ch4 电气控制系统的设计.ppt

2020年3月23日 第四章电气控制系统的设计 4 1电气控制系统设计的基本内容4 1 1电气控制系统设计的基本内容电气控制系统设计的基本内容就是根据电气设备的控制要求 设计和编制电气图样和资料 电气图样包括电气控制原理图 电器元件布置图 电气安装接线图及控制面板图等 设计资料包括外购件清单 材料消耗清单和电气设备说明书等 设计的主要内容则是 电气控制原理图设计和电气工艺设计 1 电气原理图设计内容 1 确定电力拖动方案 2 选择电动机的类型 容量及转速 并选择具体型号 3 设计电气控制的原理框图 确定各部分之间的关系 拟订各部分的技术要求 4 设计并绘制电气原理图 计算主要技术参数 5 选择电器元件 制定电机和电器元件明细表 6 编写设计说明书 2020年3月23日 2 电气工艺设计内容 1 根据已设计好的电气原理图及选定的电器元件 设计电气设备的总体配置 绘制电气控制系统的总装配图及总接线图 总图应反映出电动机 执行电器 电气箱各组件 操作台布置 电源以及检测元件的分布情况和各部分之间的接线关系及联接方式 以供总体装配 调试以及日常维护使用 2 按照原理框图或划分的组件 对总原理图进行编号 绘制各组件原理电路图 列出各组件的元件目录表 并根据总图编号标出各组件的进出线号 3 根据组件原理电路图及选定的元件目录表 设计各组件的电器装配图 包括电器元件布置图和安装图 接线图 图中要反映出各电器元件的安装方式和接线方式 这部分资料是组件装配和生产管理的依据 4 根据组件的安装要求 绘制零件图纸 这些图纸是机械加工的技术资料 5 设计电气箱 根据组件的尺寸及安装要求 确定电气箱的结构与外形尺寸 设置安装支架 标明安装方式 各组件的连接方式 通风散热及开门方式等 6 根据总原理图 总装配图及各组件原理图等资料 列出外购件清单 标准件清单及主要材料消耗定额等 这些是生产管理和成本核算必备的技术资料 7 编写电气设备使用说明书 2020年3月23日 4 1 2电力拖动方案确定的原则1 拖动方式的选择电力拖动方式有单独拖动和集中拖动两种 电气传动发展的趋向是电动机逐步接近工作机构 形成多电动机的拖动方式 在具体选择时 应根据工艺及结构具体情况决定电动机的数量 2 调速方案的选择各种生产机械往往要求具有一定的调速范围和调速精度 为此 应选用不同的调速方案 如采用机械变速 多速电动机变速 变频调速等 3 电动机调速性质应与负载特性相适应机械设备的各个工作机构 具有各自不同的负载特性 如机床的主运动为恒功率负载 而进给运动为恒转矩负载 在选择电动机调速方案时 要使电动机的调速性质与生产机械的负载特性相适应 以使电动机获得充分合理的使用 2020年3月23日 4 2电气原理图的设计方法与步骤4 2 1电气原理图的设计方法1 经验设计法经验设计法又称分析设计法 是根据生产工艺要求和生产过程 选用适当的基本控制环节 综合成所需要的电气控制线路 如没有现成的典型环节可使用 可根据实际经验自行设计 边分析边画图 通过反复修改设计以得到最佳的设计方案 2 逻辑设计法逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来设计电气控制线路 从生产机械设备的工艺要求出发 将控制电路中的接触器 继电器等电器元件线圈的通电与断电 触点的闭合与断开 以及主令元件的接通与断开等看成是逻辑变量 根据控制线路中各逻辑变量之间所要满足的逻辑关系 按照一定的方法和步骤设计出符合生产工艺要求的电气控制线路 2020年3月23日 4 2 2经验设计法的基本步骤1 设计主电路主要考虑电动机的启动 正反转 调速和制动等 设计控制电路主要是设计满足各电动机的运转功能和工作状态相对应的控制线路 以及满足执行元件实现规定动作相适应的指令信号的控制线路 设计联锁保护环节主要考虑如何完善整个控制线路的设计 包括各种联锁环节以及短路 过载 失压等保护环节 线路的综合审查反复审查所设计电路的工作情况 对复杂电路应进行模拟试验 发现问题及时修改 直到电路动作准确无误 满足生产工艺要求为止 2020年3月23日 4 2 3经验设计法举例某机床有左 右两个铣削动力头 各由一台交流电动机拖动 另外有一个安装工件的滑台 由另一台交流电动机拖动 加工工艺要求是滑台先快速移动 到达加工位置后 自动变为慢速进给 进给到指定位置后自动停止 再由操作者发出指令使滑台快速返回 回到原位后自动停车 要求两动力头在滑台电动机正向起动后才能起动 在滑台电动机正向停车时也停车 1 主电路设计动力头拖动电动机只要求单方向旋转 为使两台电动机同步起动 可用一只接触器KM3控制 滑台拖动电动机需要正反转 可用两只接触器KM1 KM2控制 滑台的快速移动由电磁铁YA改变机械传动链来实现 由接触器KM4来控制 三台电动机共用一个熔断器来做短路保护 分别用三个热继电器来做过载保护 主电路如图4 1所示 2020年3月23日 2020年3月23日 2 控制电路设计滑台电动机的正反转分别用两个按钮SB1和SB2控制 停车则分别用SB3和SB4控制 由于动力头电动机在滑台电动机正转后起动 停车时也停车 故可用接触器KM1的常开辅助触点控制KM3的线圈 如图4 2 a 所示 滑台的快速移动采用电磁铁YA通电时改变凸轮的变速比来实现 滑台的快速前进与返回分别用KM1和KM2的辅助触点控制KM4 再由KM4触点去通断电磁铁YA 滑台快速前进到加工位置时 要求慢速进给 因而在KM1触点控制KM4线圈的支路上串联行程开关SQ3的常闭触点 此部分电路如图4 2 b 所示 2020年3月23日 图4 2控制电路草图 2020年3月23日 3 联锁与保护环节设计用行程开关SQ1的常闭触点控制滑台慢速进给到位时的停车 用行程开关SQ2的常闭触点控制滑台快速返回到原位时的自动停车 接触器KM1和KM2之间应有电气互锁 三个热继电器的常闭触点串联作过载保护 完整的控制电路如图4 3所示 2020年3月23日 4 电路的完善图4 3中用了三个KM1的常开辅助触点 而一般的接触器只有两个常开辅助触点 所以必须进行修改 分析电路的工作情况可知 KM3的常开辅助触点完全可以代替KM1的常开辅助触点去控制电磁铁YA 修改后的电路如图4 4所示 2020年3月23日 4 2 4设计控制线路时应注意的问题1 尽量减少连接导线设计控制电路时 应根据实际环境情况 合理考虑安排各种电气设备和电器元件的位置及实际连线 以保证它们之间的连接导线的数量最少 导线的长度最短 如图4 5 a 是不合理的 因为按钮装在操作台上 接触器装在电气柜内 这样接线就需要由电气柜二次引出连接线到操作台上 所以一般都将启动按钮和停止按钮直接连接 就可以减少一次引出线 如图4 5 b 所示 2020年3月23日 2 正确连接电器元件的触点同一电器元件的常开和常闭触点靠的很近 如果分别接在电源的不同相上 如图4 6 a 所示的限位开关SQ的常开和常闭触点 常开触点接在电源的一相 常闭触点接在电源的另一相上 当触点断开产生电弧时 可能会在两触点间形成飞弧造成电源短路 若改成图4 6 b 的形式 由于两触点间的电位相同 则不会造成电源短路 因此 设计控制线路时 应使分布在线路不同位置的同一电器触点尽量接到同一个极或共接同一等电位点 以避免在电器触点上引起短路 2020年3月23日 3 正确连接电器的线圈电压线圈不允许串联使用 即使外加电压是两个线圈额定电压之和也不可以 如图4 7 a 所示 若需要两个电器元件同时工作 其线圈应并联连接 两电感量相差悬殊的电压线圈不能直接并联 如图4 7 b 中的直流电磁铁YA与继电器KA并联 在接通电源时可正常工作 但在断开电源时 由于电磁铁线圈的电感比继电器线圈的电感大很多 所以断电时 继电器很快释放 但电磁铁线圈产生的自感电势可能使继电器又吸合一段时间 从而造成继电器的误动作 为此 解决方法可各用一个接触器的触点来控制 如图4 7 c 所示 2020年3月23日 4 避免出现寄生电路在控制电路运行中 由正常操作而产生意外接通的电路称为寄生电路 如图4 8所示是一个具有指示灯和过载保护的电动机正反向控制电路 正常工作时 能完成正反向启动 停止和信号指示 但当热继电器FR动作时 线路中就会出现图中虚线所示的寄生电路 使接触器不能可靠释放 起不到保护作用 若将FR常闭触点移接到SB1上端就可避免寄生电路 2020年3月23日 5 尽量减少电器元件的数量 选用标准件和相同型号的电器尽量减少不必要的触点以简化线路 提高线路工作的可靠性 如图4 9 a 的线路改成图4 9 b 后可减少一个触点 2020年3月23日 6 多个电器的依次动作问题在控制线路中应尽量避免许多电器元件依次动作才能接通另一个电器元件的线路 7 可逆线路的联锁在频繁操作的可逆线路中 正反向接触器之间要有电气联锁和机械联锁 8 要有完善的保护措施在电气控制线路中 为保证操作人员 电气设备及生产机械的安全 一定要有完善的保护措施 常用的保护有漏电流 短路 过载 过流 失压等环节 有时还设有合闸 断开 事故和安全等必须的指示信号 2020年3月23日 4 3电路设计中元器件的选择4 3 1电动机的选择电动机是生产机械电力拖动系统的拖动元件 选择电动机时 主要应考虑电动机的功率 结构型式 额定转速和额定电压等 1 电动机功率的选择选择电动机功率的依据是负载功率 电动机功率选得过大 设备投资大将造成浪费 同时由于电动机欠载运行 会导致效率和功率因数降低 运行费用也会提高 反之 功率选得过小 电动机过载运行 会使电动机寿命降低 当主拖动和进给拖动用一台电动机拖动时 应按主拖动电动机的功率计算 若采用单独的进给拖动电动机 且具有快速移动功能时 应按快速移动所需功率来计算 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 2020年3月23日 2 电动机结构型式的选择电动机的结构型式按其安装方式的不同可分为卧式 轴是水平的 和立式 轴是垂直的 以电动机与工作机构的连接方便 紧凑为原则来选择 如立式钻床 龙门铣等机床的主轴都是垂直于工作台的 所以采用立式电动机更为合适 电动机具有不同的防护方式 如开启式 防护式 封闭式和防爆式等 具体要根据电动机的工作条件来选择 粉尘多的场合 如铸造车间 磨削加工等 应选择封闭式的电动机 易燃易爆的场合应选用防爆式的电动机 按机床电气设备通用技术条件中规定 机床应采用全封闭扇冷式电动机 3 电动机额定电压的选择电动机电压等级 相数 频率都要与供电电压相一致 2020年3月23日 4 电动机额定转速的选择对于额定功率相同的电动机 额定转速越高 电动机尺寸 重量和成本越小 因此选用高速电动机较为经济 但由于生产机械所需转速一定 电动机转速越高 传动机构转速比越大 传动机构越复杂 所以应通过综合分析来确定电动机的额定转速 5 笼型异步电动机有关电阻的计算 1 笼型异步电动机启动电阻的计算在电动机降压启动方式中 定子回路串联的限流电阻可按下式近似计算 2020年3月23日 式中Rst 每相限流电阻的阻值 单位为 IN 电动机的额定电流 单位为A Kst 不加电阻时电动机的启动电流与额定电流之比 可由手册查出 Kstr 加入启动限流电阻后 电动机的启动电流与额定电流之比 可根据需要选取 如果只在电动机的两相中串入限流电阻 Rst的值可近似取计算值的1 5倍 2020年3月23日 2 笼型异步电动机反接制动电阻的计算式中Rrb 每相反接制动限流电阻的阻值 单位为 Krbr 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联制动限流电阻 则Rrb的值可取计算值的1 5倍 2020年3月23日 4 3 2常用低压电器的选择1 接触器的选用 1 交流接触器的选用交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流 额定电压 辅助触点的数量与种类 线圈电压等 主触点额定电流应等于或稍大于实际负载电流 对于电动机负载 可按下面经验公式计算IN PN 103 KUN式中PN 被控电动机的额定功率 单位为kW UN 被控电动机的额定线电压 单位为V K 经验系数 一般取1 1 4 主触点的额定电压应等于或大于负载电路的额定电压 根据控制回路的电压来选择接触器的线圈电压 为了保证安全 一般接触器吸引线圈选择较低的电压 但如果在控制线路比较简单的情况下 为了省去变压器 可直接选用380V或220V 值得注意的是 接触器产品系列是按使用类别设计的 所以要根据接触器负担的工作任务来选择相应的使用类别 2020年3月23日 2 直流接触器的选用直流接触器主要用于控制直流电动机和电磁铁 控制直流电动机时的选用 应先弄清电动机实际运行的主要技术参数 接触器的额定电压 额定电流 或额定控制功率 均不得低于电动机的相应值 当用于反复短时工作制或短时工作制时 接触器的额定发热电流应不低于电动机实际运行的等效有效电流 接触器的额定操作频率也不应低于电动机实际运行的操作频率 然后根据电动机的使用类别 选择相应使用类别的接触器系列 控制直流电磁铁时的选用 应根据额定电压 额定电流 通电持续率和时间常数等主要技术参数 选用合适的直流接触器 2020年3月23日 2 继电器的选用 1 电磁式继电器的选用选用时 除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外 还应根据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 电压和电流继电器还有交流和直流之分 选用时也应注意 2 时间继电器的选用时间继电器型式多样 各具特点 选用时应从以下几方面考虑 根据控制线路的要求来选择延时方式 即通电延时型或断电延时型 根据延时精度和延时长短要求来选择 根据使用场合和工作环境情况来选择 2020年3月23日 3 热继电器的选用热继电器的选用应根据电动机的工作环境 启动情况 负载性质等因素来考虑 热继电器结构形式的选择 星形连接的电动机可选用两相或三相结构的热继电器 三角形连接的电动机应选用带断相保护装置的三相结构的热继电器 热元件额定电流的选择 一般可按下式选取IR 0 95 1 05 IN式中IR 热元件的额定电流 IN 电动机的额定电流 对于工作环境恶劣 启动频繁的电动机 则应按下式选取IR 1 15 1 5 IN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 2020年3月23日 3 熔断器的选用熔断器的选择主要包括熔断器类型 额定电压 额定电流与熔体额定电流的确定 熔断器的类型选择 熔断器的类型应根据负载保护特性和短路电流大小 各类熔断器的适用范围来选用 熔断器的额定电压选择 熔断器的额定电压应不小于线路的额定电压 熔断器的额定电流选择 熔断器的额定电流应不小于熔体的额定电流 熔体额定电流的选择 有以下几种情况 对于照明线路等没有冲击电流的负载 应使熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流 2020年3月23日 对于有启动冲击电流的电动机负载 应按下式计算IFU 1 5 2 5 IN式中IFU 熔体的额定电流 IN 电动机的额定电流 对于多台电动机共用一个熔断器保护时 熔体额定电流应按下式计算IFU 1 5 2 5 INmax IN式中INmax 容量最大的一台电动机的额定电流 IN 其余电动机额定电流之和 轻载启动及启动时间较短 式中系数取1 5 重载启动及启动时间较长时 式中系数取2 5 降压启动的电动机选用熔体的额定电流应等于或稍大于电动机的额定电流 2020年3月23日 4 自动空气开关的选用 1 根据线路的计算电流和工作电压 确定自动空气开关的额定电流和额定电压 显然 自动空气开关的额定电流应不小于线路的计算电流 2 热脱扣器的整定电流应与所控制的电动机额定电流或负载额定电流相等 3 确定过电流脱扣器瞬时动作的整定电流IZ KIpk式中IZ 瞬时动作的整定电流 Ipk 线路中的尖峰电流 K 考虑整定误差和启动电流允许变化的安全系数 对于动作时间在0 02s以上的自动空气开关 取K为1 35 对于动作时间在0 02s以下的自动空气开关 取K为1 7 2020年3月23日 5 控制变压器的选用控制变压器一般用于降低控制电路或辅助电路电压 以保证控制电路安全可靠 选择控制变压器的原则为 1 控制变压器一 二次侧电压应与交流电源电压 控制电路电压与辅助电路电压要求相一致 2 应保证接于变压器二次侧的交流电磁器件在启动时能可靠地吸合 3 电路正常运行时 变压器温升不应超过允许温升 4 控制变压器的容量可按长期运行的温升来考虑 其容量应大于或等于最大工作负荷的功率 即 i式中 控制变压器容量 单位为VA i 电磁器件吸持总功率 单位为VA 变压器容量的储备系数 一般取1 1 1 25 2020年3月23日 6 控制按钮的选用 1 根据使用场合 选择控制按钮的种类 如开启式 保护式 防水式和防腐式等 2 根据用途 选择合适的型式 如手把旋钮式 钥匙式 紧急式等 3 按控制回路的需要 确定不同的按钮数 如单钮 双钮 三钮等 4 按工作状态指示和工作情况的要求 选择按钮及指示灯的颜色 7 行程开关的选用 1 根据应用场合及控制对象选择 有一般用途行程开关和起重设备用行程开关 2 根据安装环境选择防护形式 如开启式或保护式 3 根据控制回路的电压和电流选择行程开关系列 4 根据机械与行程开关的传动与位移关系选择合适的头部形式 2020年3月23日 8 万能转换开关的选用 1 按额定电压和工作电流选用合适的万能转换开关系列 2 按操作需要选定手柄形式和定位特征 3 按控制要求参照转换开关样本确定触点数量和接线图编号 4 选择面板形式及标志 2020年3月23日 4 4电气控制装置的工艺设计4 4 1电气设备总装图的设计总装图的设计原则如下 1 功能类似的元件组合在一起 如用于操作的各类按钮 开关 键盘 指示 调节等元件集中为控制面板组件 各种继电器 接触器 熔断器 控制变压器等控制电器集中为电气板组件 各类控制电源 整流 滤波等元件集中为电源组件 2 尽可能减少组件之间的连线数量 将接线关系密切的电器元件置于同一组件中 3 强电与弱电控制器分离 以减少干扰 4 力求整齐美观 外形尺寸相同 重量相近的电器组合在一起 5 为便于检查与调试 需将经常调节 维护和易损元件组合在一起 2020年3月23日 4 4 2电器元件布置图的设计电器元件的布置应注意以下几点 1 体积较大 较重的元器件安装在电器板的下方 发热器件安放在电器板的上方 2 强电和弱电要分开 并加以屏蔽 以防干扰 3 需要经常维护 检修 调整的电器元件安装高度要适宜 4 电器元件的布置应考虑整齐 美观和对称 外形尺寸与结构类似的电器安放在一起 以便加工 安装和配线 5 各种电器元件的布置不宜过密 要有一定的间距 各电器元件的位置确定后 便可绘制电器布置图 布置图是根据电器元件的外形尺寸按比例绘制 并标明各元件间距尺寸 同时还要根据本部件进出线的数量和导线规格 来选择适当的接线端子板或接插件 按一定顺序标上进出线的接线号 2020年3月23日 4 4 3绘制电气控制装置的接线图绘制电气控制装置接线图的原则是 1 接线图和接线表的绘制应符合GB6988 3 1997 电气技术用文件的编制 第3部分 接线图和接线表 的规定 2 接线图中各电器元件的位置应与实际安装位置一致 3 所有电器元件的图形符号 各接线端子的编号和文字符号必须与电气原理图相一致 4 在接线图中同一电器元件的各个部分必须画在一起 5 电气接线图一律采用细实线 对于简单电气控制部件 电器元件数量较少 接线关系不复杂 可直接画出元件内的连线 对于复杂部件 电器元件数量多 接线较复杂时 一般是采用走线槽 只要在各电器元件上标出接线号 不必画出各元件之间的连线 6 接线图中应标出所用各种导线的型号 规格 截面积和颜色要求等 7 部件的进出线除个别大截面导线外 其他进出线都应经过接线端子排 不得直接进出 2020年3月23日 4 4 4电气箱及非标准零件图的设计在电气控制比较简单时 电气控制板往往附在生产设备上 而在控制系统比较复杂 或者操作环境需要时 采用单独的电气控制箱 以便制造 使用和维护 电气控制箱设计要考虑以下几方面的问题 1 根据控制面板及箱内各电气部件的尺寸来确定电气箱总体尺寸和结构形式 2 根据控制面板及箱内电气部件的安装尺寸 设计箱内的安装支架 3 从方便安装 调整及维修要求 设计控制箱的开门方式 4 在箱体适当部位设计通风孔或通风槽 以利箱内电器的通风散热 5 设计合适的起吊钩 吊孔或箱体底部带活动轮等 以便电气箱的搬动 外形确定以后 再按上述要求进行各部分的结构设计 绘制箱体总装图及门 控制面板 底板 安装支架 装饰条等零件图 并注明加工尺寸 2020年3月23日 4 4 5各类元器件及材料清单的汇总在电气原理图设计和工艺设计完成后 应根据各种图纸 对本设备需要的各种零件和材料进行综合统计 列出外购件清单表 标准件清单表 主要材料消耗定额表和辅助材料消耗定额表 供有关部门备料 以备生产 这些资料也是成本核算的依据 2020年3月23日 4 5电气控制系统设计举例4 5 1CW6163卧式车床的主要结构及设计要求1 主要结构CW6163卧式车床属于普通的小型车床 性能优良 应用比较广泛 其主轴的正反向运动由两组机械式磨擦片离合器控制 主轴的制动采用液压制动器 进给运动的横向前后运动 纵向左右运动及快速移动均由一个手柄操作控制 可加工工件的最大车削直径为630mm 工件的最大长度为1500mm 2 对电气控制的要求 1 根据工件的最大长度要求 为了减少辅助工作时间 要求配备一台拖动主轴运动的电动机和一台拖动刀架快速移动的电动机 主轴运动的启 停要求两地操作控制 2 需要一台冷却泵电动机 为车削加工时提供冷却液 3 具有机床安全照明电路与信号指示电路 2020年3月23日 4 5 2电动机的选择根据前面的设计要求可知 本车床需配备三台电动机 型号及参数选择如下 1 主轴电动机M1 型号为Y160M 4 性能指标为 11kW 380V 22 6A 1460r min 2 冷却泵电动机M2 型号为JCB 22 性能指标为 0 15kW 380V 0 43A 2790r min 3 快速移动电动机M3 型号为Y90S 4 性能指标为 1 1kW 380V 2 7A 1400r min 2020年3月23日 4 5 3电气原理图的设计1 主电路的设计 1 主轴电动机M1根据设计要求 M1采用单向直接启动控制方式 由接触器KM进行控制 M1的过载保护由热继电器FR1实现 并采用电流表PA监视其车削量 2 冷却泵电动机M2和快速移动电动机M3M2和M3的功率较小 因此选用交流中间继电器KA1和KA2控制 M2的过载保护由热继电器FR2来实现 M3由于短时运行 不设过载保护 M2和M3共用一组熔断器FU1实现短路保护 CW6163卧式车床主电路图的设计如图4 10所示 2020年3月23日 2 控制电源的设计考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求 采用控制变压器TC供电 其一次侧为交流380V 二次侧为交流127V 36V和6 3V 其中127V供给接触器KM 中间继电器KA1和KA2的线圈 36V给局部照明电路供电 6 3V给指示灯电路供电 电路如图4 10所示 3 控制电路的设计 1 在机床的床头操作板上和刀架拖板上分别设置启动按钮SB3 SB1和停止按钮SB4 SB2实现主轴电动机M1的两地控制 2 根据设计要求和M2 M3需完成的工作任务 确定M2采用单向启停控制方式 M3采用点动控制方式 CW6163卧式车床控制电路图的设计如图4 10所示 2020年3月23日 2020年3月23日 4 局部照明及信号指示电路的设计局部照明设备用照明灯EL 灯开关S和照明回路熔断器FU3组成 信号指示电路由两路构成 一路为三相电源接通指示灯HL2 绿色 在电源开关QS接通后发光 表示机床电气线路处于供电状态