《电气与可编程控制技术》第3章

第3章电气控制系统设计

第一节电气控制设计的原则第二节电气控制电路设计的基本方法第三节电气保护类型及实现方法第五节电气控制装置工艺设计

第四节电气控制线路设计中的主要参数计算及电器元件选择3.1电气控制设计的原则设计之前，要进行充分调研。首先要调查清楚用户的生产要求，因为控制电路为整个设备和工艺过程服务的，不弄明白这些就迷失了设计方向。生产工艺要求一般是由机械设计人员提供的，但提供的大部分都是一般性原则意见，这时候就要求电气设计人员对同类或相关产品进行调查、分析、综合，然后提出具体、详细的要求，再征求机械设计人员意见后，作为设计电气控制电路的依据。1.电气控制应最大限度的满足生产机械加工工艺的要求对控制电路电流、电压的要求表述如下：较简单的交流电力传动的控制电路一般都直接采用交流380V、220V，较复杂交流电力传动的控制电路一般都采用交流110V、48V。照明及信号指示电路一般采用交流48V、24V、6V。直流电力传动的控制电路一般采用直流220V、110V。直流电磁铁及电磁离合器的控制电路一般采用直流48V、24V、12V。

2.对控制电路电流、电压的要求.常用电气控制电路电压等级表整流器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)尽量缩短连接导线的长度和数量3.在满足生产要求的前提下，控制电路力求简单、经济、安全、可靠图3-1减少连接导线的数量

a)不合理b)合理(2)尽量减少电器的数量在设计时尽量选择相同型号的电器产品，这样就可以最大限度的减少备件备品的数量，提高经济性。尽量选用标准的、常用的或经过实践考验过的线路和环节。(3)尽量减少控制线路中电源的种类一般电气控制线路尽可能直接采用所使用的电网电压，这样在安全允许的条件下可省去控制变压器。(4)尽量减少电器元件触头的数目在控制线路中，应尽量减少触点，以提高线路的可靠性。图3-2触头化简与合并

a)不合理b)合理a）b）(5)正确连接触点在控制电路中，应尽量将所有触点接在线圈的左端或上端，而线圈的右端或下端直接接到电源的另一根母线上。这样可以减少线路内产生虚假回路的可能性，还可以简化电气柜的出线。(6)正确连接电器的线圈在交流控制电路中两个电器的线圈不能串联。

图3-3线圈的连接(7)元器件的连接应尽量减少多个元件依次通电后才接通另一个电器元件的情况。

(8)要注意电器之间的联锁和其他安全保护环节以及电气系统具有的各种电气保护措施，例如过载、短路、欠压、零位、限位等保护措施。(9)在设计控制线路时应也应考虑有关操纵、故障检查、检测仪表、信号指示、报警，以及照明等要求。3.2电气控制电路设计的基本方法电气控制电路设计主要采用两种设计方法：一般设计法（经验设计法）和逻辑设计法。一般设计法主要是根据生产工艺要求，利用各种典型环节，直接设计控制电路，这种方法要求设计人必须熟悉大量的基本控制电路，掌握多种典型控制电路的设计资料、方法，具有丰富的经验。这种设计方法比较简单，常为工程设计人员采用。另一种方法是逻辑设计法，它是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、设计电路的。用这种方法设计的电路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制电路。但是逻辑设计法难度较大，不易掌握。对于简单的电气控制电路，考虑成本问题，还要采用传统由继电器组成的控制系统。其次，对于稍微复杂的电气控制线路，可采用PLC而不会继电器控制系统，所以逻辑设计法使用的越来越少。所以本书主要介绍一般设计法。首先一般设计法要遵循第一节介绍的设计原则。其次因为一般电气控制电路都是由各典型环节组成并加上合理的保护环节等，所以本节先从典型环节设计入手。1.启动和点动的联锁设计图3-5(a)采用手动开关的点动控制电路（b）点动按钮联锁的控制电路(1)采用手动开关联锁的点动控制电路在机床的控制电路中，经常采用手动开关SA作为点动按钮，实现联锁功能。如图3-5（a）所示，在需要点动调整机床时，预先打开点动按钮SA，这样就切断了KM的自锁电路，这时候按钮SB2就成了点动按钮并实现点动控制。调整完毕后，必须闭合SA，恢复自锁电路，实现正常工作时的启动控制。(2)点动按钮联锁的控制电路如图3-5（b）所示，联锁控制由复合按钮SB3实现。SB3按钮的常闭触点与KM的自锁触点串联，构成正常启动的自锁环节。正常情况下按下启动按钮SB2，电机启动，连续运转。需要点动控制时，按下点动按钮SB3，通过按钮SB3的常闭按钮切断自锁电路，启动按钮SB3常开触点闭合，形成点动控制。2.正反向接触器间的联锁设计图3-6三相异步电动机正反转控制电路（a）具有电气互锁电路（b）具有双重互锁电路3.顺序启动的联锁设计图3-7车床主轴的顺序启动控制电路介绍完各典型环节的设计后，我们就可以使用一般设计法设计相对简单的电气控制电路，一般设计法要求在设计控制线路中要做到以下几点：(1)按工艺要求对电动机提出的起动、制动、反向和调速等要求，设计出主电路。(2)根据所设计出的主电路，设计出相应控制电路的基本环节。(3)根据各部分运动要求的配合关系及连锁关系，确定控制参量和特殊环节。(4)根据工艺要求做进一步的检查工作，如加入必要的保护和互锁环节等。(5)综合审查、全面检查电路动作是否正确，进一步完善和简化电路，必要时可通过实验检验。3.3电气保护类型及实现方法1.短路保护短路电流会引起电器绝缘层烧坏，电动机绕组和电器产生机械性损坏。因此，出现短路时，应当可靠、迅速地切断电路，同时保护装置不会因启动电流而动作。经常采用的保护方法有：

(1)熔断器保护适合于动作准确要求不高和自动化程度要求较差的系统。例如，小功率的笼型感应电机和小功率的直流电动机。

(2)过电流继电器保护或断路器保护。2.过电流保护由于不正确地启动电机或过大的负载转矩而引起的过电流现象，产生的电流一般比短路电流小。频繁的启动电动机、正反转重复短时的电动机容易出现过电流现象。通常，采用过电流继电器来实现过电流保护，当电流达到额定值时，瞬时切断电源。3.热保护电动机长期超载运行，其绕组会因温升超过允许值而损坏。因而，需要采用热继电器实现保护措施。要求负载电流越大，热继电器的动作时间越快，但是不会受到启动电流的影响而产生误动作。注意，在使用热继电器的同时，还必须加入熔断器或过电流继电器的短路保护装置。4.零电压和欠电压保护(1)零电压保护因电源电压消失使电动机停止工作，电源电压恢复时，电动机可能自动启动，造成事故。为防止电压恢复时，电动机自启动的保护为零电压保护。(2)欠电压保护电动机运转时，电源电压过分降低，引起电动机定子电流变大、转速下降甚至停止工作，也可能使得一些线圈释放，造成电路工作不正常。因此，当电压下降到允许的最小值时，将电动机电源切断，这种保护为欠电压保护。如图3-10所示的电路中，当控制线路发生短路故障时，控制线路应能迅速切除电源，熔断器FU1是作为主电路短路保护的，熔断器FU2是作为控制电路短路保护的，但达不到过载保护的目的。过流保护由过电流继电器KI实现，如图所示的控制电路中，在电流超过设定值时，过流继电器所带的常闭触点动作断开，线圈KM失电，电机停止运转，达到电机的过电流保护目的。过载保护是由热继电器FR完成，由于热继电器的惯性很大，即使热元件流过几倍的额定电流，热继电器也不会立即动作，因此电动机短时间过载，热继电器是不会动作的，只有过载时间相对较长时，热继电器动作，其所带的常闭触点断开，控制线路断开，线圈KM失电跳闸，接触器主触点断开主电路，电动机停止运转，实现了电动机的过载保护。图3-10中，依靠接触器KM本身来实现欠压和失压保护。当电源电压低到一定程度或失电压时，接触器KM的电磁吸力小于弹簧反力，电磁机构会释放，主触点把主电源断开，电动机停止运转。这时候即使电源恢复，由于控制电路失去自锁，电动机不会自动启动。只有操作人员再次按下启动按钮SB2时，电动机才会从新启动。3.4电气控制线路设计中的主要参数计算及电器元件选择(1)按钮按钮通常是用来短时接通或断开小电流的控制电路的开关。目前市场上按钮在结构上是多种多样的，主要有：旋转式—用手扭动旋转进行操作；指示灯式—按钮除了常用的常开常闭触点外还装入指示灯显示信号；急停式—装有蘑菇形钮帽，表示紧急操作。为便于识别各个按钮的作用，避免误操作，通常把按钮帽做成不同颜色供选择，其颜色主要有红、绿、黄、蓝、白等。其中红色按钮表示危险状态或在紧急状况时停机紧急停机操作，主要用于停止/分断电路，激活紧急功能等。1.主令电器的选择.(2)行程开关、接近开关和光电开关

行程开关是用来反映工作机械的行程，发出命令以控制其行动方向或行程大小的主令电器。如果把行程开关安装在工作机械行程终点处，以限制其行程，称为限位开关。接近开关是非接触式的检测装置，当运动的物体接近它一定距离范围内时，它就能发出信号，从而进行相应的操作。光电开关是另一种类型的非接触式检测装置，它有一对光发射和接收装置。根据两者和光的接收方式分为对射式和反射式，作用距离从几厘米到几十米不等。选用时，要根据使用场合和控制对象确定检测元件的种类。例如，当被测对象运动速度不是太快，可选用一般用途的行程开关；而在工作频率很高，且对可靠性及精度要求也很高时，应选用接近开关；不能接近被测物体时，则选用光电开关。

(3)刀开关刀开关又称闸刀，其主要作用是接通和切断长期工作设备的电源，切断时主要起隔离开关作用。也用于不经常起制动容量小于7.5KW的异步电动机。当用于启动异步电动机时，其额定电流不要小于电动机额定电流的三倍。一般刀开关的额定电压不超过500V，额定电流由10A到上千安培的多种等级。有些刀开关附有熔断器。不带熔断器的刀开关主要有HD型及HS型，带熔断器的刀开关有HR3系列。自动开关又称自动空气断路器。选择自动空气开关应考虑其主要参数：额定电压、额定电流和允许切断的极限电流等。自动开关脱扣器的额定电流应等于或大于负载允许的长期平均电流；自动开关的极限分断能力要大于，至少要等于电路最大短路电流；自动开关脱扣器电流整定应按以下原则：欠电压脱扣器额定电流应等于主电路额定电流；热脱扣器的额定电流与被控对象额定电流相等；电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流应大于负载正常工作时的尖峰电流；保护电机时，电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流为电动机起动电流的1.7倍。(4)自动空气开关选择熔断器，主要是选择熔断器的种类、额定电压、熔断器额定电流等级及熔体的额定电流。额定电压是根据所保护电路的电压选择的。熔体电流的选择是熔断器选择的核心。对于如照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流等于或稍大于线路工作电流I，即2.熔断器的选用3.热继电器的选用遇到下列情况，选择的热继电器元件的额定电流要比电动机额定电流高一些，以便进行保护：

(1)电动机负载转矩非常大，启动时间长。

(2)电动机所带动的设备，不允许任意停电。

(3)电动机拖动的为冲击性负载，如冲床、剪床等设备。4.接触器的选用接触器用于负载主电路的自动接通或切断。分直流、交流两类，一般应用最多的是交流接触器。选择接触器主要考虑以下技术数据：(1)电源种类：交流或直流(2)主触点额定电压、额定电流。(3)辅助触点种类、数量及触点额定电流(4)电磁线圈的电源种类，频率和额定电压。(5)额定操作频率，即允许的每小时接通的最多次数。而接触器触点额定电压一般要大于等于线路额定电压。接触器线圈电压一般从安全考虑，一般选择低点，但当控制线路要求简单，所用电器不多，这样可选用380V、220V，省去了变压器。常用的国产接触器有CJ20、CJ21、CJ26、CJ35、CJ40、CZ18、CZ21、CZ22、CZ10。引进的有：B（德国BBC公司制造的）、LC1-D（法国的）、3TB(德国西门子）系列交流接触器等。5.中间继电器的选用中间继电器主要在电路中起信号传递与转换作用，作用是实现多路控制，并可将小功率的控制信号转换为大容量的触点动作，以驱动电气执行元件工作。中间继电器触点多，可以扩充其它电器的作用。选用中间继电器，主要依据控制电路的电压等级，同时还要考虑触点数量、种类及容量满足控制线路的要求。中间继电器常用的型号有JZ7系列、JZ8系列两种。其中JZ8为交直流两用的继电器。选择时间继电器，主要考虑控制回路所需要的延时触点的延时方式（通电延时还是断电延时），以及触点的数目，根据不同条件选择不同类型的电器。在一般电气控制电路中用的最多的是空气阻尼式时间继电器，其型号有JS7-A系列，延时范围有0.4—60s及0.4—180s两种。7PR系列时间继电器是引进德国西门子公司制造技术的产品，适用于交流50Hz或60Hz电压为110、220V的电路中，特点是抗干扰强，延时误差小，体积小。3.5电气控制装置工艺设计1．电气控制原理图绘制原则(1)图中所有的元器件都应采用国家统一规定的图形符号和文字符号。(2)电气原理图的组成电气原理图由主电路和辅助电路组成。(3)电气原理图布局一般主电路安排在图面左侧或上方，辅助电路一般安排在图面右侧或下方。(4)电气原理图中所有电器的可动部分（继电器，接触器的触点）均按没有通电或没有外力作用下的状态画出。(5)原理图的绘制要层次分明，各电器元件及触头的安排要合理，尽量减少和避免线条线条交叉。导线之间有联系时，交叉点画实心圆点。(6)在原理图的上方将分成若干图区，并标明该区电路的用途和作用；在继电器、接触器线圈的下方列有触点表，以说明线圈和触点的从属关系。2．电气原理图符号位置的索引为了便于确定原理图的内容和组成部分在图中的位置，常在图纸上分区。对于电器元件较少的电气控制电路来说，一般只对横边分区就够了，如上图所示某机床的电气控制电路就相对简单，对横边分区就可以进行正确的索引。对于复杂电气控制横竖边都要分区，竖边方面用大写拉丁字母编号，横边用阿拉伯数字编号（横边一般上面加文字说明，便于理解全部电路的工作原理）。在较复杂电气原理图中，在继电器、接触器线圈的下方注有该继电器、接触器相应触点所在图中位置的索引代号，而在其触点的文字符号下方标注其线圈位置的索引，符号位置的索引，用图号、页次和图区编号的组合索引号，索引代号的组成如下图所示：电气原理图中，接触器和继电器线圈与触点的从属关系如右图所示。即在原理图相应线圈下方，给出触点的图形符号，并在下面标明相应触点的索引代码，且对未使用的触点用“”表明，有时也可采用省略的表示方法。

3．电气元件布置图的设计与绘制电气元件布置图是某些电器元件按一定原则的组合。电器元件布置图的设计依据是部件原理图、组件的划分情况等。设计时应遵循以下原则：(1)同一组件中电器元件的布置应注意将体积大和较重的电器元件安装在电器板的下面，而发热元件应安装在电气箱(柜)的上部或后部，但热继电器宜放在其下部，因为热继电器的出线端直接与电动机相连便于出线，而其进线端与接触器直接相连接，便于接线并使走线最短，且宜于散热。(2)强电弱电分开并注意屏蔽，防止外界干扰。(3)需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低，人力操作开关及需经常监视的仪表的安装位置应符合人体工程学原理。(4)电器元件的布置应考虑安全间隙，并做到整齐、美观、对称，外形尺寸与结构类似的电器可安放在一起，以利加工、安装和配线。若采用行线槽配线方式，应适当加大各排电器间距，以利布