第四章 电气控制线路设计基础

1、常用低压电器 电气设计的主要内容 1 电气设计的一般原则 2 2 电气控制线路的经验设计法 3 3 电气控制线路的逻辑设计法 4 4 电气控制线路工艺设计基础 5 5 电气设计的主要内容 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，选择电器元件和设 计电气原理图、装配图及接线图。 电气设计的主要内容电气设计的主要内容 电气设计的主要内容 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； 设计电气原理图设计电气原理图(包括主、辅助电路包括主、辅助电路)； 选择电气元件，制定电气元件

2、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； 编写电气原理说明书和使用说明书。 电气设计的一般内容电气设计的一般内容 电气设计的主要内容 拟定电气设计任务书拟定电气设计任务书 供电系统的电压等级、频率、容量及电流种类。 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)。 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)。 电力拖动的基本特性，(如电动机数量和用途，主要电动机的额定功 率、负载特性、调速范围和方法，

3、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)。 电气设计的主要内容 电电 气气 传传 动动 方方 案案 电气传动系统：电动机，电源，控制器电气传动系统：电动机，电源，控制器 电动机的种类、数量 调速性能 负载特性 起动、制动和反向要求 电气设计的主要内容 电气控制方案电气控制方案 通用化与专用化 分散控制与集中控制 工艺要求：手动调整、工序变更、系统检测、 运动之间的联锁、安全保护、故障诊断、信 号指示、照明、人机关系 电气设计的主要内容 时间控制方式：时间继电器、PLC或微机延 时，时间原则控制 速度控制方式：利用速度继电器或测

4、速发电 机，速度原则的控制。 电流控制方式：电流继电器 行程控制方式：行程开关或接近开关，位置 控制 电气设计的一般原则 最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制 线路的要求线路的要求 在满足生产要求的前提下，力求使控制线路在满足生产要求的前提下，力求使控制线路 简单、经济简单、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 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 电气设计的一般原则 起动按钮和停止按钮直接连接，减少一次引出线 同一电器的不同触点应尽量具有更多的公共接

5、线， 减少导线数和缩短导线的长度 4)尽量减少不必要的触点，简化电路 5)利用逻辑代数进行化简 电气设计的一般原则 合并同类触点 利用转换触点 利用半导体二极管的单向导电性有效减少触头数 电气设计的一般原则 不必要的电路尽量不通电以节约电能，延长电路的 使用寿命 电气设计的一般原则 保证控制线路工作的可靠性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 3)正确连接电器的触点 电气设计的一般原则 电气设计的一般原则 电器的联锁触点接在线圈的左端，线圈的右端直接接电器的联锁触点接在线圈的左端，线圈的右端直接接 电源，减少线圈内产生虚假

6、回路的可能性，简化电气电源，减少线圈内产生虚假回路的可能性，简化电气 柜的出线柜的出线 保证控制线路工作的可靠性保证控制线路工作的可靠性 4)容量不够增加接触器或中间继电器，并联触点增并联触点增 加电路接通的可靠性，串联触点增加电路断开的可加电路接通的可靠性，串联触点增加电路断开的可 靠性靠性 5）频繁操作的可逆线路中，正反向接触器应加重型 接触器，应有电气和机械的联锁 6）避免许多电气依次动作才能接通另一电器的控 制线路 电气设计的一般原则 7）防止触点竞争现象 保证控制线路工作的可靠性保证控制线路工作的可靠性 反身关闭电路反身关闭电路 恢复关闭时间ts 断开时间t1 tst1 反身关闭失败

7、反身关闭失败 电气设计的一般原则 保证控制线路工作的可靠性保证控制线路工作的可靠性 8）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 9）根据电网容量和电压、频率波动范围以及允许的 冲击电流等决定电动机的启动方式 电气设计的一般原则 1.短路保护 2.过电流保护（KI电流值一般不超过2.5Ie ） 3.过载保护（电流通常在1.5 Ie以内） 4、欠电流保护（弱磁保护） 控制线路工作的安全性控制线路工作的安全性 二、电压型保护二、电压型保护 1. 失压保护 2.欠电压保护 3.过电压保护 4. 其它保护 电气设计的一般原则 短路短路 短路电流引起电器设备绝缘损坏和产生强大的

8、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 地断开电源 电气设计的一般原则 过流过流 过流原因：过流原因：不正确的 启动和过大负载 危害：危害：损坏电机换向 器，过大的转矩使机 械转动部件受损 容易产生过流的应用：容易产生过流的应用： 频繁起动和正反转重 复短时工作的电机 电气设计的一般原则 过载过载 电动机长期超载运行，其绕组的温升将超过允许值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。热继电器为保护元件。 热继电器具有反时限特

9、性，受到短路电流冲击不会热继电器具有反时限特性，受到短路电流冲击不会 瞬时动作，需要与熔断器或过流继电器配合使用瞬时动作，需要与熔断器或过流继电器配合使用 电气设计的一般原则 二、电压型保护二、电压型保护 失压失压 危害：电机自动起动可能造成人身事故或设备事故危害：电机自动起动可能造成人身事故或设备事故 (a)按钮控制按钮控制 (b)主令控制器控制主令控制器控制 电气设计的一般原则 二、电压型保护二、电压型保护 弱磁弱磁 直流并励电动机、复励电动机在磁场消失时，会引 起电动机“飞车”。 弱磁保护一般采用弱磁继电器（欠电流继电器 ） 弱磁继电器的吸合值整定为额定励磁电流的0.8倍 释放值为最小励

10、磁电流的0.8倍 电气设计的一般原则 根据生产机械的不同要求 设置温度、水位、欠压等保护环节 其他保护其他保护 极限保护极限保护 直线运动的生产机械常设置有极限保护环节，如上、 下极限，前、后极限保护等。 一般由行程开关的常闭触头来实现。 电气设计的一般原则 操作和维修方便操作和维修方便 备用触头，备用电器元件，以便检修、调 整； 设置电气隔离，避免带电检修； 控制机构应操作简单、便利，从自动控制 转换到手动控制等； 设置多点控制，便于调试； 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 经验设计法经验设计法 根据生产机械对电气控制电路的要求，首

11、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 电气控制线路的经验设计法 经验设计法的基本步骤：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 易于掌握，不易获得最佳方案易于掌握，不易获得最佳方案 电气控制线路的经验设计法 铣床加工的自动控制线路的经验设计法铣床加工的自动控制线路的经验设计法 (1)铣床加工的工艺要求铣床加工的工艺要求 加工前滑台快速移动到加工位置，然后自动改为慢 速进给滑台

12、速度的改变是由齿轮变速机构和电磁铁来 实现（电磁铁吸合时为快进，电磁铁放松时为慢进）； 同时左右动力头对工件进行铣削加工； 滑台达到终点自动停车，由人工操作滑台快速退回； 动力头电机4.5kW，滑台电动机1.1kW； 电气控制线路的经验设计法 需要三台电动机 滑台电动机需要正反转 必要的短路保护和过载保护 主电路设计主电路设计 电气控制线路的经验设计法 控制回路基本设计控制回路基本设计 滑台正反转 滑台正向起动后动力头 电机才能起动，滑台正转 停车后，动力头电机也应 停止 滑台快速到慢速的转变 两个启停线路控制； 由正转线路控制动力 头电机的启停； 由行程开关控制，发 出信号，电磁铁冲击 电流

13、大，需用中间继 电器 电气控制线路的经验设计法 设置原位和终 点行程开关 KM1,KM2互锁 过载保护，短 路保护 辅助电路基本设计辅助电路基本设计 电气控制线路的经验设计法 线路完善线路完善 减少触头数目减少触头数目 电气控制线路的逻辑设计法 将控制线路中的接触器、继电器等电器元件 线圈的通电与断电，触头的闭合与断开，以 及主令元件触头的接通与断开等，作为逻辑 变量； 根据控制要求，用逻辑函数关系式表示这些 逻辑变量之间的逻辑关系； 再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑 函数式进行化简； 最后由化简的逻辑函数式画出相应的电气原 理图 电气控制线路的逻辑设计法 逻辑变量、逻辑函数及运算法则逻

14、辑变量、逻辑函数及运算法则 1. 1. 逻辑变量逻辑变量 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。 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。 电气控制线路的逻辑设计法 表示其相应的常闭触头、用SB SQ KA KM 用 KM、 KA、SQ、 SB分别表示

15、接触器、继电器、 行程开关、按钮的常开触头 以继电器为例： KA“1”，继电器线圈处于得电状态； KA“0”，继电器线圈处于失电状态； KA“1”，继电器常开触头闭合； KA“0”，继电器常开触头断开： “1”，继电器常闭触头闭合； “0”，继电器常闭触头断开。 KA KA 电气控制线路的逻辑设计法 2. 逻辑函数逻辑函数 三种基本逻辑运算与、或、非 电气控制线路的逻辑设计法 逻辑代数的基本运算规则和定律逻辑代数的基本运算规则和定律 1) 基本运算规则 电气控制线路的逻辑设计法 电气控制线路的逻辑设计法 电路的逻辑表示电路的逻辑表示 以某一控制电器的线圈为对象，写出与此对 象有关的电路中各控制

16、元件、信号元件、执 行元件、保护元件等，它们触头间相互联接 关系的逻辑函数表达式（均以未受激时的状 态来表示） 电气控制线路的逻辑设计法 真值表真值表: 将控制线路中输入和输出关系用列表方式表 示出来 _ 21 SBK)(SBK 逻辑函数式逻辑函数式 真值表真值表 电气控制线路的逻辑设计法 继电接触器控制线路的逻辑函数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。 触点控制：开启、关闭、保持 电气控制线路的逻辑设计法 关断优先关断优先 开启优先开启优先 简单的起、保、停简单的起、保、停 电路电路 电气控制线路的逻辑设计法

17、 具有联锁条件的起、停、保电路具有联锁条件的起、停、保电路 起动和停止的约束条件起动和停止的约束条件 电气控制线路的逻辑设计法 设计步骤设计步骤 1）按工艺要求，作出工作循环图或工作示意 图； 2）按工作循环图画出元件状态表； 3）根据状态表，列出执行元件逻辑函数式； 4）简化逻辑关系式，画出电路结构图； 5）检查完善，增必要的连锁、保护环节 电气控制线路的逻辑设计法 开启信号和关断信号的选择形式和原则开启信号和关断信号的选择形式和原则 开启线：输出元件开启通电 关断线：输出元件关断 开启边界线转换主令信号是X开主。若转换主令 信号由常态变为受激，则X开主取其动合触点；若 转换主令信号由受激变

18、为常态，则X开主取其动断 触点。 关闭边界线转换主令信号是X关主。若转换主令 信号由常态变为受激，则X关主取其动断触点；若 转换主令信号由受激变为常态，则X关主取其动合 触点 电气控制线路的逻辑设计法 操作工人按需要按上升（SBH）或下降（SBL）按 钮，横梁夹紧电机向放松方向运行； 完全放松后碰行程开关SA，横梁转入上升或下降， 控制升降电机的接触器KM-U或KM-D工作； 达到需要位置时松开SBH或SBL，横梁停止移动， 自动夹紧； 当夹紧力达到一定程度时，过电流继电器（KS） 动作，夹紧电机停止工作 工艺流程工艺流程 电气控制线路的逻辑设计法 工作循环图工作循环图 电气控制线路的逻辑设计

19、法 特征数特征数由由 检测元件检测元件 构成的二进制数构成的二进制数 特征数决定了检测元件的状态也决定了线路的输 出状态。不同的程序之间，特征数不能相同。 程序与程序间的特征数相同称为待相分区组，特 征数互不相同的程序叫做相分区组。 必须将待相分区组增加新的特征数，使其成为相 分区组。 电气控制线路的逻辑设计法 设置中间记忆元件设置中间记忆元件中间继电器，使待相区分组中间继电器，使待相区分组 成为相区分组成为相区分组 第三程序和第四程序中都有特征数0 0 0，为待相分区 组，因此必须设置中间继电器K来增加特征数。 若第三程序K为1，第四程序K为0，则将待相区分组 转化为相区分组。 原特征数原特

20、征数K 新特征数第三程序新特征数第三程序 0 0 0 1第四程序第四程序 0 0 0 0 由于KM-B本身就具有记忆功能，可替代K，以省去一 中间继电器。 由KM-B、SA、KS和SBH/SBL组成1000特征数，因 而 第三程序需要自锁第三程序需要自锁 。 电气控制线路工艺设计基础 电气设备总体配置设计电气设备总体配置设计 要使整个系统集中、紧凑、安全、可靠要使整个系统集中、紧凑、安全、可靠 对发热元件，噪声振动大的电气部件尽量放在离其他 元件较远的地方或隔离起来； 对于多工位加工的大型设备，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。 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 电气控制线路工艺设计基础 电器元件布置图的设计与绘制电器元件布置图的设计与绘制 (1)电器元件在控制板电器元件在控制板(或柜或柜)上的布置原则上的布置原则 1)体积大和较重的电器应安装在