第4章电气设计与CAD

机电传动与PLC第四章电气设计与CAD拟定电气设计任务书（技术条件）确定电气传动控制方案，选择电动机设计电气控制原理图选择电气元件，制定明细表设计操作台、电气柜及非标准电气元件设计电气设备布置总图、电气安装图以及电气接线图编写电气说明书和使用操作说明书1电气控制系统设计的基本内容第一节电气控制电路设计基础§4.1电气控制电路设计基础2电气控制系统设计的原则电力拖动方案确定的原则：无电气调速要求时；

有电气调速要求时；控制方案确定的原则:控制方式与拖动需要相适应：以经济效益为标准；控制方式与通用化程度相适应：加工一种或几种零件的专用设备，宜采用固定的控制电路；单件、小批量且可加工形状复杂零件的通用设备，采用数字程序控制或可编程序控制器控制，可以根据不同加工对象设定不同的加工程序，有较好的通用性和灵活性；控制方式应最大限度满足工艺要求：自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性联锁、信号指示和故障诊断等功能；控制电路的电源应可靠。1.了解生产工艺对电气控制的要求；了解生产机械的结构、工作环境、对操作人员的要求；2.具体电路的设计：设先设计主电路，再设计控制电路、信号电路及局部照明电路等；3.检查完善电路；4.电器型号和规格的选择。3电气控制系统设计的方法电气控制系统设计的一般过程：§4.1电气控制电路设计基础满足生产机械的工艺要求，能按照工艺的顺序准确而可靠地工作。电路结构力求简单，尽量选用常用且经过实际考验过的电路。操作、调整和检修方便。具有各种必要的保护装置和联锁环节。1）电气控制系统设计的要求经验设计法：根据生产工艺的要求，按照电动机的控制方法，采用典型环节电路直接进行设计。逻辑设计法：采用逻辑代数进行设计。2）电气控制系统设计的方法§4.1电气控制电路设计基础尽量减少连接导线。设计控制电路时，应考虑电器元件的实际位置，尽可能地减少配线时的连接导线，如图a是不合理的。按钮一般是装在操作台上，而接触器则是装在电器柜内，这样接线就需要由电器柜二次引出连接线到操作台上，所以一般都将起动按钮和停止按钮直接连接，就可以减少一次引出线，如图b所示。

3）电气控制系统设计时应注意的问题§4.1电气控制电路设计基础正确连接电器的线圈。

1)电压线圈通常不能串联使用。a图，因为电器动作总有先后，当一个接触器先动作时，其线圈阻抗增大,该线圈上的压降增大，使另一个接触器不能吸合，严重时将使电路烧毁。2)电感量相差悬殊的两个电器线圈，不要并联连接。b图，直流电磁铁YA与继电器KA线圈并联，接通电源时，正常工作；断开电源时，继电器很快释放，电磁铁线圈产生的自感电动势可能使继电器又吸合一段时间。解决方法可备用一个接触器的触点来控制。如图c所示。

§4.1电气控制电路设计基础控制电路中应避免出现寄生电路:

寄生电路是电路动作过程中意外接通的电路。正常工作时，能完成正反向起动、停止和信号指示。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KM1不能有效释放，起不了保护作用。寄生电路§4.1电气控制电路设计基础尽可能减少电器数量，采用标准件和相同型号的电器当控制的支路数较多，而触点数目不够时，可采用中间继电器增加控制支路的数量。去掉不必要的KM1，简化电路，提高电路可靠性§4.1电气控制电路设计基础多个电器的依次动作问题

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。可逆电路的联锁

在频繁操作的可逆电路中，正反向接触器之间不仅要有电气联锁，而且还有机械联锁。要有完善的保护措施

常用的保护措施有漏电流、短路、过载、过电流、过电压、失电压等保护环节，有时还应设有合闸、断开、事故、安全等必须的指示信号。§4.1电气控制电路设计基础电路发生短路时的危害，短路电流会引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力，使电动机和电路中的各种电气设备产生机械性损坏，短路电路保护环节A短路保护§4.1电气控制电路设计基础不正确的起动和过大的冲击负载，常常引起电动机出现很大的过电流。过电流的危害，导致电机损坏，引起过大的电动机转矩，使机械的转动部件受到损坏。

B过电流保护§4.1电气控制电路设计基础电动机长期超载运行的危害，使其绕组的温升将超过额定值而损坏，常采用热继电器作为过载保护元件。单相、两相、三相过载保护由于热惯性的关系，热继电器不会受短路电流的冲击而瞬时动作。但当有8～10倍额定电流通过热继电器时，有可能使热继电器的发热元件烧坏。

在使用热继电器作过载保护时，还必须装有熔断器或过流继电器配合使用。原因C过载保护§4.1电气控制电路设计基础失电压保护:是指防止电压恢复时电动机自起动的保护。通常采用接触器的自锁控制电路来实现，欠电压保护:当电动机正常运转时，由于电压过分降低，将引起一些电器释放，造成控制电路工作失调，可能产生事故。因此，必须在电源电压降到一定值以下时切断电源，即为欠电压保护。一般常用电磁式电压继电器实现欠电压保护。当电源电压过低或消失时，电压继电器就释放，从而切断控制回路，电压再恢复时，要重新起动才能工作。D失电压保护E欠电压保护§4.1电气控制电路设计基础A电动机的选择：选择电动机时，要考虑电动机的功率、转速、结构型式、额定电压等。a)

电动机功率的选择:依据的是负载功率。b)

电动机额定电压的选择交流电动机额定电压应与供电电网电压一致。c)电动机额定转速的选择d)电动机结构型式的选择e)笼型异步电动机有关电阻的计算4）元器件的选择§4.1电气控制电路设计基础A电动机的选择a)

电动机功率的选择:依据的是负载功率。卧式车床主电动机的功率(2)立式车床主电动机的功率

(3)摇臂钻床主电动机的功率

(4)卧式镗床主电动机的功率

(5)龙门铣床主电动机的功率式中，P为主拖动电机功率（kW）；D(B)为工件（工作台）最大尺寸（m）。机床进给拖动的功率一般较小。按经验，车床、钻床的进给拖动功率为主拖动功率的0.03-0.05，而铣床的进给拖动功率为主拖动功率的0.2-0.25。主拖动和进给拖动用一台电动机的场合，按主拖动电动机的功率计算。采用单独的进给拖动电动机，其不仅拖动进给运动外还拖动工作台的快速移动，应按快速移动所需功率来选择。快速移动所需功率，—般按经验数据来选择。§4.1电气控制电路设计基础A电动机的选择b)

电动机额定电压的选择交流电动机额定电压应与供电电网电压一致。

中小型异步电动机额定电压为220V/380V（三角形/Y联结）及380V/660V（三角形/Y联结）两种，后者可用Y/三角形起动；

当电动机功率较大时，可选用相应电压的高压电动机。直流电动机的额定电压要与电源电压相一致。c)电动机额定转速的选择对于额定功率相同的电动机，额定转速愈高，电动机尺寸、质量愈小，成本愈低，选用高速电动机较为经济。由于生产机械所需转速一定，电动机转速愈高，传动机构转速比愈大，传动机构愈复杂。因此应通过综合分析来确定电动机的额定转速。d)电动机结构型式的选择电动机的结构型式按其安装位置的不同可分为卧式（轴是水平的）和立式（轴是垂直的）两种，应以电机与工作机构的连接方便、紧凑为原则来选择。电动机具有不同的防护型式，如防护式、封闭式、防爆式等，具体要根据电动机的工作条件来选择。

§4.1电气控制电路设计基础A电动机的选择e)笼型异步电动机有关电阻的计算

(1)电动机减压起动电阻：

式中，Rst为每相启动限流电阻值（Ω）；IN为电动机额定电流（A）；Kst为不加电阻时，电动机的起动电流与额定电流之比，可由手册查出；Ksrt为加入起动限流电阻后，电动机的起动电流与额定电流之比、可根据需要选取。

(2)电动机反接制动电阻：

式中，Rrb为每相反接制动限流电阻阻值（Ω）；Krbr为接入限流电阻后，反接制动电流与额定电流之比。如果只在电机的两相中串入制动限流电阻，Rrb值可取计算值的1.5倍。

§4.1电气控制电路设计基础B常用低压电器的选择a)接触器的选用选择依据：电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。（机床应用最多的是交流接触器。）

交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。(1)主触点额定电流IN可根据下面经验公式进行选择：

式中，IN为接触器主触点额定电流（A）;K为比例系数，一般取1-1.4；PN为被控电机额定功率（kW）；UN为被控电机额定线电压（V）。(2)交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。(3)根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压(4)接触器辅助触点的数量、种类应满足电路的需要。

§4.1电气控制电路设计基础b)继电器的选择一般继电器的选择一般继电器也叫电磁继电器。选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器、中间继电器等。另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应注意。时间继电器的选择从以下几方面考虑：

1)根据控制电路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。

2)根据延时准确度要求和延时长、短要求来选择。

3)根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。热继电器的选择按照电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。

(1)热继电器结构形式的选择。星形联结的电动机可选用两相或三相结构热继电器，三角形联结的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器

(2)热元件额定电流的选择。一般可按下式选取：

式中，IR为热元件的额定电流；IN为电动机的额定电流。对于工作环境恶劣、起动频繁的电动机，则按下式选取：

热元件选好后，还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值。§4.1电气控制电路设计基础c)熔断器的选择熔断器选择内容主要是熔断器种类、额定电压、额定电流等级和熔体额定电流。熔体额定电流IR的选择是主要参数。单台长期工作的异步电动机

式中，IN为异步电动机额定电流。用一组熔断器保护多台电动机

式中，Imax为容量最大的电机的额定电流；ΣIN为其他电机额定电流之和。d)其他电器的选择

(1)断路器的选择

(2)控制变压器容量的选择

(3)控制按钮的选择

(4)行程开关的选择

(5)万能转换开关的选择

(6)接近开关的选择§4.1电气控制电路设计基础通过下面的例子来说明如何用经验设计法来设计控制电路：滑台工件动力头动力头滑台工件§4.1电气控制电路设计基础主电路（1）主电路设计：动力头拖动电动机只要求单方向旋转，为使两台电动机同步起动，可用一只接触器KM3控制。滑台拖功电动机需要正转、反转，可用两只接触器KM1、KM2接制。滑台的快速移动由电磁铁YA改变机械传动链来实现，由接触器KM4来控制。§4.1电气控制电路设计基础（2）控制电路设计滑台电动机的正转、反转分别用两个按钮SBl与SB2控制，停车则分别用SB3与SB4控制。滑台的快速移动可采用电磁铁YA通电时，改变凸轮的变速比来实现。碰行程开关SQ3，停止快速移动。控制电路草图§4.1电气控制电路设计基础（3）联锁与保护环节设计：用限位开关SQ1的常闭触点控制滑台慢速进给到位时的停车；用限位开关SQ2的常闭触点控制滑台快速返回至原位时的自动停车。接触器KMl与KM2之间应互相联锁，三台电动机均应用热继电器作过载保护。§4.1电气控制电路设计基础（4）电路的完善：电路初步设计完后，需仔细校核。一共用了三个KMl的常开辅助触点，而一般的接触器只有两个常开辅助触点。因此，必须进行修改。从电路的工作情况可以看出，KM3的常开辅助触点完全可以代替KM1的常开辅助触点去控制电磁铁YA，修改后的辅助电路如图所示。§4.1电气控制电路设计基础第二节机床电气控制电路设计举例

—CW6163型卧式车床的电气控制机床电气传动的特点及控制要求机床主运动和进给运动由电动机M1集中传动，主轴运动的正反向（满足螺纹加工要求）是靠两组摩擦片离合器完成。主轴制动采用液压制动器。冷却泵由电动机M2拖动。刀架快速移动由单独的快速电动机M3拖动。进给运动的纵向（左右）运动，横向（前后）运动，以及快速移动，都集中由一个手柄操纵。电动机型号：主电动机M1：Y160M-4，1lkW，380V，23.0A，1460r/min；冷却泵电动机M2：JCB-22，0.15kW，380V，0.43A，2790r/min；快速移动电动机M3：Y90S-4，1.1kW，380V，2.8A，1400r/min。主回路设计由接触器KM1、KM2、KM3分别控制电动机M1、M2及M3。

主电路设计§4.2

机床电气控制电路设计举例电机控制要求主电动机M1可在床头操作板上和刀架拖板上分别设起动和停止按钮SB1、SB2、SB3、SB4进行操纵。接触器KM1与控制按钮组成带自锁的起停电路。冷却泵电动机M2由SB5、SB6进行起停操作，装在机床头部。快速移动电动机M3工作时间短，为了操作灵活由按钮SB7与接触器KM3组成点动控制电路。电路电源考虑安全可靠及满足照明指示灯的要求，采用变压器供电，控制电路127V，照明36V，指示灯6.3V。

信号指示与照明电路设电源指示灯HL2（绿色），在电源开关QS接通后，立即发光显示，表示机床电气电路已处于供电状态；设指示灯HL1（红色）显示主电动机是否运行。在操作板上设有交流电流表A，串联在电机主回路，指示机床的工作电流。可根据电机工作情况调整切削用量使电机满载运行。EL照明灯为36V安全电压。

控制回路设计§4.2

机床电气控制电路设计举例CW6163型卧式车床电气原理图§4.2

机床电气控制电路设计举例

选择电气元件电源引入开关QSQS主要作为电源隔离开关用，可按三台电动机额定电流来选。可选用HZl0-25/3型，额定电流为25A，三极组合开关。热继电器FR1、FR2

主电动机M1额定电流23.0A，FR1可选用JR0-40型热继电器，热元件电流为25A，电流整定范围为16~25A，工作时将额定电流调整为23.0A。

FR2可选用JRl0-10型热继电器，选用1号元件，电流整定范围是0.40～0.64A，整定在0.43A。熔断器FU1、FU2、FU3FU1是对M2、M3两台电动机进行保护的熔断器。熔体电流为

可选用RLl-15型熔断器，配用10A的熔体。

FU2、FU3选用RLl-15型熔断器，配用最小等级的熔断体2A。§4.2

机床电气控制电路设计举例接触器KM1、KM2及KM3接触器KM1，根据主电动机M1的额定电流IN=23.0A，控制回路电源127V，需主触点三对，动合辅助触点两对，动断辅助触点一对，根据上述情况，选用CT0-40型接触器，电磁线圈电压为127V。由于M2、M3电动机额定电流很小，KM2、KM3可选用JZ7-44交流中间继电器，线圈电压为127V，触点电流5A，可完全满足要求。对小容量的电动机常用中间继电器充任接触器。控制变压器TC

变压器最大负载时是KM1、KM2及KM3同时工作，可算出变压器容量应大于68.4VA。考虑到照明灯等其他电路附加容量，可选用BK-100型变压器或BK-150型变压器，电压等级：380V/127-36-6.3V。制定电气元件明细表电气元件明细表要注明各元器件的型号、规格及数量等。§4.2

机床电气控制电路设计举例第三节电气设计的内容工况企业供配电电气自动化控制三个研究阶段方案设计（可行性研究）是对建设项目在技术经济以及其他方面是否可行，对多个方案做最终选择的研究论证，是建设项目投资决策的依据。初步设计（扩初设计）

是根据设计任务书的要求和有关设计基础资料所做出的具体实施方案初稿，是基本建设前期工作的重要组成部分，是工程设计程序中的重要阶段。当项目无方案设计阶段时，初步设计为扩大了的初步设计，简称扩初设计。经批准的初步设计（含概算书）是工程施工图设计的依据。施工图设计是技术设计和施工图绘制的总称。本阶段首先是技术设计，即把经审批的初步设计原则性方案做细致全面的分析和计算，取得确切的技术数据后，再绘制施工安装图样。建筑强电与弱电智能建筑

电气设计的四个方向方案设计阶段:

征得主管部门同意的电源设施及外部条件、供电负荷等级、供电措施。列表说明全厂装机容量、用电负荷、负荷等级和供电参数。总变配电所的布局和位置及所建规模，确定负荷的大小。供电系统的选择、干线敷设方式防雷等级及措施，环境保护及节能措施。列表说明主要设备选型及进度。需要时应对不同方案提出必要的经济概算指标对比。

整个电气设计技术文件应包括设计（文字）说明书、设计计算书及设计图样三大部分。

设计说明书

设计依据摘录设计总说明所列批准文件和依据性资料中与本专业设计有关的内容、其他专业提供的本工程设计的条件等。设计范围根据设计任务书要求和有关设计资料，说明本专业设计的内容和分工（当有其他单位共同设计时）。设计技术方案不同类型工程的设计技术方案不同。待解决问题需提请在设计审批时解决或确定的主要问题。主要设备及材料表按子项列出主要设备、材料的名称、型号、规格、单位和数量

初步设计阶段:

§4.3电气设计的内容施工图设计阶段

此设计阶段的设计说明已按专业划分，并作为设计图样的一部分，包括设计说明、施工要求、主要设备材料表及图例。不同类型的工程，设计技术方案说明的内容如下：

供电工程电力工程照明工程自动控制与自动调节工程建筑设备电脑管理工程建筑与构筑物防雷保护工程

电话站工程通信线路网络工程共用天线电视工程闭路电视工程有线广播工程扩声和同声传译工程呼叫信号工程公共显示工程时钟工程电脑经营管理工程火灾自动报警及消防联动控制工程保安工程

电气类工程

弱电类工程§4.3电气设计的内容

设计计算书各类用电设备的负荷计算。短路电流及继电保护计算。电力、照明配电系统保护配合计算。避雷针保护范围及大、中型公用建筑主要场所照度计算及特殊部分的计算设计图样方案设计阶段初步设计阶段

供电总平面规划工程变配电站工程电力工程照明工程自动控制与自动调节工程建筑设备电脑管理工程建筑防雷工程

各弱电项目系统框图主要弱电项目控制室设备平面布置图弱电总平面布置图，绘出各类弱电机房位置、用户设备分布、线路敷设方式及路由大型或复杂子项宜绘制主要设备平面布置图电话站内各设备连接系统图电话交换机同市内电话局的中继接续方式和接口关系图电话电缆系统图电气工程

总变配电所位置示意图（厂区平面图）。供电连接线简图（系统图）。供电主要设备表。弱电工程

§4.3电气设计的内容施工图设计阶段

图样目录:先列新绘制图样，后列选用的标准图或重复利用图。首页及设计说明:应包括设计说明、施工要求、主要设备材料表及图例图样主体:(包括以下几点)

变配电工程电力工程电气照明工程自动控制与自动调节工程建筑设备电脑管理系统建筑与构筑物防雷保护弱电工程§4.3电气设计的内容CAD的基本概念：

CAD:计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)。将计算机硬件、软件合理组合以辅助设计人员实施设计的整个体系。电气设计CAD是

CAD内容中的一个重要部分—计算机绘图。

CAD的本质意义主要体现在以下几个方面：

有机结合人与计算机，可发挥各自特长，弥补对方不足。资料、别人的经验、历史的积累以数据形式迅速调用。

CAD将设计人员从繁重的重复性工作中解脱出来，使设计人员能迅速、准确、有效、保质、自动完成工作。CAD的发展：第四节电气设计CAD

准备阶段开发阶段实用阶段产业化阶段网络集成阶段

CAD的主要功能：

建立几何模型

模型分析自动绘图

硬件系统主机系统图形工作站:

用于动画合成、电影三维制作、教学影像合成量大且计算复杂的图形制作它支持多CPU配置、外挂硬件加速卡及多种合成硬件仅使用于大公司、大集团绘图专用机:

用于图像处理、广告设计、电脑绘图,适合于专业性强的用户系统:

分为高、中、低三档配置高档:配置主要在绘图的个人专门用户、设计单位和广告公司，做

CAD、Photoshop三维建模；中档:配置是针对多媒体、广告及游戏用户；低档:配置为商业及一般家用，主要用于文档处理及商务管理图形输入设备键盘;鼠标;操纵杆、轨迹球;光笔;扫描仪;

数码相机和数码摄像机。§4.4电气设计CAD图形显示设备:CAT、液晶显示器图形显示设备:打印机、绘图仪图形硬拷贝设备：打印机、绘图仪

计算机系统软件计算机设计方提供的使用和管理计算机本身的程序。包括计算机监控系统、操作系统、磁盘管理程序、调试诊断系统、开发编程工具等，如汇编语言和高级语言等的汇编程序、解释程序、翻译程序以及为各程序服务的装配、连接、编辑程序，还有系统模拟器仿真、移植程序、信息处理的文字、资料检索及数字管理程序等。

CAD系统软件

●图形处理软件●几何造型软件●有限元分析软件●CAD数据库及其管理软件●CAD应用软件CAD应用软件

为解决各专业设计而二次开发的程序软件包，各种电专业设计软件均属于这种类型。

软件系统§4.4电气设计CAD软件系统的基本功能电气设计CAD软件包的构成：内容绘图编辑观察与输出扩展与数据库的接口汉化功能图形系统数据应用程序库人机接口系统图原理图平面图变、配电所图设计计算图纸外框§4.4电气设计CAD第五节计算机辅助设计通用CAD绘图AutoCAD用得最广泛的软件是美国AutoDESK