電氣控制系統(tǒng)的設計課件

第四章電氣控制系統(tǒng)的設計

第一節(jié)電氣控制系統(tǒng)設計的一般原則、

基本內(nèi)容和設計程序

第二節(jié)電氣原理電路設計的方法與步驟

第三節(jié)

電氣控線路設計的主要參數(shù)計算和元器件選擇

第四節(jié)電氣控制裝置的工藝設計

為電氣控制裝置的制造、使用、運行及維修的需要進行的生產(chǎn)施工設計電氣控制系統(tǒng)的設計包括兩個基本內(nèi)容：1、電氣原理圖設計

為滿足生產(chǎn)機械和工藝的控制要求進行的電氣控制電路設計2、電氣工藝設計

決定著生產(chǎn)機械設備的合理性與先進性，是電氣控制系統(tǒng)設計的核心。

決定著電氣控制系統(tǒng)生產(chǎn)可行性、經(jīng)濟性、美觀、使用維修方便第一節(jié)電氣控制系統(tǒng)設計的一般原則、基本內(nèi)容和設計程序一、電氣控制系統(tǒng)設計的一般原則

1.最大限度地滿足生產(chǎn)機械和生產(chǎn)工藝對電氣控制的要求2.設計方案要合理3.機械設計與電氣設計應相互配合4.確保控制系統(tǒng)安全可靠地工作

電氣控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容主要包含原理設計與工藝設計兩個部分：

1、原理設計內(nèi)容l）擬訂電氣設計任務書

2）確定電力拖動方案和控制方式

3）確定電動機的類型、型號、容量、轉(zhuǎn)速4）設計電氣控制原理圖5）選擇電器元件，制訂元器件明細表

6）編寫設計說明書

二、電氣控制系統(tǒng)設計的基本任務、內(nèi)容

2、工藝設計內(nèi)容1）設計電氣總布置圖、總安裝圖與總接線圖2）設計組件布置圖、安裝圖和接線圖3）設計電氣箱、操作臺及非標準元件4）列出元件清單

5）編寫使用維護說明書二、電氣控制系統(tǒng)設計的基本任務、內(nèi)容1、擬訂設計任務書

設計任務書是整個電氣控制系統(tǒng)的設計依據(jù)，又是設備竣工驗收的依據(jù)。由技術(shù)領導部門、設備使用部門和任務設計部門等共同完成。電氣控制系統(tǒng)的設計任務書中，主要包括以下內(nèi)容：

（1）設備名稱、用途、基本結(jié)構(gòu)、動作要求及工藝過程介紹（2）電力拖動的方式及控制要求等（3）聯(lián)鎖、保護要求（4）自動化程度、穩(wěn)定性及抗干擾要求（5）操作臺、照明、信號指示、報警方式等要求（6）設備驗收標準（7）其它要求

三、電氣控制系統(tǒng)設計的一般程序

3、拖動電動機的選擇基本原則（1）根據(jù)生產(chǎn)機械調(diào)速的要求選擇電動機的種類。（2）工作過程中電動機容量要得到充分利用。（3）根據(jù)工作環(huán)境選擇電動機的結(jié)構(gòu)型式。4、選擇控制方式控制方式要實現(xiàn)拖動方案的控制要求。隨著現(xiàn)代電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)機械電力拖動的控制方式從傳統(tǒng)的繼電接觸器控制向PLC控制、CNC控制、計算機網(wǎng)絡控制等方面發(fā)展。

5、設計電氣控制原理圖，并合理選用元器件，編制元器件明細表。

6、設計電氣設備的各種施工圖紙

7、編寫設計說明書和使用說明書一、電氣控制原理電路的基本設計方法電氣控制原理電路設計的方法有分析設計法和邏輯設計法。1、分析設計法分析設計法是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求選擇適當?shù)幕究刂骗h(huán)節(jié)按其聯(lián)鎖條件組合起來，并經(jīng)補充和修改，將其綜合成滿足控制要求的完整線路。當沒有現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時，可根據(jù)控制要求邊分析邊設計。優(yōu)點：設計方法簡單，無固定的設計程序，容易為初學者所掌握，在電氣設計中被普遍采用缺點：設計出的方案不一定是最佳方案，當經(jīng)驗不足或考慮不周全時會影響線路工作的可靠性

第二節(jié)電氣控制原理電路設計的方法與步驟2、邏輯設計法邏輯設計法是利用邏輯代數(shù)來進行電路設計，從生產(chǎn)機械的拖動要求和工藝要求出發(fā)，將控制電路中的接觸器、繼電器線圈的通電與斷電，觸點的閉合與斷開，主令電器的接通與斷開看成邏輯變量，根據(jù)控制要求將它們之間的關系用邏輯關系式來表達，然后再化簡，做出相應的電路圖。優(yōu)點：是能獲得理想、經(jīng)濟的方案缺點：難度較大，設計過程復雜，在一般常規(guī)設計中，很少單獨采用

二、電氣原理圖設計的基本步驟（l）根據(jù)確定的拖動方案和控制方式設計系統(tǒng)的原理框圖（2）設計出原理框圖中各個部分的具體電路設計時按主電路→控制電路→輔助電路→聯(lián)鎖與保護→總體檢查，反復修改與完善的步驟進行。（3）繪制總原理圖（4）恰當選用電器元件，并制訂元器件明細表

（1）避免觸頭的“競爭”和“冒險”現(xiàn)象

競爭：是指在一個控制信號作用下，電路從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一穩(wěn)定狀態(tài)，常常有幾個元器件的觸頭狀態(tài)同時發(fā)生變化，由于各電器元件總有一定的動作時間，對時序電路來說，往往發(fā)生不按時序動作的情況，觸頭爭先吸合，就會得到幾個不同的輸出狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為電路的“競爭”。

冒險：對于開關電路，由于電器元件的延時釋放作用，存在開關元件不按要求的邏輯功能輸出，這種現(xiàn)象稱為“冒險”?！案偁帯焙汀懊半U”現(xiàn)象會造成電路不按控制要求動作，邏輯混亂，控制失靈，嚴重的還會造成相間短路，電機、電器及機械裝置損害，危害極大。

3、控制電路力求可靠、安全、簡單、經(jīng)濟反身自停改進后

（2）正確連接電器線圈圖4-1交流控制電路線圈連接圖4-2直流控制回路大電感線圈與直流繼電器線圈的連接

（3）合理安排電器元件和觸點的位置圖4-3電氣元件和觸頭間的連接

（5）盡量減少連接導線的數(shù)量，縮短連接導線的長度

（6）控制電路工作時，應盡量減少通電電器的數(shù)量；控制觸頭應合理布置

（7）考慮觸頭的接通和分斷能力

（8）應具有必要的保護環(huán)節(jié)在電路中采用小容量的繼電器觸點來斷開或接通大容量接觸器線圈時，要分析觸點容量的大小。若不夠時，必須加大繼電器容量或增加中間繼電器，否則工作不可靠。常用的有漏電開關保護、過載、短路、過電流、過電壓、失電壓、聯(lián)鎖與行程保護等措施。一、異步電動機起動、制動電阻的計算1、三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機起動電阻的計算

繞線式異步電動機在起動時，為降低起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩，并獲得一定的調(diào)速范圍，常采用轉(zhuǎn)子串電阻降壓起動方法，因此要確定外接電阻的級數(shù)和電阻的大小。電阻的級數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩波動就越小，控制電路也就越復雜。通常電阻級數(shù)可以根據(jù)表4-2來選取。下面介紹平衡短接法電阻阻值的計算。起動電阻級數(shù)確定后，轉(zhuǎn)子繞組中每相串聯(lián)的各級電阻值，可用下式計算：第三節(jié)

電控線路設計的主要參數(shù)計算式中，n為各級起動電阻的序號，n=1且表示第一級，即最先被短接的電阻；m為起動電阻級數(shù)；k為常數(shù)；r為最后被短接的那一級電阻值。

反接制動時，若僅在兩相定子繞組中串接限流電阻，選用電阻值是上述計算值的1.5倍。制動電阻的功率為：

式中，IN為電動機額定電流；R為每一相串接的限流電阻值。根據(jù)制動頻繁程度適當選取前面系數(shù)。二、籠型異步電動機能耗制動參數(shù)1、能耗制動直流電流與電壓的計算直流電流越大，制動效果越好，但過大的電流引起繞組發(fā)熱，能耗增加，且當磁飽和后對制動轉(zhuǎn)矩的提高也不明顯，通常制動直流電流Id按下式或

I0為電動機空載電流；IN為電動機額定電流。制動時，直流電壓Ud為：

R為兩相串聯(lián)定子繞組的冷電阻

2、整流變壓器參數(shù)計算

（1）變壓器二次交流電壓（2）變壓器容量

由于變壓器僅在能耗制動時工作，所以容量允許比長期工作時小。根據(jù)制動頻繁程度，取計算容量的0.25~0.5倍。

三、控制變壓器的選用

控制變壓器一般用于降低控制電路或輔助電路電壓，以保證控制電路安全性和可靠性。選擇控制變壓器的原則為：（l）控制變壓器一、二次側(cè)電壓應與交流電源電壓、控制電路電壓與輔助電路電壓要求相符。（2）應保證變壓器二次側(cè)的交流電磁器件在起動時能可靠的吸合。（3）電路正常運行時，變壓器溫升不應超過允許溫升。（4）控制變壓器容量的近似算式：

式中，S為控制變壓器容量（VA）；S1為電磁器件的吸持功率（VA）；S2為接觸器、繼電器起動功率（VA）；S3為電磁鐵起動功率（VA）；K為電磁鐵工作行程L與額定行程LN之比的修正系數(shù)。當L/LN＝0.5-0.8時，K＝0.7-0.8；當L/LN=0.85-0.9時，K＝0.85-0.95；當L/LN＝0.9以上時，K=1。

滿足上式時，可以保證電器元件的正常工作。式中系數(shù)0.25和0.125為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，當電磁鐵額定行程小于15mm，額定吸力小于15牛時，系數(shù)0.125修正為0.25。系數(shù)0.6表示在電壓降至60%時，已吸合的電器仍能可靠地保持吸合狀態(tài)?？刂谱儔浩饕部砂撮L期運行的溫升來考慮，這時變壓器容量應大于或等于最大工作負荷的功率，即

（－）交流接觸器的選用

交流接觸器控制的負載可分為電動機負載和非電動機類負載（如電熱設備、照明裝置、電容器、電焊機等）。

1、

電動機負載時的選用

把電動機的負載按輕重程度分為一般任務、重任務和特重任務三類。

（l）一般任務主要運行于間歇性使用類別，其操作頻率不高，用來控制籠型異步電動機或繞線轉(zhuǎn)子電動機，在達到一定轉(zhuǎn)速時斷開，并有少量的點動。這種任務在使用中所占的比例很大，并常與熱繼電器組成電磁起動器來滿足控制與保護的要求。屬于這一類的典型機械有：壓縮機、泵、通風機、升降機、傳送帶、電梯、攪拌機、離心機、空調(diào)機、沖床、剪床等。選配接觸器時，只要使選用接觸器的額定電壓和額定電流等于或稍大于電動機的額定電壓和額定電流即可，通常選用CJ10系列。

（2）重任務主要運行于包括間歇性和正常運行的混合類別，平均操作頻率可達100次／h或以上，用以起動籠型或繞線轉(zhuǎn)子電動機，并常有點動、反接制動、反向和低速時斷開。屬于這一類的典型機械有：車床、鉆床、銑床、磨床、升降設備、軋機輔助設備等。在這類設備的控制中，電動機功率一般在20kW以下，因此選用CJ10Z系列重任務交流接觸器較為合適。（3）特重任務主要運行于幾乎長期運行的類別，操作頻率可達600~1200次/h，個別的甚至達3000次/h，用于籠型或繞線轉(zhuǎn)子電動機的頻繁點動、反接制動和可逆運行。屬于這一類的典型設備有：印刷機、拉絲機、鏜床、港口起重設備、軋鋼輔助設備等。選用接觸器時一定要使其電壽命滿足使用要求。對于已按重任務設計的CJ10Z等系列接觸器可按電壽命選用，電壽命可按與分斷電流平方成反比的關系推算。有時，粗略按電動機的起動電流作為接觸器的額定使用電流來選用接觸器，便可得到較高的電壽命。由于控制容量大，?？蛇x用CI12系列。

1、類型的選用

繼電器的類型及用途可查表。首先按被控制或被保護對象的工作要求來選擇繼電器的種類，然后根據(jù)靈敏度或精度要求來選擇適當?shù)南盗?。如時間繼電器有直流電磁式、交流電磁式（氣囊結(jié)構(gòu)）、電動式、晶體管式等，可根據(jù)系統(tǒng)對延時精度、延時范圍、操作電源要求等綜合考慮選用。2、使用環(huán)境的選用

繼電器選用時應考慮繼電器安裝地點的周圍環(huán)境溫度、海拔高度、相對溫度、污染等級及沖擊、振動等條件，確定繼電器的結(jié)構(gòu)特征和防護類別。如繼電器用于塵埃較多場所時，應選用帶罩殼的全封閉式繼電器，如用于濕熱帶地區(qū)時，應選用濕熱帶型（TH），以保證繼電器正常而可靠地工作。3、使用類別的選用

繼電器的典型用途是控制交、直流接觸器的線圈等。對應的繼電器應按使用類別選用。五、電磁式控制繼電器的選用

4、額定工作電壓、額定工作電流的選用

繼電器在相應使用類別下觸點的額定工作電流和額定工作電壓表征繼電器觸點所能切換電路的能力。選用時，繼電器的最高工作電壓可為該繼電器的額定絕緣電壓。繼電器的最高工作電流一般應小于該繼電器的額定發(fā)熱電流。通常一個系列的繼電器規(guī)定了幾個額定工作電壓，同時列出相應的額定工作電流（或控制功率）。選用電壓線圈的電流種類和額定電壓值時，應注意與系統(tǒng)要求一致。5、工作制的選用

繼電器一般適用于8h工作制（間斷長期工作制）、反復短時工作制和短時工作制。工作制不同對繼電器的過載能力要求也不同。當交流電壓（或中間）繼電器用于反復短時工作制時，由于吸合時有較大的起動電流，因此其負擔比長期工作制時重，選用時應充分考慮此類情況，使用中實際操作頻率應低于額定操作頻率。

1、原則上按被保護電動機的額定電流選取熱繼電器。根據(jù)電動機實際負載選取熱繼電器的整定電流值為電動機額定電流的0.95~1.05倍。對于過載能力較差的電動機，選取熱繼電器的額定電流為電動機額定電流的60%~80%。

2、對于長期工作或間斷長期工作制的電動機，必須保證熱繼電器在電動機的起動過程中不致誤動作。以在6倍額定電流下，起動時間不超過6秒的電動機所需的熱繼電器按電動機的額定電流來選取。

3、用熱繼電器作斷相保護時的選用。對于星型接法的電動機，只要選用正確、調(diào)整合理，使用一般不帶斷相保護的三相熱繼電器也能反映一相斷線后的過載情況。對于三角形接法的電動機，一相斷線后，流過熱繼電器的電流與流過電動機繞組的電流其增加比例是不同的，這時應選用帶有斷相保護裝置的熱繼電器。

4、三相與兩相熱繼電器的選用。一般故障情況下，兩相熱繼電器與三相熱繼電器具有相同的保護效果。但在電動機定子繞組一相斷線、多臺電動機的功率差別比較顯著、電源電壓不平衡等情況下不宜選用兩相熱繼。六、熱繼電器的選用1、熔斷器類型與額定電壓的選擇

根據(jù)負載保護特性和短路電流大小、各類熔斷器的適用范圍來選用熔斷器的類型。根據(jù)被保護電路的電壓來選擇額定電壓。

2、熔體與熔斷器額定電流的確定

熔體額定電流大小與負載大小、負載性質(zhì)密切相關。對于負載平穩(wěn)、無沖擊電流，如照明電路、電熱電路可按負載電流大小來確定熔體的額定電流。對于籠型異步電動機，其熔斷器熔體額定電流如第一章所述，為：單臺電動機

七、熔斷器選擇

如多臺電動機共用一個熔斷器保護

輕載起動及起動時間較短時，式中系數(shù)取l.5，重載起動及起動時間較長時，式中系數(shù)取2.5。熔斷器的額定電流按大于或等于熔體額定電流來選擇。

3、校核保護特性

對上述選定的熔斷器類型及熔體額定電流，還必須校核熔斷器的保護特性曲線是否與保護對象的過載特性有良好的配合，使在整個范圍內(nèi)獲得可靠的保護。同時，熔斷器的極限分段能力應大于或等于所保護電路可能出現(xiàn)的短路電流值，這樣才能得到可靠的短路保護。4、熔斷器的上下級的配合

為滿足選擇性保護的要求，應注意熔斷器上下級之間的配合，一般要求上一級熔斷器的熔斷時間至少是下一級的3倍，不然將會發(fā)生越級動作，擴大停電范圍。為此，當上下級采用同一型號的熔斷器時，其電流等級以相差兩級為宜，若上下級所用的熔斷器型號不同，則根據(jù)保護特性上給出的熔斷時間選取。1、控制按鈕的選用

（1）根據(jù)使用場合，選擇控制按鈕的種類，如開啟式、保護式、防水式、防腐式等。（2）根據(jù)用途，選用合適的型式，對手把旋鈕式、鑰匙式、緊急式、帶燈式等。（3）按控制回路的需要，確定不同的按鈕數(shù)，如單鈕、雙鈕、三鈕、多鈕等。（4）按工作情況的要求，選擇按鈕的顏色。根據(jù)GB5226-85的規(guī)定，按鈕的顏色的含義與典型用途見表4-4。

2、行程開關的選用

（1）根據(jù)應用場合及控制對象選擇。有一般用途行程開關和起重設備用行程開關。（2）根據(jù)安裝環(huán)境選擇防護型式，如開啟式或保護式。（3）根據(jù)控制回路的電壓和電流選擇行程開關系列。（4）根據(jù)機械與行程開關的壓力與位移關系選擇合適的頭部型式。八、其它控制電器的選用

3、自動開關的選用

（l）根據(jù)要求確定自動開關的類型，如框架式、塑料外殼式、限流式等。（2）根據(jù)保護特性要求，確定幾段保護。（3）根據(jù)線路中可能出現(xiàn)的最大短路電流來選擇自動開關的極限分斷能力。（4）根據(jù)電網(wǎng)額定電壓、額定電流確定開關的容量等級。（5）初步確定自動開關的類型和等級后，要和其上、下級開關保護特性進行協(xié)調(diào)配合，從而在總體上滿足保護的要求。

電氣控制系統(tǒng)在完成原理設計和電器元件選擇之后，下一步就是進行電氣工藝設計并付之實施。主要有電氣控制設備總體布置，總接線圖設計，各部分的電器裝配圖與接線圖，各部分的元件目錄、進出線號、主要材料清單及使用說明書等。

一、電氣設備的總體布置設計電氣設備總體布置設計的任務是根據(jù)電氣控制原理圖，將控制系統(tǒng)按照一定要求劃分為若干個部件，再根據(jù)電氣設備的復雜程度，將每一部件劃分成若干單元，并根據(jù)接線關系整理出各部分的進線和出線號，調(diào)整它們之間的連接方式。單元劃分的原則：（1）功能類似的元件組合在一起。如按鈕、控制開關、指示燈、指示儀表可以集中在操作臺上；接觸器、繼電器、熔斷器、控制變壓器等控制電器可以安裝在控制柜中。（2）接線關系密切的控制電器劃為同一單元，減少單元間的連線。（3）強弱電分開，以防干擾。（4）需經(jīng)常調(diào)節(jié)、維護和易損元件組合在一起以便于檢查與調(diào)試。第四節(jié)電氣控制裝置的工藝設計

電氣控制設備的不同單元之間的接線方式通常有以下幾種：（l）控制板、電器板、機床電器的進出線一般采用接線端子，可根據(jù)電流大小和進出線數(shù)選擇不同規(guī)格的接線端子。（2）被控制設備與電氣箱之間采用多孔接插件，便于拆裝、搬運。（3）印制電路板及弱電控制組件之間的連接采用各種類型的標準接插件。

二、繪制電器元件布置圖

同一部件或單元中電器元件按下述原則布置：（l）一般監(jiān)視器件布置在儀表板上。（2）體積大和較重的電器元件應安裝在電器板的下方，發(fā)熱元件安裝在電器板的上方。（3）強電弱電應分開，弱電部分應加裝屏蔽和隔離，以防干擾。（4）需要經(jīng)常維護、檢修、調(diào)整的電器元件安裝不宜過高或低。（5）電器布置應考慮整齊、美觀、對稱。盡量使外形與結(jié)構(gòu)尺寸類似的電器安裝在一起，便于加工、安裝和配線。（6）布置電器元件時，應預留布線、接線、和調(diào)整操作的空間。

電氣控制裝置的接線圖表示整套裝置的連接關系，繪制原則：（l）接線圖的繪制應符合GB6988中5-86《電氣制圖接線圖和接線表》的規(guī)定。（2）在接線圖中，各電器元件的外形和相對位置要與實際安裝的相對位置一致。（3）電器元件及其接線座的標注與電氣原理圖中標注應一致，采用同樣的文字符號和線號。項目代號、端子號及導線號的編制分別應符合GB5904-85《電氣技術(shù)中的項目代號》、GB4026-83《電器接線端子的識別和用字母數(shù)字符號標志接線端子的通則》及GB4884-85《絕緣導線標記》等規(guī)定。（4）接線圖應將同一電