1、1.1 第 3章 电气控制系统的设计 第 3章 电气控制系统的设计 返回总目录 1.2 第 3章 电气控制系统的设计 任何生产机械电气的控制系统设计都包括两个基本方面，一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此，电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度，即决定生产机械设备的先进性、合理性，而后者决定电气控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。 本章将在前面各章分析的基础上，针对某些生产机械，讨论如何完成其电气控制系统设计，即完成一个电气控制系统设计应遵循的基本原则。 1.3 第 3
2、章 电气控制系统的设计 3.1 电气控制系统设计的基本原则 3.2 电气控制系统的设计方法 本章内容 1.4 第 3章 电气控制系统的设计 3.1 电气控制系统设计的基本原则 在现代生产的控制设备中，对机 电、液 电、气 电等设备的配合要求越来越高。虽然生产机械的种类繁多，其电气控制设备也各不相同，但电气控制系统的设计原则和设计方法基本是相同的。 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。 1.5 第 3章 电气控制系统的设计 3.1.1 电气控
3、制系统设计要求 电气控制系统的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的，是传动形式与控制方案的具体化。其设计灵活多变，没有固定的方法和模式，即使是同一个电路的功能结构，不同人员设计出来的线路可能完全不同。因此，作为设计人员，应该随时发现和总结经验，不断丰富和拓宽思路，才能做出最为合理的设计。一般情况下，电气控制系统的设计应满足生产机械加工工艺的要求，线路要安全可靠，操作和维护方便，设备投资少等。因此，要求控制电路的设计必须正确，并能合理地选择电器元件。一般在设计时应该满足以下要求。 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 首先要对生产要求、机械设备的工作性能、结构特点和实际
4、加工情况有充分了解。生产工艺要求一般是由机械设计人员提供的，实际执行时有些地方可能会有些差异，这就需要电气设计人员深入现场对同类或接近的产品进行调查、分析和综合，从而作为设计电气控制线路的依据。并在此基础上考虑控制方式，启动、反向、制动及调速的要求，设置各种联锁及保护装置。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.6 第 3章 电气控制系统的设计 3.1 电气控制系统设计的基本原则 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
5、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。 1.7 第 3章 电气控制系统的设计 图 3.1 电器连接图 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.8 第 3章 电气控制
6、系统的设计 (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。 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。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.9 第 3章 电气控制系统的设计 图 3.2 同类触头的合并 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.10 第 3章 电气控制系统的设计 利用转换触头。利用具有转换触头的中间断电器，将两
7、触头合并成一对转换触头，如图 3.3所示。 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。 图 3.3 转换触头的应用 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.11 第 3章 电气控制系统的设计 图 3.4 利用二极管等效 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.12 第 3章 电气控制系统的设计 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
8、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。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.13 第 3章 电气控制系统的设计 图 3.5 减少电器通电时间电路 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.14 第 3章 电气控制系统的设计 3. 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
9、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。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.15 第 3章 电气控制系统的设计 图 3.6 线圈在交流控制线路中的连接 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.16 第 3章 电气控制系统的设计 在直流控制电路中，对于电感较大的电磁线圈，如电磁阀、电磁铁或直流电动机励磁线圈等，不宜与相同电压等级的继电器直接并联工作。如图 3.7(a)所示，
10、当触头 KM断开时，电磁铁 YA线圈两端产生大的感应电动势，加在中间继电器 KA的线圈上，造成 KA的误动作。为此在 YA线圈两端并联放电电阻 R，并在 KA支路中串入 KM常开触头，如图 3.7(b)所示，这样就能获得可靠工作。 图 3.7 大电感线圈与直流继电器线圈的连接 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.17 第 3章 电气控制系统的设计 (3) 正确连接电器的触头设计时 ， 应使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 ， 以避免在电器触头上引起短路 。 如图 3.8(a)所示 ， 限位开关 SQ的常开触头与常闭触头靠得很近 ，而在电路中分别接在不同相上 ， 当触
11、头断开产生电弧时 ， 可能在两触头间形成电弧而造成电源短路 ， 若改接成如图 3.8(b)所示的形式 ， 因两触头电位相同 ， 就不会造成电源短路 。 图 3.8 正确连接电器的触头 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.18 第 3章 电气控制系统的设计 在控制电路中，应尽量将所有电器的联锁触头接在线圈的左端，线圈的右端直接接电源，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。 (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
12、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。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.19 第 3章 电气控制系统的设计 图 3.9 触头的连接 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.20 第 3章 电气控制系统的设计 (7) 防止触头竞争现象。图 3.10(a)为用时间继电器的反身关闭电路。当时间继电器 KT的常闭触头延时
13、断开后，时间继电器 KT线圈失电，又使经ts秒延时断开的常闭触头闭合，以及经 t1秒瞬时动作的常开触头断开。若ts t1，则电路能反身关闭；若 ts t1则继电器 KT再次吸合，这种现象就是触头竞争。在此电路中，增加中间继电器 KA便可以解决，如图 3.10(b)所示。 图 3.10 反身自停电路 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.21 第 3章 电气控制系统的设计 (8) 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。 (9) 防止寄生电路。控制电路在正常工作或事故情况下，发生
14、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。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.22 第 3章 电气控制系统的设计 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、
15、失压、弱磁、超限、极限等。这些内容已在第 2章中作了介绍。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.23 第 3章 电气控制系统的设计 5. 保证操作、安装、调整、维修方便和安全 为了使电器设备维修方便，使用安全，电器元件应留有备用触头，必要时应留有备用电器元件，以便检修调整改接线路；应设置隔离电器，以免带电检修。控制机构应操作简单，能迅速而方便地由一种控制形式转换到另一种控制形式，例如由手动控制转换到自动控制。 为避免带电维修，每台设备均应装有隔离开关。根据需要可设置手动控制及点动控制，以便于调整设备。必要时可设多点控制开关，使操作者可在几个位置均能控制设备。需要注意的是装有手动电器的控制线
16、路和带行程开关的控制线路，一定要有零压保护环节，以避免由于断电时手动开关没扳到分断位置或行程开关恰好被压动，在恢复供电时造成意外事故。还要注意实际上总有误操作的可能性，在控制线路中应该加入必要的联锁保护。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.24 第 3章 电气控制系统的设计 3.1.2 电气控制系统设计的基本内容 电气设计的基本任务是根据控制要求设计和编制出设备制造和使用维修过程中所必需的各种图纸、资料，其中包括电气系统的组件划分与元器件布置图、安装接线图、电气原理图、控制面板布置图等，编制设备清单、电气控制系统操作使用及维护说明书等资料。 因此，电气控制系统设计包含原理设计与工艺设计两
17、部分。 1. 原理设计内容 电气原理设计是整个系统设计的核心，它是工艺设计和制定其他技术资料的依据，电气控制系统原理设计内容主要包括以下部分。 (1) 拟定电气设计任务书。 (2) 确定拖动方案，选择所用电动机的型号。 (3) 确定系统的整体控制方案。 (4) 设计并绘制电气原理图。 (5) 计算主要技术参数并选择电气元件。 (6) 编写元件目录清单及设计说明书，为工程技术人员的使用提供方便。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.25 第 3章 电气控制系统的设计 2. 工艺设计内容 工艺设计的主要目的是便于组织电气控制系统的制造，实现原理设计要求的各项技术指标，为设备的调试、维护、使用提
18、供必要的图样资料。工艺设计的主要内容如下。 (1) 根据设计原理图及所选用的电器元件，设计绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。总装配图应能反映各电动机、执行电器、各种电器元件、操作台布置、电源及检测元件的分布状况；总接线图应能反映系统中的电器元件各部分之间的接线关系与连接方式。 (2) 根据原理框图和划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理电路图，列出各部分的元件目录表，并根据总图编号统计出各组件的进出线号。 (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 (电器元件布置与安装图 )、接线图，图中应反映各电器元件的安装方式与接线方式。这些资料是组件装配和生产管理的依据。 3
19、.1 电气控制系统设计的基本原则 1.26 第 3章 电气控制系统的设计 (4) 根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准的电器安装零件图，标明技术要求。这些图样是机械加工和外协作加工所必需的技术资料。 (5) 设计电气原理图。根据组件尺寸及安装要求确定电气柜结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热以及开门方式。在电气原理图设计中，应注意操作维护方便与造型美观。 (6) 根据总原理图、总装配图及各组件原理图资料进行汇总，分别列出外购件清单，标准件清单以及主要材料消耗定额。这些是生产管理 (如采购、调度、配料等 )和成本核算所必须具备的技术资料。 (7
20、) 编写使用维护说明书。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.27 第 3章 电气控制系统的设计 根据电气设计的内容，电气控制系统设计的基本步骤如下。 (1) 拟定电气控制系统设计任务书。电气控制系统设计任务书是整个电气设计的依据，任务书中除扼要说明所设计设备的型号、用途、加工工艺、动作要求、传动参数及工作条件外，还要说明以下主要技术指标及要求。 控制精度和生产效率的要求。 电气传动基本特性，如运动部件数量、用途、动作顺序、负载特性、调速指标、启动、制动方面的要求。 稳定性及抗干扰要求。 联锁条件及保护要求。 电源种类、电压等级。 目标成本及经费限额。 验收标准及验收方式。 其他要求，如设
21、备布局、安装要求、操作台布置、照明、信号指示、报警方式等。 3.1.3 电气控制系统设计步骤 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.28 第 3章 电气控制系统的设计 (2) 确定拖动 (传动 )方案、选择电动机型号。根据零件加工精度、加工效率、生产机械的结构、运动部件的数量、运动方式、负载性质和调速等方面的要求以及投资额的大小，确定电动机的类型、数量、拖动方式，并拟定电动机的启动、运行、调速、转向、制动等控制方案。在这里，电动机的选择非常重要，选择电动机的基本原则如下。 电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载特性相适应，以保证加工过程中运行稳定并具有一定的调速范围与良好的启动、
22、制动性能。 工作过程中电动机容量能得到充分利用。 电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并能适应周围环境工作条件。 在满足设计要求的情况下、应优先考虑采用结构简单、价格便宜、使用和维护方便的三相交流异步电动机。如果生产设备的各部分之间不需要保证一定的内在联系，则可采用多台电动机分别拖动的方式，以缩短设备的传动链，提高传动效率，简化设备结构。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.29 第 3章 电气控制系统的设计 根据设备中主要电动机的负载情况、调速范围及对启动、反向、制动的要求确定拖动形式。一般设备采用交流拖动系统，利用齿轮箱变速，为了扩大调速范围、简化设备结构，也可采用双速或多速
23、笼型异步电动机及绕线型异步电动机。如果设备对启动、制动要求很高，需要无级调速，应该采用直流电动机调速系统或交流变频调速系统。与此同时需要注意电动机调速的性质，应当与负载特性相适应。例如负载需要恒功率调速时，可采用定子绕组由三角形改为双星形连接的双速电动机或直流它励电动机的调磁调速。负载需要恒转矩调速时，可选用定子绕组由星形连接改成双星形的交流双速电机或直流它励电动机调压调速。 3.1 电气控制系统设计的基本原则 1.30 第 3章 电气控制系统的设计 (3) 确定控制方案。为了保证设备协调准确动作，充分发挥其效能，在确定控制方案时，应考虑以下几点。 确定控制方式。根据控制设备复杂程度及生产工艺精度要求的不同，可以选择几种不同的控制方式。例如：继电接触控制、顺序控制、 PLC控制、计算机联网控制等。 满足控制线路对电源种类、工作电压、频率等方面的要求。 构成自动循环。画出设备工作循环简图，确定行程开关的位置。如在电液控制时要确定电磁铁和电磁阀的通断状态，列出上述电器元件与执行动作的关系表。 确定控制系统的工作方法。一台设备可能有不同的工作方式，例如自动循环、手动调整、动作程序转换及控制系统中的检测等，需逐个予以实现。 3.1 电气控制系统设计的基本原则
