第四章控制工程中常用的驱动控制技术

1、University of South China 1 1第四章第四章 控制工程中常用控制工程中常用的驱动控制技术的驱动控制技术University of South China 2 24.14.1 继电接触式控制系统继电接触式控制系统 在以电动机为动力的生产机械中，要根据生产过程的要求对在以电动机为动力的生产机械中，要根据生产过程的要求对电动机进行电动机进行起动起动、停止停止、正转正转或或反转反转、调速调速及及制动制动等方面的控制。等方面的控制。 对电动机的控制常要用到对电动机的控制常要用到开关开关、继电器继电器及及接触器接触器等控制电器组等控制电器组成的控制电路成的控制电路这种控制电路称为

2、这种控制电路称为继电接触式控制系统继电接触式控制系统。 控制电器控制电器可分为两大类：可分为两大类：手动电器手动电器，如按钮、组合开关及闸，如按钮、组合开关及闸刀开关等；刀开关等；自动电器自动电器，如继电器、接触器及行程开关等。，如继电器、接触器及行程开关等。University of South China 3 34.1.1 电气控制线路的图形、文字符号电气控制线路的图形、文字符号1、图形符号及文字符号图形符号及文字符号(1990年年1月月1日开始执行的日开始执行的) 由国家标准局颁布的由国家标准局颁布的GB/T4728.15-2005及其及其GB/T4728.613-2008 电气图用符号

3、电气图用符号及及GB/T6988-2008电气制图电气制图和和GB/T7159-1987电气技术中的文字符号制订通则电气技术中的文字符号制订通则。 常用电气图形符号和文字符号如常用电气图形符号和文字符号如P99的表的表4-1和表和表4-2，表，表4-3所列。所列。2、接线端子标记接线端子标记 符合国家标准符合国家标准GB4026-1983电器接线端子的识别和用字母数字电器接线端子的识别和用字母数字符号标记接线端子的通则符号标记接线端子的通则。University of South China 4 44.1.2 电气原理图画法电气原理图画法1、电气控制线路电气控制线路的定义的定义 以各类电机或其

4、他执行电器为被控对象，以继电器、接触器、按以各类电机或其他执行电器为被控对象，以继电器、接触器、按钮、行程开关、保护元件等器件组成的钮、行程开关、保护元件等器件组成的控制线路控制线路，通称为电气控制，通称为电气控制线路，即线路，即继电接触式控制系统继电接触式控制系统。2、电气控制线路的表示方法、电气控制线路的表示方法 电气控制原理图电气控制原理图、电气设备安装图电气设备安装图和和电气设备接线图电气设备接线图三种三种University of South China 5 5动作电流动作电流范围范围整定值整定值 CW6132CW6132型普通车床电气原理图型普通车床电气原理图University

5、of South China 6 6u 绘制电气原理图应遵循的原则绘制电气原理图应遵循的原则 所有电器元件的图形、文字符号必须采用所有电器元件的图形、文字符号必须采用国家规定的统一标准国家规定的统一标准。 电器控制线路根据电路通过的电流大小可分为电器控制线路根据电路通过的电流大小可分为主电路主电路和和控制电路控制电路。 采用采用电器元件展开图的画法电器元件展开图的画法，即同一电器元件的各部件可以不画在一，即同一电器元件的各部件可以不画在一起，但需用同一文字符号标出。起，但需用同一文字符号标出。 所有按钮、触头均按没有外力作用和没有通电时的所有按钮、触头均按没有外力作用和没有通电时的原始状态原始

6、状态画出。画出。 控制电路的分支线路，控制电路的分支线路，原则上按照动作先后顺序排列原则上按照动作先后顺序排列。 图面区域的划分图面区域的划分 按按被控对象被控对象和和控制功能控制功能的不同进行划分。的不同进行划分。电气控制原理图电气控制原理图University of South China 7 7电气设备安装图电气设备安装图 各种电气设备在机械设备和电气控制柜中的各种电气设备在机械设备和电气控制柜中的实际安装位置实际安装位置安装安装图图机械设备机械设备的工作要的工作要求求机械设备机械设备的结构的结构电动机与被拖动的机械部件电动机与被拖动的机械部件传感器与被检测信号的来源点传感器与被检测信号

7、的来源点电气元件的操作、检修等需求电气元件的操作、检修等需求信号传输的需求，电缆的分布等等信号传输的需求，电缆的分布等等University of South China 8 8CW6132CW6132型车床控制盘电器布置图型车床控制盘电器布置图u电器元件的布置应注意以下几方面电器元件的布置应注意以下几方面： 体积大和较重的电器元件应安装在体积大和较重的电器元件应安装在电器安装板的下方，而发热元件应安装在电器安装板的下方，而发热元件应安装在电器安装板的上面。电器安装板的上面。 强电、弱电应分开，弱电应屏蔽，强电、弱电应分开，弱电应屏蔽，防止外界干扰防止外界干扰 需要经常维护、检修、调整的电器需

8、要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低。元件安装位置不宜过高或过低。 电器元件的布置应考虑整齐、美观、电器元件的布置应考虑整齐、美观、对称。外形尺寸与结构类似的电器安装在对称。外形尺寸与结构类似的电器安装在一起，以利安装和配线。一起，以利安装和配线。 电器元件布置不宜过密，应留有一电器元件布置不宜过密，应留有一定间距。如用走线槽，应加大各排电器间定间距。如用走线槽，应加大各排电器间距，以利布线和维修。距，以利布线和维修。University of South China 9 9CW6132CW6132型车床电气设备安装布置图型车床电气设备安装布置图University of S

9、outh China 1010电气设备接线图电气设备接线图 各种电气设备之间的各种电气设备之间的实际接线情况实际接线情况CW6132CW6132型车床电气互连图型车床电气互连图University of South China 11114.1.3 笼型电动机（三相笼型异步电动机）的起动控制线路笼型电动机（三相笼型异步电动机）的起动控制线路 三相笼型异步电动机的控制线路大都由三相笼型异步电动机的控制线路大都由继电器继电器、接触器接触器和和按钮按钮等等有有触点触点的电器组成。的电器组成。 其基本的控制线路有：其基本的控制线路有：直接起动控制线路、正反转控制线路、减压直接起动控制线路、正反转控制线路

10、、减压起动控制线路起动控制线路、点动与连续运动的控制线路、多地点控制线路、顺序控、点动与连续运动的控制线路、多地点控制线路、顺序控制线路和自动循环控制线路。制线路和自动循环控制线路。University of South China 1212 1、直接起动控制线路、直接起动控制线路 KM12FRFU1SB1SB2KMKMFR控制电路控制电路主主电电路路QFU2M3 University of South China 1313M3FRSB1SB2FRKMKMKMFUA B C控制电路具有的功能控制电路具有的功能1、短路保护、短路保护FU2、过载保护、过载保护FR3、失压、欠压保护、失压、欠压保护

11、KM4、自锁、自锁KM5、SB2起动按钮起动按钮6、SB1停车按钮停车按钮QUniversity of South China 1414 若将控制电路中的自锁若将控制电路中的自锁触点触点KM除去，就可以实除去，就可以实现对电动机的现对电动机的点动控制点动控制。按下起动按钮电动机就转按下起动按钮电动机就转动，一松手就停止。点动动，一松手就停止。点动控制在生产中也是常见的。控制在生产中也是常见的。M3FRSB1SB2FRKMKMKMFUA B C此时，无自锁。此时，无自锁。QUniversity of South China 15152、 笼型电动机正反转的控制线路笼型电动机正反转的控制线路FRF

12、UKMFSKMR 要使电动机给够实现反转，只要把接到电源的任意两根要使电动机给够实现反转，只要把接到电源的任意两根联线对调一头即可。为此用两个接触器来实现这一要求。联线对调一头即可。为此用两个接触器来实现这一要求。 设设 KMF 为实现电机正转的接触器，为实现电机正转的接触器， KMR 为实现电机为实现电机反转的接触器。反转的接触器。AB CUVW合上合上 S 接通电源接通电源其主触点闭合其主触点闭合让让 KMF 线圈通电线圈通电 三相电源三相电源 ABC 分别通入电机三相绕组分别通入电机三相绕组 UVW ，电动机正转电动机正转其主触点闭合其主触点闭合让让 KMR 线圈通电线圈通电 三相电源三

13、相电源 ABC 通入电机三相绕组变通入电机三相绕组变为为 A U 未变，但未变，但 B W ，C V。电动机将反转电动机将反转KMF 线圈断电，主触点打开，电机停。线圈断电，主触点打开，电机停。M3 University of South China 1616 电机正转并自锁电机正转并自锁 笼型电动机正反转的控制线路笼型电动机正反转的控制线路KMFFRFUSB1SBFKMFKMFFRSM3 KMRKMRSBRKMRKMFKMR动作次序动作次序按按SBF KMF通电通电动合触点闭合动合触点闭合实现互锁功能实现互锁功能 合上合上 S S接通电源接通电源动断触点打开动断触点打开按按SB1 KMF断电

14、断电 电机停转电机停转按按 SBR KMR 通电通电动合触点闭合动合触点闭合 实现互锁功能实现互锁功能动断触点打开动断触点打开 电机电机反反转并自锁转并自锁缺点：缺点：要想改要想改变电机转向，变电机转向，必须先按停止必须先按停止按钮。按钮。University of South China 17173、笼型异步电动机的减压启动控制线路、笼型异步电动机的减压启动控制线路 较大容量较大容量的笼型异步电动机（的笼型异步电动机（大于大于10kw）直接启动时，电流为其）直接启动时，电流为其额定电流的额定电流的48倍，过大的启动电流会对电网产生巨大的冲击，所以倍，过大的启动电流会对电网产生巨大的冲击，所以

15、一般采用一般采用减压方式减压方式来启动，即起动时降低电动机定子绕组的电压，起来启动，即起动时降低电动机定子绕组的电压，起动后恢复，降低电压可以动后恢复，降低电压可以减小起动电流减小起动电流，不产生大的电压降，不产生大的电压降，减小对减小对线路电压的影响线路电压的影响。降压起动的方式：降压起动的方式： “Y-” 换接换接 定子串电阻定子串电阻 自藕变压器自藕变压器 磁控式软启动器磁控式软启动器 目前最先进最流行的电子软启动器目前最先进最流行的电子软启动器University of South China 1818星星- -三角形减压起动控制线路三角形减压起动控制线路定子绕组星形连接状态下起动电压

16、为三角定子绕组星形连接状态下起动电压为三角形连接直接起动电压的形连接直接起动电压的 。起动转矩为。起动转矩为三角形连接直接起动转矩的三角形连接直接起动转矩的 ，起动电，起动电流也为三角形连接直接起动电流的流也为三角形连接直接起动电流的 。313131University of South China 1919传统起动器传统起动器现代软起动器现代软起动器直接起动直接起动Y/起动起动自耦变压器起动自耦变压器起动晶闸管起动晶闸管起动变频器起动变频器起动起动电流起动电流5-8 Ie1.8-2.6 Ie1.7-4 Ie0-5 Ie0-1.5 Ie起动转矩起动转矩0.5-1.5 Te0.5 Te0.4-0

17、.85 Te0-1 Te0-1.5 Te起动方式起动方式恒压起动恒压起动恒压分步起动恒压分步起动恒压分步起动恒压分步起动恒流软起动，线性电压恒流软起动，线性电压斜坡起动斜坡起动可以恒转矩起动，可以恒转矩起动，也可配合负载起也可配合负载起动动起动特性起动特性冲击力矩很大冲击力矩很大分步跳跃上升，分步跳跃上升，有二次冲击转矩有二次冲击转矩分步跳跃上升，分步跳跃上升，有二次冲击转矩有二次冲击转矩力矩匀速、平滑上升，力矩匀速、平滑上升，无二次冲击力矩无二次冲击力矩恒转矩恒转矩冲击电流冲击电流很大，很大，1次次2次次2次及以上次及以上1次次1次次起动时间起动时间45s 可调可调2-200s 可调可调可调

18、可调执行单元执行单元开关开关自耦元件自耦元件晶闸管晶闸管变频器变频器保护和监控保护和监控依控制开关的保护而依控制开关的保护而定定有过载有过载 、堵转过流、堵转过流、欠流、缺相、电机过欠流、缺相、电机过热和漏电保护热和漏电保护有过载有过载 、堵转过流、欠流、堵转过流、欠流、缺相、电机过热和漏电保护缺相、电机过热和漏电保护有过载有过载 、堵转过流、欠、堵转过流、欠流、缺相、电机过热和流、缺相、电机过热和漏电保护漏电保护适用负载适用负载低、中等功率，可轻低、中等功率，可轻载起动载起动可空载或可空载或轻载起动轻载起动大功率电动机，可空载或轻大功率电动机，可空载或轻载起动载起动负载范围负载范围2.2-

19、800 kW，可带不超过可带不超过50% Te的负的负载起动载起动负载范围负载范围225 -10000 kW，可带，可带超过超过50% Te的负的负载起动载起动优缺点优缺点控制设备简单，起动控制设备简单，起动过程会产生高电流峰过程会产生高电流峰值和大压降，对负载值和大压降，对负载冲击很大冲击很大价格便宜，价格便宜，“Y/”切切换时会产生电流峰值换时会产生电流峰值和转矩波动，控制设和转矩波动，控制设备需要维护备需要维护在电压变化时会出现大压降在电压变化时会出现大压降和高电流峰值，瞬间转矩波和高电流峰值，瞬间转矩波动，控制设备复杂笨重，需动，控制设备复杂笨重，需要维护要维护可独立调节加减速方式，可

20、独立调节加减速方式，积分，有多种制动电动积分，有多种制动电动机，保护齐全，设备不机，保护齐全，设备不需维护需维护University of South China 20204.1.44.1.4 电气控制线路的设计电气控制线路的设计一、电气控制设计的一般原则一、电气控制设计的一般原则二、电气控制设计的基本任务和内容二、电气控制设计的基本任务和内容三、电气控制原理图设计的基本步骤三、电气控制原理图设计的基本步骤四、电气控制原理图的设计方法四、电气控制原理图的设计方法University of South China 2121 最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求，这些最大限度地满足生产

21、机械和生产工艺对电气控制的要求，这些生产工艺要求是电气控制设计的依据。生产工艺要求是电气控制设计的依据。 在满足控制要求前提下，设计方案力求简单、经济、合理，不在满足控制要求前提下，设计方案力求简单、经济、合理，不要盲目追求自动化和高指标。要盲目追求自动化和高指标。 正确、合理地选用电器元件，确保控制系统安全可靠地工作。正确、合理地选用电器元件，确保控制系统安全可靠地工作。 为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能力留有适当裕量。力留有适当裕量。一、电气控制设计的一般原则一、电气控制设计的一般原则University of S

22、outh China 2222 电气控制系统设计的基本内容是根据控制要求，设计和编制电气控制系统设计的基本内容是根据控制要求，设计和编制出电气设备制造和使用维修中必备的图样和资料等。包括电气出电气设备制造和使用维修中必备的图样和资料等。包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。原理图设计和电气工艺设计两部分。 1 1、电气原理图设计内容、电气原理图设计内容 拟定电气设计任务书拟定电气设计任务书 选择电气拖动方案和控制方式选择电气拖动方案和控制方式 确定电动机类型、型号、容量、转速确定电动机类型、型号、容量、转速 设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟订各部设计电气控制原理框图，确定各部分

23、之间的关系，拟订各部分技术指标与要求分技术指标与要求二、电气控制设计的基本任务和内容二、电气控制设计的基本任务和内容University of South China 2323 设计并绘制电气控制原理图，计算主要技术参数设计并绘制电气控制原理图，计算主要技术参数 选择电气元件，制定元件目录清单选择电气元件，制定元件目录清单 编写设计说明书编写设计说明书2 2、电气工艺设计内容、电气工艺设计内容 依据电气原理图，绘制电气控制系统的总装配图及总接线图依据电气原理图，绘制电气控制系统的总装配图及总接线图 对总原理图进行编号，绘制各组件原理电路图，列出各部件对总原理图进行编号，绘制各组件原理电路图，列

24、出各部件的元件目录表的元件目录表 设计组件电器装配图、接线图，图中应反映元件的安装方式设计组件电器装配图、接线图，图中应反映元件的安装方式和接线方式和接线方式 编写使用维护说明书编写使用维护说明书University of South China 2424 根据选定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图，拟订根据选定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。出各部分的主要技术要求和主要技术参数。 根据各部分的要求，设计出原理框图中各部分的具体电路。根据各部分的要求，设计出原理框图中各部分的具体电路。对于每一部分电路的设计都是按照主电路对于每一部分电路的设

25、计都是按照主电路控制电路控制电路联锁与联锁与保护保护总体检查，反复修改与完善的步骤来进行。总体检查，反复修改与完善的步骤来进行。 绘制系统总原理图。按系统框图结构将各部分电路联成一个绘制系统总原理图。按系统框图结构将各部分电路联成一个整体，完善辅助电路，绘成系统原理图。整体，完善辅助电路，绘成系统原理图。 合理选择电气原理图中每一电器元件，制订出元器件目录清合理选择电气原理图中每一电器元件，制订出元器件目录清单。单。三、电气控制原理图设计的基本步骤三、电气控制原理图设计的基本步骤University of South China 2525 经验设计法和逻辑设计法两种经验设计法和逻辑设计法两种1

26、 1、经验设计法、经验设计法 经验设计法是根据生产机械的工艺要求和加工过程经验设计法是根据生产机械的工艺要求和加工过程 ，利用，利用各种典型的基本控制环节各种典型的基本控制环节加以修改加以修改 补充、完善，最后得出最佳补充、完善，最后得出最佳方案。若没有典型的控制环节可采用，则按照生产机械的工艺要方案。若没有典型的控制环节可采用，则按照生产机械的工艺要求逐步进行设计。求逐步进行设计。 采用经验设计法，一般应注意以下几个问题：采用经验设计法，一般应注意以下几个问题：四、电气控制原理图的设计方法四、电气控制原理图的设计方法University of South China 2626（1）保证控制线

27、路工作的安全和可靠性）保证控制线路工作的安全和可靠性 电器元件要正确连接，电器的线圈和触头连接不正确，会使电器元件要正确连接，电器的线圈和触头连接不正确，会使控制线路发生误动作，有时会造成严重的事故。控制线路发生误动作，有时会造成严重的事故。 线圈的连接线圈的连接 在在交流控制线路交流控制线路中，线圈不能串联接入两个电器线圈，如下中，线圈不能串联接入两个电器线圈，如下图。两个电器需要同时动作时，线圈应并联连接。图。两个电器需要同时动作时，线圈应并联连接。KAKM1KM2University of South China 2727 电器触头的连接电器触头的连接 同一个电器的常开触头和常闭触头位置

28、靠得很近，不能分别同一个电器的常开触头和常闭触头位置靠得很近，不能分别接在电源的不同相上。如下图所示接在电源的不同相上。如下图所示不正确不正确正确正确University of South China 2828 线路中应尽量减少多个电器元件依次动作后才能接通另一个线路中应尽量减少多个电器元件依次动作后才能接通另一个电器元件，如下图所示。电器元件，如下图所示。University of South China 2929 应考虑电器触头的接通和分断能力，若容量不够，应考虑电器触头的接通和分断能力，若容量不够， 可在可在线路中增加中间继电器，或增加线路中触头数目。线路中增加中间继电器，或增加线路中触

29、头数目。 增加接通能力用多触头并联连接；增加分断能力用多触头增加接通能力用多触头并联连接；增加分断能力用多触头串联连接。串联连接。University of South China 3030（2 2）控制线路力求简单、经济）控制线路力求简单、经济 尽量减少触头的数目尽量减少触头的数目 尽量减少连接导线尽量减少连接导线 尽量减少电器元件的带电时间尽量减少电器元件的带电时间减少触头数目减少触头数目减少连接导线减少连接导线不合理不合理合理合理University of South China 3131（3）防止寄生电路）防止寄生电路 控制电路在正常工作或事故情况控制电路在正常工作或事故情况下，发生意

30、外接通的电路叫寄生电下，发生意外接通的电路叫寄生电路。若控制电路中存在寄生电路，路。若控制电路中存在寄生电路，将破坏电器和线路的工作顺序，造将破坏电器和线路的工作顺序，造成误动作：如图所示电路在正常工成误动作：如图所示电路在正常工作时能完成正、反向起动，停止时作时能完成正、反向起动，停止时信号指示，但当热继电器信号指示，但当热继电器FR（K）动作时，线路出现了寄生电路，动作时，线路出现了寄生电路，图图中虚线所示，使正向接触器中虚线所示，使正向接触器KM1不不能释放，起不了保护作用能释放，起不了保护作用。University of South China 3232（4 4）应具有必要的保护环节）

31、应具有必要的保护环节 短路保护短路保护 过流保护过流保护 欠电压欠电压 过载保护过载保护 零电压保护零电压保护University of South China 3333电气控制线路常用保护环节电气控制线路常用保护环节University of South China 3434（5 5）经验设计法的应用举例）经验设计法的应用举例 工艺简介工艺简介 右图为钻削加工时刀架的自右图为钻削加工时刀架的自动循环示意图，具体要求为：动循环示意图，具体要求为：自动循环：自动循环：即刀架由位置即刀架由位置1 1移动移动到位置到位置2 2进行钻削加工后自动退进行钻削加工后自动退回位置回位置1 1，实现自动循环。

32、，实现自动循环。无进给切削：无进给切削： 即钻头到达位置即钻头到达位置2 2时不再进给，但钻头继续旋转时不再进给，但钻头继续旋转进行无进给切削以提高工件加工精度。进行无进给切削以提高工件加工精度。快速停车：快速停车：停车时，要求快速停车以减少辅助工时。停车时，要求快速停车以减少辅助工时。SQ2SQ2SQ1SQ1University of South China 3535 控制线路的设计控制线路的设计 设计主电路设计主电路 确定控制电路的基本部分确定控制电路的基本部分刀架前进、后退的控制线路刀架前进、后退的控制线路University of South China 3636设计控制电路的特殊部分设计控制电路的特殊部分 刀架的自动循环控制刀架的自动循环控制 无进给切削的实现无进给切削的实现 快速停车的实现快速停车的实现University of South China 3737University of South China 38382 2、逻辑设计法、逻辑设计法 逻辑设计法是把电器控制线路中的接触器、继电器等电器逻辑设计法是把电器控制线路中的接触器、继电器等电器元件元件线圈的通电和断电、线圈的通电和断电、 触头的闭合和断开触头的闭合和断开看成是逻辑变量，看成是逻辑变量，线圈的通电状态和触头的闭合状态设