现代低压电器及其控制技术PPT课件VIP

1 常用低压电器 主讲人 苗锋 2 第4章电气控制线路设计基础 4 1电气设计的主要内容机械设备电气设计一般包括以下两部分内容 确定拖动方案和选择电动机 前者是指选择交流拖动方案还是直流拖动方案 后者是指选择电动机的型号及容量 设计电气自动控制线路 并据此选择电器元件和设计电气原理图 安装图及互连图 3 4 1 1电气设计的一般内容 拟定电气设计任务书 技术条件 确定电力传动方案和控制方案 选择传动电动机 设计电气原理图 包括主 辅助电路 选择电气元件 制定电气元件或装置易损件及备用件的明细表 设计操作台 电气柜 电气安装板以及非标准电器和专用安装零件 绘制电气装配图和接线图 4 编写电气原理说明书和使用说明书 包括操作顺序说明 维修说明及调整方法 4 1 2电气设计的技术条件 用户供电系统的电压等级 频率 容量及电流种类 有关操作方面的要求 如操作台的布置 操作按钮的设置和作用 测量仪表的种类 故障报警和局部照明要求等 有关电气控制的特性 如电气控制的基本方式 自动工作循环的组成 动作程序 限位设置 电气保护及联锁条件等 5 有关电力拖动的基本特性 如电动机的数量和用途 各主要电动机的额定功率 负载特性 调速范围和方法 以及对起动 反向和制动控制的要求等 生产机械主要电气设备 如电动机 执行电器和行程开关等 的布置草图和参数 4 1 3电气传动形式的选择 1 电气传动方式1 单机拖动2 分机拖动 6 随着电力电子及控制技术的发展 交流调速装置的性能与成本已经能和直流调速装置竞争 越来越多的直流调速应用领域采用了交流调速方法 因此在交流电动机能满足生产需要的场合都应采用交流电动机 具体应考虑以下几点 需调速的机械 包括长期工作制 短时工作制和重复短时工作制机械 应采用交流电动机 在环境恶劣场合 例如高温 多尘 多水汽 易燃 易爆等场合 宜采用交流电动机 电动机的结构型式应当适应机械结构的要求 再考虑到现场环境 可选用防护式 封闭式 防腐式 防爆式以及变频器专用 7 电动机等结构型式 2 调速性能在选择调速方案时 可参考以下几点 1 重型或大型设备2 精密机械设备3 一般中小型设备 3 负载特性不同机电设备的各个工作机构 具有各自不同的负载特性 P f n M f n 4 起动 制动和反向要求 8 所以在必要时也可选用高起动转矩的电动机 或采用提高起动转矩的措施 另外 还要考虑电网容量 对于电网容量不大而起动电流较大的电动机 一定要采取限制起动电流的措施 如采用降压起动 软起动等方式 以免电网电压波动较大而造成事故 4 1 4电气控制方案的确定选择控制方案遵循的主要原则是 1 自动化程度要与国情相适应 2 控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应 9 目前 微处理器已进入机床 自动线 机械手的控制领域 并显示出灵活 可靠 控制功能强 体积小等优越性 受到电气设计者越来越多的关注 3 控制方式随控制过程的复杂程度而变化 4 控制系统的工作方式 应在经济 安全的前提下 最大限度地满足工艺要求4 2电气设计的一般原则4 2 1最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求4 2 2在满足生产要求的前提下 力求使控 10 制线路简单 经济1 尽量选用标准的 常用的或经过实际考验过的环节和线路 2 尽量缩短连接导线的数量和长度 图4 1电器连接图 11 3 尽量减少电器的数量 采用标准件 尽可能选用相同型号的电器元件 以减少备用量 4 尽量减少不必要的触点 简化电路 常用的方法有 合并同类触点 如图4 2所示 在获得同样功能情况下 4 2 b 图比4 2 a 图在电路上少了一对触头 利用转换触点 如图4 3所示 利用半导体二极管的单向导电性来有效减少触头数 如图4 4所示 利用逻辑代数进行化简 以便得到最简化的线路 12 图4 2同类触头的合并 图4 3转换触头的应用 图4 4利用二极管等效 13 图4 5减少通电电路 14 5 线路在工作时 除必要的电路必须通电外 其余的尽量不通电以节约电能 并延长电路的使用寿命 4 2 3保证控制线路工作的可靠性1 选用的电器元件要可靠 牢固 动作时间少 抗干扰性能好 2 正确连接电器的线圈 在交流控制电路中不能串联接入2个电器的线圈 即使外加电压是两个线圈额定电压之和 也是不允许的 如图4 6所示 其线圈应该并联连接 15 对于直流电磁线圈 只要其电阻相同 是可以串联的 但最好不要并联连接 特别是两者电感量相差较大时 例如图4 7所示 图4 6线圈不能串联连接 图4 7电磁铁与继电器线圈 16 3 正确连接电器的触点 设计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极或同一相上 以避免在电器触点上引起短路 见图4 8 a 所示 限位开关SQ的常开触点与常闭触点靠得很近 而在电路中分别接在不同相上 当触点断开产生电弧时 可能在两触点间形成飞弧而造成电源短路 若改接成图4 8 b 因两触点电位相同 就不会造成电源短路 4 在控制线路中 采用小容量继电器的触点来断开或接通大容量接触器的线圈时 要 17 计算继电器触点断开或接通容量是否足够 不够时必须加小容量的接触器或中间继电器 否则工作不可靠 图4 8正确连接电器的触点 18 5 在频繁操作的可逆线路中 正反向接触器应加重型的接触器 且应有电气和机械的联锁 6 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 7 防止触点竞争现象 图4 9 a 所示为用时间继电器的反身关闭电路 当时间继电器KT的常闭触点延时断开后 时间继电器KT线圈失电 又使经ts秒延时断开的常闭触点闭合 以及经t1秒瞬时动作的常开触点断开 若ts t1则电路能反身关闭 若ts t1 则继 19 电器KT再次吸合 这种现象就是触点竞争 在此电路中 增加中间继电器KA便可以解决 如图4 9 b 所示 图4 9反身自停电路 20 8 设计的线路应能适应所在电网情况 9 防止寄生电路 控制电路在正常工作或事故情况下 发生意外接通的电路叫寄生电路 如图4 10所示 图4 10寄生电路 21 4 2 4控制线路工作的安全性 1 短路保护当电路发生短路时 短路电流引起电器设备绝缘损坏和产生强大的电动力 使电机和电路中的各种电器设备产生机械性损坏 因此当电路出现短路电流时 必须迅速而可靠的断开电源 图4 11 a 为采用熔断器作短路保护的电路 图4 11 b 为采用自动开关作短路保护的电路 2 过电流保护 22 图4 11短路保护 a 熔断器保护 b 自动开关保护 23 不正确的启动和过大负载 也常常引起电动机很大的过电流 过电流保护电路如图4 12所示 图4 12过电流保护 24 3 过载保护电动机长期超载运行 其绕组的温升将超过允许值而损坏 所以应设过载保护环节 此种保护多采用热继电器为保护元件 图4 13 a 所示为两相保护 适用于保护电动机任一相断线或三相均衡过载时 图4 13 b 为三相保护 可以可靠的保护电动机的各种过载情况 25 图4 13过载保护电路 a 两相保护 b 三相保护 26 4 失压保护在电动机正常工作时 如果因为电源电压的消失而使电动机停转 那么 在电源电压恢复时 电动机就会自行起动 实现失压保护的自锁控制 如图4 14所示 图4 14失压保护 a 按钮控制 b 主令控制器控制 27 5 弱磁保护 6 极限保护某些直线运动的生产机械 常设极限保护 是由行程开关的常闭触头来实现的 4 2 5操作和维修方便4 3电气控制线路的经验设计法电气控制线路有两种设计方法 一种是经验设计法 另一种是逻辑设计法 4 3 1经验设计法的基本步骤与基本特点所谓经验设计法就是根据生产机械对电气 28 控制电路的要求 首先设计出各个独立环节的控制电路或单元电路 然后根据生产工艺要求找出各个控制环节之间的相互关系 进一步拟定联锁控制电路及进行辅助电路的设计 最后再考虑减少电器与触头数目 努力取得较好的技术经济效果 经验设计法的基本步骤 主电路设计 控制电路设计 辅助电路设计 反复审核电路是否满足设计原则 29 在具体的设计过程中常有两种作法 第一种根据生产机械的工艺要求与工作过程 将现有的典型环节集聚起来加以补充修改 综合成所需的控制线路 第二种在找不到现有的典型环节时 则根据生产机械的工艺要求与工作过程自行设计 边分析边画图 将输入的主令信号经过适当的转换 得到执行元件所需的工作信号 4 3 2经验设计法的设计举例 1 铣床加工的工艺要求 30 加工前滑台速度快速移动到加工位置 然后改为慢速进给 快进速度为慢进速度的20倍 滑台速度的改变是由齿轮变速机构和电磁铁来实现的 即电磁铁吸合时为快进 电磁铁放松时为慢进 2 控制线路的设计1 主回路设计KM1与KM2分别控制滑台的电动机正反转 KM3控制左右铣头 因为左右铣头的工作情况是完全一样的 故只要在接线时注意转动方向 如图4 15所示 31 图4 15主回路 32 2 控制回路基本设计滑台电动机应能正反转 分别由按钮控制起动和停止 见图4 16 a 所示 上述条件构成的设计草图如图4 16 b 所示 3 联锁及保护环节完整的控制线路如图4 17所示 4 线路完善控制线路初步设计完毕后 可能还有不合理的地方 应当仔细校核 修改后的线路如图4 18所示 33 图4 16控制回路草图 34 图4 17完整的控制线路 35 图4 18修改后的控制线路 36 4 4电气控制线路的逻辑设计法4 4 1逻辑变量 逻辑函数及运算法则 1 逻辑变量在逻辑代数中 把这种具有两个对立物理状态的量称为 逻辑变量 在继电接触式控制线路中 每一个接触器或继电器的线圈 触头以及控制按钮的触头都相当于一个逻辑变量 它们都具有两个对立的物理状态 故可采用 逻辑0 和 逻辑1 来表示 对于继电器 接触器 电磁铁 电磁阀 电磁离合器等元件的线圈 通常规定通电 37 为 1 状态 失电则规定为 0 状态 对于按钮 行程开关元件 规定压下时为 1 状态 复位时为 0 状态 对于元件的触点 规定触点闭合状态为 1 状态 触点断开状态为 0 状态 2 逻辑函数在继电接触式控制线路中 把表示触头状态的逻辑变量称为输入逻辑变量 把表示继电器 接触器等受控元件的逻辑变量称为输出逻辑变量 显然 输出逻辑变量的取值是随各输入逻辑变量取值变化而变化 38 输入 输出逻辑变量的这种相互关系称为逻辑函数关系 我们还可将控制线路中输入和输出关系用列表方式表示出来 这种表称为真值表 3 3种基本逻辑运算 与 或 非 1 逻辑 与 逻辑 与 也称逻辑 乘 逻辑 积 逻辑 与 其基本定义是 决定事物结果的全部条件同时都具备时 结果才会发生 这种因果关系叫做逻辑 与 其运算符号为 表示 也可省略 39 如图4 20所示 用逻辑 与 定义来解释 只有K1和K2两个触点全部闭合为 1 时 接触器线圈KM才能通电为 1 图4 20逻辑 与 电路图4 21逻辑 或 电路图 KM K1 K2 KM K1 K2 40 2 逻辑 或 逻辑 或 也称逻辑 加 逻辑 和 逻辑 或 其基本定义是指 在决定事物结果的各种条件中只要有任何一个满足 结果就会发生 这种因果关系叫做逻辑 或 其运算符号用 表示 图4 21为逻辑 或 的电路 图中触点K1 K2任意一个闭合时 则线圈KM就通电为 1 只有K1 K2都断开时 线圈KM就断电为 0 根据定义 电路中触点并联形式是逻辑 或 的关系 逻辑 或 的逻辑函数式为 41 KM K1 K2 3 逻辑 非 逻辑 非 也称逻辑 求反 其基本定义是指 事物某一条件具备了 结果不会发生 而此条件不具备时 结果反而会发生 这种因果关系叫做逻辑 非 图4 22为逻辑 非 电路 图中触点K闭合为 1 时 线圈KM被旁路 断电为 0 而触点K断开时 则线圈KM通电为 1 根据定义 常闭触点为逻辑 非 的控制 其逻辑函数式为 KM K K为原变量 K为K的反变量 42 4 逻辑代数的基本运算规则和定律1 基本运算规则 图4 22逻辑 非 电路 KM K 43 44 5 逻辑函数的化简对于较简单的逻辑函数可采用逻辑代数的基本公式来进行化简 而对于较复杂的逻 45 辑函数则运用卡诺图法进行化简 4 4 2继电接触器控制线路的逻辑函数继电接触器控制属于开关量控制 符合逻辑规律 所以其控制线路中的关系可用逻辑函数来表示 图4 23简单起 停 保电路 46 1 两个简单的起 停 保电路图4 23为简单起 停 保电路的两种结构 按图4 23 a 可列出逻辑函数式为式中X开 开启信号 X关 关断信号 K 自保信号 按图4 24 b 可列出逻辑函数为 2 具有联锁条件的起 停 保电路 47 现在 要把式 4 16 和式 4 17 扩展一下 考虑了约束条件后 把X开 X开主 X开约 X关 X关主 X关约代入原式 4 16 和 4 17 中 可得一般形式 4 4 3逻辑设计方法的一般步骤步骤一 充分研究加工工艺过程 做出工作循环图或工作示意图 步骤二 按工作循环图做执行元件节拍表及检测元件状态表 48 步骤三 根据状态表 确定中间记忆元件的开关边界线 设计中间记忆元件 步骤四 列写中间记忆元件逻辑函数式及执行元件逻辑函数式 步骤五 根据逻辑函数式建立电路结构图 步骤六 进一步完善电路 增加必要的连锁 保护等辅助环节 检查电路是否符合原控制要求 有无寄生回路 是否存在竞争现象等 4 4 4逻辑设计法的设计举例龙门刨床横梁升降自动控制线路设计 不考虑回升 为例 49 龙门刨床 适用于机械加工 模具及其他行业对大 中 小机械零件的平面 端面 斜面 丁型槽 组合导轨面及齿条等的加工 50 51 龙门刨床 具有门式框架和卧式长床身的刨床 龙门刨床主要用于刨削大型工件 也可在工作台上装夹多个零件同时加工 龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动 空行程速度大于工作行程速度 横梁上一般装有两个垂直刀架 刀架滑座可在垂直面内回转一个角度 并可沿横梁作横向进给运动 刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动 横梁可在两立柱上作上下调整 一般在两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架 以扩大加工范围工作台回程时能机动抬刀 以免划伤工件表面 机床工作台的驱动可用发电机 电动机组或用可控硅直流调速方式 调速范围较大 在低速时也能获得较大的驱动力 有的龙门刨床还附有铣头和磨头 变型为龙门刨铣床和龙门刨铣磨床 工作台既可作快速的主运动 也可作慢速的进给运动 主要用于重型工件在一次安装中进行刨削 铣削和磨削平面等加工 52 1 工作循环如图4 24所示 2 根据工作循环图列出状态表 3 决定待相区分组 4 设置中间记忆元件 5 列中间单元及输出元件的一般逻辑函数表达式 图4 24工作循环图 53 上一节已经得出两种输出元件的一般逻辑函数表达式 54 55 图4 25横梁升降电路之一 56 图4 26横梁升降电路之二 57 6 画电路图由于KM U KM D不工作时SBH SBL 0 所以 这样并联对KM U KM D无影响 但可节省SA的一副动合触点 其电路如图4 25所示 58 根据以上关系作电路图如图4 26所示 7 进一步完善电路加上必要的连锁保护等辅助措施 校验电路在各种状态下是否满足工艺要求 最后得到完整电路如图4 27所示 59 图4 27横梁升降电路之三 60 4 5电气控制线路工艺设计基础4 5 1电气设备总体配置设计电气设备总体配置设计任务是根据电气原理图的工作原理与控制要求 将控制系统划分为几个组成部分称为部件 根据电气设备的复杂程度 每一部件又可划成若干组件 如开关电器安装板组件 控制电器组件 控制面板组件 印制电路板组件 电源组件等 根据电气原理图的接线关系整理出各部分的进出线号 并调整它们之间的连接方式 总体配置设计是以电气系统的总装配图与总接线图形式来表示的 61 图中应以示意形式反映出各部分主要组件的位置及各部分的接线关系 走线方式及使用行线槽 管线要求等 总装配图 接线图 根据需要可以分开 也可以并在一起 是进行分部分设计和协调各部分组成一个完整系统的依据总体设计要使整个系统集中 紧凑 同时在空间允许条件下 对发热元件 噪声振动大的电气部件 如热继电器 启动电阻箱等尽量放在离其他元件较远的地方或隔离起来 对于多工位加工的大型设备 62 应考虑两地操作方便 总电源开关 紧急停止控制开关应安放在方便而明显的位置 4 5 2电器元件布置图的设计与绘制 1 电器元件在控制板 或柜 上的布置原则1 体积大和较重的电器应安装在控制板的上面 2 发热元件应安装在控制板的上面 要注意使感温元件与发热元件隔开 3 弱电部分应加屏蔽和隔离 防止强电部分以及外界干扰 63 4 需要经常维护检修操作调整用的电器 例如插件部分 可调电阻 熔断器等 安装位置不宜过高或过低 5 应尽量把外形及结构尺寸相同的电器元件安装在一排 以利于安装和补充加工 而且宜于布置 整齐美观 6 考虑电器维修 电器元件的布置和安装不宜过密 应留一定的空间位置 以利于操作 7 电器布置应适当考虑对称 可从整个控制板考虑对称 也可从某一部分布置考虑对 64 称 具体应根据机床结构特点而定 2 电器元件的相互位置1 电器之间的距离应便于操作和检修 2 应保证各电器的电气距离 包括漏电距离和电气间隙 3 应考虑有些电器的飞弧距离 例如自动开关 接触器等在断开负载时形成电弧将使空气电离 4 5 3电器部件接线图的绘制接线图应按以下原则绘制 65 1 接线图和接线表的绘制应符合GB6988 86中 电器制图 接线图和接线表 的规定 2 所有电器元件及其引线应标注与电气原理图中相一致的文字符号及接线号 原理图中的项目代号 端子号及导线号的编制分别应符合GB9504 85 电气技术中的项目代号 GB4026 83 电器接线端子的识别和用字母数字符号标志接线端子的通则 及GB4884 85 绝缘导线标记 等规定 3 与电气原理图不同 在接线图中同一电器元件的各个部分 触头 线圈等 必须画在 66 一起 4 电气接线图一律采用细线条 5 要清楚地表示出接线关系和接线去向 目前接线图接线关系的画法有两种 第1种 直接接线法 直接画出两个元件之间的连线 对简单的电气系统 电器元件少 接线关系不复的情况下采用 第2种 间接标注接线法 对复杂的电气系统 电器元件多 接线关系比较复杂的情况下采用较多 接线关系采用符号标注 不直接画出两元件之间的联线 67 6 按规定清楚的标注出配线用的不同导线的型号 规格 截面积和颜色 对于同一张图中数量较多而导线的型号 规格 截面积和颜色相同的标注符号可以省略 待数量较少的其他导线标注清楚以后 用 其余用XX线 字样注明即可 7 电气接线图上各电气元件的位置 应按装配图上绘制 偏差不要太大 8 对于板后配线的接线图 应按装配图翻转后的方位绘制 电器元件图形符号应随之翻转 但触头方向不能倒置 以便于施工 68 配线 9 控制板 控制柜的进线和出线 除大线外 必须经过接线板 接线图中各元件的出线应用箭头注明 10 接线板的排列要清楚 便于查找 可按线号数字大小顺序排列 或按动力线 交流控制线 直流控制线分类后 再按线号顺序排列 4 5 4电气柜 箱及非标准零件图的设计电气控制装置通常都需要制作单独的电气控制柜 箱 其设计需要考虑以下几个方面 69 1 根据操作需要及控制面板 箱 柜内各电器部件的尺寸确定电气箱 柜的总体尺寸及结构型式 非特殊情况下 应使总体尺寸符合结构基本尺寸与系列 2 根据总体尺寸及结构型式 安装尺寸 设计箱内安装支架 并标出安装孔 安装螺栓及接地螺栓尺寸 注明配作方式 一般应选用柜 箱用专用型材 3 根据现场安装位置 操作 维修方便等要求 设计开门方式及型式 4 为利于箱内电器的通风散热 在箱体适当 70 部位设置通风孔或通风槽 必要时应在柜体上部设计强迫通风装置与通风孔 5 为便于电气箱 柜的运输 应设计合适的起吊钩或在箱体底部设计活动轮 4 5 5各类元器件及材料清单的汇总在电气控制原理系统设计及工艺设计结束后 应根据各种图纸 对本设备需要的各种零件及材料进行综合统计 按类别列出外购成品件汇总清单表 标准件清单表 主要材料消耗定额表及辅助材料消耗定额表等 以便采购人员 生产管理部门按设 71 备制造需要备料 作好生产准备工作 4 5 6编写设计说明书设计说明书一般应包括以下几部分内容 1 所设计的方案选择依据及本设计的主要技术要点 2 主要参数的计算过程 3 设计任务书中要求各项技术指标的核算与评价 4 主要设备及元器件安装的技术要求 5 设备调试要点 调试方法及注意事项 72 4 6电气控制线路CAD辅助设计随着计算机技术的发展 在工程设计领域应用计算机软件进行设计越来越广泛 尤其在机械 电子 建筑等行业 应用计算机软件进行产品设计的CAD软件也非常丰富 使