第3章-电气控制系统设计讲解

1、第3章 电气控制系统设计3.1 电气控制系统设计的内容3.2 电气控制线路的设计3.3 常用电器元件的选择3.1 电气控制系统设计的内容3.1.1 原理设计内容1）拟定设计任务书 。 2）确定电拖方案、控制方式。 3）选择电动机，包括电动机类型、电压等级、容量及转速，确定具体型号 。 4）设计电气原理框图，包括主电路、控制电路和辅助控制电路，确定各部分关系，拟定各部分技术要求 。5）设计电控原理图、主要技术参数 。 7）编写设计说明书。 6）选择元器件，目录清单 。 3.1.2 工艺设计内容1）根据原理图及选定器件，设计电气设备总体配置，绘制总装配图、总接线图。 2）绘制组件原理电路图，列元件

2、目录表，组件进出线号。 3）设计组件电器装配图（元件布置与安装图）、接线图 。 4）绘制电器安装板和非标电器安装零件图样 。 5）设计电气箱、确定电气柜结构和外形尺寸 。 6）汇总资料（总原理图、总装配图、各组件原理图）。 7）编写使用维护说明书 。 3.2 电气控制线路的设计3.2.1 电气控制线路设计的原则 1最大限度限度生产机械对电气控制要求。2满足要求前提下，设计方案力求简单、经济。 选用标准电器元件。 选用典型环节或基本电气控制线路。 简化电气控制线路。 尽量减少不必要的触点，常用减少触头数量方法：2）利用带转换触头的中间继电器将两对触头合并，见图3-2。 1) 合并同类触头，见图3

3、-1。 图3-1 同类触头合并 图3-2 具有转换触头的中间继电器的应用 3）利用二极管单向导电性减少触头数量,如图3-3示 .4）利用逻辑代数方法减少触头数量。如图3-4a)示。 图3-3 利用二极管简化控制电路 图3-4 利用逻辑代数减少触头 。 图3-5 电器的合理连接 图3-6 节省连接导线的方法 尽量减少连接导线数量和长度。 减少通电电器 。图3-7 减少通电电器的线路 3保证电气控制线路工作可靠性。 正确连接电器元件触头 ，如图3-8示。 正确连接电器线圈，1) 交流线路中，不允许两个电器元件线圈串联 。如图3-9 示。 图3-8 触头的连接 图3-9 线圈的连接2) 两电感量悬殊

4、的直流线圈不能直接并联，如图3-10 示。 图3-10 电磁铁与继电器线圈的连接 避免出现寄生电路，如图3-11 示。图3-11 防止寄生电路 避免多个电器元件依次动作。 电气联锁和机械联锁。 电气控制线路应能适应所在电网。 充分考虑继电器触头的接通和分断能力。4保证线路工作的安全性5应力求使操作、维护、检修方便3.2.2 电气控制线路设计的规律设计程序：1.拟定设计任务书整个系统设计的依据。应说明以下技术指标及要求：1) 控制精度，生产效率要求；2) 有关电力拖动的基本特性，如电动机数量、用途、负载特性、调速范围以及对反向、启动和制动的要求等；3) 用户供电系统的电源种类，电压等级、频率及容

5、量等要求；4) 有关电气控制特性，如自动控制的电气保护，联锁条件，动作程序等；5) 其他如主要电气设备的布置草图，照明，信号指示，报警方式等；6) 目标成本及经费限额；7) 验收标准及方式； 2.电力拖动方案与控制方式选择3.电动机选择基本原则：1) 机械特性满足生产机械要求，与负载特性相适应。 2）电动机容量得到充分利用。 3）电动机结构型式满足机械安装要求，适应工作环境。4）优先采用笼型异步电动机（结构简单、价廉、维护方便）。 4.确定电气控制方案主要原则： 自动化程度与国情相适应 控制方式与设备的通用及专用化相适应 控制方式随控制过程的复杂程度而变化 控制系统的工作方式应满足工艺要求5.

6、设计电气控制原理图6.设计电气设备施工图7.编写说明书3.2.3 电控线路设计的步骤和方法一是分析设计法，二是逻辑设计法。1分析设计法又称经验设计法、一般设计法。 要求：设计人员必须熟悉和掌握大量基本环节和典型电路，有丰富实际设计经验。适于不太复杂的（继电接触式）电气控制线路设计。 特点：易于掌握，便于推广，但需反复修改设计草图才能得到最佳方案。 1. 设计的基本步骤1) 主电路设计 2) 控制电路设计 3) 联结各单元环节，构成整机线路。4) 联锁保护环节设计 5) 辅助电路设计 6) 线路的综合审查 2. 设计基本方法1) 根据生产机械工艺要求和工作过程，适当选用已有典型环节，加以适当补充

7、和修改，综合成所需电路。2) 若无适合典型环节，则根据控制要求自行设计，边分析边画图。 3. 设计举例例：设计三条皮带运输机构成的散料运输线控制线路。如图3-12示。 图3-12 皮带运输机工作示意图 控制要求1) 启动顺序为3#、2#、1#，并要有一定时间间隔，以免货物在皮带上堆积。2) 停车顺序为1#，2#、3#，也要有一定时间间隔，保证停车后皮带上不残存货物。3) 不论2#或3#哪一个出故障，1#必须停车，以免继续进料，造成货物堆积。4) 必要的保护。 主电路设计 图3-13 皮带运输机主电路图 基本控制电路设计图3-14 控制电路的基本部分 控制线路特殊部分设计图3-15 控制电路的联

8、锁部分 设计联锁保护环节 因皮带是回转运动，难以检测行程。以时间为变化参量，利用时间继电器作输出器件的控制信号。以通电延时的常开触头作启动信号，以断电延时的常开触头作停车信号。为使三条皮带自动按顺序工作，采用中间继电器KA。 图3-16 完整的电路图按下SB1，KT1、KT2、KA同时断电，KA常开触头瞬时断开，KM2、KM3若不加自锁，则KT3、KT4延时不起作用，KM2、KM3线圈将瞬时断电，电动机不能按顺序停车，所以需加自锁环节。热继电器保护触头均串联在KA线圈电路中，无论哪条皮带机过载，都能按1#、2#、3#顺序停车。 线路综合审查2. 逻辑设计法利用逻辑代数进行电路设计。方法：将控制

9、电路中接触器、继电器线圈的通电、断电，触头的闭合、断开，主令元件的接通、断开看成逻辑变量，列出逻辑函数式。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。再画出电路结构图，获得最佳设计方案。1. 逻辑代数基础 逻辑代数中的逻辑变量和逻辑函数 1) 逻辑变量：在逻辑代数中，将具有两种互为对立的工作状态的物理量称为逻辑变量 .电器元件的线圈通电为“1”状态，失电为“0”状态；常开触头闭合为“1”状态，断开为“0”状态；常闭触头闭合为“ ”状态，断开为“ ”状态； 电器元件KA1，KA2，的常开触头分别用KA1，KA2，表示；常闭触头则分别用 ， ，表示。 2) 逻辑函数：在继电接触器控制线路

10、中，把表示触头状态的逻辑变量称为输入逻辑变量；表示接触器、继电器线圈等受控元件的逻辑变量称为输出逻辑变量。输出逻辑变量与输入逻辑变量之间所满足的相互关系称为逻辑函数关系. 逻辑代数的运算法则1) 逻辑与触头串联 逻辑表达式为：K=AB (“”为逻辑与运算符号) .含义为：只有当触头A与B都闭合时，线圈K才得电。 2) 逻辑或触头并联 逻辑表达式为：K=A+B (“+”为逻辑或运算符号) .含义为：触头A与B只要有一个闭合，线圈K就可以得电。 3) 逻辑非动断触头 逻辑表达式为：K= (“”为逻辑非运算符号) . 含义为：触头A不动作，则线圈K通电。 图3-17 逻辑与运算电路 图3-18 逻辑

11、或运算电路 图3-19 逻辑非运算电路 逻辑代数的基本定理1) 交换律 AB = BA，A+B = B+A2) 结合律 A(BC) = (AB)C，A+(B+C) = (A+B)+C3) 分配律 A(B+C) = AB+AC，A+(BC) = (A+B)(A+C)4) 重叠律 AA = A，A+A = A5) 吸收律 A+AB = A，A(A+B) = A A+ B=A+B， +AB = +B6) 非非律 = A7) 反演律 = ， = + 图3-20 启、停自锁电路 2. 设计基本步骤 1) 根据生产工艺要求，作出工作循环示意图。2) 确定执行元件和检测元件，并根据工作循环示意图作出执行元件

12、的动作节拍表和检测元件状态表。 3) 根据主令元件和检测元件状态表写出各程序的特征数，确定待相区分组，增设必要的中间记忆元件，使待相区分组的所有程序区分开。 4) 列出中间记忆元件的开关逻辑函数和执行元件的逻辑函数。5) 根据逻辑函数式建立电气控制线路图。6) 进一步检查、化简、完善电路，增加必要的保护和联锁环节。 (3) 设计举例例3-2 用逻辑设计法设计皮带运输机的电气控制线路。皮带运输机的工作循环示意图如图3-12所示。按生产工艺要求，当启动信号给出后，3#皮带机立即启动，经一定时间间隔，由控制元件时间继电器KT1发出启动2#皮带机的信号，2#皮带机启动；再经一定时间间隔，由控制元件时间

13、继电器KT2发出启动1#皮带机的信号，1#皮带机启动。当发出停止信号时，1#皮带机立即停车，经一定时间间隔，由控制元件时间继电器KT3发出停止2#皮带机的信号，2#皮带机停车；再经一定时间间隔，由控制元件时间继电器KT4发出停止3#皮带机的信号，3#皮带机停车。 1) 作出执行元件的动作节拍表和检测元件的状态表 KM3 = (SB2+KM3)KT4KM2 = (KT1+KM2)KT3KM1= KT2KT1 = (SB2+KT1) KT2 = (SB2+KT2) KT3 = (SB2+KT3) KT4 = (SB2+KT4)KT1KT4 = (SB2+KT1) 。2) 决定待相区分组，设置中间记

14、忆元件 3) 列出输出元件的逻辑函数式 4) 按逻辑函数式画出电气控制线路图 图3-21 按逻辑函数画出的控制线路 图3-22 完善的控制线路5)进一步完善电路，增加必要的联锁和保护环节经过进一步检查和完善，最后可得到与图3-16相同的电路。 例3-3 用逻辑设计法设计异步电动机串电阻降压启动、可逆运行、反接制动控制线路。图3-23异步电动机串电阻降压启动、可逆运行、反接制动主电路和工作示意图 图3-24 功能表图的组成 1)作出执行元件动作节拍表和检测控制及主令元件的触头状态表2)决定待相区分组，设置中间记忆元件 3)列出输出元件的逻辑函数式 KA1 = (SB2+KA1)KA2 = (SB

15、3+KA2) KA3= KS1(KS1KA1+KA3)=KS1(KA1+KA3) KA4= KS2(KS2KA2+KA4)=KS2(KA2+KA4)KM1=（KA1+KA4）KM2=（KA2+KA3）KM3=（KA1KA3）+（KA2KA4）4)按逻辑函数式画出电气控制线路图 图3-25 按逻辑函数式画出的电气控制线路图 图3-26 完善的电气控制线路 3.3 常用电器元件选择正确、合理地选用电器元件，是电路安全、可靠工作的保证。选择原则：1) 按功能要求确定电器元件类型。2) 根据所控制的电压、电流及功率大小确定电器元件规格。3) 根据工作环境及元件供应情况选择。4) 根据电器元件所要求的可

16、靠性进行选择。5) 确定电器元件的使用类别。3.3.1 按钮、开关类电器选择1.按钮主要根据所需触头数、使用场合、颜色标注、额定电压、额定电流进行选择。1）“停止”和急停按钮必须是红色。2）“启动”按钮颜色是绿色。3）“启动”与“停止”交替动作的按钮必须是黑色、白色或灰色。4）点动按钮必须是黑色。5）复位按钮（如保护继电器的复位按钮）必须是蓝色。如果还有停止作用，则必须是红色。按钮颜色的含义及应用见表3-10（P102），LA38系列按钮主要技术参数见表3-11。 2. 行程开关主要根据机械设备运动方式与安装位置，挡铁形状、速度、工作力、工作行程、触头数量，以及额定电压、额定电流选择。3. 万

17、能转换开关根据控制对象的接线方式、触头型式与数量、动作顺序和额定电压、额定电流等选择。4. 电源引入开关机械设备电源控制开关常用刀开关、组合开关、断路器等。 刀开关与铁壳开关选用 根据电源种类、电压等级、电动机容量、控制极数选择。 照明电路：刀开关或铁壳开关的额定电压、额定电流应等于或大于电路最大工作电压与工作电流。电动机直接启动：刀开关与铁壳开关额定电压为380V或500V、额定电流应等于或大于电动机额定电流的3倍。 组合开关选用根据电流种类、电压等级、触头数量及电动机容量选择。控制7kW以下电动机启、停：额定电流应等于电动机额定电流的3倍。若不直接启停，额定电流只需稍大于电动机额定电流。

18、断路器选择 1) 断路器额定电压和额定电流应不小于电路正常工作电压和工作电流。2) 热脱扣器整定电流应与所控制电动机的额定电流或负载额定电流一致。3) 电磁脱扣器瞬时脱扣整定电流应大于负载电路正常工作时的峰值电流。对电动机，断路器电磁脱扣器的瞬时脱扣整定电流值I按下式计算： I KIST (3-5)式中： K安全系数，可取K=1.7； IST电动机启动电流。 3.3.2 熔断器选择先确定熔体额定电流，再根据熔体规格，选择熔断器规格，再选择熔断器类型。1. 熔体额定电流选择 1) 无冲击电流负载，如照明电路、信号电路、电阻炉等。 IFUN I （3-6）式中 IFUN 熔体额定电流； I 负载额

19、定电流。2) 负载出现尖峰电流，如笼型异步电动机启动电流为(47)Ied (Ied为电动机额定电流)。 单台不频繁启、停，且长期工作电动机： IFUN (1.52.5)Ied （3-7）单台频繁启动、长期工作电动机： IFUN =(33.5)Ied （3-8） 多台长期工作电动机共用熔断器： IFUN (1.52.5)Iemax+Ied （3-9） 或IFUN Im2.5 （3-10）式中：Iemax容量最大一台电动机的额定电流；Ied 其余电动机额定电流之和；Im 电路中可能出现的最大电流。几台电动机不同时启动时，电路中最大电流: Im 7 Iemax +Ied （3-11） 3) 采用降压

20、方法启动的电动机： IFUN Ied （3-12） 2. 熔断器规格选择 额定电压大于电路工作电压，额定电流等于或大于所装熔体的额定电流。3. 熔断器类型选择 应根据负载保护特性、短路电流大小及安装条件来选择。 3.3.3 交流接触器选择主要考虑主触头额定电压与额定电流、辅助触头数量、吸引线圈电压等级、使用类别、操作频率等。交流接触器：主触头额定电流应等于或大于负载或电动机额定电流。1. 额定电压与额定电流主要考虑主触头的额定电压与额定电流。 UKMNUCN （3-13） IKMN IN = （3-14）式中： UKMN 接触器额定电压；UCN 负载额定线电压；IKMN 接触器额定电流；IN

21、接触器主触头电流；PMN 电动机功率；UMN 电动机额定线电压；K经验常数，K11.4。 2. 吸引线圈电流种类及额定电压 线圈额定电压应根据控制电路复杂程度，维修、安全要求，设备所采用的控制电压等级考虑。3. 辅助触头的额定电流、种类和数量。4. 其它1) 根据使用环境选择有关系列接触器或特殊用接触器。2) 电器的固有动作时间、使用寿命和操作频率。3.3.4 继电器选择1. 电磁式通用继电器先考虑交流还是直流类型，再根据控制电路需要，是采用电压继电器还是电流继电器，或是中间继电器。保护用：应考虑过电压(或过电流)、欠电压(或欠电流)继电器的动作值和释放值，中间继电器触头的类型和数量，励磁线圈

22、的额定电压或额定电流值。 2. 时间继电器根据延时方式、延时精度、延时范围、触头形式及数量、工作环境等，确定采用何种型式的时间继电器，再选择线圈额定电压。3.热继电器结构型式：决定于电动机绕组接法及是否要求断相保护。热元件整定电流可按下式选取: IFRN (0.951.05) Ied （3-15）式中： IFRN热元件整定电流。工作环境恶劣、起动频繁的电动机按下式选取： IFRN (1.151.5) Ied （3-16）过载能力较差电动机，热元件整定电流为电动机额定电流的(6080)。重复短时工作制电动机，其过载保护应选用温度继电器。4. 速度继电器根据机械设备安装情况及额定工作转速选择。 3.3.5 控制变压器选择 1) 一、二次侧电压应与交流电源电压、控制电路和辅助电路电压相等。2) 应能保证接于二次侧的交流电磁器件在启动时可靠吸合3) 电路运行时，变压器温升不超过允许值。容量近似计算公式：PT 0.6Pq +0.25PKj +0.125KLPKm （3-17）式中： PT 控制变压器容量(VA)，Pq 电磁器件吸持功率(VA)；PKj 接触器、继电器启动功率(V