电气控制系统设计与装调实训指导书(改)

1、武汉职业技术学院机电工程学院电气控制系统设计与装调实训指导书主编：王心宇 审核：鲍方2013/3/26目 录第一章 常用控制电器41.1 手动电器41.1.1 手动主令电器41.1.2 低压隔离器71.1.3 低压断路器71.2 自动电器91.2.1 接触器91.2.3 行程开关121.2.4 熔断器13第二章 电气控制系统的基本环节142.1 异步电动机起动控制电路142.1.1 直接起动控制电路142.1.2 降压起动控制电路152.2 异步电动机正反转控制电路172.2.1 电动机正反转的按钮控制182.2.2 电动机正反转行程控制182. 3 异步电动机制动控制电路192.3.1 能耗

2、制动控制电路192.3.2 反接制动控制电路（图2-9）202.4 组成控制电路的基本规律212.4.1 按联锁控制的规律21第三章 电气控制系统的设计233.1 电气控制设计的基本任务233.1.1 电气控制系统设计的基本要求233.1.2 电气控制系统设计的基本内容和设计步骤233.2 电气原理图设计的一般原则25第四章 电气原理图的设计方法及设计实例304.1 分析设计法304.2 逻辑设计法32第五章 绘制电气原理图的基本要求345.1 常用电气图形符号及文字符号的国家标准345.2 电气原理图的绘制原则35第六章 实训操作37实训项目一 M7130平面磨床电气控制线路37实训项目二

3、Z3040摇臂钻床电气控制线路39实训项目三 刀架的自动回转电路41实训项目四 C6140普通车床电气控制42实训项目五 C650车床电气控制46实训项目六 T68卧式镗床电气控制线路48实训项目七 X62W床电气控制52实训项目八 机床电路与PLC连线5763第一章 常用控制电器1.1 手动电器1.1.1 手动主令电器主令电器是用于发布控制指令的电器。（1）按钮按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。在低压控制电路中，用于发布手动控制指令。控制按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成。其外形、结构示意及文字符号如图1-1所示。图 1-1目前使用较多的产品有LAl8、LAl9、LA20、

4、LA25和LAY3等系列。按钮不同的颜色代表不同的含义。如图1-2图 1-2一般用：（1）红色表示停止和急停；（2）绿色表示起动；（3）黑色表示点动；（4）蓝色表示复位，当复位按钮还有停止的作用时，则必须是红色。（5）启动与停止交替按钮： 必须是黑色、 白色或灰色， 不得使用红色和绿色。 另外还有黄、白等颜色，供不同场合使用。有的按钮需要插入插入钥匙才能操作，还有的按钮带指示灯。如图1-3所示。图 1-3随着计算机技术的不断发展，控制按钮又派生出用于计算机系统的弱电按钮新产品，如SJL系列弱电按钮，其具有体积小、操作灵敏等特点。按钮的选用要考虑其使用场合，对于控制直流负载，因直流电弧熄灭较交流

5、困难，故在同样的工作电压下，直流工作电流应小于交流工作电流。（2）组合开关组合开关又称转换开关，一般用于电气设备电源引入开关，也可用于非频繁地通断电路、换接电源和负载，测量三相电压以及控制小容量感应电机。图 1-4（3）万能转换开关万能转换开关是一种多档位、控制多回路的组合开关，用于控制电路发布控制指令或远距离控制，也可作为电压表、电流表的换相开关或作为小容量电动机的起动、调速和换向控制。由于其换接电路多，用途广泛，故又称为万能转换开关。目前常用的万能转换开关有LW5、LW6等系列。 LW6系列万能转换开关由操作机构、面板、手柄及触头座等主要部件组成，其操作位置有212个，触头底座有110层，

6、其中每层底座均可装三对触头，并由底座中间的凸轮进行控制。由于每层凸轮可做成不同的形状，因此，当手柄转动到不同位置时，通过凸轮作用，可使各对触头按所需要的规律接通和分断。LW6系列万能转换开关还可装成双列型式，列与列之间用齿轮啮合，并由一个公共手柄进行操作，因此，这种转换开关装入的触头最多可达60对。 图1-4为LW6系列转换开关中某一层的结构原理示意图。其文字符号为SA。各档位电路通断状况表示有两种方法：图形表示法：用图1-4图形法表示电路通断状况。 5 6在右位时仅2路接通，在左位时仅1路接通，在零位时1、3两路接通。1.1.2 低压隔离器低压隔离器是指在断开位置能符合规定的隔离功能要求的低

7、压机械开关电器，而隔离开关的含义是在断开位置能满足隔离器隔离要求的开关。近十余年来，隔离开关和隔离器的发展非常迅速，常用产品除了HD11HDl4及HS11HS13（B）系列外，很多都是新开发或引国外技术生产的新产品，这些产品在结构及技术性能上都较好，代表相当的领先水平。 刀开关是结构最简单，应用最广泛的一种手动隔离开关电器。在低压电路中作为不频繁接通和分断电路用，或用来将电路与电源隔离。 图1-61.1.3 低压断路器低压断路器又称作自动空气断路器，简称自动空气开关或自动开关。允许切断短路电流，但允许操作的次数较低，不适宜频繁操作。低压断路器按结构形式分为万能式和塑料外壳式两类。 图 1-7图

8、 1-8图 1-9图 1-10如图1-10为断路器原理图。正常工作时主触头1串联于主电路，处于闭合状态，此时锁键2由搭钩3勾住。锁键2被扣住后，分断弹簧13被拉长，为开断作准备。过电流脱扣器12的线圈串联于主电路，当电流为正常值时，衔铁吸力不够，处于打开位置。当电路电流超过规定值时，电磁吸力增加，衔铁11吸合；电压过低（欠电压），衔铁7释放；过载时双金属片10向上弯曲；三者都通过杠杆5使搭扣3脱开，由主触头1切断电路。1.2 自动电器1.2.1 接触器接触器是用利用电磁吸力的作用来使触头闭合或断开大电流电路（电动机或其他负载主电路）自动切换电器。实现远距离的自动控制。主要用于控制电机、电热设备

9、、电焊机、电容器组等。它具有低电压释放保护功能。在电力拖动自动控制中被广泛应用。通常分为交流接触器与直流接触器。（1）交流接触器图 1-11CJ10系列适用于机床电气控制设备，CJ12系列适用于冶金、轧钢及器重电气设备控制系统。EB，EH系列交流接触器为ABB公司生产的新系列接触器，该系列接触器可与T系列热过负载继电器组成磁力起动器，供电动机控制及过负载，断相及失压保护用。 交流接触器组成：电磁机构：线圈、动铁心（衔铁）和静铁心触头系统：三对或四对主触头，通常有两对常开常闭辅助触头灭弧装置：容量在10A以上的都有灭弧装置其他部件：反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构等 （2）直流接触器

10、直流接触器是通用性很强的电器，除用于频繁控制电机外，还用于各种直流电磁系统中。随控制对象及其运行方式不同，接触器的操作条件也有较大差别。1.2.2 继电器继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制电器。由承受、中间和执行机构三部分组成。承受机构反映继电器的输入量，并传递给中间机构，将它与预定的量即整定值进行比较，当达到整定值时，中间机构就使执行机构产生输出量，用于控制电路的开、断。继电器通常触头容量较小，接在控制电路中，主要用于反应控制信号，是电气控制系统中的信号检测元件；而接触器触头容量较大，直接用于开、断主电路，是电气控制系统中的执行元件。 （1）电流继电器电流继电器的线圈与被测量

11、电路串联，以反映电路电流的变化，其线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。这样通过电流时的压降很小，不会影响负载电路的电流，而导线粗电流大仍可获得需要的磁势。电流继电器又有欠电流和过电流继电器之分。图 1-12（2）电压继电器电压继电器的线圈与负载并联以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。根据动作电压值不同，电压继电器有过电压、欠电压和零电压继电器之分。 图 1-13（3）中间继电器中间继电器在结构上是一种电压继电器，是用来转换控制信号的中间元件。输入的是线圈的通断电信号，输出信号为触头的动作。其触头数量较多，各触头的额定电流相同额定电流510A，动作灵敏度高。中间继电器通常用来放大信号，增加控制电路

12、中控制信号的数量，以及作为信号传递、连锁、转换以及隔离用。图 1-14（4）时间继电器凡是在敏感元件获得信号后，执行元件要延迟一段时间才动作的电器叫做时间继电器，时间继电器是检测时间间隔的自动切换电器。线圈动作后，触头经过延时才动作，这类触头称为延时触头。此外，目前多数时间继电器附有瞬时触头。时间继电器种类很多，按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式。按延时方式时有通电延时和断电延时型。 图 1-15空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时。由直动式双E型铁心电磁机构、气囊式阻尼器延时机构和LX5型微动开关触头系统三部分组成。通电延时型与断电延时型仅是电磁铁倒置1800安装

13、的，它们工作原理相似。（5）热继电器利用电流的热效应原理实现电动机的过载保护的一种自动电器。它能在电动机过载时自动切断电源，使电动机停车。热继电器具有反时限保护特性，其保护特性如表1-1所示。 表 1-1图 1-16（6）速度继电器用来反映转速和转向的自动电器。常用于鼠笼式异步电动机反接制动电路。又称为反接制动继电器。图 1-171.2.3 行程开关行程开关是根据运动部件的行程位置而切换电路的自动电器，它的功能是感测运动部件的机械位移并转换成电信号。图 1-181.2.4 熔断器熔断器是一种最简单有效而价廉的保护电器，是利用金属的溶化作用来切断电路的，通常串接在被保护的电路中，作为电路及用电设

14、备的短路或严重过载的保护元件。熔断器是由熔体和熔座组成，熔体（熔片或熔丝）用电阻率较高的易熔合金铅锡合金制成，也可用截面积甚小的良导体铜、银制成。图 1-19第二章 电气控制系统的基本环节 2.1 异步电动机起动控制电路三相异步电动机结构简单、运行可靠、维修方便。与同容量的直流电机比较，具有体积小、重量轻、转动惯性小的特点。因此得到广泛应用。异步电动机有直接起动和降压起动两种方式。在供电变压器容量足够大时，异步电机可直接起动，否则应采用降压起动方式。2.1.1 直接起动控制电路（1）开关直接起动（图2-1）起动 电源接通QS置“开”Þ 电动机得电起动停止 QS置“关” Þ电

15、动机失电自由停止问题 无过载保护；电机起动后，突然停电，来电后会自然起动，可能会造成危险。对小型台钻、冷却泵、砂轮机等，可用开关直接起动。 （2）接触器直接起动如图2-2所示。对中小型普通车床的主电动机采用接触器直接起动。起动：合QS 按SB2 ßKM线圈得电 ß ß辅助常开 主触头KM 触头KM（6） （3）闭合闭合自锁（保） ß 电机起动SB2+KM通常称KM为自锁触头。其作用是当松开SB2后 ，吸引线圈KM通过其辅助常开触头可以继续保持通电，此控制电路称为自（保）锁电路。SB2+KM零（欠）压保护。FR过载保护。FU短路保护。停止：按SB1

16、2;KM Þ电机停（3）逻辑分析法为了便于用逻辑代数描述电路，对电器元件状态的逻辑表示做如下规定：用KA、KM、SQ、SB分别表示继电器、接触器、行程开关 、按钮的常开 （动合）触头；用、表示其相应的常闭（动断）触头。电路中开关元件的受激状态（如继电器线圈得电，行程开关受压）为“1” 状态；触头闭合状态为“1”状态，断开状态为“0”状态。例图2-2的控制电路，写出其逻辑表达式： 由表达式可知：只有在FR、SB1都闭合（未受激），并且SB2和KM有任一个闭合（动作）时，KM 才得电。（4）多地点控制在较大的设备上，为方便操作，常要求能在设备的多个地点进行控制。如图2-3所示为三地点控制

17、。图中SB1为急停按钮，用于紧急情况下停车操作。 图 2-32.1.2 降压起动控制电路 降压起动，就是起动时降低加在电机定子绕组上的电压，来限制起动电流，当电机起动到接近额定转速时，再将电压恢复到额定值。对容量较大的异步电动机，一般都采用降压起动方式。生产设备中最常见用星-三角形降压起动和定子串电阻降压起动。（1） 星-三角（Y-）降压起动控制电路（图2-4）这种起动方法仅适用于电机正常运行时绕组为形联接的异步电动机，起动时接成Y形，起动完毕时再自动换接成形运行。图 2-4这种起动方法仅适用于电机正常运行时绕组为形联接的异步电动机，起动时接成Y形，起动完毕时再自动换接成形运行。工作过程如下：

18、1） 按下启动按钮SB2后，电源通过热继电器FR的动断接点、停止按钮SB1的动断接点、形连接交流接触器KM2常闭辅助触头，接通时间继电器KT的线圈使其动作并延时开始。此时时间继电器KT虽已动作，接点应断开，但其延时接点是瞬间闭合延时断开的（延时结束后断开），同时通过此KT延时接点去接通Y形连接的交流接触器KM3的线圈回路，则交流接触器KM3带电动作，其主触头去接通三相绕组，使电动机处于Y形连接的运行状态；KM3辅助常开触头闭合去接通主交流接触器KM1的线圈。2） 主交流接触器KM1带电启动后，其辅助触头进行自保持功能（自锁功能）；而KM1的主触头闭合去接通三相交流电源，此时电动机启动过程开始。

19、3）当时间继电器KT延时断开接点（动断接点）KT的时间达到（或延时到）电动机启动过程结束时间后，时间继电器KT接点随即断开。4） 时间继电器KT接点断开后，则交流接触器KM3失电。KM3主触头切断电动机绕组的Y形连接回路；同时接触器KM3的常闭辅助触头闭合，去接通形连接交流接触器KM2的线圈电源。5） 当交流接触器KM2动作后，其主触头闭合，使电动机正常运行于形连接状态；而KM2的常闭辅助触头断开使时间继电器KT线圈失电，并对交流接触器KM3联锁。电动机处于正常运行状态。6） 启动过程结束后，电动机按形连接正常运行。星-三角降压起动的优点在于星形起动电流是原来三角形接法的1/3，电路简单，价格

20、便宜。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，适用于空载或轻载状态下起动。（2）定子串电阻降压起动控制（图2-5）起动时在定子电路中串电阻，使绕组电压降低，起动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。这种起动方式不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型生产机械中应用较广。图 2-5工作过程如下：1） 按下启动按钮SB2后，交流继电器KM1，KM1（3）闭合，KM1（6）闭合，此时电动机M串联R开始转动。时间继电器KT线圈得电,为随后的操作做好准备。2） 时间继电器KT因为通电延时时间继电器，所以经过一段时间延时后，KT（6）闭合，KM2线圈得电，KM2（3

21、）闭合，使R短路，此时电动机为全压运行。电机在正常运行期间，KM1、KT一直处于有电状态，这是不必要的，可改为图1-60（b）形式。 上述降压起动控制电路，都采用了时间继电器延时动作到全压运行的自动切换，这种控制方式称为“按时间原则” 的自动控制 。2.2 异步电动机正反转控制电路 生产机械工作部件常需要作两个相反方向的运动，大都靠电动机正反转来实现。实现电动机正反转的原理很简单，只要将电动机的三相电源中的任意两相对调（改变相序）就可使电动机反向运转。2.2.1 电动机正反转的按钮控制图2-6为正反转按钮控制的典型电路。在主电路中，KM1、KM2触头接法不同，可改变电源的相序。图 2-6图2-

22、6（a）的工作原理：按下正转按钮SB2，KM1线圈得电，KM1（3）主触点闭合，电机开始正转，同时KM1（7）辅助常闭点断开，与KM2互锁。此图要使电机反转，必须先停止电机（按下停止按钮SB1），再按下反转按钮SB3，此时KM2线圈得电，KM2（4）主触点闭合，KM2（6）辅助常闭点断开，与KM1互锁，电机开始反转。在生产实践中，为了减少辅助工时，要求直接实现正反转控制。可采用（b）图形式， 用复合按钮代替单触头按钮，并将复合按钮的常闭触头分别串接对方接触器控制电路中（互锁）。即不使用停止按钮过渡而直接控制正反转。但仅用于小容量电机，且拖动的机械装置转动惯量又较小的场合。 2.2.2 电动机正

23、反转行程控制在生产实践中，有些生产机械的工作台需要自动往返运动，它是利用行程开关实现电动机自动正反转的，通常叫做“行程控制” 原则。图2-7为行程开关控制的正反转电路。它与按钮控制正反转电路相似。只是增加了行程开关的复合触头SQl、SQ2。这种电路适用于铣床、龙门刨床、组合机床工作台的正反行程控制。 图 2-7在控制电路中，行程开关SQ3、SQ4用作极限位置保护；以防止SQl、SQ2可能失效而引起的事故。 2. 3 异步电动机制动控制电路 异步电动机从切除电源到停转要有一个过程，需要一段时间。许多生产机械要求停车时精确定位或尽可能减少辅助时间，必须采取制动措施。制动停车的方式有机械制动和电气制

24、动两大类，机械制动是采用机械施闸来实现制动；电气制动是使电动机产生一个与转子原来转动方向相反的力矩来实现制动，常用的电气制动方式有能耗制动和反接制动。 2.3.1 能耗制动控制电路能耗制动是指在异步电动机刚切除三相电源之后，在定子绕组中接入直流电源。由于转子切割固定磁场产生制动力矩，使电机的动能转变为电能并消耗在转子的制动上，故称能耗制动。当转于转速为零时，切除直流电源。图2-8（a）、（b）分别是用复合按钮手动控制和用时间继电器自动控制的能耗制动电路。 图 2-8图（b）制动过程：工作时KM1线圈失电，KM2线圈得电，KT线圈得电。 制动过程开始前，电机正常转动。按下SB2后，KM1线圈失电

25、，KM2线圈得电，KT线圈得电。KM1（3）主触点和KM1（7）辅助常开触点断开，从而切断交流电源。同时KM2（4）主触点闭合接通直流电源以及KT（9）线圈得电。经过延时后，KT（8）常闭触点断开，KM2线圈失电，KM2（4）断开切断直流电源，制动结束。2.3.2 反接制动控制电路（图2-9）工作时KM1线圈得电，KR运行， KM2线圈失电。图 2-9制动过程开始前，电机正常转动。按下SB1后，KM1线圈失电，KM1（3）主触点断开，切断正传电源。同时KM2线圈得电，此时KM2（4）主触点闭合，KM2（9）辅助常开触点闭合，电动机反接制动开始。当电机转速n0时，KR失电，KM2（4）失电。KR

26、与电机转子同轴连接，当转速达到120r/min以上时，其常开触头闭合，当制动到电动机转速小于100r/min时，触头断开，恢复原位。反接制动时，转子与旋转磁场的相对转速接近转子转速的两倍，因此，制动力大，对设备冲击大，若速度继电器动作不可靠时，可能引起的反向再起动，因此，反接制动方法主要用于不频繁起动、制动并对停车位置无准确要求而且传动机构能承受较大冲击的设备中，如铣床、镗床、中型车床等机床。为减小制动电流，在电动机主电路中串接限流电阻R，可防止制动时电动机绕组过热。反接制动过程的结束由电动机转速来控制,这种由速度达到一定值而发出转换信号的控制方式称为“按速度原则”的自动控制。 2.4 组成控

27、制电路的基本规律 2.4.1 按联锁控制的规律（1）正反向接触器间的联锁控制 如果电路中有两个接触器KM1、KM2不能同时接通，就将的各自的常闭触头分别串在对方线圈控制电路中，KM1、KM2的常闭触头称为联锁或互锁触头，用复合按钮代替单触头按钮，并将复合按钮的常闭触头分别串接对方接触器控制电路中也可实现互锁，常用在电动机正反转控制中，以防电源短路。如图2-10。 图 2-10（2）顺序起动控制电路生产机械常要求各运动部件之间能够实现按顺序工作。控制对象对控制系统提出了按顺序工作的联锁要求。如图2-11是油泵电机先起动，主电机才能起动的控制电路。图（a）是简化电路。图 2-11（3）连续工作（长

28、动）与点动控制电路 生产机械在工作时需要连续运转，即所谓长动。但在试车调整及快速移动时，需要点动。长动可用自锁电路实现，取消自锁触头或使自锁触头不起作用就可实现点动。 如图2-12所示图 2-12（a）图为按钮联锁实现长动与点动的控制电路；此电路若接触器的释放时间较长，这一电路可能无法工作。（b）为用开关SA实现长动与点动转换的控制电路；（c）为用中间继电器实现长动与点动的控制电路。 第三章 电气控制系统的设计前两章掌握了一些典型单元控制电路和对典型生产机械电气控制系统进行了分析，在此基础上，本章讨论电气控制系统的设计过程。电气控制系统设计要求具有较丰富的实践经验。这里仅讨论设计中的一般共性问

29、题。讨论继电器-接触器控制电路的设计方法，同时为学习PLC控制系统打下良好的基础。3.1 电气控制设计的基本任务电气控制系统设计的基本任务是根据生产机械对控制系统的要求，设计和编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图纸、资料，包括电气原理图、电气元器件布置图、安装接线图等，编制外购元器件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等资料。3.1.1 电气控制系统设计的基本要求由于系统从初步设计、技术设计到产品设计过程中的每一个环节都与产品质量和成本密切相关，因此设计工作首先要树立科学的设计思想，树立工程实践的观点。正确的设计思想和工程观点是高质量完成设计任务的保证。电气控制系统设计的基本要求是： 熟悉所

30、设计设备的总体技术要求及工作过程，取得电气设计的依据，最大限度地满足生产机械和工艺对电气控制系统的要求。 优化设计方案，妥善处理机械与电气的关系，通过技术经济分析，选用性能价格比最佳的电气设计方案，在满足要求的前提下，设计简单合理、技术先进、工作可靠、维修方便的电路。 正确合理地选用电器元件，尽可能减少元件的品种和规格。 取得良好的MTBF（平均无故障时间）指标，确保使用的安全可靠。 谨慎积极地采用新技术、新工艺。 设计中贯彻最新的国家标准。 3.1.2 电气控制系统设计的基本内容和设计步骤 以电力拖动控制系统设计为例，电气控制系统的设计包含原理设计与工艺设计两个基本部分，现分述如下：一、电气

31、控制系统的原理设计电气控制系统原理设计内容主要包括：（1） 拟订电气控制设计任务书（技术条件）设计任务书是整个系统设计的依据，又是今后设备竣工验收的依据，以技术协议形式予以确定。电气控制设计任务书中，除简要说明所设计设备的型号、用途、工艺过程、动作要求，传动参数、工作条件外还应说明以下主要技术指标及要求： 控制精度、生产效率要求； 电气传动基本特性如运动部件数量、用途，动作顺序，负载特性、调速指标、起动、制动要求； 自动化程度要求； 稳定性及抗干扰要求； 联锁条件及保护要求； 电源种类、电压等级、频率及容量等要； 目标成本与经费限额； 验收标准及验收方式；其它要求如设备布局、安装要求、操作台布

32、置、照明、信号指示、报警方式等等。（2）选择拖动方案与控制方式所谓电力拖动方案是指根据生产机械的结构、生产工艺要求，确定电动机的类型、数量、传动方式等。例如，在研制某些高效率专用加工机床时，可以采用交流拖动也可以采用直流拖动，可用集中拖动也可以采用分散拖动，要根据以上各方面因素综合考虑、比较作出选择。拖动方案确定之后，采用什么方法去实现这些控制要求就是控制方式的选择问题。随着电气技术、电子技术、计算机技术、检测技术以及自动控制理论的迅速发展和机械结构与工艺水平的不断提高，已使生产机械电力拖动的控制方式发生了深刻的变革。从传统的继电-接触器控制向顺序控制、可编程逻辑控制、计算机联网控制等方面发展

33、，各种新型的工业控制器及标准系列控制系统也不断出现，可供选择的控制方式较多，系统复杂程度差异也很大。 （3）确定电动机的类型、容量、转速，并选择具体型号 拖动方案决定以后，就可以进一步选择电动机的类型、数量、结构形及容量、额定电压与额定转速等要求。电动机选择的基本原则是： 电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载特性相适应，以保证加工中运行稳定并具有一定的调速范围与良好的起动、制动性能。 工作过程中电动机容量能得到充分利用，即温升尽可能达到或接近额定温升值。 电动机的结构形式应满足机械设计的安装要求，并能适应周围环境工作条件。在满足设计要求情况下优先考虑采用结构简单，价格便宜，使用维

34、护方便的交流异步电动机。正确选定电动机容量是电动机选择中的关键问题。电动机容量计算的基本步骤是：首先根据生产机械提供的功率负载图p=f（t）或转矩负载图M=f（t），预选一台电动机，然后根据负载进行发热校验，将校验结果与预选电动机参数进行比较，若发现预选电动机的额定容量太大或太小，再重新选择，直到电动机容量得到充分利用（电动机的稳定温升接近其额定温升），最后再校验其过载能力与起动转矩是否满足拖动要求。（4）设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟订各部分技术要求。（5）设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数。（6）选择电气元件，制订元器件目录清单。（7）编写设计说明书。 电气原理图是整个

35、设计的中心环节，因为它是工艺设计和制订其它技术资料的依据。二、电气控制系统的工艺设计 工艺设计的主要目的是便于组织电气控制装置的制造，实现原理设计要求的各项技术指标，为设备的调试、维护、使用提供必要的图纸资料。工艺设计主要内容是：（1）根据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、电器箱各组件、操作台、电源以及检测元件的分布状况和各部分之间的接线关系与联接方式。（2）按照原理框图或划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理图，列各部分的元件目录表，并根据总图编号统计出各组件的进出线号。（3）根据组件原理电路及选定

36、的元件目录表，设计组件装配图（电器元件布置与安图）、接线图，图中应反映各电器元件的安装方式与接线方式。（4）根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准的电器安装零件图纸，标明技术要求。（5）设计电气箱。根据组件尺寸及安装要求确定电气箱结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热以及开门方式。在电气箱设计中，应注意操作维护方便与造型美观。（6）根据总原理图、总装配图及各组件原理图等资料，进行汇总，分别列出外购件清单，标准件清单以及主要材料消耗定额。（7）编写使用维护说明书。 3.2 电气原理图设计的一般原则当电力拖动方案和控制方案确定后，就可以进行电气控制原

37、理图的设计。电气控制原理图的设计是电力拖动方案和控制方案的具体化。电气控制原理图的设计没有固定的方法和模式，作为设计人员，应开阔思路，不断总结经验，丰富自己的知识，设计出合理的、性价比高的电气控制原理图。一般在设计时应遵循以下原则： （一）应最大限度地实现生产机械和工艺对控制电路的要求 生产机械和工艺对电气控制系统的要求是电气原理图设计的主要依据，这些要求常常以工作循环图、执行元件动作节拍表、检测元件状态表等形式提供，对于有调速要求的场合，还应给出调速技术指标。其它如起动、转向、制动、照明、保护等要求，应根据生产需要充分考虑。出现事故时需要有必要的保护及信号预报以及各部分运动要求有一定的配合和

38、联锁关系等。生产工艺要求一般是由机械设计人员提供，可能有时所提供的仅是一般性原则和意见，这时电气设计人员就需要对同类或接近产品进行调查、分析、综合，然后提出具体、详细的要求，征求机械设计人员意见后，作为设计电气控制原理图的依据。 另外，在科学技术飞速发展的今天，对电气控制系统的要求越来越高，而新的电器元件和电气装置，新的控制方法层出不穷，如智能式的断路器、软启动器、变频器等。 电气控制系统的先进性总是与电器元件的不断发展、更新紧密地联系在一起的，电气设计人员应不断密切关心电机、电器技术、电子技术的新发展，不断收集新产品资料，更新自己的知识，以便更及时应用于控制系统的设计中，使控制系统在技术指标

39、、稳定性、可靠性等方面得到进一步提高。 （二）在满足控制要求的前提下，控制方案应力求简单、经济 （1）尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过得电路和环节 （2）尽量缩减连接导线的数量和长度 设计电气控制原理图时，应考虑到各元件之间的实际接线特别要注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线，如图3-1所示。一般都将起动按钮和停止按钮直接连接，这样就可以减少一次出线，如图3-1（b）所示。图3-1（a）所示的接线是不合理的。因为按钮在操作台上，而接触器在电气柜内，这样接线就需要由电气柜二次引出接线到操作台的按钮上。图 3-1（3）尽量缩减电器元件的品种、规格和数量 尽可能采用性能优良、价格便宜的新型

40、器件和标准件，同一用途尽可能选用相同型号。 （4）应减少不必要的触头以简化电路 在复杂的继电接触控制电路中，各类接触器、继电器数量较多，使用的触头也多，电路设计应注意： 主辅触头的使用量不能超过限定对数，因为各类接触器、继电器的主副触头数量是一定的。设计时应注意尽可能减少触头使用数量。因控制需要触头数量不够时，可以采用逻辑设计化简方法，改变触头的组合方式以减少触头使用数量，或增加中间继电器来解决。图3-2（b）比图3-2（a）就节省一对触头检查触头容量是否满足控制要求，避免因使用不当而出现触头烧坏、粘滞和释放不了的故障，要合理安排接触器主副触头的位置，避免用小容量继电器触头去切断大容量负载。总

41、之，要计算触头断流容量是否满足被控制负载的要求，以保证触头工作寿命和可靠性。 利用半导体二极管的单向导电性来有效地减少触头数，对于弱电控制电路，这样做既经济又可靠。如图3-3所示。 在控制电路图设计完成后，宜将电路化成逻辑代数式验算，以得到最简化的电路。 （5）控制电路在工作时，除必要的电器必须通电外，其余的尽量不通电使这些电器处在短时工作制，延长电器的使用寿命和减少故障。以异步电动机降压起动的控制电路为例（参看图2-4）。如图3-4（a）所示，在电动机起动后时间继电器KT就失去了作用，接成图3-4（b）电路时可以在起动后切除KT的电源。如图3-4（a）所示，在电动机起动后时间继电器KT就失去

42、了作用，接成图3-4（b）电路时可以在起动后切除KT的电源。（三）保证控制电路工作的可靠和安全 为了保证控制电路工作可靠，最主要的是选用可靠的元件，如尽量选用机械和电气寿命长、结构坚实、动作可靠、抗干扰性能好的电器。同时在具体电路设计时应注意以下几点。 （1）正确连接电器元件及触头位置 对一个串联回路，各电器元件或触头位置互换，并不影响其工作原理，但从实际连线上却影响到安全、节省导线等方面的问题。如图3-5两种接法所示。两者工作原理相同，采用图3-5（a）接法，同一SQ的常开和常闭触头靠得很近，如果分别接在电源的不同相在触头断开时，产生电弧时很可能在两触头间形成飞弧而造成电源短路，此外绝缘不好

43、时也会引起电源短路。而且这种接法电气箱到现场要引出四根线，很不合理，图3-5（b）所示的接法较合理。 （2） 正确连接电器线圈在交流控制电路中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，而每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，两个电器动作总是有先有后，不可能同时吸合，引起工作不可靠。 如图3-6所示。假如交流接触器KMl先吸合，由于KMl的磁路闭合，线圈的电感显著增加，因而在该线圈上的电压降也相应增大，从而使另一个接触器KM2的线圈电压达不到动作电压，因此，多个电器需要同时动作时其线圈应该并联连接。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

44、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。 （3）在控制电路中应避免出现寄生电路 在控制电路的动作过程中，那种意外接通的电路叫寄生电路（或叫假回路）。图3-7所示是一个具有指示灯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。但当热继电器FR动作时，电路就出现了寄生电路如图中虚线所示，使正向接触器KMl不能释放，起不了保护作用。（4）在电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电路 如图3-8（a）所示，正确接线如图3-8（b）所示。 （5）防止电路出现触头竞争现象 电器动作过程与时间关系图称为时间图

45、,如图3-9所示。继电器或接触器线圈在点1时接通，但其触头要到点2才闭合（或打开）： t1 = 12 吸引时间而线圈在3断电，触头到4才打开（或闭合）： t2 = 34 释放时间考虑电器元件的动作时间，同一信号控制几个电器，对时序电路来说，就会得到几个不同的输出状态。这种现象称为电路的“竞争”。对于开关电路，由于电器元件的释放延时作用，也会出现开关元件不按要求的逻辑功能输出的可能性，称这种现象为“冒险”。“竞争”与“冒险”现象都将造成控制回路不能按要求动作，引起控制失灵。（6）防止误操作带来的危害 对一些重要的设备应仔细考虑每一控制程序之间必要的联锁，即使发生误操作也不会造成设备事故。如在频繁

46、操作的可逆电路中，正、反向接触器之间不仅要有电气联锁，而且要有机械联锁。（7）设计的电路应能适应所在电网情况 根据电网容量的大小，电压、频率的波动范围以及允许的冲击电流数值等决定电动机采用直接起动还是间接起动方式。（8）考虑故障状态下，设备的自动保护作用应根据设备特点及使用情况设置必要的电气保护。一般均有过载、短路、过流、过压、失压等保护环节。 （四）应尽量使操作和维修方便 电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便。能迅速和方便地由一种控制形式转换到另一种控制形式。电控设备应力求维修方便。使用安全，并有隔离电器，以免带电维修。例如设置必要的显示，随时反映系统的运行状态与关键参数，考虑到刀具调

47、整与运动机构修理必要的单机点动、单步及单循环动作，必要的照明，易损触头及电器元件的备用等等。 第四章 电气原理图的设计方法及设计实例4.1 分析设计法 根据生产工艺要求，利用各种典型的电路环节，直接设计控制电路。这种设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉大量的控制电路，掌握多种典型电路的设计资料，同时具有丰富的设计经验，在设计过程中往往还要经过多次反复地修改、试验，才能使电路符合设计的要求。即使这样，设计出来的电路可能不是最简，所用的电器及触头不一定最少，所得出的方案不一定是最佳方案。此方法无固定的设计程序，设计方法简单，容易为初学者掌握。当经验不足时或考虑不周时会影响电路工作的可靠性。分析

48、设计法，由于是靠经验进行设计的，因而灵活性很大，初步设计出来的电路可能是几个，这时要加以比较分析，甚至要通过实验加以验证，才能确定比较合理的设计方案。这种设计方法没有固定模式，通常先用一些典型电路环节拼凑起来实现某些基本要求，而后根据生产工艺要求逐步完善其功能，并加以适当的联锁与保护环节。前面已给出了基本的电气控制电路，讨论了基本的电气控制方法，分析了常用的典型控制电路。在此基础上，通过下面一个实际例子来说明电气控制电路的一般设计方法。以龙门刨床（或立车）横梁升降自动控制电路设计，说明分析设计法的设计过程。这种机构无论在机械传动或电力传动控制的设计中都有普遍意义，在立式车床、摇臂钻床等设备中均

49、采用类似的结构和控制方法。 图 4-1（1）横梁机构对电气控制系统提出的要求：1.横梁升降M1，点动控制；2.横梁夹紧与放松M2；3.横梁夹紧与横梁移动之间必须有一定的操作程序：按上升（下降）移动按钮自动放松横梁上升（下降）到位后松开按钮横梁自动夹紧；4.横梁升降具有上下行程的限位保护；5.横梁夹紧与横梁移动之间及正反向运动之间具有必要的联锁。 （2）控制电路设计 设计主电路M1横梁移动电机， KMl，KM2控制正反转M2横梁夹紧电机， KM3，KM4控制正反转 设计基本控制电路 4个接触器 4个线圈2只点动按钮，触头不够KA1和KA2进行控制。根据生产对控制系统所要求的操作程序可以设计出图3

50、-11所示的草图。但它还不能实现在横梁放松后才能自动升降，也不能在横梁夹紧后使夹紧电机自动停止，需要恰当地选择控制过程中的变化参量来实现上述自动控制要求。 选择控制参量、确定控制原则 反映横梁放松的参量，可以有行程参量和时间参量。由于行程参量更加直接反映放松程度，因此采用行程开关进行控制。SQ1横梁已经放松KI 横梁已经夹紧，选用电流参量 设计联锁保护环节互锁KA1、KA2，M1正反转； KM3、KM4，M1正反转顺序SQ1，实现横梁松开与移动的联锁保护。限位保护SQ2、SQ3分别实现上、下限位保护短路保护FU图 4-2 电路的完善和校核 控制电路初步设计完毕后，可能还有不合理的地方，应仔细校

51、核。例如，进一步简化以节省触头数，节省电器间连接线等，特别应该对照生产要求再次分析设计电路是否逐条予以实现，电路在误操作时是否会产生事故。 上述电路中，如果按下SBl或SB2的时间很短，横梁放松还未到位就已松开按下的按钮，致使横梁既不能继续放松又不能进行夹紧，容易出现事故。改进的方法是将KM4的辅助触头并联在KA1，KA2两端，使横梁一旦放松，就必然连续工作至放松到位，然后可靠地进入夹紧阶段。如图4-3所示。图 4-34.2 逻辑设计法 逻辑设计法，是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、设计电路的。将执行元件需要的工作信号以及主令电器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

52、关系用逻辑函数关系式表达，再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，成为最简“与、或”关系式，用这种方法设计的电路比较合理，特别适合完成较复杂的生产工艺所要求的控制电路。但是相对而言逻辑设计法难度较大，不易掌握。逻辑电路有两种基本类型，对应其设计方法也各不相同。一种是执行元件的输出状态，只与同一时刻控制元件的状态相关。即输出量对输入量无影响，称为组合逻辑电路，其设计方法比较简单，可以作为经验设计法的辅助和补充，用于简单控制电路的设计，或对某些局部电路进行简化，进一步节省并合理使用电器元件与触头。其设计步骤为： 列出控制元件与执行元件的动作状态表； 根据状态表写出的逻辑代数式； 利用逻辑代数基本

53、公式化简至最简“与或”式； 根据简化了的逻辑式绘制控制电路。另一类逻辑电路被称为时序逻辑电路，即输出量通过反馈作用，对输入状态产生影响。这种逻辑电路设计要设置中间记忆元件（如中间继电器等），记忆输入信号的变化，以达到各程序两两区分的目的。其设计过程比较复杂，基本步骤如下： 根据拖动要求，先设计主电路，明确各电动机及执行元件的控制要求，并选择产生控制信号（包括主令信号与检测信号）的主令元件（如按钮、控制开关、主令控制器等）和检测元件（如行程开关、压力继电器、速度继电器、过电流继电器等）。 根据工艺要求作出工作循环图，并列出主令元件、检测元件以及执行元件的状态表，写出各状态特征码（一个以二进制数表

54、示一组状态的代码）。 为区分所有状态（重复特征码）而增设必要的中间记忆元件（中间继电器）。 根据已区分的各种状态的特征码，写出各执行元件（输出）与中间继电器、主令元件及检测元件（逻辑变量）间的逻辑关系式。 化简逻辑式，据此绘出相应控制电路。 检查并完善设计电路。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，在一般常规设计中，很少单独采用。其具体设计过程可参阅专门资料，这里不再作进一步介绍。.第五章 绘制电气原理图的基本要求 继电-接触器控制系统是由按钮、继电器、接触器、熔断器、行程开关等低压控制电器组成的控制系统，可以实现对电力拖动系统的起动、调速、制动、反向等动作的控制和保护，以满足生产工艺对拖动控制的要求。继电-接触器控制系统具有电路简单、维修方便、便于掌握、价格低廉等许多优点，多年来在各种生产机械的电气控制中获得广泛的应用。由于生产机械的种类繁多，所要求的控制系统也是千变万化、多种多样的。但无论是比较简单的，还是很复杂的控制系统，都是由一些基本环节组合而成。因此本节着重阐明组成这些控制系统的基本规律和典型电路环节。