电气控制线路基础.ppt

第2章 电气控制线路基础,目的： 掌握电气控制线路的图形、文字符号及一般的绘制原则，学习由电器元件组成的鼠笼式三相交流异步电动机起、停，正反转，多地，多条件控制电路的基本原理；降压起动控制电路；制动控制电路；变极调速。电气控制线路的简单设计方法。 要求： 领会常用控制电路的设计思想，学会分析基础电路的工作原理，熟记起停、正反转、两地控制等电路的电路结构及特点，并要求能够熟练画出这些电路。,本章内容,电气控制线路图的图形、文字符号及绘制原则 三相笼型异步电动机的基本控制线路 三相笼型异步电动机降压启动控制线路 三相笼型异步电动机制动控制线路 三相笼型异步电动机速度控制线路 变频调速与变频器的使用 电气控制线路的简单设计法 典型生产机械电气控制线路分析,什么是电气控制线路？ 用导线将电机、电器、仪表等元器件按一定的要求连接起来，并实现某种特定控制要求的电路。 什么是电气控制系统图？ 为了表达生产机械电气控制系统的结构、原理等设计意图，便于电气系统的安装、调试、使用和维修，将电气控制系统中各电器元件及其连接线路用一定的图形表达出来，这就是电气控制系统图。 电气控制系统图的种类 （电气原理图、电气布置图、电气安装接线图） 电气原理图,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,常用电气图形和文字符号 电气图形符号和文字符号的国家标准 演化历史 现状 图形符号基本上是统一的国家标准 文字符号还在使用已废止的GB 71591987电气技术中的文字符号制订通则 目前电气图形符号和文字符号相关的国家标准介绍 参考教材上的讲解 本教材是第一本全面采用电气文字符号新国家标准的教材,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,电气控制线路图的绘制原则 绘制电气原理图时应遵循的原则 电气原理图一般分主电路和辅助电路两部分。 主电路是电气控制线路中大电流通过的部分，包括从电源到电机之间相连的电器元件；一般由组合开关、主熔断器、接触器主触点、热继电器的热元件和电动机等组成。 辅助电路是控制线路中除主电路以外的电路，其流过的电流比较小。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路和保护电路。其中控制电路是由按钮、接触器和继电器的线圈及辅助触点、热继电器触点、保护电器触点等组成。,绘制电气原理图时应遵循的原则 电气原理图中所有电器元件都应采用国家标准中统一规定的图形符号和文字符号表示。 电气原理图中电器元件的布局，应根据便于阅读原则安排。主电路安排在图面左侧或上方，辅助电路安排在图面右侧或下方。无论主电路还是辅助电路，均按功能布置，尽可能按动作顺序从上到下，从左到右排列。 电气原理图中，当同一电器元件的不同部件（如线圈、触点）分散在不同位置时，为了表示是同一元件，要在电器元件的不同部件处标注统一的文字符号。对于同类器件，要在其文字符号后加数字序号来区别。如两个接触器，可用QA1、QA2文字符号区别。,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,绘制电气原理图时应遵循的原则 电气原理图中，所有电器的可动部分均按没有通电或没有外力作用时的状态画出。对于继电器、接触器的触点，按其线圈不通电时的状态画出，控制器按手柄处于零位时的状态画出；对于按钮、行程开关等触点按未受外力作用时的状态画出。 电气原理图中，应尽量减少线条和避免线条交叉。各导线之间有电联系时，在导线交点处画实心圆点。根据图面布置需要，可以将图形符号旋转绘制，一般逆时针方向旋转90，但文字符号不可倒置。,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,图面区域的划分 图纸上方的1、2、3等数字是图区的编号，它是为了便于检索电气线路，方便阅读分析从而避免遗漏设置的。图区编号也可设置在图的下方。 图区编号下方的文字表明它对应的下方元件或电路的功能，使读者能清楚地知道某个元件或某部分电路的功能，以利于理解全部电路的工作原理。,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,符号位置的索引 当一个控制系统有多页图纸时，索引非常有用。 接触器、继电器的线圈、触点的索引方法 接触器 继电器,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,电气安装接线图 电气安装接线图用于电气设备和电器元件的安装、配线、维护和检修电器故障。图中标示出各元器件之间的关系、接线情况以及安装和敷设的位置等，对某些较为复杂的电气控制系统或设备，当电气控制柜中或电气安装板上的元器件较多时，还应该画出各端子排的接线图。 一般情况下，电气安装图和原理图需配合起来使用。 绘制电气安装图应遵循的主要原则如下： 必须遵循相关国家标准绘制电气安装接线图。 各电器元器件的位置、文字符号必须和电气原理图中的标注一致，同一个电器元件的各部件（如同一个接触器的触点、线圈等）必须画在一起，各电器元件的位置应与实际安装位置一致。 不在同一安装板或电气柜上的电器元件或信号的电气连接一般应通过端子排连接，并按照电气原理图中的接线编号连接。 走向相同、功能相同的多根导线可用单线或线束表示。画连接线时，应标明导线的规格、型号、颜色、根数和穿线管的尺寸。,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,电器元件布置图 电器元件布置图主要用来表明电气设备或系统中所有电器元器件的实际位置，为制造、安装、维护提供必要的资料。 电器元器件布置图的设计应遵循以下原则： 必须遵循相关国家标准设计和绘制电器元件布置图。 相同类型的电器元件布置时，应把体积较大和较重的安装在控制柜或面板的下方。 发热的元器件应该安装在控制柜或面板的上方或后方，但热继电器一般安装在接触器的下面，以方便与电机和接触器的连接。 需要经常维护、整定和检修的电器元件、操作开关、监视仪器仪表，其安装位置应高低适宜，以便工作人员操作。 强电、弱电应该分开走线，注意屏蔽层的连接，防止干扰的窜入。 电器元器件的布置应考虑安装间隙，并尽可能做到整齐、美观。,2.1 电气控制线路的图形、文字符号及绘制原则,概述 三相笼型异步电动机在生产实际中用量最大。 其电气控制线路图大都由继电器接触器和按钮等有触点的电器组成。,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.1 全压启动控制线路 这是最基本的电动机控制线路。是任何一个电气工程师需要熟记于心的电路。 组成： 主电路 控制线路,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.1 全压启动控制线路 工作原理 启动过程 操作过程 重要概念：这种依靠接触器本身辅助触点使其线圈保持通电的现象称为自锁。起自锁作用的触点称为自锁触点。 停止过程,电气控制线路基础,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.1 全压启动控制线路 控制线路的保护环节 短路保护：FA 过载保护：BB 失压和欠压保护: QA,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.2 正反转控制线路 生产实际的需要 工作原理 工作过程 基本控制线路（不能使用） 正停反 重要概念：将其中一个接触器的常闭触点串入另一个接触器线圈电路中，则任一接触器线圈先带电后，即使按下相反方向按钮，另一接触器也无法得电，这种联锁通常称为互锁，即二者存在相互制约的关系。 正反停,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,正反向工作的控制电路,2.2.3 点动控制线路 生产实际的需要 工作过程,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.4 多点控制线路 生产实际的需要 工作过程,电气控制线路基础,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.5 顺序控制线路 生产实际的需要 类型 基于动作先后顺序 基于时间控制 工作过程,电气控制线路基础,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,2.2.6 自动循环控制线路 生产实际的需要 工作过程,电气控制线路基础,2.2 三相笼型异步电动机的基本控制线路,综合,基本电路的结构特点： 1.自锁接触器常开触点与按钮常开触点相并联。 2.互锁两个接触器的常闭触点串联在对方线圈的电路中。 3.点动无自锁环节。 4.多地按钮的常开触点并联、常闭触点串联。 5.多条件按钮的常开触点串联、常闭触点并联。,概述 为什么要进行降压启动控制？ 降压启动的过程 降压启动方法 定子电路串电阻（或电抗） 星形三角形 自耦变压器 延边三角形 使用软启动器 使用变频器,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,星形三角形降压启动控制线路 降压启动原理 启动时将电动机定子绕组接成星形，加在电动机每相绕组上的电压为额定值的1/ ，Y形连接时，加在电动机定子绕组上的电流是连接时的1/3，从而减小了启动电流对电网的影响。当转速接近额定转速时，定子绕组改接成三角形，使电动机在额定电压下正常运转。 工作过程 主电路为什么像这样连接？ 工作过程,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,星形三角形降压启动控制线路 特点和适用场合 优点：启动电流特性好，结构简单，价格低； 缺点：由于启动转矩也降低到了原来的1/3，所以转矩特性差。 适合于轻载或空载启动的场合。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,自耦变压器降压启动控制线路 降压启动原理 工作过程,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,自耦变压器降压启动控制线路 特点及适用场合 优点：启动时对电网的电流冲击小，功率损耗小。 缺点：自耦变压器相对结构复杂，价格较高。 这种线路主要用于较大容量的电动机，以减小启动电流对电网的影响。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,软启动器及其使用 使用场合及特点 在一些对启动要求较高的场合，可选用软启动装置，它采用电子启动方法。 主要特点是：具有软启动和软停车功能，启动电流、启动转矩可调节，另外还具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能和实时检测并显示如电流、电压、功率因数等参数的功能。 原理：利用晶闸管的移相控制原理，通过控制晶闸管的导通角，改变其输出电压，达到通过调压方式来控制启动电流和启动转矩。（P66 图2-10）,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,软启动器及其使用 软启动器的控制功能 斜坡升压启动方式 此种启动方式一般可设定启动初始电压Uqo和启动时间t1。这种启动方式关闭电流反馈，属开环控制方式，在电动机启动过程中，电压线性逐渐增加，在设定的时间内达到额定电压。 转矩控制及启动电流限制启动方式 此种启动方式一般可设定启动初始力矩Tqo、启动阶段力矩限幅TLI、力矩斜坡上升时间t1和启动电流限幅ILI。这种启动方式引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属闭环控制方式。由于控制目标为转矩，故软启动器输出电压为非线性上升。 此种控制方式可以使电动机以最佳的启动加速度、以最快的时间完成平稳的启动，是应用最多的启动方式。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,软启动器及其使用 软启动器的控制功能 电压提升脉冲启动方式 此种启动方式一般可设定电压提升脉冲限幅ULI。升压脉冲宽度一般为5个电源周波，即100ms。在启动开始阶段，晶闸管在极短时间内按设定升压幅值启动，可得到较大的启动转矩，此阶段结束后，转入转矩控制及启动电流限制启动。该启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。 转矩控制软停车方式 制动停车方式 能耗制动方式,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,软启动器及其使用 使用举例：TE的Altistart46 具有通用软启动器的各种功能 电动机单向运行，带旁路接触器、软启动、软停车或自由停车控制线路 端子功能 L1/L2/L3,A1/A2/A3,T1/T2/T3,A2/B2/C2 PL STOP,RUN C,400 KF1,KF2输出继电器的作用 KF1:可编程内部继电器，可作为故障继电器，也可作为隔离继电器。当KF1设置为故障继电器时，当软启动器控制电源上电时，KF1闭合，当软启动器发生故障时，KF1断开；当KF1设置为隔离继电器时，若软启动器接收到启动信号，KF1闭合，当软启动器软停车结束时、或在软启动器在自由停车模式下接收到停车信号时、或在运行过程中出现故障，KF1断开。 KF2：启动结束继电器。当软启动器完成启动过程后，KF2闭合，当软启动器接收到停车信号或出现故障时，KF2断开。,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,三线控制方式,编程输出继电器,启动结束继电器,软启动器及其使用 使用举例：TE的Altistart46 单台软启动器启动多台电机举例 注意外部旁路的区别 KF1,KF2输出继电器的作用 在一台电动机启动结束后，软启动器被外部旁路。对它来说，这是不正常状态，所以KF1和KF2都断开。,电气控制线路基础,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,2.3 三相笼型异步电动机降压启动控制线路,KF5接通表示启动，断开表示停车.,概述 为什么要进行制动控制？ 制动方法 机械的 电气的 反接制动 能耗制动 使用软启动器或变频器中的制动功能,电气控制线路基础,2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路,反接制动控制线路 工作原理 切断电源并加入反相序的电源 注意事项 限制冲击电流 及时切除反向电源 特点及适用场合 特点：制动迅速，效果好，冲击大。 适用场合：通常仅适用于10 kW以下的小容量电动机。,电气控制线路基础,2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路,反接制动控制线路 单向运行反接制动控制线路 工作过程讲解,电气控制线路基础,2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路,反接制动控制线路 具有反接制动电阻的可逆运行反接制动控制线路 正向启动 SF2KF3QA1电动机降压启动转速上升到一定值时BS1KF1QA3RA被短接电动机全压下升速到额定值。 正向停止 SF1KF3、QA1、QA3QA2在接有RA的情况下制动转速下降到一定值KF1QA2制动结束,电气控制线路基础,2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路,能耗制动控制线路 工作原理 所谓能耗制动，就是在电动机脱离三相交流电源之后，定子绕组上加一个直流电压，即通入直流电流，利用转子感应电流与静止磁场的作用以达到制动的目的。 实现方法 根据能耗制动时间控制原则，可用时间继电器进行控制； 也可以根据能耗制动速度原则，用速度继电器进行控制。,2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路,能耗制动控制线路 单向运行能耗制动控制线路 以时间控制原则进行控制； 以速度原则进行控制。,2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路,能耗制动控制线路 能耗制动和反接制动的比较 能耗制动比反接制动消耗的能量少，其制动电流也比反接制动电流小得多，但能耗制动的制动效果不及反接制动明显，同时还需要一个直流电源，控制线路相对比较复杂。 能耗制动一般适用于电动机容量较大和启动、制动频繁的场合。反接制动一般适合于电动机容量较小和不频繁制动的场合。,2.4 三相笼型异步电动机制动控制线路,概述 电气调速方法 三相笼型异步电动机转速公式： 调速方法 改变p：变极调速有级调速，简单，适用于要求不高的一般场合。 改变s：滑差电机已淘汰。 改变f：变频调速调速性能最好，使用广泛的调速方法。,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,变极调速控制线路 变极方法,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,变极调速控制线路 双速电动机调速控制线路 主电路的连接 低速启动 高速启动 问题：想一想QA3的作用？,2.5 三相笼型异步电动机速度控制线路,变频调速的基本概念 什么是变频调速？ 上世纪80年代前，什么因素制约了变频调速的发展？ 变频调速的特点,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频器的类型 工具变流环节分类 交直交变频器 大多数变频器都属于交直交型 交交变频器 根据直流电路的滤波方式分类 电压型变频器 电流型变频器,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频器的类型 根据控制方式分类 V/f控制 基本概念 开环控制 原因：仅改变频率，将会产生由弱励磁引起的转矩不足或由过励磁引起的磁饱和现象，使电动机功率因数和效率显著下降。 控制机理：改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较广范围内调速运转时，电动机的功率因数和效率不下降。这就是控制电压与频率之比，所以称为V/F控制。 特点 它是最简单的一种控制方式，不用选择电动机，通用性优良。 与其他控制方式相比，在低速区内电压调整困难，故调速范围窄，通常在110左右的调速范围内使用。 急加速、减速或负载过大时，抑制过电流能力有限。 不能精密控制电动机实际速度，不适合用于同步运转场合。,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频器的类型 根据控制方式分类 矢量控制 基本概念 产生原因：按照直流电动机电枢电流控制思想，使交流异步电动机达到与直流电动机相同的调速性能。 机理：即将供给异步电动机的定子电流在理论上分成两部分：产生磁场的电流分量（磁场电流）和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量（转矩电流）。该磁场电流、转矩电流与直流电动机的磁场电流、电枢电流相当。 特点 需要使用电动机参数，一般用做专用变频器。 调速范围在1100以上。 速度响应性极高，适合于急加速、减速运转和连续4象限运转，能适用于任何场合。,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频器的类型 根据输出电压调制方式分类 PAM方式 脉冲幅值调制（PAM，Pulse Amplitude Modulation） PWM方式 脉冲宽度调制（PWM，Pulse Width Modulation） 根据输入电源的相数分类 单相变频器 三相变频器,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频器的组成 主电路 控制电路 保护电路,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频器的主要技术参数 输入侧主要额定数据 输出侧主要额定数据 对变频器设置和调试时的主要参数,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频器的选择 种类选择 容量选择 变频器的主要功能 频率给定功能 升速、降速和制动控制 控制功能 保护功能 变频器的操作方式 数字操作器和数字显示器 远程操作 端子操作,2.6 变频调速与 变频器的使用,变频调速与变频器的使用 应用举例：Micromaster 440 应用举例,2.6 变频调速与 变频器的使用,概述 一般设计法：又称为经验设计法。它主要是根据生产工艺要求，利用各种典型的线路环节，直接设计控制电路。 逻辑设计法：它根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、设计控制线路。 为什么要对设计方法进行改进？ 简单设计法介绍 一般设计法的几个主要原则 最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求。 在满足生产要求的前提下，控制线路力求简单、经济、安全可靠。 尽量减少电器的数量 尽量选用相同型号的电器和标准件，以减少备品量，尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的线路和环节。 尽量减少控制线路中电源的种类 尽可能直接采用电网电压，以省去控制变压器。,2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 一般设计法的几个主要原则 在满足生产要求的前提下，控制线路力求简单、经济、安全可靠。 尽量缩短连接导线的长度和数量 设计控制线路时，应考虑各个元件之间的实际接线。,2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 一般设计法的几个主要原则 在满足生产要求的前提下，控制线路力求简单、经济、安全可靠。 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，线圈的右端或下端直接接到电源的另一根母线上（左右端和上下端是针对控制电路水平绘制或垂直绘制而言的）。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。 正确连接电器的线圈 在交流控制电路中不能串联两个电器的线圈。,2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 一般设计法的几个主要原则 在满足生产要求的前提下，控制线路力求简单、经济、安全可靠。 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。 要注意电器之间的联锁和其他安全保护环节,2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 逻辑设计法中继电器开关逻辑函数 电气控制线路中的典型控制对象 继电器逻辑开关函数 表达式：,*2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 逻辑设计法中继电器开关逻辑函数 电气控制线路中的典型控制对象 一般形式： X开为控制对象的开启信号，应选取在开启边界线上发生状态改变的逻辑变量； X关为控制对象的关断信号，应选取在控制对象关闭边界线上发生状态改变的逻辑变量。 在线路图中使用的触点K为输出对象本身的常开触点，属于控制对象的内部反馈逻辑变量，起自锁作用，以维持控制对象得电后的吸合状态。,2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 逻辑设计法中继电器开关逻辑函数 电气控制线路中的典型控制对象 X开和X关的选择 X开和X关一般要选短信号，这样可以有效防止启/停信号波动的影响，保证了系统的可靠性。,2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 逻辑设计法中继电器开关逻辑函数 电气控制线路中的典型控制对象 更进一步的表达式：在某些实际应用中，为进一步增加系统的可靠性和安全性，X开和X关往往带有约束条件。 对约束条件的说明,2.7 电气控制线路的 简单设计法,简单设计法介绍 简单设计法 定义：一般设计法中的重要设计原则和逻辑设计法中的控制对象的开关逻辑函数就组成了简单设计法。 设计步骤 找出控制对象的开启信号、关断信号； 如果有约束条件，则找出相应的开启约束条件和关断约束条件； 把各种已知信号带入公式中，写出控制对象的逻辑函数（熟练后可省去该步）； 结合一般设计法的设计原则和逻辑函数，画出该控制对象的电气线路图。 最后根据工艺要求做进一步的检查工作。 关键：简单设计法的核心内容是找出控制对象的开启条件（短信号）和关断条件（短信号），然后所有的设计问题就很简单了，当然一些控制对象的开启条件和关断条件的短信号不容易找出来，这时就要采取一些其