机械设备电气自动控制

第一章绪论

1.1机械设备电气自动控制

1.1.1

机械设备电气自动控制

的含义是指利用电气自动控制系统，在无人直接参与（或少量参与）的情况下，使被控机械设备按预定的工作程序，自动完成电动机的启动、停止、正转、反转、调速或液压传动系统、气压传动系统的工作循环。

1.1.2机械设备电气自动控制

的目的和任务

提高生产率和加工质量或运行质量，降低生产成本，改善劳动条件。

1.2机械设备电气自动控制的分类

1.2.1电力拖动

电力拖动是指对驱动机械设备运动机构的电动机进行定值调速和无级调速的自动控制。

1.2.2逻辑控制

逻辑控制是指输入和输出信号都是开关量的自动控制。如电动机的启动、停止、正转、反转、制动以及各种生产机械动作转换的自动控制。

1.2.3数字控制

数字控制是指由数字控制装置、顺序控制装置和伺服机构组成控制系统，用数字化信号对伺服机构的顺序动作、位移、速度和运动轨迹所进行的自动控制。

1.3机械设备电气自动控技术的发展

1.3.1电力拖动技术的发展

一台电动机拖动多台机械设备（成组拖动）一台电动机拖动一台生产机械的多个运动机构（单机拖动）多台电动机分别拖动多个运动机构（多机拖动）直线电动机实现往复运动的直接电力拖动运动机构的主轴和电动机轴融为一体（电主轴）。

在电气调速方面，直流发电机——直流电动机的直流调速、大功率晶体管、晶闸管和大功率整流技术的直流调速、交流变频调速。

1.3.2逻辑控制技术的发展

用按钮和开关进行手动控制继电器、接触器逻辑电路自动控制顺序控制器自动控制可编程序控制器（PLC）自动控制可编程计算机控制器（高性能PLC和通用计算机合二为一）自动控制。

1.3.2数字控制技术的发展（略）第二章常用低压电器及其

基本控制电路

★学习要求

1.弄清和熟记基本概念。

2.熟记各种常用低压电器和执行电器的功能、结构、工作原理及电气符号。

3.弄清各种基本控制电路及基本控制环节的电路结构、工作原理及应用场合。2.1常用低压电器和执行电器2.1.1电源开关

（1）组合开关二、低压断路器

低压断路器又称自动开关或空气开关。它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的电器。

（2）自动开关

自动开关又称自动空气开关或断路器。主要用于接通和分断电气系统的电源，当电路发生过载、短路和失压等故障时，能自动切断故障电路。2.1.2主令电器

用按钮、主令开关进行人工切换或行程开关自动切换电路。（1）按钮（2）主令开关（3）行程开关（二）行程开关

行程开关又称限位开关，能将机械位移转变为电信号，以控制机械运动。种类按运动形式分为直动式、转动式；按结构分为直动式、滚动式、微动式。1、直动式行程开关2、滚轮旋转式行程开关图1-37滚轮式行程开关3、微动开关2.1.3接触器

接触器是借助电磁铁的吸合和释放来驱动触头闭合或分断大电流电路（主电路及大容量控制电路）的一种自动切换电器。

2.1.4继电器

继电器是一种根据电量（电压、电流）或非电量（压力、温度、转速、时间等）的变化，实现信号转换和开闭控制电路的控制电器。（1）中间继电器

中间继电器属于电压继电器，其用途之一是记忆瞬态主令信号（按钮、行程中途上的行程开关等主令电器发出的信号），用途之二是当主令电器的触头数量、容量不够用时，可用其扩展或放大。

（2）固态继电器固态继电器是由集成电路、晶体管、光电耦合器、可控硅等电子元件组成，它是一种新型的无触头开关电器。

（3）热继电器

热继电器是一种保护电器，专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护。

热继电器的工作原理

双金属片作为温度检测元件，由两种膨胀系数不同的金属片压焊而成，当热元件受热时，由于两层金属片热膨胀率不同而弯曲。热元件串接在电动机定子绕组电路上，在电动机正常运行时，热元件产生的热量不足以使触头组件动作；当电动机过载，流过热元件的电流超过整定电流时，经过一定的时间，热元件产生的热量使双金属片达到一定的弯曲程度，通过导板推动常闭触头分断控制电路，使电动机主电路失电。

（4）时间继电器

时间继电器是一种将定时信号变换为开关信号的继电器，它能够按设定时间开闭控制电路。时间继电器有空气式、电动式、电子式等多种，

1）空气式时间继电器

（5）速度继电器速度继电器是将旋转速度信号转换为开关信号的一种控制电器。主要用于鼠笼式异步电动机的反接制动控制，所以亦称反接制动继电器。

速度继电器的结构和工作原理它主要由与被控电动机同轴连接的圆柱形永久磁铁转子、用矽钢片叠制而成并装有笼形绕组的空心圆环定子、以及触头三部分组成。当电动机转动时，速度继电器的转子随之转动，定子内的短路导体便切割磁场而产生感应电势和电流，此电流与旋转的转子磁场作用产生转矩，使定子转动，当转到一定角度时，装在定子轴上的摆锤拔动簧片式动触头动作，使常闭触头分断，常开触头闭合，切换其所控制的电路。当电动机转速低于某一数值（一般为100r/min），所产生的转矩减小到一定程度时，簧片式触头复位。2.1.5其他低压电器

（1）熔断器

熔断器是电气系统短路及严重过载的一种保护电器。

（2）控制变压器

当电气控制系统某些控制电路或辅助电路额定电压低于市电电压（220伏）时，必须需采用控制变压器降压后提供电源。（3）信号灯信号灯是用于电源指示、信号指示、电路运行状态指示等的显示电器。（二）熔断器的典型产品按结构分有：半封闭瓷插式、螺旋式、无填料封闭管式和有填料封闭管式熔断器。瓷插式熔断器螺旋式熔断器有填料封闭管式熔断器

2.1.6执行电器

（1）电磁铁电磁铁广义上是一种把电磁能转换为机械能的电器。而低压电器中的电磁铁是指将电流信号转换成机械位移的执行电器。它由静铁心、动铁心（衔铁）和线圈组成。电磁铁按线圈电压的种类分为交流电磁铁和直流电磁铁。

（2）电磁离合器电磁离合器是利用表面摩擦或电磁感应原理，在传动机构主动轴与从动轴之间传递转矩的执行电器。主要用于电动机连续运行，而其驱动的机械传动系统要求频繁自动起停或自动变速的场合。

2.2机械设备电气控制的基本电路

本节着重介绍异步电动机的起动、停止、正反转、制动、变极调速等基本控制电路，此外，还介绍一些常用的其它基本控制电路及控制环节。

2.2.1电气控制原理图的内容

电气控制原理图是用电器元件的图形符号（旁边有相应的文字标记）由线条连接而成的一种电路图样。它仅描述电气控制系统中各个电器元件的逻辑关系和电路的工作原理，并不表示各电器元件的物理结构、安装位置和实际连线。电气控制原理图应包括以下内容：电路图、回路名称或回路功能表、接触器和继电器触头检索图、回路编号表，如果电路具有自动或半自动工作循环功能，原理图还应有工作循环图和工步状态表或顺序控制功能流程图。电气原理图

（1）绘制电气原理图须遵守的主要规则

1）电气控制电路分主电路和控制电路。主电路是从电源到电动机和其它大容量用电设备（电炉、电解槽、电镀槽等等）之间的电路，一般画在左侧；控制电路是指控制接触器和其它小电流（10A以下）执行电器的电路，通常画在右侧。电源线路为水平走向；其它线路为垂直走向。

2）在电气控制电路中，同一电器元件的线圈和触头通常分布在不同的回路，但要用同一文字予以标记。

3）电气控制电路的全部触头都按非工作状态绘出。

4）在电气原理图中，表示导线交叉连接的点用实心圆点表示；可拆连接或测试点用空心圆表示；无导线连接的交叉点不加任何符号。

2.2.2电气控制电路的逻辑代数描述

在逻辑函数中，表示触头的逻辑变量称自变量，表示线圈的逻辑变量称因变量。

2.2.3异步电动机的起动控制电路电动机能否直接起动，取决于供电变压器的容量。当电动机频繁起动时，若其容量小于变压器容量的20%时可直接起动。实际情况往往是供电变压器不仅给电动机供电，而且还要给其它用电设备供电，所以一般情况下功率在11kW以下的电动机可以直接起动。

（1）直接起动控制电路

1）对于功率为0.75kW以下的异步电动机，可以用开关操作直接起动。如图2-23所示。

2）若电动机的功率在1.1kW～11kW之间，应通过接触器控制直接起动。如图2-24所示。

直接起动电路图

（2）降压起动控制电路

对于功率在11kW以上的异步电动机或其它用电设备，均应采用降压起动。最常见的异步电动机降压起动方式有星-三角形降压起动和定子串电阻降压起动。

1）星-三角形（Y-△）降压起动控制电路2）定子串电阻降压起动控制电路

2.2.4异步电动机的正反转控制电路机械设备工作台的前进与后退，主轴的正反转，升降机吊篮的升与降等运行状态，在多数情况下是利用电动机正、反转的控制来实现。由三相异步机工作原理可知，只要将电动机的三相电源连接线中的任意两相对调，即可使电动机反转。由于所采用的主令电器不同，控制方式可分为按钮控制和行程开关控制两类。

（1）异步电动机正反转的按钮控制电路

（2）异步电动机正反转的行程控制电路（1）异步电动机正反转的按钮控制电路

（2）异步电动机正反转的行程控制电路

2.2.5异步电动机的制动控制电路

异步电动机从切断电源到停转需要经过一段时间。对于要求精确停车定位或辅助时间较短的生产机械，必须采取制动措施。用得最多的是电气制动。电气制动是使电动机产生一个与原来旋转方向相反的电磁力矩来实现。常用的电气制动方式有能耗制动和反接制动。

（1）能耗制动控制电路能耗制动的原理是：当异步电动机切断三相电源时，立即在定子绕组中接入直流电源，于是在定子产生恒定磁场。转子由于惯性旋转切割恒定磁场的磁力线而产生感应电流，这一电流形成的电场与恒定磁场相互作用而产生制动力矩，使定子停转。从能量转换的角度而言，能耗制动是将电动机的惯性旋转动能转换成电能，并消耗在转子制动上。（1）能耗制动控制电路

（2）反接制动控制电路反接制动的原理是在异步电动机正常运行状态下，改变其电源相序，使定子产生反向旋转磁场，从而对转子产生强力制动，并利用速度继电器控制转子停转。

3）两种电气制动电路的比较

能耗制动比较平缓，制动产生的机械冲击对机械设备影响较小，因此应用较广。反接制动由于转子与旋转磁场的相对转速接近同步转速的两倍，所以定子绕组中流过的反接制动电流也相当于全压起动时电流的两倍。因此制动力矩大，制动迅速，但冲击大。它仅适用于不频繁起动及制动准确性要求不高的小容量电动机上。

2.2.6多速电动机的变极调速控制电路

原理

从电工学的公式n=(1-s)60f/p知，改变电动机的磁极对数即可改变其转速。

（1）双速电动机绕组的连接方法

（2）双速电动机的高低速控制电路

2.2.7其它的基本控制电路及环节

（1）点动与长动控制电路机械设备连续运行状态的控制方式称长动控制。按下按钮SB2,KM得电自锁，实现长动。如果用按钮SB3直接控制，当按钮被按压时KM得电，释放时失电，则这种控制方式称点动控制。

（2）多地点控制电路对于大型机械设备，为方便操作，要求能在设备的多个位置进行人工操作。

（3）顺序控制电路在机械设备电气控制系统中，往往要求电动机按顺序起动。如多数机床的运动部件必须在润滑油泵电机起动后才能起动，以保证运动部件在充分的润滑条件下起动运行。

（4）自锁控制环节

在控制电路中，利用接触器、继电器本身的触头来使其线圈保持通电的电路环节称为自锁控制环节（简称自锁）。

（5）互锁控制环节

在控制电路中，当一个电器元件得电时，禁止另一个电器元件得电，反之亦然，这种互相制约的控制电路环节称为互锁控制环节（简称互锁）。如电动机的正反转控制电路必须有互锁控制环节。

（6）联锁控制环节

在控制电路中，某个主令信号要控制某个电器元件得电，必须以其它某些电器元件的得电或失电，或某些主令电器的开或关为前提，这种带前提条件，但不是互为前提的控制电路环节称为联锁控制环节。控制电路所需的前提条件称为该主令信号的联锁条件。联锁控制环节的应用电路2.2.8电气系统的保护

（1）短路保护

1）短路的后果在短路线路上的电器元件触头会因此时流过的电流大大超过其额定容量而被烧毁或发生熔焊，导线的绝缘层也会因此被烧毁，甚至会导致火灾。

2）短路保护措施a)熔断器保护；b）自动开关的脱扣保护。

（2）过载保护

1）过载的后果在电力拖动系统中，当负载转矩超过电动机额定转矩时，电动机绕组的温升会急剧升高并超过其额定值，轻者会使绕组的绝缘层老化变脆，寿命降低；重者会导致至电动机绕组烧坏。

2）过载保护措施热继电器保护、自动开关过载脱扣保护。电子式继电器过载保护、埋入电动机绕组的温度继电器（有双金属片式和热敏电阻式）过载保护，软起动器过载保护。

（3）过电流保护

1）出现过电流的场合及后果直流电动机和线绕式异步电动机在重载下起动或频繁正反向起动时，会短时出现过电流，导致直流电动机和线绕式异步电动机的电刷烧毁。

2）过电流保护措施在直流电动机或线绕式异步电动机的主电路中串联电流继电器线圈，在控制电路中串联电流继电器的常闭触点。

（4）零电压和欠电压保护

1）什么情况下出现零电压和欠电压电动机正常运行时出现非正常停电时出现零电压；电源电压低于控制电器线圈额定电压的下限（一般为85%）时出现欠电压。

2）零电压和欠电压造成的后果在出现零电压后恢复供电时，如果没有保护措施，会导致控制系统自行启动，酿成事故。欠电压出现后会导致电动机转速过低甚至停转，结果造成所拖动的设备不能正常运行，甚至可能酿成事故。

3）零电压和欠电压保护措施将控制电动机的继电器、接触器控制电路连接成自锁电路即可。

（5）弱磁保护

1）弱磁造成的后果直流电动机起动时如果励磁太弱，起动电流会很大；正常运行时，励磁突然减弱或消失，电动机转速会迅速升高，甚至发生飞车。

2）弱磁保护措施在直流电动机励磁回路串联电流继电器，当励磁电流小到一定限度时，电流继电器自动切断励磁回路，使电动机停止。第二章作业

2—5、2—6、2—7第二章实验

1.行程控制式异步电动机正反转实验。

2.星—三角形降压起动实验。第三章电气逻辑控制系统分析

3.1

概述

3.1.1什么叫电气逻辑控制系统分析

在阅读已有逻辑控制系统或设计方案的基础上，分析其电路的逻辑控制功能是否满足被控机械设备的控制要求，在满足功能要求的前提下电路是否最简单，工作是否可靠。

3.1.2电气逻辑控制系统的组成包括主电路、控制电路路和辅助电路（保护电路、信号指示电路和照明电路）3.2C620—2型卧式车床电气控制系统3.3组合机床电气控制系统3.3.1机床液压系统

3.3.1液压泵电动机控制电路

液压泵电动机为单独启动与停止。通常是机床操作者操作机床时启动，离开机床或下班时才停止。这是因为组合机床工作过程中，只有装卸工件时才停止运动，而装卸工件的时间很短，为避免液压泵频繁启动而降低寿命，液压泵电动机在工作过程中不宜经常启动和停止。

图3-3组合机床电气系统原理图

3.3.2半自动工作循环控制电路

3.3.2.1绘制转步主令开关状态表

分析这种控制电路时，首先根据表3－1绘出表3－2所示的转步主令开关状态表（表中的粗横线表示转步主令开关常开触头的闭合状态，画该状态线的规则是：某一动作完成时所触发的主令开关，其开关常开触头立即闭合，并保持到该动作的相反动作开始后的一瞬间才结束）。

3.3.2.2列写半自动工作循环控制电路的逻辑表达式

按图3－3所示电路列出各个被控电器得电状态的“与—或”逻辑表达式（不要对逻辑表达式进行任何化简）。然后按表3－2所示的转步主令开关状态，逐个工步标记工步启动时逻辑表达式中各个逻辑变量的取值。在某一个工步的开始，无论是按钮、行程开关的触头还是继电器、接触器的触头，也不管是常开还是常闭的，只要处于闭合状态，则其在逻辑表达式中相应的变量取值为“1”，用粗斜体字表示。否则，取值为“0”，用普通字体表示。按此列写逻辑表达式后，逐一察看，只要式中有一个“与”项的所有变量全部为粗斜体字，则其等号右边的输出变量为“1”。应该注意的是，如果某继电器的逻辑表达式的输出变量取值为“1”，则在同一工步状态下，各个逻辑表达式左边的该继电器常开触头变量取值也为“1”，其常闭触头反变量取值为“0”。

3.3.2.3电路分析过程

SB4·SQ1·SQ3·SQ4·SQ6+KA1·

SQ6=KA1SQ2·SP·SQ4+SQ2·SP·KA1+KA2·SQ4+KA2·KA1=KA2SQ5·SQ1+SQ5·SQ3+KA3·

SQ1+KA3·SQ3=KA3

KA2·KA3=YV1KA1·KA2=YV2KA1·KA2=YV3

KA3·KA2+KA1·KA2=YV4KA1+KA3

=YV5KA2=KM23.4工业机械手电气控制系统分析（分析方法与组合机床电气控制系统相同）

这部分自学

习题二题3·13.5电梯电气控制系统

3.5.1交流变频调速集选控制电梯的功能及工作状态

3.5.1.1层站停留

当电梯中的乘客到达某层站并离开轿厢后，如果再无人进入轿厢，而且其它层站也无任何呼唤信号，则电梯便一直停留在该层站并开着门候客。

3.5.1.2

层站呼唤

在层站门厅的候梯乘客按压呼唤信号按钮后，电梯的工作情况有3种：

(1)电梯原来无论停留在呼唤层站的上方层站还是下方层站，如果轿厢内无人发出选层指令，电梯立即关门并下降或上升至所呼唤的层站，然后停靠开门接客；

(2)

电梯运行时，在运行方向前方的层站只要有顺向呼唤信号，均一一顺次响应并逐个停靠呼唤层站，这称“顺向截梯”；

(3)

电梯沿某方向运行时，在已经过层站或未到达层站有逆向呼唤信号，电梯暂不予响应，但呼唤信号保持住，待电梯到达最远终点层站且反向运行后才被响应。

3.5.1.3轿厢内的定向和选层

当轿厢有乘客时，电梯的运行方向由最先按选层按钮的乘客决定，而且轿厢内的选层信号优先于层站呼唤信号。例如，有数名乘客进入停留在5层站的空电梯。其中，某乘客先按了21层的按钮，电梯便按其选层信号上行。其它乘客在此以后触发的选层指令，凡是上行的都得到响应，而下行的则须等到上行到达最远终点层站并变换为下行后才被响应。在此状态下，只有顺方向的未到层站的呼唤信号得到响应，逆方向的所有层站呼唤信号须等到电梯反方向运行后才被响应。

3.5.1.4启动加速和将停靠层站时减速

电梯的搭乘舒适感取决于其加减速性