典型机床电气控制线路分析PPT课件

1 第4章电气控制系统设计 1 电气控制设计的原则 内容和要求2 电力拖动方案的确定和电动机的选择3 电气原理图的设计步骤与方法4 常用控制电器的选择 2 4 1电气控制设计的原则 内容和要求 控制方案的确定 应遵循以下原则 1 控制方式与拖动需要相适应 控制方式并非越先进越好 而应该以经济效益为标准 控制逻辑简单 加工程序基本固定的生产机械设备 采用继电器接触器控制方式比较合理 对于经常改变加工程序或控制逻辑复杂的生产机械设备 则采用可编程序控制器较为合理 2 控制方式与通用化程度相适应 3 3 控制方式应最大限度满足工艺要求 根据加工工艺要求 控制线路应具有自动循环 半自动循环 手动调整 紧急快退 保护性连锁 信号指示和故障诊断等功能 以最大限度满足工艺要求 4 控制电路的电源应当可靠 简单的控制电路可直接用电网电源 元件较多 电路较复杂的控制装置 可将电网电压隔离降压 以降低故障率 对于自动化程度较高的生产设备可采用直流电源 这有助于节省安装空间 便于同无触点元件连接 元件动作平稳 操作维修也比较安全 4 电气控制系统设计的基本内容 机械设备的控制系统绝大多数属于电力拖动控制系统 因此生产机械电气控制系统设计的基本内容有以下几个方面 确定电力拖动方案 设计生产机械电力拖动自动控制线路 选择拖动电机及电气元件 制定电器明细表 进行生产机械电力装备施工设计 编写生产机械电气控制系统的电气说明书与设计文件 5 控制线路的设计要求 不同用途的电气控制线路 其控制要求有所不同 一般应满足以下要求 1 应能满足生产机械的工艺要求 能按照工艺的顺序准确而可靠地工作 2 线路结构力求简单 尽量选用常用的且经过实际考验过的线路 3 操作 调整和检修方便 4 具有各种必要的保护装置和联锁环节 即使在误操作时也不会发生重大事故 5 工作稳定 安全可靠 符合使用环境条件 6 控制线路的设计方法 电气控制线路的设计方法有两种 一种是经验设计法 另一种是逻辑设计法 经验设计法 它是根据生产工艺的要求 按照电动机的控制方法 采用典型环节线路直接进行设计 先设计出各个独立的控制电路 然后根据设备的工艺要求决定各部分电路的联锁或联系 逻辑设计法 采用逻辑代数进行设计 按此方法设计的线路结构合理 可节省所用元件的数量 7 设计控制线路时应注意的问题 尽量减少连接导线找出下图中哪种接法正确 a b 8 正确连接电器的线圈电压线圈通常不能串联使用 如图 a 所示为不正确的连接 由于他们的阻抗不尽相同 造成两个线圈上的电压分配不等 a 9 电感量相差悬殊的两个电器线圈 也不要并联连接 如图 b 中直流电磁铁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得多 所以断电时 继电器很快释放 但电磁铁线圈产生的自感电动势可能时继电器又吸合一段时间 从而造成继电器的误动作 b 10 解决的方法是可以各用一个接触器的触点来控制 如图 c 所示 c 11 控制线路中应避免出现寄生电路寄生电路是线路动作过程中意外接通的电路 如图HL和热保护的正反向电路 正常工作时 能完成正反向起动 停止和信号指示 当热继电器FR动作时 线路就出现了寄生电路如图中虚线所示 使正向接触器KM1不能有效释放 起不了保护作用 反转时亦然 12 13 尽可能减少电器数量 采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 提高线路可靠性 如将图 a 中线路改成图 b 所示的线路后 可减少一个触点 14 a b 15 多个电器的依次动作问题在线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线路 可逆线路的联锁在频繁操作的可逆线路中 正反向接触器之间不仅要由电气联锁而且要有机械联锁 16 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 常用的保护环节有漏电流 短路 过载 过流 过压 失压等保护环节 有时还应设有合闸 断开 事故 安全等必需的指示信号 17 4 2电力拖动方案的确定和电动机的选择 电力拖动方案确定的原则 1 在不需要电气调速和起动不频繁的场合 应首先考虑采用鼠笼式异步电动机 在负载静转矩很大的拖动装置中 可考虑采用绕线式异步电动机 对于负载很平稳 容量大 且起停次数很少时 则采用同步电动机更为合理 不仅可以充分发挥同步电动机效率高 功率因数高的优点 还可以调节励磁使它工作在过励情况下 提高电网的功率因数 18 2 应根据生产机械的调速要求 如调速范围 调速平滑性 机械特性硬度 转速调节级数及工作可靠性等 来选择拖动方案 在满足技术指标的前提下 进行经济比较 最后确定最佳拖动方案 调速范围D 2 3 调速级数 2 4 一般采用改变磁极对数的双速或多速笼式异步电动机拖动 调速范围D 3 且不要求平滑调速时 采用绕线式转子感应电动机拖动 但只适用于短时负载和重复短时负载的场合 19 调速范围D 3 10 且要求平滑调速时 在容量不大的情况下 可采用带滑差离合器的异步电动机拖动系统 若需长期运转在低速时 也可考虑采用晶闸管直流拖动系统 调速范围D 10 100时 可采用直流拖动系统或交流调速系统 20 3 电动机调速性质是指电动机在整个调速范围内转矩 功率与转速的关系 电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应 对于双速笼型异步电动机当定子绕组由 联接改为YY接法时 转速由低速转为高速 功率却变化不大 适用于恒功率传动 当定子绕组由Y联接改为YY接法时 电动机输出转矩不变 适用于恒转矩传动 对于直流他励电动机 改变电枢电压调速为恒转矩输出 而改变励磁调速为恒功率调速 21 电动机结构的选择 电动机具有不同的防护型式 如防护式 封闭式 防爆式等等 具体要根据电动机的工作条件来选择 1 现代设备 如机床 多选用防护式电动机 而在某些场合 在操作者和设备安全有保证的条件下也可采用开启式电动机 以利于散热和提高效率 2 在污染严重或粉尘较多的场所 应选用封闭式电动机 电动机选择 22 3 有爆炸危险的厂房车间 应选择防爆式电动机 4 比较潮湿或冷却液流散的场所 也应选择封闭型电动机 若温度较高的时 应考虑选用湿热型电动机 5 露天作业 除选用封闭式电动机外 还应加防护措施 23 电动机类型的选择 选择电动机类型的依据是在安全经济的条件下 适应设备工作特性的要求 1 由于笼型异步电动机造价低 使用维修方便 所以对速度无特殊要求的设备应首先选择笼型异步电动机 2 要求有调速性能的设备 可选用直流电动机 当然也可以采用交流调速装置而选用交流电动机 但要考虑其经济性 24 3 对要求速度变化级数较少的场合 可选用多速异步电动机 4 对要求调速范围较宽的设备 除考虑直流拖动外 还应考虑是否需要机械变速和电气调速结合使用 25 电动机转速的选择 对于额定功率相同的电动机 额定转速愈高 电动机体积 重量和成本就愈小 因此 在条件允许的情况下 应尽可能选用高速电动机 但要根据设备对转速的要求 综合考虑电动机转速和机械传动两方面的多种因素来确定电动机额定转速 一般要考虑以下几个方面 26 1 低速运转的设备 宜选用一适当的转速为参考转速 以该转速选择电动机并与减速机构联合传动 2 对中高速运转的设备 可选用适当速度的电动机直接拖动 3 对要求调速的设备 应注意电动机转速与设备要求的最高转速相适应 使得调速范围留有余地 4 对经常起动 制动及反转的设备 如冶金及起重设备 其电动机的转速不宜选得过高 电动机的转动惯量应越小越好 27 电动机额定电压的选择 交流电动机的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220 380V Y连接 及380 600V Y连接 两种 后者可用Y 起动 当电动机功率较大时 可选用相应电压如3000V 6000V 10000V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 当直流电动机单独由直流发电机供电时 额定电压常为220V及110V 大功率直流电动机可提高到600 800V 甚至为1000V 28 电动机功率的选择 选择电动机功率的依据是负载功率 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 使之效率和功率因数 对于交流电动机 降低 运行费用也会提高 相反 功率选的过低 电动机过载运行 使之寿命降低 29 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 由于其不仅拖动进给运动外 还拖动工作台的快速移动 应按快速移动所需的功率来选择 30 4 3电气原理图的设计步骤与方法 设计工作的首要问题是树立正确的设计思想 树立工程实践的观点 使设计的产品经济 使用 可靠 先进 使用及维修方便 任何一台机械设备的结构形式和使用效能与其电气自动化程度有着十分密切的关系 因此电气控制设计必须与设备的机械设计相对应 这就要求电气设计人员必须对机械设备的的机械结构 加工工艺有一定的了解 这样才能设计出符合要求的电气控制设备 31 电气设备的总体布置 按照国标规定 尽可能把电气设备组装在一起 使其成为一台或几台控制装置 只有那些必须安装在特定位置的部件 如按钮 手动控制开关 行程开关 离合器 电动机等才允许分散安装在设备的各处 安放发热元件 如电阻器 必须使电气柜内其它元件的温升不超过它们各自的允许极限 对于发热量大的元件 如电动机的起动电阻等 必须隔开安放 必要时 还可采用风冷 32 所有电气设备应该可以靠近安放 便于更换 识别与检测 在上述规定指导下 首先要根据设备电气控制电路图和设备控制操作要求 决定采用哪些电气控制装置 如控制柜 操纵台或悬挂操纵箱等 然后确定设备电气装置的安放位置 需经常操作和监视的部分应放在操作方便 通观全局的位置 悬挂箱应置于操作者附近 接近加工工件且有一定移动方位处 发热或振动噪音大的电气设备要置于远离操作者的地方 33 绘制电气控制装置的电器布置图 按国标规定 电气柜内电气元件必须位于维修站台之上0 4 2m 所有器件的接线端子和互联端子 必须位于位于维修站台之上至少0 2m处 以便装拆导线 安排器件时 必须隔开规定的间隔 并考虑有关的维修条件 电气柜和壁龛中裸露 无电弧的带电零件与电气柜和壁龛导体壁板间必须有适当的间隙 一般250V以下电压 不小于15mm 250 500V电压 不小于25mm 34 电气柜内电器的安排 按照用户技术要求制作的电气装置 最少要留出10 的备用面积 以供控制装置改进或局部修改 除了人工控制开关 信号和测量部件 门上不得安装任何器件 由电源电压直接供电的电器最好装在一起 从而与控制电压供电的电器分开 电源开关最好安装在电气柜内右上方 其操作手柄应装在电气柜前面或侧面 电源开关上方最好不安装其他电器 否则 应把电源开关用绝缘材料盖住 以防电击 35 遵循上述规定 电气柜内电器可按下述原则布置 1 体积大或较重的电器置于控制柜下方 2 发热元件安装在电气柜的上方 并注意将发热元件与感温元件隔开 3 弱电部分应加屏蔽和隔离 以防强电及外界电磁干扰 4 应尽量将外形与结构尺寸相同的电气元件安装在一起 既便于安装和布线处理 又使布置整齐美观 5 布置的电器应便于维修 6 布置电器时应尽量考虑对称性 36 绘制电气控制装置的接线图 根据电气控制原理图与电气装置布置图 可进一步绘制电气控制装置接线图 1 图中所有电器元件图形 应按实物 依对称原则绘制 2 图中各电器元件 均应注明与电气控制原理图上一致的文字符号 接线编号 37 3 图中一律用细实线绘制 应清楚地表示出各电气元件的接线关系和接线走向 接线图的接线关系有两种画法 一是直接接线法 即直接画出两元件之间的接线 它适用于电气系统简单 电器元件少 接线关系简单的场合 二是符号标准接线法 即仅在电器元件接线端处标注符号 以表明相互连接关系 它适用于电气系统复杂 电器元件多 接线关系较为复杂的场合 4 按规定清楚标注配线导线的型号 规格 截面积和颜色 38 5 图中各电气元件应按实际位置绘制 6 板后配线的接线图应按控制板翻转后的方位绘制电器元件 以便施工配线 但触点方向不能倒置 7 接线板或控制柜的进出线 除面积较大外 都应经接线板外接 8 接线板上各接点按接线号顺序排列 并将动力线 交流控制线 直流控制线等分类排开 39 设备内部接线图和外部接线图 设备内部接线图 1 根据设备上各电器的布置的位置 绘制内部接线图 2 设备上各处电器元件 组件 部件间的接线应通过管路进行 3 图上应标明分线盒进线与出线的接线关系 接线柱排上的线号应标清 以便配线施工 40 设备外部接线图 1 设备外部接线图表示设备外部的电动机或电器元件的接线关系 它主要供用户单位安装配线用 2 设备外部接线图应按电气设备的实际相应位置绘制 其要求与设备内部接线图相同 41 4 4常用控制电器的选择 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 机床用的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 42 1 主触点的额定电流IN可根据下面经验公式进行选择式中IN 接触器主触点的额定电流 A K 比例系数 一般取1 1 4 PN 被控电动机的额定功率 kW UN 被控电动机的额定线电压 V 2 交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定 43 3 根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压 为保证安全 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 可选用380V电压 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用相应的产品系列 4 接触器辅助触点的数量 种类满足线路的需要 44 继电器的选择 一般继电器的选择 一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器 又称电磁继电器 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 选择时也应当注意 45 时间继电器的选择 时间继电器型式多样 各具特点 选择时应从以下几方面考虑 1 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 2 根据延时准确度要求和延时时间的长短来选择 3 根据使用场合 工作环境选择合适的时间继电器 46 热继电器的选择 热继电器的选择应按电动机的工作环境 起动情况 负载性质等因素来考虑 一方面要充分发挥电动机的过载能力 另一方面 对电动机在短时过载与起动瞬间不受影响 1 热继电器结构形式的选择 星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器 三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器 47 2 热元件额定电流的选择 一般可按下式选取 式中IR 热元件的额定电流 A IN 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 48 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的额定电流的确定 熔断器类型与额定电压选择 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类型 根据被保护电路的电压来决定熔断器的额定电压 49 熔体与熔断器额定电流选择 熔断器熔体的额定电流大小与负载大小 负载性质有关 对于负载平稳 无冲击电流 如一般照明电路 电热电路可按照负载电流大小来确定的熔体额定电流 对于有冲击电流的电动机负载为达到短路保护目的 又保证电动机正常起动 对三相鼠笼式异步电动机其熔断器熔体的额定电流为 50 单台电动机 式中IR 为熔体额定电流 A IN 为电动机额定电流 A 多台电动机共用一个熔断器保护 式中IR 为熔体额定电流 A INMAX 为容量最大的电动机的额定电流 A IN 其他电动机额定电流之和 A 51 轻载起动或起动时间较短时 式中系数取1 5 重载起动或起动时间较长时 式中系数取2 5 熔断器的额定电流大于或等于熔体额定电流 熔断器上下级的配合为满足选择性保护的要求 应注意熔断器上下级之间的配合 一般要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍 不然将会发生越级动作 扩大停电范围 为此 当上下级采用同一种型号的熔断器时 其电流等级以相差两级为宜 若上下级所采用的熔断器型号不同时 则应根据保护特性上给出的熔断时间选取 52 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的电压 以保证控制电路安全可靠 选择控制变压器的原则为 1 控制变压器原 副边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符 2 应保证接于变压器副边的交流电磁器件在通电时能可靠地吸合 3 电路正常运行时 变压器温升不应超过允许温升 53 4 控制变压器可按长期运行的稳升来考虑 这时变压器的容量应大于或等于最