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电气控制系统设计

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2009-03-0318:

22

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电气原理图设计

为满足生产机械及工艺要求进行的电气控制电路的设计

电气工艺设计

为电气控制装置的制造,使用,运行,维修的需要进行的生产施工设计

第一节电气控制设计的原则和内容

一,电气控制设计的原则

1）最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求

2）在满足要求的前提下,使控制系统简单,经济,合理,便于操作,维修方便,安全可靠

3）电器元件选用合理,正确,使系统能正常工作

4）为适应工艺的改进,设备能力应留有裕量

二,电气控制设计的基本内容

1.电气原理图设计内容

1）拟定电气设计任务书

2）选择电力拖动方案和控制方式

3）确定电动机的类型,型号,容量,转速

4）设计电气控制原理图

5）选择电器元件及清单

6）编写设计计算说明书

2.电气工艺设计内容

1）设计电气设备的总体配置,绘制总装配图和总接线图

2）绘制各组件电器元件布置图与安装接线图,标明安装方式,接线方式

3）编写使用维护说明书

第二节电力拖动方案的确定和电动机的选择

一,电力拖动方案的确定

1,拖动方式的选择

2,调速方案的选择

3,电动机调速性质应与负载特性相适应

二,拖动电动机的选择

（一）电动机选择的基本原则

1）电动机的机械特性应满足生产机械的要求,与负载的特性相适应

2）电动机的容量要得到充分的利用

3）电动机的结构形式要满足机械设计的安装要求,适合工作环境

4）在满足设计要求前提下,优先采用三相异步电动机

（二）根据生产机械调速要求选择电动机

一般---三相笼型异步电动机,双速电机

调速,起动转矩大---三相笼型异步电动机

调速高---直流电动机,变频调速交流电动机

（三）电动机结构形式的选择

根据工作性质,安装方式,工作环境选择

（四）电动机额定电压的选择

（五）电动机额定转速的选择

（六）电动机容量的选择

1,分析计算法:

此外,还可通过对长期运行的同类生产机械的电动机容量进行调查,并对机械主要参数,工作条件进行类比,然后再确定电动机的容量.

第三节电气控制电路设计的一股要求

一,电气控制应最大限度地满足生产机械加工工艺的要求

设计前,应对生产机械工作性能,结构特点,运动情况,加工工艺过程及加工情况有充

分的了解,并在此基础上设计控制方案,考虑控制方式,起动,制动,反向和调速的要求,

安置必要的联锁与保护,确保满足生产机械加工工艺的要求.

二,对控制电路电流,电压的要求

应尽量减少控制电路中的电流,电压种类,控制电压应选择标准电压等级.电气控制电

各常用的电压等级如表10-2所示.

三,控制电路力求简单,经济

1.尽量缩短连接导线的长度和导线数量设计控制电路时,应考虑各电器元件的安装

立置,尽可能地减少连接导线的数量,缩短连接导线的长度.如图10-l.

2.尽量减少电器元件的品种,数量和规格同一用途的器件尽可能选用同品牌,型号的产品,并且电器数量减少到最低限度.

3.尽量减少电器元件触头的数目.在控制电路中,尽量减少触头是为了提高电路运行

的可靠性.例如图10-2a所示.

4.尽量减少通电电器的数目,以利节能与延长电器元件寿命,减少故障.如图10-3a所示.

四,确保控制电路工作的安全性和可靠性

1.正确连接电器的线圈在交流控制电路中,同时动作的两个电器线圈不能串联,两个电磁线圈需要同时吸合时其线圈应并联连接,如图10-4b所示.

在直流控制电路中,两电感值相差悬殊的直流电压线圈不能并联连接.

2正确连接电器元件的触头设计时,应使分布在电路中不同位置的同一电器触头接到电源的同一相上,以避免在电器触头上引起短路故障.

3防止寄生电路在控制电路的动作过程中.意外接通的电路叫寄生电路.

4.在控制电路中控制触头应合理布置.

5.在设计控制电路中应考虑继电器触头的接通与分断能力.

6,避免发生触头"竞争","冒险"现象

竞争:

当控制电路状态发生变换时,常伴随电路中的电器元件的触头状态发生变换.由于电器元件总有一定的固有动作时间,对于一个时序电路来说,往往发生不按时序动作的情况,触头争先吸合,就会得到几个不同的输出状态,这种现象称为电路的"竞争".

冒险:

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,这种现象称为"冒险".

7.采用电气联锁与机械联锁的双重联锁.

五,具有完善的保护环节

电气控制电路应具有完善的保护环节,常用的有漏电保护,短路,过载,过电流,过电压,欠电压与零电压,弱磁,联锁与限位保护等.

六,要考虑操作,维修与调试的方便

第四节电气控制电路设计的方法与步骤

一,电气控制电路设计方法简介

设计电气控制电路的方法有两种,一种是分析设计法,另一种是逻辑设计法.

分析设计法（经验设计法）:

根据生产工艺的要求选择一些成熟的典型基本环节来实现这些基本要求,而后再逐步完善其功能,并适当配置联锁和保护等环节,使其组合成一个整体,成为满足控制要求的完整电路.

逻辑设计法:

利用逻辑代数这一数学工具设计电气控制电路.

在继电接触器控制电路中,把表示触头状态的逻辑变量称为输人逻辑变量,把表示继电

器接触器线圈等受控元件的逻辑变量称为输出逻辑变量.输人,输出逻辑变量之间的相互关

系称为逻辑函数关系,这种相互关系表明了电气控制电路的结构.所以,根据控制要求,将

这些逻辑变量关系写出其逻辑函数关系式,再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数

式进行化简,然后根据化简了的逻辑关系式画出相应的电路结构图,最后再作进一步的检查

和优化,以期获得较为完善的设计方案.

二,分析设计法的基本步骤

分析设计法设计电气控制电路的基本步骤是:

l）按工艺要求提出的起动,制动,反向和调速等要求设计主电路.

2）根据所设计出的主电路,设计控制电路的基本环节,即满足设计要求的起动,制动,

反向和调速等的基本控制环节.

3）根据各部分运动要求的配合关系及联锁关系,确定控制参量并设计控制电路的特殊

环节.

4）分析电路工作中可能出现的故障,加入必要的保护环节.

5）综合审查,仔细检查电气控制电路动作是否正确关键环节可做必要实验,进一步

完善和简化电路a

三,分析设计法设计举例

下面以横梁升降机构的电气控制设计为例来说明分析设计法设计电气控制电路的方法与

步骤.

在龙门刨床上装有横梁升降机构,加工工件时,横梁应夹紧在立柱上,当加工工件高低

不同时,则横梁应先松开立柱然后沿立柱上下移动,移动到位后,横梁应夹紧在立柱上.所

以,横梁的升降由横梁升降电动机拖动,横梁的放松,夹紧动作由夹紧电动机,传动装置与

夹紧装置配合来完成.

（一）横梁升降机构的工艺要求:

（1）横梁上升时,自动按照先放松横梁一横梁上升一夹紧横梁的顺序进行.

（2）横梁下降时,自动按照放松横梁一横梁下降一横梁回升一夹紧横梁的顺序进行.

（3）横梁夹紧后,夹紧电动机自动停止转动.

（4）横梁升降应设有上下行程的限位保护,夹紧电动机应设有夹紧力保护.

（二）电气控制电路设计过程

1.主电路设计:

横梁升降机构分别由横梁升降电动机MI与横梁夹紧放松电动机W拖

动.巴两台电动机均为三相笼型异步电动机,均要求实现正反转.因此采用KM1I,KM2.

KM3,KM4四个接触器分别控制M1和M2的正反转,如图10-9所示.

2.控制电路基本环节的设计:

由于横梁升降为调整运动,故对M1采用点动控制,一个

点动按钮只能控制一种运动,故用上升点动按钮犯与下降点动按钮明来控制横梁的升降,但在移动前要求先松开横梁,移动到位松开点动按钮时又要求横梁夹紧,也就是说点动按钮要控制KMI-KM4四个接触器,所以引入上升中间继电器KA1与下降中间继电器KA2,再由中间继电器去控制四个接触器.于是设计出横梁升降电气控制电路草图之一,如图10-9所示.

3.设计控制电路的特殊环节

1）横梁上升时,必须使夹紧电动机MZ先工作,将横梁放松后,发出信号,使MZ停止

工作,同时使升降电动机MI工作,带动横梁上升.按下上升点动按钮,中间继电器KAI线圈通电吸合,其常开触头闭合,使接触器KM4通电吸合,MZ反转起动旋转,横梁开始放松;横梁放松的程度采用行程开关地控制,当横梁放松到一定程度,撞块压下你用地的常闭触头断开来控制接触器KM4线圈的断电,常开触头闭合控制接触器KMI线圈的通电,KMI的主触头闭合使MI正转,横梁开始作上升运动.

2）升降电动机拖动横梁上升至所需位置时,松开上升点动按钮犯,中间继电器KAI

接触器KMI线圈相继断电释放,接触器KM3线圈通电吸合,使升降电动机停止工作,同时

使夹紧电动机开始正转,使横梁夹紧.在夹紧过程中.行程开关SQI复位,因此KM3应加

自锁触头,当夹紧到一定程度时,发出信号切断夹紧电动机电源.这里采用过电流继电器控

制夹紧的程度,即将过电流继电器KA3线圈串接在夹紧电动机主电路任一相中.当横梁夹

紧时,相当于电动机工作在堵转状态,电动机定子电流增大,将过电流继电器的动作电流整

定在两倍额定电流左右;当横梁夹紧后电流继电器动作,其常闭触头将接触器KM3线圈电

路切断.

3）横梁的下降仍按先放松再下降的方式控制,但下降结束后需有短时间的回升运动,该回升运动可采用断电延时型时间继电器进行控制.时间继电器KT的线圈由下降接触器KMZ常开触头控制,其断电延时断开的常开触头与夹紧接触器KM3常开触头串联后并接于上升电路中间继电器KAI常开触头两端.这样,当横梁下降时,时间继电器KT线圈通电吸合,其断电延时断开的常开触头立即闭合,为回升电路工作作好准备.当横梁下降至所需位置时,松开下降点动按钮田.KMZ线圈断电释放,时间继电器KT线圈断电,夹紧接触器.

3.设计控制电路的特殊环节

1）横梁上升时,必须使夹紧电动机MZ先工作,将横梁放松后,发出信号,使MZ停止

IW,同时使升降电动机MI工作,带动横梁上升.按下上升点动按钮犯,中间继电器

KAI线圈通电吸合,其常开触头闭合,使接触器KM4通电吸合,MZ反转起动旋转,横梁开

始放松;横梁放松的程度采用行程开关地控制,当横梁放松到一定程度,撞块压下SQI,

用明的常闭触头断开来控制接触器KM4线圈的断电,常开触头闭合控制接触器KMI线圈

的通电,KMI的主触头闭合使MI正转,横梁开始作上升运动.

2）升降电动机拖动横梁上升至所需位置时,松开上升点动按钮肥,中间继电器KAI

接触器KMI线圈相继断电释放,接触器KM3线圈通电吸合,使升降电动机停止工作,同时

使夹紧电动机开始正转,使横梁夹紧.在夹紧过程中,行程开关地复位,因此KM应加

自锁触头,当夹紧到一定程度时,发出信号切断夹紧电动机电源.这里采用过电流继电器控

制夹紧的程度,即将过电流继电器KA3线圈串接在夹紧电动机主电路任一相中.当横梁夹

紧时,相当于电动机工作在堵转状态,电动机定子电流增大,将过电流继电器的动作电流整

定在两倍额定电流左右;当横梁夹紧后电流继电器动作,其常闭触头将接触器KM3线圈电

路切断.KM3线圈通电吸合,横梁开始夹紧.此时,上升接触器KMI线圈通过闭合的时间断电器KT常开触头及KM3常开触头而通电吸合,横梁开始回升,经一段时间延时,延时断开的常开触头KT断开,KMI线圈断电释放,回升运动结束,而横梁还在继续夹紧,夹紧到一定程度,过电流继电器动作,夹紧运动停止.此时的横梁升降电气控制电路设计草图如图10-10

所示.

4.设计联锁保护环节

横梁上升限位保护由行程开关SQZ来实现;下降限位保护由行程开关SQ3来实现;上

升与下降的互锁,夹紧与放松的互锁均由中间继电器KAI和KAZ的常闭触头来实现;升降

电动机短路保护由熔断器FUI来实现;夹紧电动机短路保护由熔断器FUZ实现;控制电路

的短路保护由熔断器F[J3来实现.

综合以上保护,就使横梁升降电气控制电路比较完善了,从而得到图10-11所示完整的

横梁升降机构控制电路.

第五节常用控制电器的选择

一,接触器的选择

一般按下列步骤进行:

1.接触器种类的选择:

根据接触器控制的负载性质来相应选择直流接触器还是交流接触器;一般场合选用电磁式接触器,对频繁操作的带交流负载的场合,可选用带直流电磁线圈的交流按触器.

2.接触器使用类别的选择:

根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器.如负载是一般任务则选用AC—3使用类别;负载为重任务则应选用AC-4类别,如果负载为一般任务与重任务混合时,则可根据实际情况选用AC—3或AC-4类接触器,如选用AC—3类时,应降级使用.

3.接触器额定电压的确定:

接触器主触头的额定电压应根据主触头所控制负载电路的额定电压来确定.

4.接触器额定电流的选择一般情况下,接触器主触头的额定电流应大于等于负载或电动机的额定电流,计算公式为

式中I.——接触器主触头额定电流（A）;

H——经验系数,一般取l～1.4;

P.——被控电动机额定功率（kw）;

U.——被控电动机额定线电压（V）.

当接触器用于电动机频繁起动,制动或正反转的场合,一般可将其额定电流降一个等级来选用.

5.接触器线圈额定电压的确定:

接触器线圈的额定电压应等于控制电路的电源电压.为保证安全,一般接触器线圈选用110V,127V,并由控制变压器供电.但如果控制电路比较简单,所用接触器的数量较少时,为省去控制变压器,可选用380V,220V电压.

6.接触器触头数目:

在三相交流系统中一般选用三极接触器,即三对常开主触头,当需要同时控制中胜线时,则选用四极交流接触器.在单相交流和直流系统中则常用两极或三极并联接触器.交流接触器通常有三对常开主触头和四至六对辅助触头,直流接触器通常有两对常开主触头和四对辅助触头.

7.接触器额定操作频率交,直流接触器额定操作频率一般有600次/h,1200次/h等几种,一般说来,额定电流越大,则操作频率越低,可根据实际需要选择.

二,电磁式继电器的选择

应根据继电器的功能特点,适用性,使用环境,工作制,额定工作电压及额定工作电流来选择.

1.电磁式电压继电器的选择

根据在控制电路中的作用,电压继电器有过电压继电器和欠电压继电器两种类型.

表10-3列出了电磁式继电器的类型与用途.

交流过电压继电器选择的主要参数是额定电压和动作电压,其动作电压按系统额定电压的1.l-1.2倍整定.

交流欠电压继电器常用一般交流电磁式电压继电器,其选用只要满足一般要求即可,对释放电压值无特殊要求.而直流欠电压继电器吸合电压按其额定电压的0.3-0.5倍整定,释放电压按其额定电压的0.07-0.2倍整定.

2.电磁式电流继电器的选择

根据负载所要求的保护作用,分为过电流继电器和欠电流继电器两种类型.

过电流继电器:

交流过电流继电器,直流过电流继电器.

欠电流继电器:

只有直流欠电流继电器,用于直流电动机及电磁吸盘的弱磁保护.

过电流继电器的主要参数是额定电流和动作电流,其额定电流应大于或等于被保护电动机的额定电流;动作电流应根据电动机工作情况按其起动电流的1.回一1.3倍整定.一般绕线型转子异步电动机的起动电流按2.5倍额定电流考虑,笼型异步电动机的起动电流按4-7倍额定电流考虑.直流过电流继电器动作电流接直流电动机额定电流的1.1-3.0倍整定.

欠电流继电器选择的主要参数是额定电流和释放电流,其额定电流应大于或等于直流电动机及电磁吸盘的额定励磁电流;释放电流整定值应低于励磁电路正常工作范围内可能出现的最小励磁电流,一般释放电流按最小励磁电流的0.85倍整定.

3.电磁式中间继电器的选择

应使线圈的电流种类和电压等级与控制电路一致,同时,触头数量,种类及容量应满足控制电路要求.

三,热继电器的选择

热继电器主要用于电动机的过载保护,因此应根据电动机的形式,工作环境,起动情况,负载情况,工作制及电动机允许过载能力等综合考虑.

1.热继电器结构形式的选择

对于星形联结的电动机,使用一般不带断相保护的三相热继电器能反映一相断线后的过载,对电动机断相运行能起保护作用.

对于三角形联结的电动机,则应选用带断相保护的三相结构热继电器.

2.热继电器额定电流的选择

原则上按被保护电动机的额定电流选取热继电器.对于长期正常工作的电动机,热继电器中热元件的整定电流值为电动机额定电流的0.95-1.05倍;对于过载能力较差的电动机,热继电器热元件整定电流值为电动机额定电流的0.6一0.8倍.

对于不频繁起动的电动机,应保证热继电器在电动机起动过程中不产生误动作,若电动机起动电流不超过其额定电流的6倍,并且起动时间不超过6S,可按电动机的额定电流来选择热继电器.

对于重复短时工作制的电动机,首先要确定热继电器的允许操作频率,然后再根据电动机的起动时间,起动电流和通电持续率来选择.

四,时间继电器的选择

1）电流种类和电压等级:

电磁阻尼式和空气阻尼式时间继电器,其线圈的电流种类和电压等级应与控制电路的相同;电动机或与晶体管式时间继电器,其电源的电流种类和电压等级应与控制电路的相同.

2）延时方式:

根据控制电路的要求来选择延时方式,即通电延时型和断电延时型.

3）触头形式和数量:

根据控制电路要求来选择触头形式（延时闭合型或延时断开型）及触头数量.

4）延时精度:

电磁阻尼式时间继电器适用于延时精度要求不高的场合,电动机式或晶体管式时间继电器适用于延时精度要求高的场合.

5）延时时间:

应满足电气控制电路的要求.

6）操作频率:

时间继电器的操作频率不宜过高,否则会影响其使用寿命,甚至会导致延时动作失调.

五,熔断器的选择

1.一般熔断器的选择:

根据熔断器类型,额定电压,额定电流及熔体的额定电流来选择.

（1）熔断器类型:

熔断器类型应根据电路要求,使用场合及安装条件来选择,其保护特性应与被保护对象的过载能力相匹配.对于容量较小的照明和电动机,一般是考虑它们的过载保护,可选用熔体熔化系数小的熔断器,对于容量较大的照明和电动机,除过载保护外,还应考虑短路时的分断短路电流能力,若短路电流较小时,可选用低分断能力的熔断器,若短路电流较大时,可选用高分断能力的RLI系列熔断器,若短路电流相当大时,可选用有限流作用的Rh及RT12系列熔断器.

（2）熔断器额定电压和额定电流:

熔断器的额定电压应大于或等于线路的工作电压,额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流.

（3）熔断器熔体额定电流

1）对于照明线路或电热设备等没有冲击电流的负载,应选择熔体的额定电流等于或稍

大于负载的额定电流,即IRN≥IN

式中IRN——熔体额定电流（A）;

IN——负载额定电流（A）.

2）对于长期工作的单台电动机,要考虑电动机起动时不应熔断,即

IRN≥（1.5~2.5）IN

轻载时系数取1.5,重载时系数取2.5.

3）对于频繁起动的单台电动机,在频繁起动时,熔体不应熔断,即

IRN≥（3~3.5）IN

4）对于多台电动机长期共用一个熔断器,熔体额定电流为

IRN≥（1.5~2.5）INMmax+∑INM

式中INMmax——容量最大电动机的额定电流（A）;

∑INM——除容量最大电动机外,其余电动机额定电流之和（A）.

（4）适用于配电系统的熔断器:

在配电系统多级熔断器保护中,为防止越级熔断,使上,下级熔断器间有良好的配合,选用熔断器时应使上一级（干线）熔断器的熔体额定电流比下一级（支线）的熔体额定电流大1-2个级差.

2.快速熔断器的选择

（l）快速熔断器的额定电压:

快速熔断器额定电压应大于电源电压,且小于晶闸管的反向峰值电压U.,因为快速熔断器分断电流的瞬间,最高电弧电压可达电源电压的1.5-2倍.因此,整流二极管或晶闸管的反向峰值电压必须大于此电压值才能安全工作.即

UF≥KIURE

式中UF-一硅整流元件或晶闸管的反向峰值电压（V）;

URE——快速熔断器额定电压（V）;

KI——安全系数,一般取1,5-2.

（2）快速熔断器的额定电流:

快速熔断器的额定电流是以有效值表示的,而整流M极管和晶闸管的额定电流是用平均值表示的.当快速熔断器接人交流侧,熔体的额定电流为

IRN≥KIIZmax

式中IZmax——可能使用的最大整流电流（A）;

KI——与整流电路形式及导电情况有关的系数,若保护整流M极管时,KI按表10-4

取值,若保护晶闸管时,KI按表10-5取值.

当快速熔断器接入整流桥臂时,熔体额定电流为

IRN≥1.5IGN

式中IGN——硅整流元件或晶闸管的额定电流（A）.

六,开关电器的选择

（一）刀开关的选择

刀开关主要根据使用的场合,电源种类,电压等级,负载容量及所需极数来选择.

（1）根据刀开关在线路中的作用和安装位置选择其结构形式.若用于隔断电源时,选用无灭弧罩的产品;若用于分断负载时,则应选用有灭弧罩,且用杠杆来操作的产品.

（2）根据线路电压和电流来选择.刀开关的额定电压应大于或等于所在线路的额定电压;刀开关额定电流应大于负载的额定电流,当负载为异步电动机时,其额定电流应取为电动机额定电流的1.5倍以上.

（3）刀开关的极数应与所在电路的极数相同.

（二）组合开关的选择

组合开关主要根据电源种类,电压等级,所需触头数及电动机容量来选择.选择时应掌握以下原则:

（1）组合开关的通断能力并不是很高,因此不能用它来分断故障电流.对用于控制电动机可逆运行的组合开关,必须在电动机完全停止转动后才允许反方向接通.

（2）组合开关接线方式多种,使用时应根据需要正确选择相应产品.

（3）组合开关的操作频率不宜太高,一般不宜超过300次/h,所控制负载的功率因数也不能低于规定值,否则组合开关要降低容量使用.

（4）组合开关本身不具备过载,短路和欠电压保护,如需这些保护,必须另设其他保护电器.

（三）低压断路器的选择

低压断路器主要根据保护特性要求,分断能力,电网电压类型及等级,负载电流,操作频率等方面进行选择.

（1）额定电压和额定电流:

低压断路器的额定电压和额定电流应大于或等于线路的额定电压和额定电流.

（2）热脱扣器:

热脱扣器整定电流应与被控制电动机或负载的额定电流一致.

（3）过电流脱扣器:

过电流脱扣器瞬时动作整定电流由下式确定

IZ≥KIS

式中IZ——瞬时动作整定电流（A）;

Is——线路中的尖峰电流.若负载是电动机,则Is为起动电流（A）;

K考虑整定误差和起动电流允许变化的安全系数.当动作时间大于20ms时,取

K=1.35;当动作时间小于20ms时,取K=1.7.

（4）欠电压脱扣器:

欠电压脱扣器的额定电压应等于线路的额定电压.

（四）电源开关联锁机构

电源开关联锁机构与相应的断路器和组合开关配套使用,用于接通电源,断开电源和柜

门开关联锁,以达到在切断电源后才能打开门,将门关闭好后才能接通电源的效果,实现安

全保护.

七,控制变压器的选择

控制变压器用于降低控制电路或辅助电路的电压,以保证控制电路的安全可靠.控制变压器主要根据一次和二次电压等级及所需要的变压器容量来选择.

（1）控制变压器一,二次电压应与交流电源电压,控制电路电压与辅助电路电压相符合.

（2）控制变压器容量按下列两种情况计算,依计算容量大者决定控制变压器的容量.

l）变压器长期运行时,最大工作负载时变压器的容量应大于或等于最大工作负载所需要的功率,计算公式为

ST≥KT∑PXC

式中ST——控制变压器所需容量（VA）;

∑PXC——控制电路最大负载时工作的电器所需的总功率,其中PXC为电磁器件的吸持功

率（W）;

KT一一一控制变压器容量储备系数,一般取1.1-1.25.

2）控制变压器容量应使