电气控制与PLC技术课件第4章

Ch4电气控制线路经验设计

4.1电气设计的基本原则4.2机床电力拖动电动机的选择4.3电气控制线路设计4.4机床常用电器的选择4.5电气控制线路设计举例本章要求1.了解电气控制线路设计的基本内容。2.理解电气控制线路设计的一般程序。3.掌握电气控制线路设计的原则。4.能够利用经验设计法设计简单的电气控制线路。

生产机械一般由机械和电气两大部分组成。其中，电气控制系统是生产机械的重要组成部分，对生产机械能否正确、可靠和安全的工作起着决定性作用。一个好的电气控制系统，必须既能满足生产机械的工艺要求，又要符合经济性原则，还要安全可靠、操作维护方便。生产机械电气控制系统设计的合理与否，将直接影响其工作性能及先进性。由各种低压电器组成的电气自动控制线路，具有线路简单、维修方便、成本低等特点，广泛应用于生产设备电气控制领域。

电气控制系统设计的基本任务：根据生产机械对控制系统的要求设计和编制设备的制造、使用和维修过程中所必须的图纸、资料，主要包括电气原理图、电气元件布置图、安装接线图等，编制外购元件目录、材料消耗清单，编写说明书等资料。电气控制系统设计主要包括电气原理图设计和电气工艺设计两大部分内容。电气原理图设计是为满足生产机械及其工艺要求而进行的电路设计，决定了生产机械的实用性和先进性，是电气控制系统设计的核心；电气工艺设计是为电气控制装置的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产施工设计，如开关柜柜体设计、布线工艺设计等。电气工艺设计必须在电气原理图设计完成后，根据工程现场实际要求，合理考虑。

4.1电气设计的基本原则

1．熟悉所设计机床（设备）的总体技术要求及工作过程，清楚其它系统对电气控制系统的技术要求。2．了解机床（设备）的现场工作条件，供电情况及测量仪表的种类。3．通过技术经济分析，选择性能价格比最佳的传动方案和控制方案。4．设计简单合理、技术先进、工作可靠、维修方便的电气控制电路。进行模拟试验，验证控制电路能否满足机床的工艺要求。5．保证使用的安全性，贯彻最新国家标准。

一、机床电气设计的基本要求1．拟定电气设计的技术条件（任务书）；2．确定电力传动方案和控制方案；3．确定电动机容量；4．设计电气控制原理图；5．选择电气元器件及装置；制定电气设备装置、元件、器件的清单及备件，易损件的清单；6．绘制电气安装图、位置图、互连图；7．设计电气柜、操作台、配电板及非标准器件与零件；8．编写设计计算说明书及使用说明书，包括顺序说明、维修说明及调整方法。

根据实际情况，对上述步骤可作适当的调整。二、机床电气设计的内容及设计步骤

电气设计的技术条件通常以设计任务书的形式表达。它是整个电气设计的依据。在任务书中，除了简要说明所设计的机床（设备）型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数及现场工作条件外，还必须说明：1．用户供电电网的种类、电压、频率及容量；2．有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速指标、电动机的起动、反向和制动要求等；3．有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、自动工作循环的组成、自动控制的动作顺序、电气保护及联锁条件等；4．有关操作方面的要求，如操作台的布置、测量显示、故障报警及照明等要求；5．机床主要电气设备（如电动机、执行电器和行程开关等）的参数及布置框图；该技术任务书是依据所设计机床（设备）的总体技术方案拟定的。

三、电气设计的技术条件

四、机床电力传动方案的确定

1.确定机床传动的调速方式

生产机械从生产工艺和节能等方面考虑往往要求能够调速，不同的设备有不同的调速范围和精度要求，不同的调速性能应选用不同的调速方案。

机床传动的调速方式一般可分为机械调速和电气控制调速。前者是通过电动机驱动变速机构或液压装置，对机床的主运动和进给运动进行调速。后者是采用直流电动机或交流电动机以及步进电动机的调速系统，以达到机床无级和自动调速的目的。

对于一般中小型生产机械，无特殊调速指标要求时，应优先选用简单、经济、可靠的三相鼠笼式异步电动机，配以适当级数的齿轮变速箱或液压调速系统。若需进一步简化结构、提高传动效率、扩大调速范围，如调速范围D=2～3、调速级数≤4时，可采用双速或多速鼠笼式异步电动机。对于大型、重型生产机械和精密机械，应尽可能采用电气无级调速，一般采用晶闸管-直流电动机调速系统或交流电动机变频调速系统，直流电动机结构复杂、造价高、维护困难，变频调速技术已日益成熟。变频电机采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式，使生产机械的自动化程度和生产效率大为提高，目前正取代传统的机械调速和直流调速方案。2.传动方式与其负载特性相适应

在确定机床电力传动方案时，必须对电力传动的调速性质和其负载特性进行分析，找出电动机在整个调速范围内转矩、功率与转速的关系[T=f（n）；P=f（n）]。确定负载需要恒功率传动，还是恒转矩传动

。(Y-YY接适用于恒转矩调速，△-YY接适用于恒功率调速。)3.电动机的起制动和正反转的要求

在机床的传动控制中，采用电气控制电动机的起制动和正反转是较为简单的一种控制方式。对于一般较小容量的电动机，其容量不超过供电变压器容量的20%，一般可采用直接起动。

必须采取限制起动电流或起动转矩的措施。常用的方法有：在定子电路中串入电阻或电抗，星三角起动和延边三角形起动，使用自耦变压器降压起动等。若在电网允许的压降内，为了提高电动机的起动转矩，有时可采取某些措施，例如，对绕线式异步电动机转子串接对称电阻的起动。传动电动机是否需要制动，这要根据机床工作需要而定。若无特殊要求，一般采用反接制动，这样可使控制线路简化。若在制动过程中要求平稳、准确，而且不允许有反转情况发生，则必须采取其它可靠的制动措施，如能耗制动方式，电磁制动器，锥形转子电动机等。对于其它一些要求起制动频繁、转速平稳、定位准确的精密机床设备，除必须采用限制电动机起制动电流以外，还需要采用反馈控制系统、高转差电动机、步进电动机系统或其它较复杂的控制方式，以满足机床的控制要求。

对于超过电网允许压降的电动机起动或对机床运动部件产生过大的动态应力的电动机起动，

在确定控制方案时，需要综合考虑各方案的性能、成本、寿命、发展趋势等因素，主要遵循以下原则：自动化程度要与国情相适应。尽可能选用最新科技成果，同时要与企业自身经济实力相适应。控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应。对于工作程序固定，无需经常改变程序的普通生产机械，可采用继电接触器控制系统，控制方法简单，价格便宜，能够控制的功率较大；对于要求较复杂的控制对象，或经常变换工序和加工对象的设备，可采用数字控制或可编程序控制器控制系统。控制方式随控制过程的复杂程度而变化。根据控制要求及控制过程的复杂程度，可采用分散控制或集中控制，但单机的控制方式和基本控制环节应尽量保持一致，以简化设计和制造过程。五、机床电气控制方案的确定

控制系统的工作方式，应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺要求。控制方案选择，应考虑采用自动、半自动循环，并考虑手动调整、联锁、安全保护、故障诊断、信号指示、照明等。控制电路的电源必须可靠。简单控制电路可直接用电网电源；较复杂电路的控制装置，可将电网电压隔离降压，以降低故障率；自动化程度较高的生产设备，可采用直流电源，有助于节省安装空间，方便与无触点元件连接，使元件动作平稳，操作维修也安全。

控制方式主要有时间控制、速度控制、电流控制及行程控制：时间控制方式：利用时间继电器或可编程逻辑控制器的延时单元将感测系统接收到的输入信号经过一段时间的延时后再发出输出信号，从而实现电路的切换。速度控制方式：利用速度继电器或测速发电机，直接或间接的检测某机械部件的运动速度，按照速度原则实现电路的控制。电流控制方式：借助于电流继电器，其动作反映了某一电路中电流的变化，从而实现按电流原则的控制。行程控制方式：利用生产机械的运动部件与事先安排好位置的行程开关或接近开关进行配合，达到位置控制的作用。六、控制方式的选择

电气工艺设计的主要目的在于方便电气控制装置的制造，实现原理图设计的各项技术指标，为设备调试、使用和维护提供必要的图纸资料。其主要内容包括：

1）根据电气原理图和选定的电器元件，设计电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的总装配图和总接线图。总接线图应体现电动机、执行电器、电器箱组件、操作台、电源和检测元件的分布状况以及各部分间的接线关系，以供装配、调试及日常维护使用。2）按照原理框图或划分的组件进行统一编号，绘制各组件原理图，列出元件目录表，并根据总图编号统计各组件的进出线号。★电气工艺设计的主要内容

★电气工艺设计的主要内容（续）

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、接线图，图中应反映出各电器元件的安装方式与接线方式。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。5）设计电气箱。6）根据总图、组件原理图等资料，汇总后列出外购清单、标准件清单和主要材料消耗定额等。7）编写使用维护说明书。

在选择电动机时，首先应选择合适的功率；其次，应综合考虑电动机的转速、电压、结构形式等。选择的基本原则如下：电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与被拖动负载特性相适应，以保证运行稳定，并具有良好的起动、制动性能，对有调速要求时应合理选择调速方案。电动机的结构形式应能满足机械设计提出的安装要求，选择恰当的使用类别和工作制，并能适应周围环境的工作条件。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。电动机的电压选择应根据使用地点的电源电压来决定，额定功率根据生产机械的功率负载和转矩负载来选择。在满足设计要求情况下，应优先采用结构简单、价格便宜、维护方便的笼型三相交流异步电动机。4.2机床电力拖动电动机的选择

一、机床用电动机容量的选择1．机床主拖动电动机容量的选择

（1）调查统计类比法

卧式车床主电动机的功率：

式中P——主拖动电机功率（kW）D——工件最大直径（m）立式车床主电动机的功率：

式中D——工件最大直径（m）（2）分析计算法

可根据机床总体设计中对机械传动功率的要求，确定机床拖动用电动机功率。即知道机械传动的功率，可计算出所需电动机功率：

式中P——电动机功率；

P1——机械传动轴上的功率；——生产机械效率；——电动机与生产机械之间的传动效率。

式中——机床总效率，一般主运动为回转运动的机床为0.7～0.85；主运动为往复运动的机床为0.6～0.7（结构简单的取大值，复杂的取小值）。计算出电动机的功率，仅仅是初步确定的数据，还要根据实际情况，进行分析，对电动机进行校验，最后确定其容量。P=

P=（3）节能查表法

当电动机的机械特性很硬，以致电动机的转速在整个工作过程中可以认为近似不变时，电动机的功率近似与转矩成正比。此时，等效负载P为：例：某机床负载如图所示，试选一台四级Y系列电动机。由上式算得等效负载：P=5.4kWPt1002003004005006007000116.95.5

P=

P=所需电动机功率（kW）电动机型号应选电动机功率（kW）所需电动机功率（kW）电动机型号应选电动机功率（kW）0.54Y801-20.750.73Y801-40.550.92Y802-21.10.86Y802-40.751.16Y90S-21.50.98Y90S-41.12.07Y90L-22.21.17Y90L-41.52.22Y100L-232.19Y100L1-42.23.96Y112M-242.72Y100L2-434.15Y132S1-25.53.62Y112M-447.06Y132S2-27.54.15Y132S-45.57.68Y160M1-2116.63Y132M-47.511.61Y160M2-2159.02Y160M-41116.91Y160L-218.512.67Y160L-41521.89Y180M-22213.92Y180M-418.524.41Y200L1-23018.35Y180L-42237.46Y220M2-23723.27Y200L-43043.87Y225M-24525.05Y225S-43751.99Y250M-25541.98Y225M-44567.72Y280S-27555.71Y250M-455Y280M-29062.58Y280S-475Y280M-4902．机床进给运动电动机容量选择

机床进给运动的功率也是由有效功率和功率损失两部分组成。一般进给运动的有效功率都是比较小的，如通用机床进给有效功率仅为主运动功率的0.0015～0.0025，铣床为0.015～0.025，但由于进给机构传动效率很低，实际需要的进给功率，车床、钻床的有效功率约为主运动功率的0.03～0.085，而铣床则为0.2～0.25。一般地，机床进给运动传动效率为0.15～0.2，甚至还低。

车床和钻床，当主运动和进给运动采用同一台电动机时，只计算主运动电动机功率即可。对主运动和进给运动没有严格内在联系的机床，如铣床，为了使用方便和减少电能的损耗，进给运动一般采用单独电动机传动，该电动机除传动进给外还传动工作台的快速移动。由于快速移动所需的功率比进给大得多，因此电动机功率常常是由快速移动所需要而决定的。

快速移动所需要的功率，一般由经验数据来选择，如下表所示。机床类型运动部件移动速度（m/min）所需电动机功率（kW）

Dm=400mm卧式机床Dm=600mm

Dm=1000mm溜板溜板溜板6～94～63～40.6～1.00.8～1.23.2摇臂钻床dm=35～75mm摇臂0.5～1.51～2.8升降台铣床工作台升降台4～61.5～2.00.8～1.21.2～1.5龙门铣床横梁横梁上的铣头立柱上的铣头0.25～0.501.0～1.50.5～1.02～41.5～21.5～2二、电动机转速和结构型式的选择

电动机的转速愈低则体积愈大，价格也愈高，功率因数和效率也就低，因此电动机的转速要根据机械的要求和传动装置的具体情况加以选定。异步电动机的转速有3000r/min；1500r/min；1000r/min；750r/min；600r/min等几种，这是由于电动机的磁极对数的不同而定的。电动机转子转速由于存在着转差率，一般比同步转速约低2%~5%。一般情况下，可选用同步转速为1500r/min的电动机，因为这个转速下的电动机适应性较强，而且功率因数和效率也高。若电动机的转速与该机械的转速不一致，可选取转速稍高的电动机通过机械变速装置使其一致。选择电动机的原则:先交流后直流,先鼠笼后绕线。从结构型式看：立式、卧式;封闭式、防爆式4.3电气控制线路设计

一般中小型机床电气传动控制系统并不复杂，大多数都是由继电器接触器系统来实现其控制的，因此在设计时，第一节所讲述的机床电气设计的某些内容可以省略，其重点就是设计继电器接触器控制线路及选择电气元件。当机床的控制方案确定后，可根据各电动机的控制任务不同，参照典型线路逐一分别设计局部线路，然后再根据各部分的相互关系综合而成完整的控制线路。控制线路的设计应在满足机床电气控制系统具体要求的前提下，工作要可靠，力求操作、安装及维修方便。一、原理图设计的一般原则

确定了传动方案及控制方案后，进一步设计控制电路原理图时，必须遵循以下几个原则：

（1）控制系统应满足生产机械的工艺要求；（2）力求控制电路安全可靠，简单经济；（3）合理选择各种电器元件；（4）符合人机关此，便于维修。二、控制电路电源选择及主电路设计

1．控制电路电源的选择

在电器控制线路比较简单，电器元件不多的情况下，应尽可能用主回路电源作为控制回路电源，即可直接用交流380V或220V，简化供电设备。对于比较复杂的控制线路，控制电路应采用电源变压器，将控制电压由交流380V或220V降至110V或48V、24V。这是从安全角度考虑的。一般机床照明的电路为36V以下电源。一般这些不同的电压等级，都是由一个控制变压器实现的。直流控制线路多用220V或110V供电。对于直流电磁铁、电磁离合器，常用24V直流电源供电。电源选择具体如下表所示。控制电路类型常用的电压值（V）电源设备交流电力传动的控制电路比较简单者，电磁线圈5个以下交流380、220直接采用动力电源220、110采用控制变压器交流电力传动的控制电路比较复杂者48、36、24、6采用电源变压器照明及信号指示电路直流电力传动的控制电路直流220、110整流器直流电磁铁及离合器的控制电路24整流器2．主电路设计

对于三相鼠笼式异步电动机，要考虑的主要问题是：根据工艺要求，如何选择主电路电动机的起动方式，正反转控制及主电路的保护环节。这些控制方式及保护环节，在前面几章已进行了分析介绍，关键在于设计时应注意以下几方面的问题。（1）确定电动机是全压起动还是降压起动。

全压起动必须满足电源变压器容量足够大的条件，也可用经验公式来确定。若条件满足时，才能全压起动，反之必须采用降压起动。全压起动的条件为：≤Seb——电源变压器额定容量（kVA）Ig——电动机全压起动电流（A）Ie——电动机额定电流（A）Pe——电动机额定功率（kW）（2）对于正反转控制方式，应防止误操作而引起的电源相间短路，必须在控制电路中考虑互锁保护。（3）必须注意主电路的熔断保护、过载保护及其它保护元件的选择与设置。（4）主电路与控制电路应保持严格的对应关系。三、经验设计法的步骤和特点

1．经验设计法的基本步骤（1）收集分析现有国内外同类型机床的电气控制电路，使控制系统满足设计原则。（2）根据生产机械对电气控制电路的要求，首先设计各个独立环节的控制电路，然后由各个控制环节之间的关系进一步拟定联锁控制电路及辅助电路的设计。一般的机床电气控制电路设计包括主电路、控制电路和辅助电路等设计。a.主电路设计主要考虑电动机的起动、正反转、制动、点动及多速电动机的调速等。（3）合理选择各种电器元件，符合人机关系，便于使用和维修。（4）全面检查所设计电路，在条件允许的情况下，进行模拟试验，克服在工作过程中因误动作而产生的事故因素，逐步完善整个电器控制电路的设计。

b.控制电路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化或半自动化的控制等。

c.辅助电路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、超程、零压、联锁、光电测试、信号、照明等各种保护环节。2．经验设计法的基本特点（1）其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳设计方案。但该方法简单易行，使用很广。（2）需反复修改草案，故会影响设计速度。（3）需要一定的经验才能进行设计，在设计中往往会因考虑不周而影响电路的可靠性。

（4）一般需要进行模拟试验。

四、控制线路的设计规律

继电器控制线路有一个共同的特点，就是通过触点的“通”和“断”控制电动机或其他电气设备来完成运动机构的动作的。即使是复杂的控制线路，很大一部分也是动合和动断触点组合而成的。为了设计方便把它们的相互关系归纳为以下几个方面。1．常开触点串联

当要求几个条件同时具备时，才使电器线圈得电动作，可用几个常开触点与线圈串联的方法实现。如图中K1、K2、Ｋ3都动作接通时继电器KM才动作，这种关系在逻辑线路中称“与”逻辑。

K1K2K3KM2．常开触点并联

当在几个条件中，只要求具备其中任一条件，所控制的继电器线圈就能得电，这时，可用几个常开触点并联来实现。这种关系在逻辑线路中叫“或”逻辑。

SB1SB3SB5SB4SB6KMKMSB23．常闭触点串联

当几个条件仅具备一个时，继电器线圈就断电，可用几个常闭触点与控制的电器线圈串联的方法来实现。

SB1SB3SB5SB2SB4SB6KMKM4．常闭触点并联

当要求几个条件都具备时，电器线圈才断电，可用几个常闭触点并联，再与控制的继电器线圈串联的方法来实现。

5．保护电器的作用

一般保护电器应既能保证控制线路长期正常运行，又能起到保护电动机及其它电器设备的作用。一旦线路出现故障，它的触点就应以“通”转为“断”。

五、控制线路设计的一般问题

1．简化电路、减少触头，提高电路工作的可靠性

从可靠性设计的观点看，在满足功能要求的前提下，电路应尽可能简化。电气元件越少，触头数量就越少，发生故障的机率降低，从而工作可靠性提高。1）合并同类触头

如图所示，在获得同样功能的情况下，b）图比a）图在电路上少了一个触头。但在合并触头时应注意触头所允许通过的额定电流值的限制。

应尽量避免多个触头依次动作才接通另一个电器的现象。合并同类触头K1K2K2K3K1K2K3b)a)2）利用转换触头

利用具有转换触头的中间电器，将两个触头（属于同一个电器的一个常开触头、一个常闭触头）合并成一个转换触头。

利用转换触头K1K2K3K4K5K1SAK4K3K2K53）在直流电路中利用半导体二极管的单向导电性来有效地减少触头数目

如图所示电路是等效的，对于弱电电器控制电路是行之有效的方法，目前在自动磨床上得到应用。

利用二极管等效K1K2KM1KM2K1K1K2KM1KM2VD4）利用逻辑代数进行电路化简

5）触点化简与合并举例

触点化简与合并K1K2KK1K1KK1KK1K2K3K4K1KK2K3K4K2K3KK1K1K1K3KK2K1K3K4K2K3K1K3K4K22．正确联接电器元件的线圈1）在设计控制电路时，电器线圈的一端应接在电源的同一端。

继电器、接触器以及其它电器的线圈一端统一接在电源的同一侧，使所有电器的触点在电源的另一侧，这样当某一电器的触点发生短路故障时，不致引起电源短路，同时安装接线也方便。

触点电路触点电路触点电路KMKKT2）电器元件的线