第2章第2讲和第3讲典型电气控制系统分析.ppt

现代电器与PLC技术第2章 第二讲讲解内容 2 3三相笼型异步电动机降压启动控制线路2 4三相笼型异步电动机制动控制线路学习说明 本讲主要学习典型控制线路的设计与分析 重点掌握 降压起动控制电路 如星形 三角形降压启动线路等 制动控制线路 如三相笼型异步电动机反接制动控制电路 软启动器的使用 1 2 3三相笼型异步电动机降压启动控制线路 原因 容量大于10kW的笼型异步电动机直接起动时 起动冲击电流为额定值的4 7倍 故一般均需采用相应措施降低电压 即减小与电压成正比的电枢电流 从而在电路中不至于产生过大的电压降 方法 常用的降压起动方式有星形 三角形 Y 降压起动 定子电路串电阻降压起动和自耦变压器降压起动 2 2 3 1星形 三角形降压启动控制线路 降压原理 丫一 形的降压起动方法是 起动时将电动机定子绕组结成丫形 这时加在电动机每相绕组上的电压为电源电压额定值的 而其起动转矩为 形连接直接起动转矩的1 3 起动电流降为 形连接直接起动电流的1 3 作用 减小了起动电流对电网的影响 优点 在于星形起动电流只是原来三角形接法的1 3 起动电流特性好 结构简单 价格低 缺点 是起动转矩也相应下降为原来三角形接法的1 3 转矩特性差 因而本线路适用于电网电压380V 额定电压660V 380V Y 接法的电动机轻载起动的场合 设计思想 按时间原则控制启动过程 定子绕组为三角形接法的电动机 启动时 将三角形接法的定子绕组接成星形 启动结束后 在将星形绕组接成三角形运行 降压启动的目的就是降低启动电流 采用这种方法启动 启动电流降低多上呢 3 星形 三角形降压起动控制电路 4 2 3 2定子串电阻降压启动控制线路 降压原理 起动时将电动机定子绕组串上电阻 启动结束将电阻切除 作用 减小了起动电流对电网的影响 优点 控制线路简单 启动过程平滑 不受定子绕组的接法的限制 缺点 启动转矩下降大 电能损耗大 设计思想 按时间原则控制启动过程 5 2 3 2定子串电阻降压起动控制电路 6 2 3 2定子串电阻降压起动控制电路 背 7 2 3 3自耦变压器降压启动控制线路 降压原理 启动时利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组上的电压 启动结束后将自耦变压器切除 作用 减小了起动电流对电网的影响 优点 优点 启动电流较小 不受定子绕组接法的限制 缺点 启动设备体积大 笨重 价格高 维修不方便 设计思想 按时间原则控制启动过程 8 图2 18自偶变压器减压起动控制线路 M3 L1 L2 L3 FU KM2 KM1 FR KTKM1KM3KM2 KT FRSB1 SB2 KT KM3 T KT KM2 KM2 KM2 9 2 3 3 软启动器及其应用 结构 1 三相交流调压电路2 控制电路控制原理 利用晶闸管的移相控制原理 通过控制晶闸管的导通角 改变输出电压 达到通过调压方式来控制启动电流和启动转矩的目的 1 软启动器的工作原理 10 电流负反馈的作用 将主回路的电流反馈到控制回路 根据不同的启动方式 通过微处理器改变软启动器的输出电压 实现不同的启动特性 通过电流负反馈 检测主回路的电流 对电动机和软启动器起到过载 缺相 断相 三相负荷不平衡 限制转矩和电流冲击等保护 实时监测负载电流 电压 功率因数等 2 3 3 软启动器及其应用 续 软启动器的特点 具有软启动和软停车功能 启动电流和启动转矩可调节 另外 还具有电动机过载保护等功能 11 2 软启动器的控制功能 斜坡升压启动方式转矩控制及启动电流限制启动方式电压提升脉冲启动方式转矩控制软停车方式制动停车方式 2 3 3 软启动器及其应用 续 12 1 斜坡升压启动方式 设定参数 初始电压 启动时间 特点 电动机电压线性逐渐增加 在设定时间内达到额定值 适用范围 一台软启动器控制多台电动机启动或电动机的功率远低于软启动器额定功率的应用场合 斜坡升压启动方式特性曲线 Uq0 Ue t1 U t 0 13 2 转矩控制及启动电流限制启动方式 参数设定 启动初始力矩 启动阶段力矩限幅 力矩斜坡上升时间 启动电流限幅 特点 启动时间短 启动过程平稳 在多种场合使用 转矩控制及启动电流限制启动特性曲线 n T I U t 0 t1 14 3 电压提升脉冲启动方式 设定参数 电压提升脉冲 升压脉冲宽度 特点 启动转矩大 适用于重载启动 电压提升脉冲启动特性曲线 t 0 n U I 15 4 转矩控制软停车方式 参数设定 电动机的减速时间 特点 停车时间可调节 减速平滑 特性曲线 n T t 0 16 5 制动停车方式 参数设定 制动电流加入的幅值 制动电流加入的时间 特点 该制动方式为能耗制动 制动迅速 特性曲线 n IL1 17 3 软启动器的应用举例 软启动器接线端子的作用 L1 L2 L3 软启动器主电源进线端T1 T2 T3 连接电动机的出线端A1 A2 B1 B2 C1 C2 启动结束短接可控硅C 400 软启动器控制电源进线端PL 软启动器为外部信号提供的 24V的电源L 软启动器逻辑输出部分的外接输入电源STOP 接软停车信号RUN 接软启动信号 18 STOP RUN的接线方式 三线制 脉冲型信号 直接与启动按钮和停止按钮相连 两线制 高电平输入信号 通信远程控制 PL与STOP端短接 软启动器内部输出继电器定义KF1 可编程输出继电器KF1的功能设置 故障继电器 软启动器控制电源接通 KF1的常开触点就闭合 当软启动器发生故障KF1常开触点断开 隔离继电器 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 或在自由停车模式下接受到了停车信号或在软启动器发生故障时 KF1才断开 KF2 启动结束继电器KF2的功能 启动结束KF2闭合 软启动器出现故障或接收到停车信号KF2断开 3 软启动器的应用举例 续 19 1 电动机单向运行 软启动 软停车或自由停车控制线路 KA1 隔离继电器 KA2 启动结束继电器 QA0 QA1 QA2 FA1 FA2 SF3 QA1 QA2 KF1 KF1 KF2 KF2 SF2 SF1 图2 20 20 2 单台软启动器启动多台电动机控制线路KA1 隔离继电器 KA2 启动结束继电器 A B TA QB FA FA1 FA2 QA1 QA11 QA12 QA21 QA22 BB1 BB2 KF1 KF2 C 400 L1 L2 L3 T2 T3 T1 STOP RUN PL L SF5 MA1 MA2 图2 21 21 2 单台软启动器启动多台电动机控制线路KA1 隔离继电器 KA2 启动结束继电器 BB1 BB2 SF1 SF2 SF11 SF12 SF21 SF22 QA1 QA1 QA11 QA12 QA21 QA22 KF3 KF4 KF5 QA11 QA21 KF1 KF2 QA21 QA22 KF4 KF3 QA21 QA11 QA12 KF4 QA11 KF3 QA21 QA11 图2 21续 22 原因 三相异步电动机从切除电源到完全停止运转 由于惯性的关系 总要经过一段时间 这往往不能适应某些生产机械工艺的要求 如万能铣床 卧式镗床 电梯等 为提高生产效率及准确停位 要求电动机能迅速停车 对电动机进行制动控制 2 4三相笼型异步电动机制动控制电路 方法 制动方法一般有两大类1 机械制动2 电气制动 反接制动 能耗制动 23 工作原理 改变异步电动机定子绕组中的三相电源相序 使定子绕组产生方向相反的旋转磁场 从而产生制动转矩 实现制动 反接制动要求在电动机转速接近零时及时切断反相序的电源 以防止电动机反向起动 2 4 1反接制动控制线路 工作过程 当想要停车时 首先将三相电源切换 然后当电动机转速接近零时 再将三相电源切除 控制线路就是要实现这一过程 注意 电动机正在正方向运行时 如果把电源反接 电动机转速将由正转急速下降到零 如果反接电源不及时切除 则电动机又要从零速反向起动运行 如图2 22 a 图2 22 b 所示为反接制动的控制线路 24 a b 图2 22电动机单向运行反接制动控制线路 如图2 21反接制动的控制线路 25 图2 22 a 图有这样一个问题 在停车期间 如果为了调整工件 需要用手转动机床主轴时 速度继电器的转子也将随着转动 其常开触点闭合 KM2通电动作 电动机接通电源发生制动作用 不利于调整工作 存在问题与解决方案 图2 22 b 图的反接制动线路解决了这个问题 控制线路中停止按钮使用了复合按钮SB1 并在其常开触点上并联了KM2的常开触点 使KM2能自锁 这样在用手转动电动机时 虽然KS的常开触点闭合 但只要不按复合按钮SB1 KM2就不会通电 电动机也就不会反接于电源 只有按下SB1 KM2才能通电 制动电路才能接通 注意 因电动机反接制动电流很大 故在主回路中串入电阻R 可防止制动时电动机绕组过热 26 图2 23具有反接制动电阻的可逆运行反解制动控制线路 27 定义 能耗制动时 制动转矩随电动机的惯性转速下降而减小 因而制动平稳 这种制动方法将转子惯性转动的机械能转换成电能 又消耗在转子的制动上 所以称为能耗制动 能耗制动的制动转矩大小与通入直流电流的大小与电动机的转速n有关 同样转速 电流大 制动作用强 一般接入的直流电流为电动机空载电流的3 5倍 过大会烧坏电动机的定子绕组 电路采用在直流电源回路中串接可调电阻的方法 调节制动电流的大小 工作原理 在三相电动机停车切断三相交流电源的同时 将一直流电源引入定子绕组 产生静止磁场 电动机转子由于惯性仍沿原方向转动 则转子在静止磁场中切割磁力线 产生一个与惯性转动方向相反的电磁转矩 实现对转子的制动 设计方案 1 单向运行能耗制动控制线路 按时间原则控制线路 按速度原则控制线路 2 可逆运行能耗制动控制线路 2 4 2能耗制动控制线路 28 1 单向运行能耗制动控制线路 1 按时间原则控制线路 图2 24以时间原则控制的单向能耗制动线路 29 2 按速度原则控制线路 图2 25以速度原则控制的单向能耗制动线路 30 2 按时间原则控制的可逆运行能耗制动控制线路 图2 26以时间原则控制的可逆运行能耗制动线路 31 能耗制动与反接制动比较 反接制动时 制动电流很大 因此制动力矩大 制动效果显著 但在制动时有冲击 制动不平稳且能量消耗大 能耗制动与反接制动相比 制动平稳 准确 能量消耗少 但制动力矩较弱 特别在低速时制动效果差 并且还需提供直流电源 在实际使用时 应根据设备的工作要求选用合适的制动方法 32 2 5三相异步电动机的调速控制线路 改变生产机械工作速度的方法 机械调速 电动机的转速不变 利用变速器调速 电气调速 改变电动机的转速 电气调速的基本概念 电动机的转速 改变电动机转速的方法 1 改变极对数 变极调速2 改变转差率 串级调速3 改变电源频率 变频调速 33 变极调速的原理 a 四极绕组展开图 b 二极绕组展开图 c 三角形 双星形转换 d 星形 双星形转换 图2 24双速电机改变极对数的原理 2 5三相异步电动机的调速控制线路 续 34 2 5三相异步电动机的调速控制线路 续 图2 27 35 2 6变频调速与变频器的使用 2 6 1变频调速的基本概念变频调速定义 改变电动机供电电压的频率实现对交流电动机的速度控制 变频调速的特点 连续改变标准电动机 如笼型异步电动机 的转速 通过电子回路改变电动机定子电源的相序 改变电动机的转速方向 2 6 2变频器的类型1 根据变流环节分类 交 直 交变频器 交 交变频器2 根据直流电路的滤波方式分 电压型变频器 电流型变频器3 根据控制方式分 V F控制 矢量控制4 根据输出电压调制方式分 PAM方式 PWM方式 36 2 6变频调速与变频器的使用 2 6 3交 直 交变频器的组成 电源 电动机 37 2 6变频调速与变频器的使用 2 6 3变频调速的主要技术参数1 输入侧的主要额定数据额定电压 额定频率2 输出侧的主要额定数据额定电压 额定电流 额定容量 匹配电动机容量 输出频率范围3 对变频器设置和调试时的主要参数 控制方式 频率给定方式 加减速时间 频率上下限2 6 4变频器的选择1 种类的选择 普通型的变频器 高性能的变频器 专用变频器2 容量选择 变频器的额定电流应大于拖动系统在运行过程中的最大电流 38 2 6变频调速与变频器的使用 2 6 5变频器的主要功能1 频率给定功能频率设定方式 面板设定方式 外接给定方式 通信接口方式2 升速 降速和制动控制 1 升速和降速功能 2 制动控制3 控制功能4 保护功能2 6 6变频器的操作方式1 数字操作器和数字显示器2 远程操作3 端子操作 39 2 6变频调速与变频器的使用 2 6 7变频器应用举例 正转 反转 反向点动 正向点动 40 2 7电气控制线路的简单设计法 一 电气控制系统设计的基本内容1 确定拖动方案2 选择电动机容量3 设计电气控制线路 二 电气控制线路的设计内容1 设计主电路2 设计控制电路 三 电气控制线路的设计方法1 一般设计法 经验设计法2 逻辑设计法3 简单设计法 2 7 1概述 41 1 一般设计法 经验设计法电气控制线路的设计内容包括主电路 控制电路的设计 1 电气控制线路的设计步骤 主电路 控制电路 反复审核 2 一般设计法 经验设计法的设计方法 根据生产机械的要求 选用典型环节 将它们有机的组合起来 并加以补充修改 综合成所需的控制电路 没有典型环节 可以根据工艺要求自行设计 采用边分析边画图的方法 不断增加电器元件和控制触点 以满足给定的工作条件和要求 设计方法介绍 42 优点 能获得理想 经济的方案 所用元件数量少 各元件能充分发挥作用 当给定条件变化时 能指出电路相应变化的内在规律 在设计复杂控制线路时 更显方便 缺点 由于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 利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设计 即根据生产机械的拖动要求及工艺要求 将执行元件需要的工作信号以及安全电气的接通与断开状态看成逻辑变量 并根据控制要求将它们之间的关系用逻辑函数关系式来表达 然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化 使之成为需要的最简 与 或 关系式 根据最简式画出相应的电路结构图 最后再作进一步的检查和完善 即能获得需要的控制线路 2 逻辑设计法 43 1 简单设计法的设计原则 1 最大限度满足生产机械和工艺对电气控制的要求 2 在满足控制要求的前提下 设计方案应力求简单 经济 不宜盲目追求自动化和高指标 尽量减少电器的数量 尽量减少控制线路中电源的种类 尽量缩短连接导线的长度和数量 正确连接触点 正确连接电器的线圈 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 2 7 2简单设计法介绍 44 2 简单设计法的设计步骤1 分析工艺要求 2 根据工艺要求找出控制对象的开启信号 关断信号 3 如果有约束条件找出开启信号约束条件和关断约束条件 4 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控制线路图 5 最后根据工艺要求做进一步的查找工作 3 简单设计法的特点1 设计方法简单易于掌握 使用广泛 2 要求设计者有一定的设计经验 需要反复修改图纸 设计速度较慢 3 设计出的电路不固定 一般需要进行模拟实验 4 不宜获得最佳设计方案 45 开启信号约束条件 当要求几个条件同时满足时 电器元件的线圈才得电 可采用几个常开触点与电器元件的线圈串联 在几个条件中 只要其中一个条件成立 所控制的线圈就得电 可用几个常开触点并联 关断约束条件 在几个条件中 只要其中一个条件成立 所控制的电器线圈就将断电 可用几个常闭触点串联 当要求几个条件同时存在时 线圈才断电 可用几个常闭触点并联 46 1 选用典型环节 2 合理设计电路 必要时 可以使用逻辑代数化简电路 优化电路结构 设计电气原理图时 还要考虑工程施工的要求 尽量缩短连接导线的长度和数量 图2 26控制电路 例如 双控 图2 26b与图2 26a相比 具有节省连接导线 可靠性高 3 设计时注意事项 47 减少控制触点 提高可靠性 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 a b 图2 27控制电路 例如 图2 27a电路中 继电器线圈电流需要依次流过多个触点 图2 27b的控制电路每一个继电器线圈电流仅流过一个触点 可靠性得到提高 48 正确连接线圈 正确连接电器的线圈 图2 31线圈的连接 具体应注意以下几方面 电压线圈通常不串联使用 即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联施加额定电压之和 以免电压分配不匀引起工作不可靠 如图2 31所示 对于电感较大的电器线圈 例如电磁阀 电磁铁或直流电机励磁线圈等则不宜与相同电压等级的接触器或中间继电器直接并联工作 否则在接通或断开电源时会造成后者的误动作 49 注意避免出现寄生回路在控制线路的动作过程中 如果出现不是由于误操作而产生的意外接通的电路 称为寄生线路 图2 32所示为电动机可逆运行控制线路 FR为热继电器保护触点 为了节省触点 显示电动机工作状态的指示灯HLR和HLL采用图中所示的接法 正常情况下线路能完成起动 正反转及停止操作 但在运行中电动机过载 FR触点断开就会出现如图中虚线所示的寄生线路 使接触器不能可靠释放而得不到过载保护 如果将FR触点位置移接到SB1上端就可避免产生寄生回路 图2 32寄生回路 50 2 7 3简单设计法设计举例 题目要求 三台电动机MA1 MA2 MA3 要求启动顺序为 MA1先启动 经T1后自动启动MA2 再经T2后自动启动MA3 停车要求 先停MA3 经T3后再停MA2 再经T4后停MA1 通过分析工艺要求找出开启信号和关断信号开启信号 MA1 QA1启动信号为启动按钮 MA2 QA2启动信号为时间继电器延时闭合常开触点 MA3 QA3启动信号为另一时间继电器延时闭合常开触点 关断信号 MA3 QA3关断信号为停止按钮MA2 QA2关断信号为时间继电器延时断开常闭触点 MA1 QA1关断信号为另一时间继电器延时断开常闭触点 51 3 找出启动约束条件和关断约束条件 无 4 根据我们前面所学的典型的控制线路进行设计 5 最后根据工艺要求做进一步的查找工作 如加上保护和互锁环节 52 三台电动机顺序启 停控制电路原理图 53 2 8 1电气控制线路分析基础分析电气控制线路的步骤 阅读设备说明书阅读电气控制原理图阅读设备说明书所了解的内容 了解设备的组成及工作原理 设备传动系统的类型及驱动方式 主要技术性能 规格和运动要求 电气传动方式 电动机 执行电器的数目 规格型号 安装位置 用途及控制要求 设备的使用方法 各操作手柄 开关 旋钮 指示装置的布置及其在控制线路中的作用的 与机械 液压部分直接关联的电器 行程开关 电磁阀 电磁离合器 传感器等 的位置 工作状态及其与机械 液压部分的关系 在控制中的作用 2 8典型生产机械电气控制线路分析 54 电气原理图的阅读分析方法与步骤原理图阅读分析的基本原则 化整为零 顺藤摸瓜 先主后辅 集零为整 安全保护 全面检查 常用方法是 查线分析法 化整为零的原则 以某一对象开始 从电源开始 自上而下 自左而右 逐一分析其接通断开关系 并区分出主令信号 联锁条件 保护要求 2 8 1电气控制线路分析基础 续 55 1 分析主电路 类型 工作方式 起动 转向 调速 制动等控制要求与保护要求等 2 分析控制电路 从电源和主令信号开始 经过逻辑判断 写出控制流程 3 分析辅助电路 执行元件的工作状态显示 电源显示 参数测定 照明和故障报警等 4 分析联锁与保护环节 5 分析特殊控制环节 计数 检测 晶闸管 调温等6 总体检查 集零为整检查整个控制线路 2 8 1电气控制线路分析基础 续 56 1 主要结构和运动形式 2 拖动方式与控制要求1 主电机MA1 30kW 2 冷却电机MA23 快速移动电机MA34 局部照明 保护 联锁 2 8 2C650卧式车床电气控制线路分析 57 2 8 2C650卧式车床电气控制线路分析 58 习题与思考题 3 1如何决定笼型异步电动机是否可采用直接起动法 3 2长动和点动的区别是什么 3 3笼型异步电动机是如何改变转动