第3章-電氣控制系統(tǒng)設(shè)計講解

1、第3章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容3.2 電氣控制線路的設(shè)計3.3 常用電器元件的選擇3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容3.1.1 原理設(shè)計內(nèi)容1）擬定設(shè)計任務(wù)書 。 2）確定電拖方案、控制方式。 3）選擇電動機，包括電動機類型、電壓等級、容量及轉(zhuǎn)速，確定具體型號 。 4）設(shè)計電氣原理框圖，包括主電路、控制電路和輔助控制電路，確定各部分關(guān)系，擬定各部分技術(shù)要求 。5）設(shè)計電控原理圖、主要技術(shù)參數(shù) 。 7）編寫設(shè)計說明書。 6）選擇元器件，目錄清單 。 3.1.2 工藝設(shè)計內(nèi)容1）根據(jù)原理圖及選定器件，設(shè)計電氣設(shè)備總體配置，繪制總裝配圖、總接線圖。 2）繪制組件原理電路圖，列元件

2、目錄表，組件進出線號。 3）設(shè)計組件電器裝配圖（元件布置與安裝圖）、接線圖 。 4）繪制電器安裝板和非標電器安裝零件圖樣 。 5）設(shè)計電氣箱、確定電氣柜結(jié)構(gòu)和外形尺寸 。 6）匯總資料（總原理圖、總裝配圖、各組件原理圖）。 7）編寫使用維護說明書 。 3.2 電氣控制線路的設(shè)計3.2.1 電氣控制線路設(shè)計的原則 1最大限度限度生產(chǎn)機械對電氣控制要求。2滿足要求前提下，設(shè)計方案力求簡單、經(jīng)濟。 選用標準電器元件。 選用典型環(huán)節(jié)或基本電氣控制線路。 簡化電氣控制線路。 盡量減少不必要的觸點，常用減少觸頭數(shù)量方法：2）利用帶轉(zhuǎn)換觸頭的中間繼電器將兩對觸頭合并，見圖3-2。 1) 合并同類觸頭，見圖3

3、-1。 圖3-1 同類觸頭合并 圖3-2 具有轉(zhuǎn)換觸頭的中間繼電器的應(yīng)用 3）利用二極管單向?qū)щ娦詼p少觸頭數(shù)量,如圖3-3示 .4）利用邏輯代數(shù)方法減少觸頭數(shù)量。如圖3-4a)示。 圖3-3 利用二極管簡化控制電路 圖3-4 利用邏輯代數(shù)減少觸頭 。 圖3-5 電器的合理連接 圖3-6 節(jié)省連接導(dǎo)線的方法 盡量減少連接導(dǎo)線數(shù)量和長度。 減少通電電器 。圖3-7 減少通電電器的線路 3保證電氣控制線路工作可靠性。 正確連接電器元件觸頭 ，如圖3-8示。 正確連接電器線圈，1) 交流線路中，不允許兩個電器元件線圈串聯(lián) 。如圖3-9 示。 圖3-8 觸頭的連接 圖3-9 線圈的連接2) 兩電感量懸殊

4、的直流線圈不能直接并聯(lián)，如圖3-10 示。 圖3-10 電磁鐵與繼電器線圈的連接 避免出現(xiàn)寄生電路，如圖3-11 示。圖3-11 防止寄生電路 避免多個電器元件依次動作。 電氣聯(lián)鎖和機械聯(lián)鎖。 電氣控制線路應(yīng)能適應(yīng)所在電網(wǎng)。 充分考慮繼電器觸頭的接通和分斷能力。4保證線路工作的安全性5應(yīng)力求使操作、維護、檢修方便3.2.2 電氣控制線路設(shè)計的規(guī)律設(shè)計程序：1.擬定設(shè)計任務(wù)書整個系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。應(yīng)說明以下技術(shù)指標及要求：1) 控制精度，生產(chǎn)效率要求；2) 有關(guān)電力拖動的基本特性，如電動機數(shù)量、用途、負載特性、調(diào)速范圍以及對反向、啟動和制動的要求等；3) 用戶供電系統(tǒng)的電源種類，電壓等級、頻率及容

5、量等要求；4) 有關(guān)電氣控制特性，如自動控制的電氣保護，聯(lián)鎖條件，動作程序等；5) 其他如主要電氣設(shè)備的布置草圖，照明，信號指示，報警方式等；6) 目標成本及經(jīng)費限額；7) 驗收標準及方式； 2.電力拖動方案與控制方式選擇3.電動機選擇基本原則：1) 機械特性滿足生產(chǎn)機械要求，與負載特性相適應(yīng)。 2）電動機容量得到充分利用。 3）電動機結(jié)構(gòu)型式滿足機械安裝要求，適應(yīng)工作環(huán)境。4）優(yōu)先采用籠型異步電動機（結(jié)構(gòu)簡單、價廉、維護方便）。 4.確定電氣控制方案主要原則： 自動化程度與國情相適應(yīng) 控制方式與設(shè)備的通用及專用化相適應(yīng) 控制方式隨控制過程的復(fù)雜程度而變化 控制系統(tǒng)的工作方式應(yīng)滿足工藝要求5.

6、設(shè)計電氣控制原理圖6.設(shè)計電氣設(shè)備施工圖7.編寫說明書3.2.3 電控線路設(shè)計的步驟和方法一是分析設(shè)計法，二是邏輯設(shè)計法。1分析設(shè)計法又稱經(jīng)驗設(shè)計法、一般設(shè)計法。 要求：設(shè)計人員必須熟悉和掌握大量基本環(huán)節(jié)和典型電路，有豐富實際設(shè)計經(jīng)驗。適于不太復(fù)雜的（繼電接觸式）電氣控制線路設(shè)計。 特點：易于掌握，便于推廣，但需反復(fù)修改設(shè)計草圖才能得到最佳方案。 1. 設(shè)計的基本步驟1) 主電路設(shè)計 2) 控制電路設(shè)計 3) 聯(lián)結(jié)各單元環(huán)節(jié)，構(gòu)成整機線路。4) 聯(lián)鎖保護環(huán)節(jié)設(shè)計 5) 輔助電路設(shè)計 6) 線路的綜合審查 2. 設(shè)計基本方法1) 根據(jù)生產(chǎn)機械工藝要求和工作過程，適當選用已有典型環(huán)節(jié)，加以適當補充

7、和修改，綜合成所需電路。2) 若無適合典型環(huán)節(jié)，則根據(jù)控制要求自行設(shè)計，邊分析邊畫圖。 3. 設(shè)計舉例例：設(shè)計三條皮帶運輸機構(gòu)成的散料運輸線控制線路。如圖3-12示。 圖3-12 皮帶運輸機工作示意圖 控制要求1) 啟動順序為3#、2#、1#，并要有一定時間間隔，以免貨物在皮帶上堆積。2) 停車順序為1#，2#、3#，也要有一定時間間隔，保證停車后皮帶上不殘存貨物。3) 不論2#或3#哪一個出故障，1#必須停車，以免繼續(xù)進料，造成貨物堆積。4) 必要的保護。 主電路設(shè)計 圖3-13 皮帶運輸機主電路圖 基本控制電路設(shè)計圖3-14 控制電路的基本部分 控制線路特殊部分設(shè)計圖3-15 控制電路的聯(lián)

8、鎖部分 設(shè)計聯(lián)鎖保護環(huán)節(jié) 因皮帶是回轉(zhuǎn)運動，難以檢測行程。以時間為變化參量，利用時間繼電器作輸出器件的控制信號。以通電延時的常開觸頭作啟動信號，以斷電延時的常開觸頭作停車信號。為使三條皮帶自動按順序工作，采用中間繼電器KA。 圖3-16 完整的電路圖按下SB1，KT1、KT2、KA同時斷電，KA常開觸頭瞬時斷開，KM2、KM3若不加自鎖，則KT3、KT4延時不起作用，KM2、KM3線圈將瞬時斷電，電動機不能按順序停車，所以需加自鎖環(huán)節(jié)。熱繼電器保護觸頭均串聯(lián)在KA線圈電路中，無論哪條皮帶機過載，都能按1#、2#、3#順序停車。 線路綜合審查2. 邏輯設(shè)計法利用邏輯代數(shù)進行電路設(shè)計。方法：將控制

9、電路中接觸器、繼電器線圈的通電、斷電，觸頭的閉合、斷開，主令元件的接通、斷開看成邏輯變量，列出邏輯函數(shù)式。運用邏輯函數(shù)基本公式和運算規(guī)律，對邏輯函數(shù)式進行化簡。再畫出電路結(jié)構(gòu)圖，獲得最佳設(shè)計方案。1. 邏輯代數(shù)基礎(chǔ) 邏輯代數(shù)中的邏輯變量和邏輯函數(shù) 1) 邏輯變量：在邏輯代數(shù)中，將具有兩種互為對立的工作狀態(tài)的物理量稱為邏輯變量 .電器元件的線圈通電為“1”狀態(tài)，失電為“0”狀態(tài)；常開觸頭閉合為“1”狀態(tài)，斷開為“0”狀態(tài)；常閉觸頭閉合為“ ”狀態(tài)，斷開為“ ”狀態(tài)； 電器元件KA1，KA2，的常開觸頭分別用KA1，KA2，表示；常閉觸頭則分別用 ， ，表示。 2) 邏輯函數(shù)：在繼電接觸器控制線路

10、中，把表示觸頭狀態(tài)的邏輯變量稱為輸入邏輯變量；表示接觸器、繼電器線圈等受控元件的邏輯變量稱為輸出邏輯變量。輸出邏輯變量與輸入邏輯變量之間所滿足的相互關(guān)系稱為邏輯函數(shù)關(guān)系. 邏輯代數(shù)的運算法則1) 邏輯與觸頭串聯(lián) 邏輯表達式為：K=AB (“”為邏輯與運算符號) .含義為：只有當觸頭A與B都閉合時，線圈K才得電。 2) 邏輯或觸頭并聯(lián) 邏輯表達式為：K=A+B (“+”為邏輯或運算符號) .含義為：觸頭A與B只要有一個閉合，線圈K就可以得電。 3) 邏輯非動斷觸頭 邏輯表達式為：K= (“”為邏輯非運算符號) . 含義為：觸頭A不動作，則線圈K通電。 圖3-17 邏輯與運算電路 圖3-18 邏輯

11、或運算電路 圖3-19 邏輯非運算電路 邏輯代數(shù)的基本定理1) 交換律 AB = BA，A+B = B+A2) 結(jié)合律 A(BC) = (AB)C，A+(B+C) = (A+B)+C3) 分配律 A(B+C) = AB+AC，A+(BC) = (A+B)(A+C)4) 重疊律 AA = A，A+A = A5) 吸收律 A+AB = A，A(A+B) = A A+ B=A+B， +AB = +B6) 非非律 = A7) 反演律 = ， = + 圖3-20 啟、停自鎖電路 2. 設(shè)計基本步驟 1) 根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，作出工作循環(huán)示意圖。2) 確定執(zhí)行元件和檢測元件，并根據(jù)工作循環(huán)示意圖作出執(zhí)行元件

12、的動作節(jié)拍表和檢測元件狀態(tài)表。 3) 根據(jù)主令元件和檢測元件狀態(tài)表寫出各程序的特征數(shù)，確定待相區(qū)分組，增設(shè)必要的中間記憶元件，使待相區(qū)分組的所有程序區(qū)分開。 4) 列出中間記憶元件的開關(guān)邏輯函數(shù)和執(zhí)行元件的邏輯函數(shù)。5) 根據(jù)邏輯函數(shù)式建立電氣控制線路圖。6) 進一步檢查、化簡、完善電路，增加必要的保護和聯(lián)鎖環(huán)節(jié)。 (3) 設(shè)計舉例例3-2 用邏輯設(shè)計法設(shè)計皮帶運輸機的電氣控制線路。皮帶運輸機的工作循環(huán)示意圖如圖3-12所示。按生產(chǎn)工藝要求，當啟動信號給出后，3#皮帶機立即啟動，經(jīng)一定時間間隔，由控制元件時間繼電器KT1發(fā)出啟動2#皮帶機的信號，2#皮帶機啟動；再經(jīng)一定時間間隔，由控制元件時間

13、繼電器KT2發(fā)出啟動1#皮帶機的信號，1#皮帶機啟動。當發(fā)出停止信號時，1#皮帶機立即停車，經(jīng)一定時間間隔，由控制元件時間繼電器KT3發(fā)出停止2#皮帶機的信號，2#皮帶機停車；再經(jīng)一定時間間隔，由控制元件時間繼電器KT4發(fā)出停止3#皮帶機的信號，3#皮帶機停車。 1) 作出執(zhí)行元件的動作節(jié)拍表和檢測元件的狀態(tài)表 KM3 = (SB2+KM3)KT4KM2 = (KT1+KM2)KT3KM1= KT2KT1 = (SB2+KT1) KT2 = (SB2+KT2) KT3 = (SB2+KT3) KT4 = (SB2+KT4)KT1KT4 = (SB2+KT1) 。2) 決定待相區(qū)分組，設(shè)置中間記

14、憶元件 3) 列出輸出元件的邏輯函數(shù)式 4) 按邏輯函數(shù)式畫出電氣控制線路圖 圖3-21 按邏輯函數(shù)畫出的控制線路 圖3-22 完善的控制線路5)進一步完善電路，增加必要的聯(lián)鎖和保護環(huán)節(jié)經(jīng)過進一步檢查和完善，最后可得到與圖3-16相同的電路。 例3-3 用邏輯設(shè)計法設(shè)計異步電動機串電阻降壓啟動、可逆運行、反接制動控制線路。圖3-23異步電動機串電阻降壓啟動、可逆運行、反接制動主電路和工作示意圖 圖3-24 功能表圖的組成 1)作出執(zhí)行元件動作節(jié)拍表和檢測控制及主令元件的觸頭狀態(tài)表2)決定待相區(qū)分組，設(shè)置中間記憶元件 3)列出輸出元件的邏輯函數(shù)式 KA1 = (SB2+KA1)KA2 = (SB

15、3+KA2) KA3= KS1(KS1KA1+KA3)=KS1(KA1+KA3) KA4= KS2(KS2KA2+KA4)=KS2(KA2+KA4)KM1=（KA1+KA4）KM2=（KA2+KA3）KM3=（KA1KA3）+（KA2KA4）4)按邏輯函數(shù)式畫出電氣控制線路圖 圖3-25 按邏輯函數(shù)式畫出的電氣控制線路圖 圖3-26 完善的電氣控制線路 3.3 常用電器元件選擇正確、合理地選用電器元件，是電路安全、可靠工作的保證。選擇原則：1) 按功能要求確定電器元件類型。2) 根據(jù)所控制的電壓、電流及功率大小確定電器元件規(guī)格。3) 根據(jù)工作環(huán)境及元件供應(yīng)情況選擇。4) 根據(jù)電器元件所要求的可

16、靠性進行選擇。5) 確定電器元件的使用類別。3.3.1 按鈕、開關(guān)類電器選擇1.按鈕主要根據(jù)所需觸頭數(shù)、使用場合、顏色標注、額定電壓、額定電流進行選擇。1）“停止”和急停按鈕必須是紅色。2）“啟動”按鈕顏色是綠色。3）“啟動”與“停止”交替動作的按鈕必須是黑色、白色或灰色。4）點動按鈕必須是黑色。5）復(fù)位按鈕（如保護繼電器的復(fù)位按鈕）必須是藍色。如果還有停止作用，則必須是紅色。按鈕顏色的含義及應(yīng)用見表3-10（P102），LA38系列按鈕主要技術(shù)參數(shù)見表3-11。 2. 行程開關(guān)主要根據(jù)機械設(shè)備運動方式與安裝位置，擋鐵形狀、速度、工作力、工作行程、觸頭數(shù)量，以及額定電壓、額定電流選擇。3. 萬

17、能轉(zhuǎn)換開關(guān)根據(jù)控制對象的接線方式、觸頭型式與數(shù)量、動作順序和額定電壓、額定電流等選擇。4. 電源引入開關(guān)機械設(shè)備電源控制開關(guān)常用刀開關(guān)、組合開關(guān)、斷路器等。 刀開關(guān)與鐵殼開關(guān)選用 根據(jù)電源種類、電壓等級、電動機容量、控制極數(shù)選擇。 照明電路：刀開關(guān)或鐵殼開關(guān)的額定電壓、額定電流應(yīng)等于或大于電路最大工作電壓與工作電流。電動機直接啟動：刀開關(guān)與鐵殼開關(guān)額定電壓為380V或500V、額定電流應(yīng)等于或大于電動機額定電流的3倍。 組合開關(guān)選用根據(jù)電流種類、電壓等級、觸頭數(shù)量及電動機容量選擇?？刂?kW以下電動機啟、停：額定電流應(yīng)等于電動機額定電流的3倍。若不直接啟停，額定電流只需稍大于電動機額定電流。

18、斷路器選擇 1) 斷路器額定電壓和額定電流應(yīng)不小于電路正常工作電壓和工作電流。2) 熱脫扣器整定電流應(yīng)與所控制電動機的額定電流或負載額定電流一致。3) 電磁脫扣器瞬時脫扣整定電流應(yīng)大于負載電路正常工作時的峰值電流。對電動機，斷路器電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流值I按下式計算： I KIST (3-5)式中： K安全系數(shù)，可取K=1.7； IST電動機啟動電流。 3.3.2 熔斷器選擇先確定熔體額定電流，再根據(jù)熔體規(guī)格，選擇熔斷器規(guī)格，再選擇熔斷器類型。1. 熔體額定電流選擇 1) 無沖擊電流負載，如照明電路、信號電路、電阻爐等。 IFUN I （3-6）式中 IFUN 熔體額定電流； I 負載額

19、定電流。2) 負載出現(xiàn)尖峰電流，如籠型異步電動機啟動電流為(47)Ied (Ied為電動機額定電流)。 單臺不頻繁啟、停，且長期工作電動機： IFUN (1.52.5)Ied （3-7）單臺頻繁啟動、長期工作電動機： IFUN =(33.5)Ied （3-8） 多臺長期工作電動機共用熔斷器： IFUN (1.52.5)Iemax+Ied （3-9） 或IFUN Im2.5 （3-10）式中：Iemax容量最大一臺電動機的額定電流；Ied 其余電動機額定電流之和；Im 電路中可能出現(xiàn)的最大電流。幾臺電動機不同時啟動時，電路中最大電流: Im 7 Iemax +Ied （3-11） 3) 采用降壓

20、方法啟動的電動機： IFUN Ied （3-12） 2. 熔斷器規(guī)格選擇 額定電壓大于電路工作電壓，額定電流等于或大于所裝熔體的額定電流。3. 熔斷器類型選擇 應(yīng)根據(jù)負載保護特性、短路電流大小及安裝條件來選擇。 3.3.3 交流接觸器選擇主要考慮主觸頭額定電壓與額定電流、輔助觸頭數(shù)量、吸引線圈電壓等級、使用類別、操作頻率等。交流接觸器：主觸頭額定電流應(yīng)等于或大于負載或電動機額定電流。1. 額定電壓與額定電流主要考慮主觸頭的額定電壓與額定電流。 UKMNUCN （3-13） IKMN IN = （3-14）式中： UKMN 接觸器額定電壓；UCN 負載額定線電壓；IKMN 接觸器額定電流；IN

21、接觸器主觸頭電流；PMN 電動機功率；UMN 電動機額定線電壓；K經(jīng)驗常數(shù)，K11.4。 2. 吸引線圈電流種類及額定電壓 線圈額定電壓應(yīng)根據(jù)控制電路復(fù)雜程度，維修、安全要求，設(shè)備所采用的控制電壓等級考慮。3. 輔助觸頭的額定電流、種類和數(shù)量。4. 其它1) 根據(jù)使用環(huán)境選擇有關(guān)系列接觸器或特殊用接觸器。2) 電器的固有動作時間、使用壽命和操作頻率。3.3.4 繼電器選擇1. 電磁式通用繼電器先考慮交流還是直流類型，再根據(jù)控制電路需要，是采用電壓繼電器還是電流繼電器，或是中間繼電器。保護用：應(yīng)考慮過電壓(或過電流)、欠電壓(或欠電流)繼電器的動作值和釋放值，中間繼電器觸頭的類型和數(shù)量，勵磁線圈

22、的額定電壓或額定電流值。 2. 時間繼電器根據(jù)延時方式、延時精度、延時范圍、觸頭形式及數(shù)量、工作環(huán)境等，確定采用何種型式的時間繼電器，再選擇線圈額定電壓。3.熱繼電器結(jié)構(gòu)型式：決定于電動機繞組接法及是否要求斷相保護。熱元件整定電流可按下式選取: IFRN (0.951.05) Ied （3-15）式中： IFRN熱元件整定電流。工作環(huán)境惡劣、起動頻繁的電動機按下式選取： IFRN (1.151.5) Ied （3-16）過載能力較差電動機，熱元件整定電流為電動機額定電流的(6080)。重復(fù)短時工作制電動機，其過載保護應(yīng)選用溫度繼電器。4. 速度繼電器根據(jù)機械設(shè)備安裝情況及額定工作轉(zhuǎn)速選擇。 3.3.5 控制變壓器選擇 1) 一、二次側(cè)電壓應(yīng)與交流電源電壓、控制電路和輔助電路電壓相等。2) 應(yīng)能保證接于二次側(cè)的交流電磁器件在啟動時可靠吸合3) 電路運行時，變壓器溫升不超過允許值。容量近似計算公式：PT 0.6Pq +0.25PKj +0.125KLPKm （3-17）式中： PT 控制變壓器容量(VA)，Pq 電磁器件吸持功率(VA)；PKj 接觸器、繼電器啟動功率(V