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第二章电器控制线路 第一节电气控制电路基本控制规律 第二节三相异步电动机的起动控制 第三节三相异步电动机的制动控制 第四节三相异步电动机的调速控制 第五节直流电动机的电气控制 第六节电气控制系统常用的保护环节 第一节电器控制线路的绘图原则 电气图 用电气图形符号绘制的图 是电工领域中最主要的提供信息方式 它提供的信息内容可以是原理 位置 设备制造及接线等 根据国家电气制图标准 用规定的图形符号 文字符号以及规定的画法绘制 表达设备电气控制系统的组成结构 工作原理及安装 调试 维修等技术要求的工程图 常用的电气控制系统图有电气原理图 电器布置图与安装接线图 一 电气图常用的图形符号 文字符号 图形符号 文字符号 符号要素 一般符号 限定符号 基本文字符号 辅助文字符号 补助文字符号 通常用于图样或其它文件 用以表示一个设备或概念的图形 标记或字符 用于电气技术领域中技术文件的编制 表示电气设备 装置和元件的名称 功能 状态和特征 具有确定意义的简单图形 必须同其它图形组合构成一个设备或概念的完整符号 如接触器常开主触点符号 由接触器触点功能符号和常开触点符号组合而成 表示一类产品和此类产品特征的一种简单的符号 如电动机可用一个圆圈表示 提供附加信息的一种加在其它符号上的符号 单字母符号 双字母符号 文字符号 基本文字符号 单字母符号 双字母符号 按拉丁字母顺序将各种电气设备 装置和元器件划分成为23大类 每一类用一个专用单字母符号表示 如 C 表示电容器类 R 表示电阻器类等 基本文字符号 单字母符号 双字母符号 由一个表示种类的单字母符号与另一个字母组成 且以单字母符号在前 另一字母在后的次序列出 如 F 表示保护器件类 FU 则表示为熔断器 基本文字符号 辅助文字符号 表示电气设备 装置和元器件以及电路的功能 状态和特征 如 RD 表示红色 L 表示限制等 单字母符号 双字母符号 补充文字符号 当规定的基本文字符号和辅助文字符号不够使用时 可按国家标准中文字符号组成规律和下述原则予以补充 补充文字符号原则 在不违背国家标准文字符号编制原则的条件下 可采用国家标准中规定的电气文字符号 在优先采用基本和辅助文字符号的前提下 可补充国家标准中未列出的双字母文字符号和辅助文字符号 使用文字符号时 应按电气名词术语国家标准或专业技术标准中规定的英文术语缩写而成 基本文字符号不得超过两位字母 辅助文字符号一般不超过三位字母 文字符号采用拉丁字母大写正体字 且拉丁字母中 I 和 O 不允许单独作为文字符号使用 图形符号组合示例 一 电气图常用的图形符号 文字符号 部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号 一般三极电源开关 低压断路器 常开触点常闭触点复合触点行程开关 QS QF SQ 熔断器 常开常闭复合按钮 FU SB 线圈主触点常开辅助触点常闭辅助触点接触器 KM 线圈常开延时闭合触点常闭延时打开触点常开延时打开触点常闭延时闭合触点时间继电器 KT 部分常用电器的电气图形符号和基本文字符号 常开触点常闭触点速度继电器 热元件常闭触点热继电器 线圈常开触点常闭触点中间继电器 KV FR KA 电磁铁 YA 线圈常开触点常闭触点电压继电器 KA 线圈常开触点常闭触点电流继电器 KA 信号灯 HL 直流电动机 M 变压器 三相异步电动机 M 转换开关 SA U I 二 电气原理图 电气原理图是用来表示电路各电气元件中导电部件的联接关系和工作原理的图 图2 1CW6132型普通车床电气原理图 布局 水平布置或垂直布置 主电路和控制电路 电器元件不画出实际的外形图 采用电气图形符号和文字符号表示 同一电器的各个部件可画在不同的地方 用相同的文字符号标注 多个同一种类的电器元件 可在文字符号后加上数字序号加以区分 电器元件的可动部分以非激励或不工作的状态和位置的形式表示 元器件的数据和型号 用小号字体标注在电器元件符号的附近 需要标注的元器件的数量比较多时 可以采用设备表的形式统一给出 原理图的绘制要层次分明 各电器元件及触头的安排要合理 既要做到所用元件 触头最少 耗能最少 又要保证电路运行可靠 节省连接导线以及安装 维修方便 线路交叉点的绘制 绘制电气原理图的原则 三 电器布置图 电器元件布置图是用来表明电气原理图中各元器件的实际安装位置 可视电气控制系统复杂程度采取集中绘制或单独绘制 电器元件的布置应注意以下几方面 1 体积大和较重的电器元件应安装在电器安装板的下方 而发热元件应安装在电器安装板的上面 2 强电 弱电应分开 弱电应屏蔽 防止外界干扰 3 需要经常维护 检修 调整的电器元件安装位置不宜过高或过低 4 电器元件的布置应考虑整齐 美观 对称 外形尺寸与结构类似的电器安装在一起 以利安装和配线 5 电器元件布置不宜过密 应留有一定间距 如用走线槽 应加大各排电器间距 以利布线和维修 例 CW6132型车床控制盘电器布置图 图2 2CW6132型车床控制盘电器布置图 例 CW6132型车床电气设备安装布置图 图2 3CW6132型车床电气设备安装布置图 四 安装接线图 安装接线图主要用于电器的安装接线 线路检查 线路维修和故障处理 通常接线图与电气原理图和元件布置图一起使用 电气接线图的绘制原则是 1 各电气元件均按实际安装位置绘出 元件所占图面按实际尺寸以统一比例绘制 2 一个元件中所有的带电部件均画在一起 并用点划线框起来 即采用集中表示法 3 各电气元件的图形符号和文字符号必须与电气原理图一致 并符合国家标准 4 各电气元件上凡是需接线的部件端子都应绘出 并予以编号 各接线端子的编号必须与电气原理图上的导线编号相一致 5 绘制安装接线图时 走向相同的相邻导线可以绘成一股线 例 电气安装接线图 图2 4CW6132型车床电气互连图 2020 3 19 电气图纸规范 图幅尺寸 mm 图幅尺寸选择 电气图的规模与复杂程度 能够清晰地反映电气图的细节 整套图纸的幅面尽量保持一致 便于装订和管理 CAD绘制时 输出设备 打印机 绘图仪等 对于输出幅面的限制 20 图框线 根据图纸是否需要装订以及图纸幅面的大小确定 需要装订的图纸的图框线A0 A1 A2 a 25mm c 10mm其它 a 25mm c 5mm 不需要装订的图纸的图框线A0 A1 e 20mm其它 e 15mm 图幅分区 对各种幅面的图纸进行分区表示电气图中各个组成部分在图上的位置 便于直观反映绘图的范围及确定相互之间的关系 分区数一般为偶数 每一分区的长度为25 75mm 分区在水平和垂直两个方向的长度可以不同 分区的编号 水平方向用阿拉伯数字 垂直方向用大写英文字母 编号从图纸的左上角开始 分区代号用行与列两个编号组合而成 标题栏 画在图框的右下角 绘制方向应该与看图方向一致 标准A3图纸 标题栏可以绘制成通长的格式 内容 设计单位名称 用户单位名称 专业名 设计阶段 比例尺 设计人 审核人 图纸名称 图纸编号 日期 页次等 标题栏格式式样 图线 线型 粗实线 细实线 虚线 点划线 双点划线 加粗实线 较细实线 波浪线 双折线等 线宽 0 25mm 0 35mm 0 5mm 0 7mm 1 0mm 1 4mm 常用图线上加限定符号或文字符号可表示用途 形成新的图线符号 同一套图纸绘制时 应事先确定2 3种线宽及平行线距 平行线距不小于粗线宽的两倍 且不小于0 7mm 字体 汉字 字母及数字 书写端正 清楚 排列整齐 间距均匀 汉字推荐用长仿宋简化汉字字体 斜体 右倾与水平线成75 角 等 字母 数字用直体 字体大小视幅面大小而定 字高 20mm 14mm 10mm 7mm 5mm 3 5mm 2 5mm等 字宽为字高的2 3 汉字字粗为字高的1 5 数字及字母的字粗为字高的1 10 尺寸标记 设备制造加工和工程施工的重要依据 包括尺寸线 尺寸界限 尺寸起止点 实心箭头或45 斜短划线构成 及尺寸数字 比例 所绘图形与实物大小的比值 设备布置图 平面图 结构详图按比例绘制 电气图多不按比例画出 比例号 前面的数字通常为1 后面的数字为实物尺寸与图形尺寸的比例倍数 平面图常用比例 1 10 1 20 1 50 1 100 1 200 1 500等 注释 图示不够清楚时的补充解释 两种方式 直接放在说明对象附近 加标记 注释放在图面的适当位置 详图 表示装置中的部分结构 做法 安装措施的单独局部放大图 被放大部分加以索引标志 置于被放大部分的原图上 技术数据 元器件 设备等的技术参数 三种形式 标注在图形侧 标注在图形内 加序号以表格的形式列出 第一节电气控制电路基本控制规律 由继电器接触器等所组成的电气控制电路 基本控制规律有自锁与互锁的控制 点动与连续运转的控制 多地联锁控制 顺序控制与自动循环的控制等 一 自锁与互锁的控制 自锁与互锁的控制统称为电气的联锁控制 在电气控制电路中应用十分广泛 是最基本的控制 三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制电路 图2 5三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制电路 转换开关控制电动机正反转电路 图2 6转换开关控制电动机正反转电路 三相异步电动机正反转控制电路 图2 7三相异步电动机正反转控制电路a 无互锁电路b 具有电气互锁电路c 具有双重互锁电路 二 点动与连续运转的控制 图2 8电动机点动与连续运转控制电路a 基本点动控制电路b 开关选择运行状态的电路c 两个按扭控制的电路d 中间继电器控制电路 三 多地控制电路 图2 9多地控制电路图 四 顺序控制 图2 10两台电动机顺序控制电路图a按顺序起动电路b按顺序起动 停止的控制电路 按顺序起动与停止的控制电路 时间继电器控制的顺序起动电路 图2 11时间继电器控制的顺序起动电路 五 自动往复循环控制 图2 12自动往复循环控制a机床工作台自动往复运动示意图b自动往复循环控制电路 第二节三相异步电动机的起动控制 一 星形 三角形减压起动控制 图2 13QX4系列自动星形 三角形起动器电路 表2 1QX4系列自动星形 三角形起动器技术数据 二 自耦变压器减压起动控制 图2 14XJ01系列自耦减压起动电路图 表2 2XJ01系列自耦减压起动器技术数据 三 软启动器减压起动控制 第三节三相异步电动机的制动控制 一 电动机单向反接制动控制 图2 16电动机单向反接制动控制电路 二 电动机可逆运行反接制动控制 图2 17电动机可逆运行反接制动控制电路 三 电动机单向运行能耗制动控制 图2 18电动机单向运行时间原则能耗制动控制电路 四 电动机可逆运行能耗制动控制 图2 19速度原则控制电动机可逆运行能耗制动电路 五 无变压器单管能耗制动控制 图2 20电动机无变压器单管能耗制动电路 第四节三相异步电动机的调速控制 一 三相笼型电动机变极调速控制 图2 21双速电动机三相绕组连接图 图2 22双速电动机变极调速控制电路 二 三相绕线型电动机转子串电阻调速控制 图2 23凸轮控制器控制电动机调速电路 三 三相异步电动机的变频调速控制 一 变频调速原理 由三相异步电动机转速公式 只要连续改变电动机交流电源的频率f1 就可实现连续调速 交流电源的额定频率50Hz 所以变频调速有额定频率以下调速和额定频率以上调速两种 1 额定频率以下的调速2 额定频率以上的调速 二 三相异步电动机变频调速时的机械特性 1 U1 f1 常数时的变频调速机械特性 图2 24三相异步电动机U1 f1 常数变频调速机械特性 2 U1 f1N的变频调速机械特性 图2 25U1 U1N时三相异步电动机变频调速机械特性 三 变频器 1 变频器的分类 1 按变频的原理分有 交 交变频器和交 直 交变频器 图2 26电压型变频器基本结构 2 交 直 交变频器 交 直 交变频器主要由整流调压 滤波及逆变三部分组成 图2 27交 直 交变频器的组成 1 单相逆变电路 图2 28单相逆变电路原理图a 主电路b 开关通断规律c 波形图 2 三相逆变电路 图2 29三相逆变电路原理图a 主电路b 开关通断规律c 波形图 3 电压型交 直 交变频器 图2 30三相桥式逆变电路主电路 图2 31三相逆变器输出电压波形图 3 脉宽调制型 PWM 变频器 1 问题的提出 在一般的交 直 交变频器供电的变压 变频调速中 为获得变频调速所要求的变频与变压的协调控制 整流器必须是可控整流 这样在变频调速时要同时控制整流器和逆变器 问题 主电路中有两个可控功率环节 由于中间环节存在动态元件 使系统的动态响应缓慢 由于整流器是可控的 使供电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差 并产生高次谐波电流 逆变器输出为六拍阶梯波交变电压 在拖动电动机中形成较多的各次谐波 从而产生较大的脉动转矩 影响电动机的稳定工作 低速时尤为严重 图2 32PWM逆变器组成 解决上述问题 采用PWM控制方式 2 脉宽调制器的基本工作原理 脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲 调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值 图2 33脉宽调制的输出电压a 调制前的波形b 调制后的波形 图2 34正弦波脉宽调制 SPWM 的输出电压 图2 35PWM逆变器简单原理图 3 单极性SPWN 图2 36单极性SPWM调制a 调制波和载波b SPWM脉冲 表2 3单极性SPWM调制规律 4 双极性脉宽调制 图2 37双极性SPWM调制波形 第五节电气控制系统常用的保护环节 一 短路保护 二 过电流保护 三 过载保护 四 失电压保护 八 其它保护 五 欠电压保护 六 过电压保护 七 直流电动机的弱磁保护 第六节电器控制线路的设计方法 人们希望在掌握了电器控制的基本原则和基本控制环节后 不仅能分析生产机械的电器控制线路的工作原理 而且还能根据生产工艺的要求 设计电器控制线路 电器控制线路的设计方法通常有两种 经验设计法和逻辑设计法 返回 2 7 1经验设计法 经验设计是根据生产机械的工艺要求和加工过程 利用各种典型的基本控制环节 加以修补 补充 完善 最后得出最佳方案 若没有典型的控制环节可采用 则按照生产机械的工艺要求逐步进行设计 经验设计法比较简单 但必须熟悉大量的控制线路 掌握多种典型线路的设计资料 同时具有丰富的实践经验 通常是先采用一些典型的基本环节 实现工艺基本要求 然后逐步完善其功能 并加上适当的联锁与保护环节 返回 采用经验设计法 一般应注意以下几个问题 1 线圈的连接 在交流控制线路中 不能串联接入两个电器线圈 如图2 33所示 即使外加电压是两个线圈额定电压之和 也是不允许的 图2 33不能串联接入两个电器线圈 1 保证控制线路工作的安全和可靠性 2 电器触头的连接 同一个电器的常开触头和常闭触头位置靠得很近 不能分别接在电源的不同相上 图2 34电器触头的连接 3 线路中应尽量减少多个电器元件依次动作后才能接通另一个电器元件 如图所示 在图2 35a中 线圈KA3的接通要经过KA KA1 KA2三对常开触头 若改为图2 35b 则每一线圈的通电只需经过一对常开触头 工作较可靠 图2 35减少多个电器元件依次通电 4 应考虑电器触头的接通和分断能力 若容量不够 可在线路中增加中间继电器 或增加线路中触头数目 增加接通能力用多触头并联连接 增加分断能力用多触头串联连接 5 应考虑电器元件触头 竞争 问题 同一继电器的常开触头和常闭触头有 先断后合 型和 先合后断 型 先断后合 型 通电时常闭触头先断开 常开触头后闭合 断电时常开触头先断开 常闭触头后闭合 先合后断 型 通电时常开触头先闭合 常闭触头后断开 断电时常闭触头先闭合 常开触头后断开 如果触头动作先后发生 竞争 的话 电路工作则不可靠 2 控制线路力求简单 经济 1 尽量减少触头的数目 尽量减少电器元件和触头的数目 所用的电器 触头越少 则越经济 出故障的机会也越少 如图2 37所示 图2 37减少触头数目 2 尽量减少连接导线 将电器元件触头的位置合理安排 可减少导线根数和缩短导线的长度 以简化接线 如图2 38中 起动按钮和停止按钮同放置在操作台上 而接触器放置在电气柜内 从按钮到接触器要经过较远的距离 所以必须把起动按钮和停止按钮直接连接 这样可减少连接线 图2 38减少连接导线 不合理 合理 3 控制线路在工作时 除必要的电器元件必须长期通电外 其余电器应尽量不长期通电 以延长电器元件的使用寿命和节约电能 3 防止寄生电路 控制线路在工作中出现意外接通的电路叫寄生电路 如图2 39 电动机正转时过载 则热继电器动作时会出现寄生电路 图中虚线所示 使接触器KM1不能断电 起不了保护作用 图2 39寄生电路 4 应具有必要的保护环节 1 短路保护在电器控制线路中 通常采用熔断器或断路器作短路保护 2 过流保护过电流一般比短路电流要小 采用过电流继电器和接触器配合使用 3 过载保护通常采用热继电器作笼型电动机的长期过载保