接

(7)设计的线路应能适应所在电网情况，如电网容量的大小，电压频率的波动范围，以及允许的冲击电流数值等。据此决定电动机的启动方式是直接启动还是间接(降压)启动。(8)防止寄生电路。控制电路在正常工作或事故情况下，发生意外接通的电路叫寄生电路。若控制电路中存在寄生电路，将破坏电器和线路的工作顺序，造成误动作。图3.11所示电路在正常工作时能完成正、反向启动，停止时信号指示，但当热继电器FR动作时，线路出现了寄生电路，如图3.11中虚线所示，使正向接触器KMl不能释放，起不了保护作用。图3.11寄生电路4.控制线路工作的安全性

电气控制线路应具有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、控制电器以及其他电器元件，消除不正常工作时的有害影响，避免因误操作而发生事故。在自动控制系统中，常用的保护环节有短路、过流、过载、过压、失压、弱磁、超限、极限等。这些内容已在第2章中作了介绍。5.保证操作、安装、调整、维修方便和安全。2.4.2.1分析设计法

所谓分析设计法指根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节(单元电路)或将经过考验的成熟电路按各部分的联锁条件组合起来并加以补充和修改，以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头的组合方式，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。

2.4.2电气控制原理设计方法1.经验设计法的基本步骤一般的生产机械电气控制电路设计包括主电路、控制电路和辅助电路等的设计。1)主电路的设计主要考虑电动机的启动、点动、正反转、制动及多速电动机的调速。2)控制电路的设计主要考虑如何满足电动机的各种运转功能及生产工艺要求，包括实现加工过程自动或半自动的控制等。

3)辅助电路的设计主要考虑如何完善整个控制电路的设计，包括短路、过载、零压、联锁、照明、信号、充电测试等各种保护环节。4)反复审核电路是否满足设计原则在条件允许的情况下，进行模拟试验，直至电路动作准确无误，并逐步完善整个电器控制电路的设计。2.经验设计法的具体设计方法(1)根据生产机械的工艺要求，适当选用现有的典型环节。将它们有机地组合起来，并加以补充修改，综合成所需要的控制线路。(2)在找不到现成的典型环节时，可根据工艺要求自行设计电器元件和触头，以满足给定的工作条件。以龙门刨床横梁升降控制线路为例说明(一)横梁升降机构的工艺要求①由于机床加工工件位置的高低不同，因此，要求横梁能作上升、下降的调整运动。②为了保证机床能够进行加工，横梁在立柱上必须有夹紧装置，在移动前，首先将横梁放松，然后再移动到所需位置，到位后，随即自动夹紧。所以，横梁的上升、下降和夹紧、放松应分别由两台电动机驱动。③横梁的夹紧与横梁移动之间必须遵循以下操作程序：·横梁上升时，应能自动按照横梁放松→横梁上升→横梁夹紧的顺序动作。·横梁下降时，应能自动按照横梁放松→横梁下降→横梁夹紧的顺序动作。·横梁夹紧后电动机自动停止运动。④横梁夹紧与横梁移动之间及正反向运动之间应有必要的联锁。（二）主电路设计横梁移动和横梁夹紧需用两台异步电动机拖动采用接触器KM1和KM2来控制电动机M1的正反转，实现横梁的上升、下降的运动。采用接触器KM3和KM4来控制电动机M2的正反转，实现横梁的夹紧与放松，（三）控制电路设计按以下几个步骤进行1.设计基本控制电路２．选择控制参量，确定控制原则４．电路的完善和校核由以上设计过程可知，掌握较多的典型环节和具有较丰富的实践经验对设计工作会大有益处，通过设计实践是能较快地掌握该设计方法的。因此一般设计法的优点是易于掌握，但存在以下的缺点：①在设计中发现画出来的线路达不到要求时，往往用增加电器元件或触点数量的方法加以解决，所以设计的线路不一定是最简单、最经济的。②设计中可能因为考虑不周而发生错误，影响线路的可靠性和工作性能。③设计中需要反复修改草图，设计速度慢，工作效率低。④设计程序不固定。所以一般设计法只适用于简单控制线路的设计2.4.2.2经验设计法中的简单设计法1.简单设计法的介绍简单设计法遵从经验设计法的主要原则,利用逻辑设计法中继电器开关逻辑函数,把控制对象的启动信号、关断信号及约束条件找出,即可设计控制电路.2.逻辑设计法中的继电器开关逻辑函数继电器开关逻辑函数是电气控制对象的典型代表逻辑函数为若把KA替换成一般控制对象K,启动/关断信号换成一般形式X,则开关逻辑函数的一般形式为扩展到一般控制对象:X开为控制对象的开启信号,应该取在开启边界线上发生状态改变的逻辑变量X关为控制对象的关断信号,应该取在关闭边界线上发生状态改变的逻辑变量在线路图中使用触点K为输出对象本身的常开触点,属于控制对象的内部反馈逻辑变量,起自锁作用.注意:X开和X关一般选短信号,这样可以有效防止启/停信号的波动,保证系统的可靠性简单设计法举例2:现在三台电机M1、M2、M3,要求启动顺序为:先启动M1,经过5秒后启动M2,再经过10秒后启动M3;停车要求:先停M3,经过8秒后再停M2,再经过6秒后停M1。三台电机使用的接触器分别为KM1、KM2和KM3。试设计该三台电动机的启/停控制线路。题目分析:该系统有一个启动按钮(SB1)和一个停止按钮(SB2),另外要用四个时间继电器KT1、KT2、KT3和KT4.其定时时间依次为5S、10S、8S和6S.工作顺序图为:解题分析:从上图中可以看出:M1的启动信号为SB1,停止信号为KT4计时到;M2的启动信号为KT1计时到,停止信号为KT3计时到;M3的启动信号为KT2计时到,停止信号为SB2。KT1的启动信号为SB1,断电信号为KM2得电;KT2的启动信号为KT1计时到,停止信号为KM2得电;KT3的启动信号为SB2,停止信号为KT3计时到;KT4的启动信号为KT3计时到,KT4的启动信号为KT4计时到.注意:在设计时,考虑到启、停信号要用短信号以及本着节约原则,所以要注意对定时器及时复位。简单设计法例2:思考题与习题

2.1将图3.17中的线路进行简化。图2.17题2-1图2-2电路如图3.18所示，回答下列问题。图2.18题2-2图

(1)试分析其工作原理。(2)若要使时间继电器的线圈KT在KM2得电后自动断电而又不影响其正常工作，对线路应作怎样的改动？2-3设计钻削加工时刀架的自动循环线路