现代低压电器技术 课件 6. 电气控制线路的分析和设计基础

现代低压电器及控制上海大学机电工程与自动化学院代颖电气控制线路的分析与设计基础电气控制线路的绘制原则1电气控制分析基础2电机典型控制线路3电气控制设计基础4电气控制系统的保护5电气控制线路的绘制原则3电气控制线路定义：将接触器、继电器、熔断器、按钮、开关等低压电器用导线按一定规则连接起来组成的电气线路。电气控制系统图目的：表达电气控制系统的结构、原理等设计意图；方便后续电气系统的安装、调试、使用和维修。电气控制系统线路图分类：电气原理图、电器元件布置图、电气安装接线图。电气原理图4目的：便于阅读和分析控制线路的工作原理。绘制原则：简单、层次分明、清晰。绘制形式：电器元件展开形式绘制。注意事项：电气原理图不按照电器元件的实际布置位置绘制，也不反映电器元件的实际大小和形状，根据电气控制线路工作原理绘制。布局要求：突出信息流和各功能单元间的功能关系，对图的布置应有利于识别各种程序过程和信息流向，因果关系清楚。组成部分：(1)主电路：电气控制线路中大电流通过的部分，包括从电源到电机之间相

连的电器元件；一般由组合开关、主熔断器、接触器主触点、热继电

器的热元件和电动机等组成。(2)辅助电路：控制线路中除主电路以外的电路，其流过的电流比较小和

辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路和保护电路。其中控制电

路是由按钮、接触器和继电器的线圈及辅助触点、热继电器触点、保护

电器触点等组成。需遵循原则：

电器元件按未通电和未受外力作用时的状态绘制，即在没有通电或没有发生机械动作时的位置。例如：接触器按线圈未通电，触头未动作时的状态绘制；按钮按未按下按钮时触头的状态绘制；热继电器按未发生过载动作时的状态绘制。电气原理图5主电路、控制电路和辅助电路应分开绘制。主电路是设备的驱动电路，是从包含电源、电动机、接触器主触头等元件的大电流的电气线路；控制电路是由接触器和继电器线圈、各种电器的触头组成的逻辑电气线路，实现控制功能；辅助电路包括信号、照明、保护等功能的电路。触头的绘制位置：使触头动作的外力方向必须是：当原理图垂直绘制时为从左到右，即垂线左侧的触头为常开触头，垂线右侧的触头为常闭触头；当图形水平放置时为从下到上，即水平线下方的触头为常开触头，水平线上方的触头为常闭触头。主电路用粗实线绘制在图纸的左侧或上方，控制电路用细实线绘制在图纸的右侧或下方。图中自左而右或自上而下表示操作顺序，并尽可能减少线条和避免线条交叉。图中有直接电联系的交叉导线的连接点（即导线交叉处）要用黑圆点表示。无直接电联系的交叉导线，交叉处不能画黑圆点。同一电气元件的不同部分（如接触器的主触头、线圈和辅助触头）按功能和所接电路的不同而分别绘制在不同电路中，但必须标注相同的文字符号。电气原理图6（a）新国标（b）旧国标图1三相异步电动机的启-保-停控制线路电气控制分析基础7在看图之前应首先了解设备的机械结构、电气传动方式、对电气控制的要求、电动机和电气元件的大体布置情况及设备的使用操作方法，各种按钮、开关、指示器等的作用。此外还应了解使用要求、安全注意事项等，对设备有一个全面完整的认识。识图时，首先要看清楚图纸说明书中的各项内容，图纸说明包括图纸目录、技术说明、元器件明细表和施工说明书等。明确设计内容和施工要求，了解图纸的大体情况。图纸中标题栏也是重要的组成部分，它告诉你电气图的名称及图号等有关内容，由此可对电气图的类型、性质、作用等有明确认识，同时可大致了解电气图的内容。电路原理图是电气图的核心，看懂电气原理图才能正确接线，正确阅读电气原理图是电工的基本技能。电气原理图的读图方法8电气原理图的读图方法主要有两种：查线读图法（直接读图法或跟踪追击法）和逻辑代数法（间接读图法）。查表读图法这种方法首先仔细阅读设备说明书，了解电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况、控制要求等内容，然后按以下步骤阅读分析电气原理图：分析主电路：从主电路入手，根据每台电动机、电磁阀等执行电器的控制要求分析它们的控制内容，如起动、方向控制、调速和制动等。在分析电气线路时，一般应先从主电路入手，从主电路看有哪些控制元件的主触点、电阻等，然后根据其组合规律大致可以判断电动机是否有正反转控制、是否制动控制、是否要求调速等。分析辅助电路：根据主电路中各电动机、电磁阀等执行电器的控制要求，逐一找出控制电路中对应的控制环节，按功能不同划分成若干局部控制线路进行具体分析，并对信号、照明和保护、故障报警等功能进行分析。分析自锁、互锁、联锁等保护环节：为保证控制的安全性和可靠性，一般控制线路设置了一系列电气保护和必要的电气联锁，下面分别介绍控制线路的常见保护环节。总体检查：经过“化整为零”，逐步分析每一个局部电路的工作原理及各部分之间的控制关系之后，还需进一步对整个控制线路进行检查，理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元件所起的作用，不遗漏任何一个功能。电气原理图的读图方法9自锁：交流接触器通过自身的常开辅助触头实现其线圈在启动按钮按下松开后始终保持得电状态称为自锁。接触器的常开辅助触头与启动按钮并联，按钮按下后，接触器线圈得电，常开辅助触头闭合，此时松开启动按钮，由于辅助常开触头的闭合而不会使接触器失电断开，自行锁住，防止误动作。如图7-1中与启动按钮SB2并联的接触器KM的常开辅助触头。互锁：就是互相“锁住”对方，一方处于工作时，另一方就被“锁住”不能处于工作状态，除非处于工作状态的一方停止工作。几个电气回路之间，可利用常开触头，控制对方的线圈回路，进行状态保持或功能限制。互锁目的是避免线路同时工作而造成短路。互锁可采用电气互锁、机械互锁和电气机械联动互锁。电气互锁是将继电器的常闭触头或接触器的常闭辅助触头接入另一个继电器或接触器的线圈控制回路中，保证一个继电器或接触器得电动作后，另一个继电器或接触器线圈不能得电，通过机械连杆实现这一功能的称为机械互锁。联锁：几个电器或元件之间，为保证电器或其元件按规定的次序动作而设计的连接。电气原理图的读图方法10图2电气控制线路中的电气机械联动互锁电气原理图的读图方法11图3车床主轴电机的联锁控制电气原理图的读图方法12逻辑代数法逻辑代数法是通过对电路的逻辑表达式运算来分析控制电路，这种读图方法优点是个电器元件之间的联系和制约关系可通过逻辑表达式看出，通过逻辑函数的运算，一般不会遗漏或看错电路的功能。缺点是复杂电气线路的逻辑表达式很繁琐。电气控制电路中的继电器、接触器、行程开关等电器的触点都只有“通、断”两种状态，电器线圈只有“得电、失电”两个状态，即所谓的二值逻辑（我们把具有二值逻辑的控制元件称为开关元件），可应用逻辑代数这一数学工具来分析和设计电气控制线路。逻辑代数中的基本逻辑关系为逻辑和、逻辑乘、逻辑非，若以“1”表示各开关元件的受激状态（电器线圈得电，按钮和行程开关处于受压状态），以“0”表示这些元件的原始状态（电器线圈不得电、按钮等未受压），上述三种逻辑关系与电路状态之间的对应关系如图4所示。电气原理图的读图方法13图4控制线路对应的逻辑表达式电气原理图的读图方法14

利用这些基本定律可以分析、设计、简化电气控制线路的设计。以某一低压电器线圈的控制线路为例介绍具体步骤：首先写出控制线路中各元件触头间相互关系的逻辑表达式（均以未受激时的状态来表示）；通过线圈的逻辑表达式可分析判断当发出主令控制信号时，哪些逻辑表达式输出为“1”，哪些表达式由“1”变为“0”，从而可进一步分析哪些电动机或电磁阀等运行状态的改变。在控制电路的设计中，应用逻辑表达式来简化电路也是很方便的。电气原理图的读图方法15名称恒等式基本定律0,1法则0+A=A0A=A1+A=11A=A互补定律同一定律A+A=AAA=A反转定律交换律A+B=B+AAB=BA结合律(A+B)+C=A+(B+C)(AB)C=A(BC)分配律A(B+C)=AB+AC(A+B)(A+C)=A+BC吸收率A+AB=AA(A+B)=A摩根定律表1逻辑关系的基本运算定律电气原理图的读图方法16图5控制线路的逻辑关系简化

电气原理图的读图方法17

电气原理图的读图方法18根据上述逻辑表达式画出的控制线路如图6所示图6逻辑代数法设计控制线路对于简单的系统设计而言，逻辑代数法设计的控制线路比较简化、合理，但控制线路复杂时，逻辑代数法工作量大、繁琐、容易出错。对于复杂的控制系统设计，可以首先分为若干互相联系的控制单元，用逻辑代数法设计单元控制线路，然后采用经验设计法组合各个控制单元，各取所长，获得更理想经济的设计方案。控制线路。电机典型控制线路三相异步电动机控制线路1三相异步电动机控制线路2永磁无刷直流电机调速控制线路3永磁伺服电机位置闭环控制线路4机床电气控制线路5机器人电气控制线路6电动车电动机的电气控制线路7供电线路控制线路8三相异步电动机的点动控制线路20“一按就动，一松就停”的电路称为点动控制电路。在工业生产车间，我们经常会用到通过一个按钮的点动控制电动机的起停，比如：压机、车床的进刀、吊车等设备，控制线路如图7所示，电动控制线路为短时工作，不需要热继电器。当需要电动机M工作时，合上开关QF，按下启动按钮SB，交流接触器KM线圈得电，接触器主触点KM闭合，主回路UVW三相交流电通过接触器主触点KM与电动机M接通，电动机M起动运行。松开按钮SB，交流接触器KM线圈失电，接触器主触点KM断开，电动机M停转。图7三相异步电动机的点动控制线路三相异步电动机的长动控制线路21图8三相异步电动机的长动控制线路在工业生产车间，我们经常会用到通过一个起动按钮控制电动机的运行，再通过另一个停止按钮控制电动机的停止运行，比如：磨床、车床、砂轮机等设备，控制线路如图8所示。闭合开关QF，按下启动按钮SB2，交流接触器KM线圈得电，接触器KM主触点闭合，同时辅助常开触点闭合，电动机M起动运行。松开按钮SB2时，由于接触器KM的辅助常卡触点的闭合实现了自锁，控制线路保持得电状态。按下停止按钮SB1，控制线路断电，KM线圈断电，KM主触点断开，电动机M停止工作。三相异步电动机的电动/长动控制线路22图9三相异步电机的点动/长动控制线路图9所示的三个控制线路均可可实现点动和长动控制。图（a）通过中间继电器KA实现控制线路的点动；图（b）通过开关Q的切换实现点动；图（c）通过复合按钮SB3实现点动，复合按钮一般由联动的常开触头和常闭触头组成，当按下按钮时，常闭触头断开、常开触头闭合，需注意触点竞争问题。同一电器的常开、常闭触点同时出现在电路的相关部分，电器的线圈得电或失电后，电器触点状态的变化不是瞬间完成的，需要一定的时间，有先后之别，在吸合与断开过程中存在一个同时的特殊过程。虽然触点同时动作，但不是同时达到状态，图9（c）控制线路松开复合按钮时如果常闭触点先恢复，将导致线路的点动控制失败。三相异步电动机的Y-△降压起动控制线路23大中型异步电动机直接起动时，由于反电势低，绕组电流大，会对电网产生较大的冲击影响，电网容量裕度不足时，容易发生跳闸，中大型异步电动机多数采用三角形的绕组接法，可以采用绕组的Y-△变换方法降压起动，减小起动电流。控制线路的电气原理如图10所示，闭合开关QS，按下启动按钮SB2，接触器KM、KMY和时间继电器KT的线圈得电，KM和KMY的主触点闭合，异步电动机星接启动，KM辅助常开触点闭合，实现自锁，KMY常闭辅助触点断开，实现KMY与KM△的互锁。时间继电器KT的计时时间到，KT的延时常开触点闭合，同时延时常闭触点断开，接触器KMY线圈失电，KMY主触点断开，同时辅助常闭触点恢复闭合，接触器KM△线圈得电，其主触点闭合，电动机绕组以△接形式继续运行，辅助常开触点闭合实现自锁，辅助常闭触点断开实现与接触器KMY线圈线路的互锁。按下停止按钮SB1，电动机停转。三相异步电动机的Y-△降压起动控制线路24图10三相异步电动机的Y-△降压起动控制线路三相异步电动机的串电阻降压起动控制线路25图11三相异步电动机的串电阻降压起动控制线路定子绕组串接电阻降压启动是指电动机启动时，把电阻串联在电动机定子绕组与电源之间，通过电阻的分压作用降低定子绕组上的启动电压，启动完成后，再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。串电阻降压启动控制线路简单、成本低、动作可靠。如图11所示为采用接触器和时间继电器控制的串电阻降压启动控制线路。控制线路工作原理为：闭合开关QS，按下启动按钮SB2，接触器KM1和时间继电器KT线圈得电，KM1主触点闭合，电动机串电阻降压启动，KM1辅助常开触点闭合闭合实现自锁，时间继电器KT计时时间到，KT的延时常开触点闭合，接触器KM2线圈得电，其主触点闭合将电阻短接，电动机在额定电压下运行，按下停止按钮SB1，电动机停转。三相异步电动机的正反转控制线路26我们日常生活和工业生产过程中，经常需要用到电机的正反转。可通过调换三相异步电动机的任意两相相序实现电机的正反转，控制线路如图12所示。闭合开关QS，按下启动按钮SB2，KM1线圈得电，主触点闭合，电机正向启动运行，KM1的辅助常开触点闭合实现自锁、辅助常闭触点断开，保证KM2线圈线路不得电，实现互锁；按下停止按钮SB1，电机停转，电机反转工作原理相同，不再赘述。图12三相异步电动机的正反转控制线路三相异步电动机的反接制动控制线路27在工业生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，实现制动有两种机械制动和电磁制动两种方法。电磁制动是使电机在制动时产生与其旋转方向相反的电磁转矩，其特点是制动转矩大，操作控制方便。常见电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。反接制动是将电动机定子绕组任意两相对调，产生与转子转速相反的旋转磁场，达到快速停机的目的。反接制动一般与速度继电器配合，在电动机速度为零时，及时切断电源，否则将会出现反向启动。如图13所示为定子串电阻正反转反接制动控制线路工作原理图，限流电阻在电机正向和反向启、制动过程中起限流作用。电气线路工作原理简述如下：闭合开关QF，按下正向启动按钮SB2，中间继电器KA1线圈得电，其常开触点闭合，正向接触器KM1线圈得电，KM1主触点闭合，电动机正向串电阻降压启动，当电机转速达到正向速度继电器动作值时，其常开触点KS-Z闭合，接触器KM3线圈得电，其主触点闭合短接限流电阻R，电动机转速升至额定转速正常运行。按下停止按钮SB1，KA1线圈失电，其常开触点恢复断开，KM1、KM3线圈失电，限流电阻串入定子电路，定子绕组正向三相电源断开。KM1常闭辅助触点恢复闭合，KM2线圈得电，其主触点闭合，定子绕组接入反向三相电源，电动机进行串电阻反接制动，当转速接近零时，正向速度继电器KS-Z复位断开，KA3和KM2线圈相继失电，电动机制动过程结束，电动机停转。电动机处于正传或反转过程中，只要按下另外一个启动按钮，控制线路便可自动完成反接制动和反向启动的全过程。三相异步电动机的反接制动控制线路28图13三相异步电动机的反接制动控制线路三相异步电动机的电磁抱闸制动控制线路29图14三相异步电动机的电磁抱闸制动控制线路在对制动的可靠性和安全性要求较高的应用场合，常采用断电电磁抱闸制动方法，这种制动方法不会因中途断电或电气故障的影响而造成事故，安全可靠，广泛应用于电梯、起重、卷扬机等升级机械上。其控制线路如图14所示。闭合开关QF，按下启动按钮SB2，KM1线圈得电，KM1主触点和辅助触点闭合，电磁抱闸线圈YA得电，电磁铁吸合，产生的电磁力使制动器的闸瓦克服弹簧拉力与闸轮分开，同时KM2线圈得电，KM2的主触点和辅助触点闭合，电动机M起动运行。当需要快速停止时，按下停止按钮SB1，交流接触器KM1和KM2线圈失电，主触点复位，主回路断电，电磁抱闸线圈YA失电，制动器的闸瓦在弹簧拉力作用下抱住闸轮，使电动机M迅速制动停转。三相异步电动机的变频调速控制线路30变频器是利用电力半导体器件和软件变频技术，通过改变电机工作电源频率控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要采用交—直—交方式，由整流、滤波、逆变、制动、驱动、检测、控制等单元组成，整流部分一般为三相桥式不可控整流，逆变部分为IGBT三相桥式可控逆变器，IGBT的开断可以调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。变频器还有很多保护功能，如过流、过压、过载保护等。典型变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元以及输入输出接口等组成，基本原理如图15所示。图15变频器内部典型原理图三相异步电动机的变频调速控制线路31图16(a)三相异步电动机的变频调速控制典型线路之一三相异步电动机的变频调速控制线路32图16(b)三相异步电动机的变频调速控制典型线路之一三相异步电动机的变频调速控制线路33图17多台三相异步电动机的变频调速控制典型线路永磁无刷直流电机调速控制线路34永磁无刷直流电动机控制系统是一个具有传统直流电动机特性的闭环控制系统，它用控制电路的电子换向替代了传统直流电机的机械换向，当电机通电后位置传感器检测出电机转子磁极与定子绕组的相对位置，由控制电路来决定定子绕组的逻辑换向状态。永磁无刷直流电机调速性能好、响应快、寿命长、结构简单，应用广泛。直流无刷直流电动机调速控制系统框图如图18所示。

图18直流无刷直流电动机系统框图永磁无刷直流电机调速控制系统35无刷调速控制器系统的硬件主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元、控制单元以及输入输出接口等组成，由于电子换向的存在，需多配置一套位置传感器，为节约成本，一般使用开关型霍尔，控制线路如图19所示：图19(a)永磁无刷直流电机调速控制线路永磁无刷直流电机调速控制系统36图19(b)永磁无刷直流电机调速控制线路永磁无刷直流电机调速控制系统37图20位置传感器的输入与控制器输出电压的逻辑换向关系永磁伺服电机位置闭环控制线路38伺服电机可对力矩、速度、位置进行精度控制，受输入信号控制，能进行快速、精密反应，具有机电时间常数小、线性度高等特性，在自动控制系统中，常作执行元件。近年来随着微处理器、新型数字信号处理器(DSP)的应用，出现了全数字伺服控制系统，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用力矩、力矩加转速、力矩加转速与位置全闭环的全数字伺服系统，以满足工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需求场合。伺服控制的内部结构组成与变频器基本一致，但位置反馈一般采用高精度的光编或旋变，实现更精准的控制，其典型控制线路如图21。永磁伺服电机位置闭环控制线路39图21永磁伺服电机位置闭环控制线路机床电气控制线路40车床是机床的一种，主要由主轴电机、水泵、油泵、自动进退刀和照明等控制线路组成，主轴电机和自动进退刀具有正反转功能，油泵电机在机床上电时启动，水泵根据需要启动，如图22所示为C6250车床的典型控制器线路图。图22(a)C6250车床电气控制线路机床电气控制线路41合上QF开关，油泵电机M2开机运行，主轴电机M1根据需要选择SB1和SB2正反转运行，按下SB3时，水泵电机M3开机运行，旋转QS按钮，可以控制自动进退刀电机M4的运行，按下SB4开关时，可以开启照明灯。电机M2和M3装有热保护装置，当热保护动作时，整个系统会断电停止运行。图22(b)C6250车床电气控制线路机器人电气控制线路42图236轴机器人控制原理图在现代化工厂生产中，多轴机器人能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，例如在冲压机、搬运、码垛、装配上下料、分拣等应用，或是在危险、恶劣环境下代替人工作业，例如压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形，以及在原子能工业等领域的特殊应用。多轴机器人控制一般由电机、伺服控制器、运动控制卡等组成，如图23所示为常见的6轴机器人控制原理图，整个系统由6个伺服电机与控制器组成执行元件，运动控制器通过CAN或485通讯，将点到点、直线、2D或3D圆弧，连续轨迹规划，S型加减速，动态追踪等指令控制传输至相应轴的控制器，达到控制目的。电动车电动机的电气控制线路43电动自行车电气控制线路电动自行车控制系统主要由电池、充电器、控制器、电机、调速把手、仪表等组成，系统原理如图24所示，当需要开动电动自动车时，先合上开关QF，闭合钥匙开关SB1，主电路与辅助电路工作，旋转调速把手，控制器与电机起动运行，车子就可以行驶。当刹车时，刹车断电开关1或2动作，刹车线拉低电压，控制器使能停止工作，电机会断电自由运行或进行能量回馈电池（部分控制器有此功能），当刹车停止时，电机可以继续受控制器供电恢复运行。运行中根据路况，可以通过三档车速开关按钮，来控制最高的三档车速。行车是按下巡航开关时，可以保持定速行驶，直到按下刹车巡航取消。行车左右打方向时还可以分别按下按钮来控制左右方向灯闪烁，保障行人安全。夜间行驶时，可以旋动K1按钮打开大灯、仪表灯和尾灯。另外，电动自行车用的电机大部分为永磁无刷电机，电机在出厂设计时，位置传感器与绕组的相序设计有120°和60°之分，为了能让控制器更智能更通用，控制器设计了可以通过短接自学习相位线，来自适应不同相位的电机。电动车电动机的电气控制线路44图24电动自行车电气控制线路电动车电动机的电气控制线路45低速电动车控制系统主要由电池、充电器、控制器、电机、制动踏板、油门踏板、档位、仪表等组成，系统原理如图25所示，当需要开动电动自动车时，先合上开关QF,主回路通过预充电电阻R给控制器电容充电（充电时间可以根据电阻R和控制器电容C的大小确定），闭合钥匙开关SB，控制器控制线圈KM通电，主接触器吸合，主回路通电，选择档位D或R，踩下油门踏板，控制器可以控制电动车前进或后退。行驶中当踩下制动踏板刹车时，制动踏板开关闭合，电机会断电自由滑行或进行能量回馈电池（部分控制器有此功能），当刹车松开时，电机可以继续受控制器运行。图25低速电动车电气控制线路供电线路控制线路46在工厂供电中，由于要求系统安全可靠运行，对于有条件的工厂供电采取多进线与母联柜配合使用，当某一进线配电有故障时，可通过临近的进线与母联柜手动或自动切换，使故障线路的配电相关设备可以继续恢复供电，保障生产继续，而当故障线路维修后，又可通过手动或自动切换回正常的线路运行。本节举例2个进线柜与1个母联柜的逻辑控制，其一次图如26所示：图26进线柜与母联柜一次图供电线路控制线路47图27(a)1#进线柜二次图供电线路控制线路48图27(b)1#进线柜二次图供电线路控制线路49图28(a)2#进线柜二次图供电线路控制线路50图28(b)2#进线柜二次图供电线路控制线路51图29(a)3#母联柜二次图供电线路控制线路52图29(b)3#母联柜二次图电气控制设计基础53电气控制系统的设计是在传动形式和控制方案确定的基础上进行的，一般步骤如下：(1)拟定电气设计任务书(技术条件)：供电系统的电压等级、频率、容量及电流种类。有关操作方面的要求，如操作台的布置，操作按钮的设置和作用，测量仪表的种类、故障报警和局部照明要求等。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，动作程序，限位设置，电气保护及联锁条件等。有关电力拖动的基本特性，如电动机的数量和用途，各主要电动机的额定功率、负载特性、调速范围和方法，以及对起动、反向和制动控制的要求等。生产机械主要电气设备(如电动机、执行电器和行程开关等)的布置草图和参数。(2)确定电力传动方案和控制方案：负载特性：确定负载性质，机床的切削运动一般为恒功率负载，机床的进给运动一般为恒转矩负载；电动机的种类、数量：根据负载特性、工艺及结构确定确定电机的种类（直流电机/交流电机）、单电机驱动还是多电机驱动；调速要求：对调速范围要求不高的可配置齿轮变速箱，对于低速大力矩驱动场合可采用液压调速装置，随着工业技术的发展，变频驱动的应用越来越广泛；起动、制动和反向要求(3)设计电气控制线路原理图(包括主、辅电路)；

电气控制设计基础54(4)选择电气元件，制定电气元件或装置易损件及备用件的明细表；(5)设计操作台、电气柜、电气安装板以及非标准电器和专用安装零件；(6)绘制电气装配图和接线图；(7)编写电气原理说明书和使用说明书。电气控制线路原理图的正确设计是总体方案确定后的一个重要环节，是后续工艺设计、安装图和各种技术资料编制的依据，一般需遵循以下原则：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，根据电网容量、电网电压及频率的波动情况及允许的冲击电流大小等决定电机的启动方式。尽量选择标准的、常用的控制线路；设计方案要合理。在满足控制要求的前提下，设计方案应力求线路简单，为简化电路、节能降耗、提高电器动作的可靠性、便于操作和维修、降低成本，应尽量减少电器元件数量和不必要的触点，尽可能选用相同型号的电器元件，减少元件的备用量。常用方法举例如下：合并同类触头，如图30所示。同样功能b图比a图电路上少了一对触头，合并触头时应注意触头容量。利用转换触头，如图31所示。可利用具有转换触头的中间断路器，将两触头合并成一对转换触头。利用半导体二极管的单向导电性有效减少触头数，如图32所示。电气控制设计基础55图30合并同类触头图31利用转换触头电气设计控制基础56图32利用转换触头电气设计控制基础57不必要的电器尽量不通电以节约电能，延长电器的使用寿命，如图33所示，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，控制线路a接触器KM1和时间继电器KT仍处于通电状态，控制线路b的设计更合理，接触器KM2得电后，切断了KM1和KT的电源，节约了电能，延长了电器的寿命。图33减少通电电器数电气设计控制基础58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。正确连接电器的线圈。交流控制线路中电器的线圈不能串联，因为每个线圈能够分配到的电压与线圈阻抗成正比，电器的动作在时间上总是有时间差的，先吸合的电器线圈电感增加，阻抗比后吸合的电器阻抗大，因此，先吸合电器的压降怎大，会导致另一个电器的电压达不到动作电压，因此，需要同时动作的交流电器，电器的线圈应并联连接。直流低压电器的电磁线圈电阻相同可以并联，但尽量不要并联，特别是电感量相差较大时。正确连接电器的触点。分布在线路不同位置的同一电器触头尽量接到同一极或同一相上，保证两个触头电位相同，避免在电器触头上的引起短路。如图34所示，图a继电器的常开触头和常闭触头分别接在不同相上，如果距离较近，触头断开时可能会因电位不同而在两触头间形成飞弧，造成电源短路，因此可改为图b，使两触头电位相同。电气设计控制基础59防止触点竞争现象。不同低压电器的吸力与反力特性曲线配合不同，其动作的快慢程度也就不同，相应触头系统的动作也就有先后之分，这样就产生了不同电磁式电器的触点竞争问题。触点竞争可分为不同低压电器触点之间产生的触点竞争和同一低压电器不同触点之间引发的触点竞争。即使同一电器触点，动作也有先后之别。当电气状态发生变化时，电器接点状态的变化不是瞬间完成，而是需要一定的时间，断开和闭合触点有先后之别，很难同时达到状态。图34正确连接的电器触头电气设计控制基础60如图35所示为一个反身关断电路，图a中时间继电器KT的常闭触头延时断开后，KT线圈失电，经过ts秒的延时断开的常闭触头复位闭合，同时KT的常开触头经t1秒断开。若ts>t1则电路能反身关断；若ts<t1，KT会再次吸合，发生触点竞争，导致反身关断失败；图b中电路中增加中间继电器KA解决触点竞争问题。图35时间继电器的反身关断电路电气设计控制基础61要避免发生触点竞争问题，尽量避免多个电器元件依次动作才能接通另一个电器的控制线路，如图36所示；防止电路中因电气元件固有特性引起配合不良后果，当电器元件动作时间可能影响控制线路的动作程序时，可采用时间继电器配合控制，或将产生竞争现象的触点加以区分、联锁隔离或采用多触点开关分离。图36避免依次动作接通一个电器的电路电气设计控制基础62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称为寄生电路。如图37所示为一个电机正反转控制电路，当热继电器FR动作时，线路（a）出现寄生电路，如图中虚线所示，使正向接触器KM1线圈不能失电释放，失去了保护作用。在设计电气控制线路时要避免产生寄生电路，严格按上方(左侧)接触点，下方（右侧）线圈接电源的原则，减少产生寄生回路的可能性，如图（b）即可消除寄生电路；也可通过联锁或多触点开关切断线路之间的联系。图37正反转控制线路中的寄生电路（左图为a图，右图为b图）电气控制系统的保护63电气控制线路应具有完善的保护环节，避免因误操作、意外发生而发生不安全事故。自动控制线中常用的保护环节可分为电流型保护（短路、过电流、过载、欠电流、断相）、电压型保护（失压、欠压、过电压）、极限保护（速度、温度、水位、压力、位置）等。(1)电流型保护短路保护电气控制线路中，最常见也最危险的故障是各种短路（三相短路、两相短路、一相接地短路、电机匝间短路等），电器元件绝缘老化、雷击或人为的误操作都可能导致电气线路的短路发生，短路的危害非常大，产生的高温会导致电器的绝缘损坏、破坏电源，造成电器结构件的机械变形，甚至造成火灾。常用的短路保护装置是熔断器和断路器。在电机控制线路中的短路保护应避免启动时动作。过电流保护过电流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。电动机或电器元件超过其额定电流的运行状态，电动机不正确的起动或大负载情况下，常引起过电流，过电流一般比短路电流小，一般不超过6倍额定电流，只要在达到最大允许温升之前，电流值能恢复正常，还是允许的。较大的冲击负载，将使电路产生很大的冲击电流，以致损坏电气设备，同时，过大的电流引起电路中的电动机转矩增大也会使负载机械的旋转部件受损，要尽快切断电源。电动机运行中产生这种过电流比发生短路的可能性大，特别是在频繁起动和正反转、重复短时工作的电动机。通常，可采用带过流脱扣器的低压断路器或过电流继电器作为过电流保护。电气控制系统的保护64过电流继电器不同于熔断器和低压断路器，过电流继电器是一个感测元件，低压断路器是将感测元件和执行元件组合在一起，熔断器的熔体本身即是感测元件也是执行元件。过电流保护需要过电流继电器与执行元件—接触器的主触头配合完成。为可靠切断过电流，接触器的主触头容量应适当增大。如图38所示为带过电流保护功能控制线路，电动机启动时，时间继电器KT延时断开的常闭触头还未断开，过电流继电器KA的过电流线圈未接入电路，保证在启动过程中不因电流较大而使过电流继电器动作，当启动结束后，KT的常闭触头经过延时断开，过电流继电器接入电路，过电流继电器开始保护作用。图38带过电流保护的控制线路电气控制系统的保护65图39带热继电器保护的控制线路过载保护过载是指电动机运行电流大于额定电流，但超过额定电流的倍数较小，一般在1.5倍额定电流以内。引起电电动机过载的原因很多，例如负载的突然增加、缺相运行以及电网电压降低等。电动机长期超载运行，绕组温升将超过允许值而损坏，所以应设置过载保护环境，一般多采用热继电器作为保护元件。如图39为带热载保护的控制线路。热继电器具有反时限特性，不能用于短路保护，动作后也不能马上复位。一般使用热继电器作为过载保护时，还必须同时与熔断器或低压断路器配合使用。线路发生短路故障时，熔断器或低压断路器动作切断故障，线路发生过载故障时，热继电器动作，事故处理完毕，热继电器可以自动或手动复位，线路重新工作。过载保护与过电流保护不同，不能采用过电流保护方法进行过载保护。电气控制系统的保护66断相保护电动机烧毁有60%是因为缺相引起的，所以电动机的断相保护非常重要。断相保护是依靠多相电路的一相导线中电流的消失而断开被保护设备或依靠多相系统的一相或几相失压来防止将电源施加到被保护设备上的一种保护方式。电动机断相保护的方法有：采用电压继电器、采用断丝电压保护、采用带断相保护的热继电器、采用专门为断相运行而设计的断相保护继电器、采用欠电流继电器等。从保护原理上看，可分为两类：基于电压的断相保护：通过检测电源电压检测是否存在缺相。一般这类产品往往兼有相序保护功能，称为“电压相序继电器”。使用简单，一台“电压相序继电器”能保护多台电动机，但只能对电源缺相进行保护，对于交流接触器触点的接触不良等造成的电动机缺相不起保护作用。对于动态缺相的误判率较高。基于电流的断相保护：通常用电流互感器检测电动机的三相电流，不论是电源故障还是交流接触器触点接触不良，都能保护。这类产品又分电子式和智能型两大类，电子式的功能较简单，价格便宜；智能型功能完善，价格较贵。电气控制系统的保护67三相电动机的一根接线松开或一相熔丝熔断，是造成三相异步电动机烧坏的主要原因之一。当电源电压的三相平衡性较差、工作环境恶劣或无人看管的电动机，可采用带断相保护的热继电器，尤其是三角形接法的而电动机。这是因为电动机采用星形接法时，当线路发生一相断电时，另外两相电流便增大很多，由于线电流等于相电流，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加比例相同，因此普通的两相或三相热继电器可以对此作出保护。而电动机采用三角形接法时，发生断相时，电动机的相电流与线电流不等，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加比例不相同，而热元件又串联在电动机的电源进线中，按电动机的额定电流即线电流整定，整定值较大。当故障线电流达到额定电流时，在电动机绕组内部，电流较大的一相绕组故障电流将超过额定相电流，有过热烧毁的危险。所以三角形接法必须采用带断相保护的热继电器。电气控制系统的保护68图40