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第四章电控系统设计及电气CAD 第一节电气控制系统设计基础 第二节电控制系统设计方法与步骤 第三节电气控制电路设计中元器件的选择 第四节机床电气控制电路设计举例 第五节电气CAD绘图 第六节电气专业设计CAD软件 生产机械电气控制系统的设计 包括两个基本内容 一个是原理设计 即要满足生产机械和工艺的各种控制要求 另一个是工艺设计 即要满足电气控制装置本身的制造 使用和维修的需要 原理设计决定着生产机械设备的合理性与先进性 工艺设计决定电气控制系统是否具有生产可行性 经济性 美观 使用维修方便等特点 所以电气控制系统设计要全面考虑两方面的内容 第一节电气控制系统设计基础 1 最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求 电气控制系统设计的依据主要来源于生产机械和生产工艺的要求 2 设计方案要合理 在满足控制要求的前提下 设计方案应力求简单 经济 便于操作和维修 不要盲目追求高指标和自动化 3 机械设计与电气设计应相互配合 许多生产机械采用机电结合控制的方式来实现控制要求 因此要从工艺要求 制造成本 结构复杂性 使用维护方便等方面协调处理好机械和电气的关系 4 确保控制系统安全可靠地工作 一 电气控制系统设计的原则 二 电气控制系统设计的基本任务 内容1 原理设计内容电气控制系统原理设计的主要内容包括 1 拟订电气设计任务书 2 确定电力拖动方案 选择电动机 3 设计电气控制原理图 计算主要技术参数 4 选择电器元器件 制订元器件明细表 5 编写设计说明书 电气原理图是整个设计的中心环节 它为工艺设计和制订其他技术资料提供依据 2 工艺设计内容工艺设计的主要内容有 1 设计电气总布置图 总安装图与总接线图 2 设计组件布置图 安装图和接线图 3 设计电气箱 操作台及非标准元件 4 列出元器件清单 5 编写使用维护说明书 三 电气控制系统设计的一般步骤 1 拟订设计任务书设计任务书是整个电气控制系统的设计依据 又是设备竣工验收的依据 电气控制系统的设计任务书中 主要包括以下内容 1 设备名称 用途 基本结构 动作要求及工艺过程介绍 2 电力拖动的方式及控制要求等 3 联锁 保护要求 4 自动化程度 稳定性及抗干扰要求 5 操作台 照明 信号指示 报警方式等要求 6 设备验收标准 7 其他要求 2 确定电力拖动方案电力拖动方案的确定要从以下几个方面考虑 1 拖动方式的选择电力拖动方式分独立拖动和集中拖动 电气传动的趋势是多电动机拖动 这不仅能缩短机械传动链 提高传动效率 而且能简化总体结构 便于实现自动化 具体选择时 可根据工艺与结构决定电动机的数量 2 调速方案的选择大型 重型设备的主运动和进给运动应尽可能采用无级调速 这样有利于简化机械结构 降低成本 精密机械设备为保证加工精度也应采用无级调速 对于一般中小型设备 在没有特殊要求时 可选用经济 简单 可靠的三相笼型异步电动机 3 电动机调速性质要与负载特性适应对于恒功率负载和恒转矩负载 在选择电动机调速方案时 要使电动机的调速特性与生产机械的负载特性相适应 这样可以使电动机得到充分合理的应用 3 拖动电动机的选择电动机的选择主要有电动机的类型 结构型式 容量 额定电压与额定转速 电动机选择的基本原则有 1 根据生产机械调速的要求选择电动机的种类 2 工作过程中电动机容量要得到充分利用 3 根据工作环境选择电动机的结构型式 在满足设计要求情况下优先考虑采用结构简单 价格便宜 使用维护方便的三相交流异步电动机 4 选择控制方式控制方式要实现拖动方案的控制要求 随着现代电气技术的迅速发展 生产机械电力拖动的控制方式从传统的继电接触器控制向PLC控制 CNC控制 计算机网络控制等方面发展 控制方式越来越多 控制方式的选择应在经济 安全的前提下 最大限度地满足工艺的要求 5 设计电气控制原理图并合理选用元器件以及编制元器件明细表6 设计电气设备的各种施工图样7 编写设计说明书和使用说明书 第二节电控设计方法与步骤 一 电气控制原理电路的基本设计方法1 分析设计法分析设计法是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节 单元电路 或将比较成熟的电路按其联锁条件组合起来 并经补充和修改 将其综合成满足控制要求的完整电路 当没有现成的典型环节时 可根据控制要求边分析边设计 分析设计法的优点是设计方法简单 无固定的设计程序 它是在熟练掌握各种电气控制电路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制电路能力的基础上进行的 容易被初学者所掌握 对于具备一定工作经验的电气技术人员来说 能较快地完成设计任务 因此在电气设计中被普遍采用 其缺点是设计出的方案不一定是最佳方案 当经验不足或考虑不周全时会影响电路工作的可靠性 2 逻辑设计法逻辑设计法是利用逻辑代数来进行电路设计 从生产机械的拖动要求和工艺要求出发 将控制电路中的接触器 继电器线圈的通电与断电 触头的闭合与断开 主令电器的接通与断开看成逻辑变量 根据控制要求将它们之间的关系用逻辑关系式来表达 然后再化简 做出相应的电路图 逻辑设计法的优点是能获得理想 经济的方案 但这种方法设计难度较大 整个设计过程较复杂 还要涉及一些新概念 因此 在一般常规设计中 很少单独采用 二 电气原理图设计的基本步骤 电气原理图设计的基本步骤是 1 根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图 2 设计出原理框图中各个部分的具体电路 设计时按主电路 控制电路 辅助电路 联锁与保护 总体检查反复修改与完善的先后顺序进行 3 绘制总原理图 4 恰当选用元器件 并制订元器件明细表 三 原理图设计中的一般要求 1 电气控制原理应满足工艺的要求在设计之前必须对生产机械的工作性能 结构特点和实际加工情况有充分的了解 并在此基础上来考虑控制方式 起动 反向 制动及调速的要求 设置各种联锁及保护装置 2 控制电路电源种类与电压数值的要求对于比较简单的控制电路 而且元器件不多时 往往直接采用交流380V或220V电源 不用控制电源变压器 对于比较复杂的控制电路 应采用控制电源变压器 将控制电压降到110V或48V 24V 这种方案对维修 操作以及元器件的工作可靠 有利 对于操作比较频繁的直流电力传动的控制电路 常用220V或110V直流电源供电 直流电磁铁及电磁离合器的控制电路 常采用24V直流电源供电 交流控制电路的电压必须是下列规定电压的一种或几种 6V 24V 48V 110V 优选值 220V 380V 50Hz 直流控制电路的电压必须是下列规定电压的一种或几种 6V 12V 24V 48V 110V 220V 常用的控制电压见表4 1 3 确保电气控制电路工作的可靠性和安全性应考虑以下几个方面 1 元器件的工作要稳定可靠元器件符合使用环境条件 并且动作时间的配合不致引起竞争 复杂控制电路中 在某一控制信号作用下 电路从一种稳定状态转换到另一种稳定状态 常常有几个元器件的状态同时变化 考虑到元器件总有一定的动作时间 对时序电路来说 就会得到几个不同的输出状态 这种现象称为电路的 竞争 而对于开关电路 由于元器件的释放延时作用 也会出现开关元件不按要求的逻辑功能输出的可能性 这种现象称为 冒险 竞争 与 冒险 现象都将造成控制电路不能按照要求动作 从而引起控制失灵 通常所分析的控制电路电器的动作和触头的接通与断开 都是静态分析 没有考虑电器元件动作时间 而在实际运行中 由于电磁线圈的电磁惯性 机械惯性 机械位移量等因素 使接触器或继电器从线圈的通电到触头闭合 有一段吸引时间 线圈断电时 从线圈的断电到触头断开 有一段释放时间 这些称为电器元件的动作时间 是电器元件固有的时间 不同于人为设置的延时 固有的动作延时是不可控制的 而人为的延时是可调的 当电器元件的动作时间可能影响到控制电路的动作时 需要用能精确反映元件动作时间及其互相配合的方法 如时间图法 来准确分析动作时间 从而保证电路正常工作 举例 下面的星 三角起动控制电路就存在着 竞争 问题 具体表现 KT延时到时 在KM3线圈得电但自锁尚未完成 由于KT线圈断电 KT的延时常开触头断开 使得KM3线圈重新断开 电路不能可靠的切换到 接法 存在 竞争 的Y 起动控制电路 解决办法 改进控制电路设计 采用断电延时继电器 如图 改进后的Y 降压启动的控制电路 2 电器元件的线圈和触头的连接应符合国家有关标准规定电器元件图形符号应符合GB4728中的规定 绘制时要合理安排版面 1 正确连接电器线圈 交流电压线圈通常不能串联使用 即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联或接在两倍线圈额定电压的交流电源上 以免电压分配不均引起工作不可靠 如图4 1所示 在直流控制电路中 对于电感较大的电器线圈 如电磁阀 电磁铁或直流电机励磁线圈等 不宜与同电压等级的接触器或中间继电器直接并联使用 如图4 2a所示 当触头KM断开时 电磁铁YA线圈两端产生较大的感应电动势 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支路串入KM常开触头 如图4 2b所示 这样就能可靠工作 图4 1a 不正确b 正确 图4 2a 错误连接b 正确连接 2 合理安排电器元件和触头的位置 对于串联回路 元器件或触头位置互换时 并不影响其工作原理 但在实际运行中 影响电路安全并关系到导线长短 如图4 3所示的两种接法 两者工作原理相同 但是采用图a接法既不安全又浪费导线 因为行程限位开关SQ的常开和常闭触头靠得很近 在触头断开时 由于电弧可能造成电源短路 很不安全 而且这种接法SQ要引出四根导线 很不合理 图b所示的接法较为合理 且只需引出三根导线 图4 3a 不合理连接b 合理连接 3 防止出现寄生电路 寄生电路是指在控制电路的动作过程中 意外出现不是由于误操作而产生的接通电路 图4 4所示 是一个具有指示灯和过载保护的电动机正反转控制电路 正常工作时 能完成正反向起动 停止与信号指示 但当FR动作断开后 电路出现了如图中虚线所示的寄生电路 使接触器KM1不能可靠释放而得不到过载保护 如果将FR触头位置移到SB1上端就可避免产生寄生电路 图4 4寄生电路 4 尽量减少连接导线的数量 缩短连接导线的长度 如图4 5所示 5 控制电路工作时 应尽量减少通电电器的数量 以降低故障的可能性并节约电能 6 在电路中采用小容量的继电器触头来断开或接通大容量接触器线圈时 要分析触头容量的大小 若不够时 必须加大继电器容量或增加中间继电器 否则工作不可靠 4 应具有必要的保护环节在频繁操作的可逆电路中 正反向接触器之间不仅要有电气联锁 而且还有机械联锁 常用的保护措施有漏电流 短路 过载 过电流 过电压 失电压等保护环节 有时还应设有合闸 断开 事故 安全等必须的指示信号 5 操作 维修方便6 控制电路力求简单 经济 可靠 在电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电路 图4 5电器连接图 第三节电气控制电路设计中元器件的选择 一 电动机的选择选择电动机时 要考虑电动机的功率 转速 调速 结构型式 额定电压等 1 电动机功率的选择依据的是负载功率 选择电动机功率的一种实用方法是调查统计类比法 目前采用的拖动电动机功率的统计分析公式如下 1 卧式车床主电动机的功率式中 P为主拖动电动机功率 kW D为工件最大直径 m 2 立式车床主电动机的功率式中 P为主拖动电动机功率 kW D为工件最大直径 m 3 摇臂钻床主电动机的功率式中 P为主拖动电动机功率 kW D为最大钻孔直径 mm 4 卧式镗床主电动机的功率式中 P为主拖动电动机功率 kW D为镗杆直径 mm 5 龙门铣床主电动机的功率式中 P为主拖动电动机功率 kW B为工作台宽度 mm 主拖动和进给拖动用一台电动机的场合 按主拖动电动机的功率计算 对于采用单独的进给拖动电动机 出于其不仅拖动进给运动外还拖动工作台的快速移动 应按快速移动所需功率来选择 快速移动所需功率 一般按经验数据来选择 可查阅有关资料 机床进给拖动的功率一般较小 按经验 车床 钻床的进给拖动功率为主拖动功率的0 03 0 05倍 而铣床的进给拖动功率为主拖动功率的0 2 0 25倍 2 电动机额定电压的选择交流电动机额定电压应与供电电网电压一致 中小型异步电动机额定电压为220V 380V 三角形 Y联结 及380V 660V 三角形 Y联结 两种 后者可用Y 三角形起动 当电动机功率较大时 可选用相应电压的高压电动机 直流电动机的额定电压也要与电源电压相一致 3 电动机额定转速的选择对于额定功率相同的电动机 额定转速愈高 电动机尺寸 重量愈小 成本愈低 选用高速电动机较为经济 由于生产机械所需转速一定 电动机转速愈高 传动机构转速比愈大 传动机构愈复杂 因此应通过综合分析来确定电动机的额定转速 4 电动机结构型式的选择电动机的结构型式按其安装位置的不同可分为卧式 轴是水平的 和立式 轴是垂直的 两种 应以电动机与工作机构的连接方便 紧凑为原则来选择 电动机具有不同的防护型式 如防护式 封闭式 防爆式等 具体要根据电动机的工作条件来选择 5 调速方案选择1 无电气调速要求电力拖动方案确定 笼型异步电动机 起动不频繁的场合绕线转子异步电动机 负载静转矩大的拖动装置2 要求电气调速电力拖动方案确定 1 调速范围D 2 3 调速级数 2 4 改变极对数的双速或多速笼型异步电动机 2 调速范围D 3 且不要求平滑调速 绕线转子异步电动机 短时或重复短时负载 3 调运范围D 3 10 且要求平滑调速 容量不大时可采用带滑差离合器的异步电动机 长期运转在低速时 也可考虑采用晶闸管直流拖动系统 4 调速范围D 10 100 直流拖动系统或交流变频调速系统 6 笼型异步电动机有关电阻的计算1 笼型异步电动机起动电阻的计算 在电动机减压起动方式中 定子回路串联的限流电阻可按下式近似计算 式中 Rst为每相启动限流电阻值 IN为电动机额定电流 A Kst为不加电阻时 电动机的起动电流与额定电流之比 可由手册查出 Ksrt为加入起动限流电阻后 电动机的起动电流与额定电流之比 可根据需要选取 2 笼型异步电动机反接制动电阻的计算 电动机在反接制动瞬间 定子的旋转磁场已经反向旋转 而转子的转向尚未来得及改变 转差率s接近2 因此反接制动时的电流比起动电流大 为了限制制动电流 在电动机定子回路中也应串入限流电阻 反接制动的限流电阻可按下式近似计算 式中 Rrb为每相反接制动限流电阻阻值 Krbr为接入限流电阻后 反接制动电流与额定电流之比 如果只在电动机的两相中串入制动限流电阻 Rrb值可取计算值的1 5倍 二 常用低压电器的选择1 接触器的选用选择接触器主要依据以下数据 电源种类 直流或交流 主触点额定电流 辅助触点的种类 数量和触点的额定电流 电磁线圈的电源种类 频率和额定电压 额定操作频率等 机床应用最多的是交流接触器 交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流 额定电压 线圈电压等 1 主触点额定电流IN可根据下面经验公式进行选择 式中 IN为接触器主触点额定电流 A K为比例系数 一般取1 1 4 PN为被控电动机额定功率 kW UN为被控电动机额定线电压 V 注 通常也可采用 IN 2PN来估算 2 交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定 3 根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压4 接触器辅助触点的数量 种类应满足电路的需要 2 继电器的选择1 一般继电器的选择一般继电器也叫电磁继电器 选用时 除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外 还应按照控制需要分别选用过电流继电器 欠电流继电器 过电压继电器 欠电压继电器 中间继电器等 另外电压 电流继电器还有交流 直流之分 选择时也应注意 2 时间继电器的选择从以下几方面考虑 1 根据控制电路的要求来选择延时方式 即通电延时型或断电延时型 2 根据延时准确度要求和延时长 短要求来选择 3 根据使用场合 工作环境选择合适的时间继电器 3 热继电器的选择按照电动机的工作环境 起动情况 负载性质等因素来考虑 1 热继电器结构形式的选择 星形联结的电动机可选用两相或三相结构热继电器 三角形联结的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器 2 热元件额定电流的选择 一般可按下式选取 式中 IR为热元件的额定电流 IN为电动机的额定电流 对于工作环境恶劣 起动频繁的电动机 则按下式选取 热元件选好后 还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值 3 熔断器的选择熔断器选择内容主要是熔断器种类 额定电压 额定电流等级和熔体额定电流 熔体额定电流IR的选择是主要参数 1 单台长期工作的异步电动机式中 IN为异步电动机额定电流 2 用一组熔断器保护多台电动机式中 Imax为容量最大的电动机的额定电流 IN为其他电动机额定电流之和 4 其他电器的选择1 断路器的选择2 控制变压器容量的选择3 控制按钮的选择4 行程开关的选择5 万能转换开关的选择6 接近开关的选择 第四节机床电气控制电路设计举例 设计CW6163型卧式车床的电气控制电路 一 机床电气传动的特点及控制要求机床主运动和进给运动由电动机M1集中传动 主轴运动的正反向 满足螺纹加工要求 是靠两组摩擦片离合器完成 主轴制动采用液压制动器 冷却泵由电动机M2拖动 刀架快速移动由单独的快速电动机M3拖动 进给运动的纵向 左右 运动 横向 前后 运动 以及快速移动 都集中由一个手柄操纵 电动机型号 主电动机M1 Y160M 4 1lkW 380V 23 0A 1460r min 冷却泵电动机M2 JCB 22 0 15kW 380V 0 43A 2790r min 快速移动电动机M3 Y90S 4 1 1kW 380V 2 8A 1400r min 二 电气控制电路设计主回路设计根据电气传动的要求 由接触器KM1 KM2 KM3分别控制电动机M1 M2及M3 如图所示 三相电源由开关QS引入 主电动机M1的过载保护由热继电器FR1实现 主电动机的短路保护可由机床的前一级配电箱中的熔断器充任 冷却泵电动机M2的过载保护由热继电器FR2实现 快速移动电动机M3由于是短时工作 不设过载保护 电动机M2 M3共同设短路保护熔断器FU1 主电路和控制电路设计 控制电路设计考虑到操作方便 主电动机M1可在床头操作板上和刀架拖板上分别设起动和停止按钮SB1 SB2 SB3 SB4进行操纵 接触器KM1与控制按钮组成带自锁的起停控制电路 冷却泵电动机M2由SB5 SB6进行起停操作 装在机床头部 快速移动电动机M3工作时间短 为了操作灵活由按钮SB7与接触器KM3组成点动控制电路 信号指示与照明电路可设电源指示灯HL2 绿色 在电源开关QS接通后 立即发光显示 表示机床电气电路已处于供电状态 设指示灯HL1 红色 显示主电动机是否运行 这两个指示灯可由接触器KM1的动合和动断两对辅助触点进行切换显示 如图右上方所示 在操作板上设有交流电流表A 它串联在电动机主回路中 用以指示机床的工作电流 这样可根据电动机工作情况调整切削用量使电动机尽量满载运行 以提高生产率 并能提高电动机功率因数 EL照明灯为36V安全电压 控制电路电源考虑安全可靠及满足照明指示灯的要求 采用变压器供电 控制电路127V 照明36V 指示灯6 3V 绘制电气原理图根据各局部电路之间互相关系和电气保护电路 画成电气原理图 如图所示 CW6163型卧式车床电气原理图 三 选择电气元件电源引入开关QSQS主要作为电源隔离开关用 并不用它来直接起停电动机 可按电动机额定电流来选 在这里应该根据三台电动机来选 在中小型机床常用组合开关中 可选用HZl0 25 3型 额定电流为25A 三极组合开关 热继电器FR1 FR2主电动机M1额定电流23 0A FR1可选用JR0 40型热继电器 热元件电流为25A 电流整定范围为16 25A 工作时将额定电流调整为23 0A 同理 FR2可选用JRl0 10型热继电器 选用1号元件 电流整定范围是0 40 0 64A 整定在0 43A 熔断器FU1 FU2 FU3FU1是对M2 M3两台电动机进行保护的熔断器 熔体电流为可选用RLl 15型熔断器 配用10A的熔体 FU2 FU3选用RLl 15型熔断器 配用最小等级的熔断体2A 接触器KM1 KM2及KM3接触器KM1 根据主电动机M1的额定电流IN 23 0A 控制回路电源127V 需主触点三对 动合辅助触点两对 动断辅助触点一对 根据上述情况 选用CT0 40型接触器 电磁线圈电压为127V 由于M2 M3电动机额定电流很小 KM2 KM3可选用JZ7 44交流中间继电器 线圈电压为127V 触点电流5A 可完全满足要求 对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器 控制变压器TC变压器最大负载时是KM1 KM2及KM3同时工作 可以计算出变压器容量应大于68 4VA 考虑到照明灯等其他电路附加容量 可选用BK 100型变压器或BK 150型变压器 电压等级 380V 127 36 6 3V 可满足辅助回路的各种电压需要 制定电气元件明细表电气元件明细表要注明各元器件的型号 规格及数量等 见表 四 绘制电气安装接线图机床的电气接线图是根据电气原理图及各电气设备安装的布置图来绘制的 安装电气设备或检查电路故障都要依据电气接线图 接线图要表示出各电气元件的相对位置及各元件的相互接线关系 因此要求接线图中各电气元件的相对位置与实际安装的位置一致 并且同一个电器的各组成部分画在一起 还要求各电气元件的文字符号与原理图一致 对各部分电路之间接线和对外部接线一般应通过端子板进行 而且应该注明外部接线的去向 为了看图方便 对导线走向一致的多根导线合并画成单线 可在元件的接线端标明接线的编号和去向 接线图还应标明接线用导线的种类和规格 以及穿管的管子型号 规格尺寸 成束的接线应说明接线根数及其接线号 第五节电气CAD绘图