《机电控制技术》-单元十五

项目１电气控制系统设计基础任务１电气控制系统设计的基本内容电气设计的基本任务是根据设备的控制要求，编制出设备制造和使用维修过程中所必需的图纸和资料，包括总图、系统图、电气原理图、总装配图、部件装配图、电器元件布置图、电安装接线图、配电箱制造工艺图、控制面板及电器元件安装底板图和非标准件加工图等，还包括编制外购件目录、材料消耗清单和设备使用维修说明等资料。１.电气原理设计的主要内容电气原理设计是整个系统设计的中心环节，是工艺设计和制定其他技术资料的依据。电气控制系统原理的设计内容主要包括以下内容：下一页返回项目１电气控制系统设计基础（１）制定电气设计任务书（技术条件）；（２）选择电气传动方案与控制方式；（３）确定电动机的类型和技术参数；（４）设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟定各部分的技术指标及要求；（５）设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数；（６）选择电器元件，制定元器件目录清单；（７）编写设计说明书。２.工艺设计的主要内容上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础工艺设计亦称为施工图设计，其主要目的是便于组织电气控制装置的制造与施工，实现电气原理图设计功能的各项技术指标，为设备的制造、调试、维护和使用提供必要的图纸资料。工艺设计的主要内容是：根据设计的电气原理图及选定的电器元件，设计和绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。总装配图及总接线图应反映出主回路、控制电器、电器箱（柜）各组件、操作台布置、电源及检测元件的分布状况和各部分之间的接线关系与连接方式。本部分设计资料供制造、总装、调试和日常维护使用。（１）按照电气原理图或划分的组件进行统一编号，列出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。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（２）根据组建的电路原理及选定的元件目录表，设计组件装配图（电器元件布置与安装图）和接线图，图中应反映各电器元件的安装方式与接线方式。这些资料是组件装配和生产管理的依据。（3）根据组件装配要求，绘制电气安装板和非标准的电气安装零件图，并标明技术要求。这些图纸是制造和加工所必需的技术资料。（４）在设计电器箱（柜）时，要根据组件尺寸及安装要求确定电器箱（柜）的结构、外形尺寸、安装支架、安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热方式以及维修操作位置等。在电气箱（柜）设计中，应注意操作维护的方便性与造型美观。（５）将总原理图、总装配图和各组件原理图等资料进行汇总，分别列出外购清单，标准件清单以及主要材料消耗定额等。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础这些是生产管理和成本核算所必须具备的技术资料。还应编制调试、试验、使用、维护和技术说明书等。任务２电气设计的技术条件本任务要求熟悉电气设计的技术条件。电气设计的技术条件是由参与设计的各方面人员根据所需设计的总体要求共同讨论拟定的，通常以设计技术人员的形式表达的。它是整个电气设计的依据，在任务书中，除了需要简要说明所设计的目的、条件、用途、工艺过程、技术性能、传动参数以及现场工作条件外，还需说明：（１）用户供电电网的种类、电压、频率及容量等；上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（２）有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速范围、电动机的启动、反转和制动的要求等；（３）有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、自动控制要素的组成、自动控制要素的程序、电气保护及连锁条件等；（４）有关操作方面的要求，如操作面（台）的布置、操作按钮的设置和作用、测量仪表的种类以及显示、报警和照明等要求。（５）主要执行电器元件（如电动机、执行电器和行程开关等）的安装位置及环境情况等。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础任务３电气控制设计的一般原则在电气控制系统的设计过程中，通常应遵循以下原则：（１）最大限度地满足生产过程的工艺对电气控制的要求。生产机械的工艺过程对电气控制系统的要求是电气设计的依据。对于有特殊要求的场合，应明确运行技术指标。除此之外，其他要求应根据生产需要予以充分考虑。（２）在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济，不宜盲目追求自动化和高指标，要从工艺要求、实用性、制造成本和使用维护方便等各方面协调处理各方关系。（３）正确、合理地选用电器元件，确保使用安全、可靠。另外还应考虑造型美观和技术的进步性。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础任务４电气控制设计的一般程序本任务要求掌握电气控制系统设计的一般程序。通常电气控制系统的设计程序是按以下步骤进行的：（１）拟订设计任务书。设计任务书或技术建议书是整个系统设计的依据，同时也是今后设备竣工验收的依据。因此设计任务的拟定是十分重要的，必须认真对待。在很多情况下，设计任务的下达部门对本系统的功能要求和技术指标只能给出一个粗糙的轮廓，设计应达到的各种具体的技术指标和其他各项要求，实际上是由技术部门、设备使用部门和承担设计任务部门等几方面共同协商确定的，最后以技术协议的形式出现。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础在电气设计任务书中，除简要说明所设计任务的用途、工艺过程、动作要求、传动参数和工作条件外，还应说明以下主要技术经济指标及要求：①电气传动基本特性的要求、自动化程度要求和控制精度；②目标成本与经费限额；③设备布局、安装要求、控制柜（箱）、操作台布置、照明、信号指示和报警方式等；④工期、验收标准和验收方式。（２）选择拖动方案与控制方式。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础电力拖动方案与控制方式的确定是设计的重要部分，待设计方案确定后，就可以进一步选择电动机的类型、数量、结构形式以及容量等。（３）电动机选择的基本原则。电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，还要与被拖动负载的特性相适应，以保证电动机运行稳定并具有良好的启动和制动性能。对有调速要求的，应合理选择调速方案。工作过程中，电动机的容量要能得到充分地利用，应使其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要求，还应选择恰当的使用类别和工作制，并使电动机能适应周围环境的工作条件。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础在满足设计要求的情况下，应优先采用结构简单、使用和维护方便的笼型三相交流异步电动机。电力拖动方案确定之后，电动机的类型、数量及其控制要求就已基本确定，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。在确定控制方案时，应尽可能采用新技术、新器件和新的控制方法。以下是在确定控制方案时需要完成的：①设计电气控制原理图、选用元器件、编制元器件目录清单；②设计电气施工图，并以此为根据编制各种材料定额清单；③编写设计说明书。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础任务５电气控制原理图设计的基本步骤与方法电气原理图是整个设计的核心，本任务要求掌握电气原理图的基本设计步骤和方法。电气控制原理图设计是在总体方案确定后具体设计的核心内容，因为各项性能指标和功能都是通过电气控制原理图来实现的，同时它又是电气工艺设计和编制各种技术资料的依据。电气原理线路图设计的基本步骤如下：（１）根据选定的控制方案和方式设计系统的原理框图，拟定出各部分的主要技术要求和技术参数。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（２）根据各部分的要求，设计电气原理框图和各个部分的单元电路。对于每一部分的设计总是按主电路→控制电路→联锁与保护→总体检查的顺序进行，最后经反复修改与完善，完成设计。（３）按系统框图结构将各部分连成一个整体，绘制系统原理图，通常简称为系统图。在系统图的基础上选定故障点，进行必要的短路电流计算，并根据需要计算出相应的参数备用。（４）根据计算的数据正确选用电器元件，必要时应进行动稳定性和热稳定性的校验。最后制定元器件的规格和型号的目录清单。对于比较简单的控制电路，如非标设备的电气配套设计或技术改造的电气配套设计，可以简化步骤直接进行电气原理图设计。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础但对于比较复杂的电气自动控制线路，如新产品的开发设计或者新上工程项目的配套设计，就必须按上述过程按部就班地进行设计。对于有些情况还需要对上述的步骤进行进一步的细化，最后分步进行。但是只有各个独立部分都能达到功能要求、技术指标时，才能保证总体技术要求的实现。任务６电气控制设计的若干规则本任务要求掌握电气控制设计的规则。电气控制线路是用导线将电动机、电器和仪表等电器元件连接起来并实现控制功能和要求的。它是根据ＧＢ６９８８—１９８６《电气制图》的原则进行控制的。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础为了便于分析系统的工作原理，便于电气设备的安装、调整、使用和维修，必须用统一规定的图形符号和文字符号来代表各种电器，而电气线路图也应该按统一的规则进行绘制并加以编号，这样才有共同的语言。一套完整的电气控制系统设计图一般应包括系统图、电气原理图、分部电气原理图、盘箱柜外形图和施工图等。施工图包括电气安装接线图、电器布置图、盘箱柜结构图和电缆布置图等。１.系统图电气控制线路常用的图形、文字符号、项目代号和电气控制线路图是工程技术的通用语言。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础为了便于交流与沟通，在电气控制线路中，原理图的绘制、各种电器元件的图形、文字符号和项目代号必须符合国家的标准，绘制时要合理安排版面，项目和端子代号应符合ＧＢ５０９４—１９８５《电气技术中的项目符号》中的有关规定，端子标志按ＧＢ４０２６《电气接线端子的识别和用字母数字符号标志接线端子的通则》的规定进行标注。（１）项目代号是用以识别图表中和设备上的项目种类，提供项目的层次关系、实际位置等信息的一种特定的代码。完整的项目代号包括４个代号段，即高层代号、位置代号、种类代号和端子代号四个层次，其中每个代号段都用特定的前缀符号加以区别。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础具有相关信息的完整项目代号的一部分称为代号段。四段代号可采用拉丁字母与阿拉伯数字组合或仅采用其一，如仅用拉丁字母。项目是在图上用一个图形符号表示的基本件、部件、组件、功能单元、设备和系统等。部件是两个或更多的基本件构成的组件的一部分，可以整个的替换也可以分别替换其中的一个或几个基本件，如过电流保护器件、端子板等。组件是由若干个基本件组成或由若干部件组成，再或者是由若干基本件和若干部件组装在一起，用以完成某一特定功能的组合体，如：电源装置、开关设备等。（２）高层代号是系统或设备中任何给予代号的项目的较高层次项目的代号。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（３）位置代号是项目在组件、设备、系统或装置中的实际位置的代号。种类代号主要是用以识别项目种类的代号。种类代号中项目的种类同项目在电路中的功能无关，如各种电阻器都可视为同一种类的项目。而组件可以按其在给定电路中的作用进行分类。（４）端子代号是用以同外电路进行电气连接的电器导电件的代号。前缀符号是用以区分各个代号段的符号，包括等号“＝”、加号“＋”、减号“－”和冒号“：”。项目代号虽共有四段，但实际使用时往往不采用顺序组合的方法，而是根据需要按照下述方式之一进行组合：“前缀符号＋种类代号”“前缀符号＋位置代号＋种类代号”“前缀符号＋高层代号＋种类代号＋位置代号”或仅用其中某一段。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础最后一种情况适用于线路比较简单的情况。２.电气原理图电气原理图是根据工作原理而绘制的，具有结构简单，层次分明，便于研究和分析电路的原理等优点。它在各种电器控制中，无论是在设计部门还是生产现场都得到了广泛的应用。绘制电气原理图应遵循以下原则：电气控制线路可分为主电路和控制电路。主电路包括从电源到电动机或线路末端的电路，是工作电流的通路部分。控制电路一般由按钮、接触器、各种继电器的线圈及其辅助触头、热继电器、控制开关电器的辅助触头和控制变压器等组成，还包括信号回路和保护回路等。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础绘制电气原理图时，主电路一般排在图面的左面或上面，控制电路或辅助电路排在图面的右面或主电路的下面，元器件目录表排在标题栏上方，按倒置顺序编写。为了帮助读图，有时以动状态表或工艺过程示意图的形式将主令开关的通断、电磁阀动作要求及控制流程等表示在图面上，也可以在控制电路的每一条支路边上标注支路功能。在电气原理图中，所有电器元件的图形和文字符号必须按前述方法统一标号。主电路标号一般由文字符号和数字组成。文字符号用以标明主电路中的元件或线路的主要特征，数字标号用以区别电路不同的线段。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础控制电路由三位或三位以下的数字组成，交流控制电路的标号一般以主要电器元件的线圈为分界，左侧用奇数标号，右侧用偶数标号。直流控制电路中正极按奇数标号，负极按偶数标号。有些情况下需要将电器元件用展开图展开才能清楚地表达，这种情况下同一电器元件的各部分可以不画在一起，但需用同一文字符号标出，若有多个同一种类的电器元件，应在文字符号后加上数字序号予以区分。所有按钮、触头等均按操作前电路未带电的原始状态画出。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础控制电路原则上按照动作先后的顺序排列，自左至右、自上而下按行依次绘出，可水平布置或垂直布置，一般以水平绘制为宜，并应做到布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图。电气原理图中电器元件的数据和型号，一般用小号字体注在电器代号附近，导线以其截面标注，如１.５ｍｍ２字样表明该导线的截面积，必要时需标出采用导线的颜色。对于较复杂的电气原理图，为了便于读者读图分析和避免遗漏，应对图面进行区域划分或对电路进行编号，必要时还应注明回路的用途。图区编号在纸的上、下方各用１、２、３…等数字表示，在图纸的左、右方各用英文字母编号。如图１５－１所示。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础采用电路编号方法时应按支路顺序自上而下或自左到右的顺序依次编号。必要时，可以编制电气原理图中的项目、符号和位置索引，索引可用图号、页次和图区编号的组合方式表达，即图号／页次／图区号。３.电气安装接线图电气安装接线图用于电气设备和电器元件的安装、配线或检修电器故障。图中应标出各元件之间的关系、接线情况和相对安装的位置等。对某些较为复杂的电气设备，电气安装板上元件较多时，还应画出各安装板的接线图及端子的功能图。对于简单的设备，仅画出接线图就可以了。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础在实际工作中，电气安装接线图常与电气原理图结合起来使用。图１５－２所示电气原理接线图示例。图中标明了该电气设备中电源的进线、按钮、指示灯安装面板、照明灯、行程开关和电动机与电气安装板接线端之间的连接关系，也标注了所采用的金属软管的直径和长度、连接导线的根数、截面积及颜色等。绘制电气安装接线图应遵循以下原则：（１）各电器元件的图形和文字符号应与电气原理图标注一致。同一电器元件各部件必须画在一起。各电器元件的位置，应与实际安装位置一致。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（２）不在同一安装板或控制柜（屏）上的电器元件的电气连接一般应通过端子排连接，并按电气原理图的连接编号进行连接。（３）走向相同的多根导线可用单线或线束表示。画连接导线时，应标明导线的规格、型号、根数、颜色和穿线管的尺寸等。（４）电器元件布置图主要是用来表明电气设备上所有电器的实际位置的，并为制造、安装和维修提供必要的资料。电器元件布置图可按电气控制系统的复杂程度进行集中绘制或单独绘制。元件轮廓线用细实线或点划线表示，所有能见到的及需要表示清楚的元件，均用粗实线绘制出简单的外形轮廓。任务７电气设计中应注意的问题本任务要求熟悉电气设计中应当注意的各类问题。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（１）根据不同行业的特点，最大限度地满足生产过程中工艺对电气控制的要求。对于有特殊要求的场合，应明确设计运行的技术指标，例如：必须采用直流接触器；控制电路采用安全电源时，必须可靠接地；自动运行的系统必须设计上手动功能；远程控制的设备在设计现场执行控制功能时，设备必须达到哪个安全级别等，如在国内应用的电器必须符合国家的３Ｃ认证。（２）在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、实用、经济、可靠，不可盲目照搬其他的设计，要结合生产工艺要求、现场实际、制造成本和使用维护方便等各方面，协调处理好各方面的关系。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础既要采用必要的先进的技术和设备，又不能一味求高，切记不要犯“能吹是多么重要”那样的错误。（３）正确合理地选用电器元件，严禁使用国家已明令禁止和淘汰的产品，应优先选用技术先进的新产品，不但要确保使用安全可靠，还要考虑造型美观。淘汰的产品一般是工作不稳定的、不安全的、性能单一的且低效高耗能的。（４）尽量缩短连接线路的长度和减少其数量。导线长度的增多，不但增加了设备的成本和电路的电能消耗，同时对控制也是不利的，它会对信号造成一定程度的衰弱、信号延迟和信号失真，所以在满足需要的情况下要尽量短些。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础对于节省导线的情况要通过合理的设计，同一个串联电路上的电器元件在互换位置后要不影响其工作原理。在不影响安全的情况下可以互换位置以节省导线，但线圈后面除热继电器外不许再有别的触点。如图１５－３所示便是一个节省导线的例子。（５）尽量减少电器元件的种类、品牌、规格型号和数量。品种的减少将意味着电器数量的减少和规模的减小，所以要尽可能应用多功能电器。同一品牌的产品在性能上易于进行良好的配合，也易于组成配套的成套设备。规格型号的减少易于电器之间的代换，这包括电器的完整代换和元件损坏后的代换，不但减少了备用件的数量也利于电器的采购。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础在设计上也要尽量减少电器的数量，以降低系统的成本和安装、施工、维护和维修的工作量，并可以减小故障率。（６）尽量减少控制电路中的电流和电压（电源）的种类。电源种类的增多意味着电器型号的增多，故除非特殊需要，一般应尽可能地用被控电源作为控制电路的电源，同时电路中电源的减少为设备的维修提供了方便。（７）合理使用电器触头。在复杂的电气控制系统中，各类接触器和继电器的数量较多，使用的触头也多。在设计时应注意尽可能减少触头使用的数量，以简化线路。使用触头容量和断流容量时应满足控制要求，避免使用不当而出现触头磨损、粘连和无法释放等故障，以保证系统的可靠性和工作寿命。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础此外还应合理安排电器元件及触头的位置。如图１５－４所示是一个通过舍弃不必要的梯级串联，以降低触头容量的例子。（８）正确连接电器线圈。具有相同动作的线圈，即使串联后电压满足要求，也只能并联不能串联，因为两个电器的动作不可能完全一样，串联后彼此会影响，动作滞后会更大，甚至于一个会吸合而另一个根本不会吸合。当两个电路的线圈参数相差较大时会彼此产生影响，也不许直接串联，可以通过触头并联，如图15－５所示。（９）在控制线路中，应避免出现寄生电路。在电气控制线路的动作过程中，意外接通的电路叫寄生电路。图１５－６所示是一个具有指示灯和热继电器保护的正反向控制电路。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础在正常工作时，它能完成正反启动、停止和信号指示。（１０）避免发生触头“竞争”与“冒险”现象。在电气控制电路中，在某一控制信号作用下，当电路从一个状态换到另一个状态时，常常会有几个电器的状态发生变化。由于电器元件有一定的固有动作时间，往往会发生不按预定时序动作的情况，触头争先吸合，发生振荡，这种现象称为电路的“竞争”。另外，由于电器元件的固有释放延时作用，也会出现开关电器不按要求的逻辑功能转换状态的可能性，我们称这种现象为“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。如图１５－７所示的电路。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础实际上，由于电磁线圈的电磁惯性、机械惯性和机械位移量等因素，通断过程中总存在一定的固有时间（几十毫秒到几百毫秒），这是电器元件的固有特性，它不同于因控制需要人为设置的延时。前者的延时通常是不确定、不可调的，而后者的延时是可调的。当电器元件的动作时间可能影响到控制线路的动作时序时，就需要用时间继电器来配合控制，这样可清晰地反映元件动作的情况和它们之间的互相配合关系，从而消除“竞争”和“冒险”。设计者要避免发生触头“竞争”与“冒险”现象，应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的这种控制线路，这样才能防止电路中因电器元件固有特性引起配合不良而产生的后果。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础同样，“竞争”和“冒险”现象不可避免地发生时，则应将其区分、联锁隔离或采用多触头开关分离。图１５－９所示为一个延时启动电路的“竟争”者冒险关系。（１１）电气联锁与机械联锁共用。电气联锁只是从逻辑的角度限制了几个电器的运行关系，并不能从根本上保证安全。所以，一般情况下要加电气联锁进行保护，例如，双电源切换这样的特殊场合应加机械联锁。（１２）设计的线路应能适应所在电网的情况。设计线路应考虑电网的情况和电源的容量，例如，要根据容量的情况，确定设计线路是否超负荷，是否需要降压启动，还要看设计电器的电流种类，工作电压和频率的参数是否和电网的相符。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（１３）应具有完善的防护环节，以提高系统运行的可靠性。安全防护应同时涉及线路设备和操作人员的安全，设备的保护分为基本线路安全防护和生产工艺防护。电气系统的基本安全运行保护主要包括：隔离锁定；灭弧；短路；过流保护；过载保护；电动机温度保护；过压保护；欠压保护；失压保护；断相保护；漏电保护；接零接地；等电位连接；三相不平衡；避雷；电磁兼容性；防雨沙风尘；防爆；直流电动机弱磁防护；电容切换防护。工艺上的防护主要是互锁、顺序联锁、限位和限压等，详见单元九的内容.上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础（１４）线路设计要考虑使用、调试与维修的方便。电路的设计不可能一次就能达到最优化，所以还要考虑改良和由于生产工艺的改进而进行的对应的电路上的改动。由于电路在安装调试时不可能一步就进入到预定的运行状态，所以还要考虑调试的需要，例如：全自动运行的系统，要设计上手动操作功能；远程控制的设备要考虑现场控制；多级联动系统要考虑单级运行控制，重要参数的显示和重要状态的指示；易损件和常调试更换的配件和电器，要装配到方便的位置。（１５）当控制规模较大时要考虑用高级的控制系统。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础继电逻辑控制只适用于较小规模的场合，当规模增大时，由于电器固有寿命短，触头繁多，使得设计安装、运行和维护的工作量会变得很大，继电逻辑控制不能长时间稳定运行而变得极其不适应。同时它也不具备其他功能，如计数功能、通信功能，这时我们就要考虑更高级的控制系统，如模拟数字电路、单片机、ＰＬＣ、工控机等。（１６）要充分考虑节能型设计。一个系统节能程度的高低，直接关系到它运行时的经济性能，所以在保证安全、保证工艺的前提下，要重视经济性能。节能的设计包括主电路的节能设计和控制电路的节能设计。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础主电路最终控制的电器都是以耗能为目的的电器，是节能型设计的重点所在。节能设计主要是选择节能型的电器设备和合理的工艺设计和运行方案。对于控制电路，由于相比主电路功耗很小，所以在顺序启动和短时工作制时，为简化电路的设计可以把节能放到次要位置，而把简化设计线路和少用触头和电器作为主要考虑的方面，特别是功耗较小的时间继电路计数器等类似电器，可以应用同入同出式的设计方法。正常工作时，减少通电电器的数目，即能最大限度的起到节能效果，又可以延长电器的使用寿命。但有时这样会使电路的设计复杂化和多用很多的触头，并由此而增加电器的数量。上一页下一页返回项目１电气控制系统设计基础(１７)组件原则。一个组件是一个完整的具有最小功能的控制部件。组合时应把接线关系密切的部件或控制电路置于同一个组件中，组件之间的连线数量应当尽量少。电源电路与主电路和控制线路应当分离，可把外形尺寸、用途相近的电路组合在一起。为便于检查与维修，可把需要经常调节、维护和易损元件组合在一起。上一页返回项目２电气传动形式的选择任务１交直流电动机的选择电动机是电气控制系统的最终执行部分，它的好坏将直接影响到系统性能的好坏。本任务要求掌握如何正确选择交直流电动机。电气传动方式的选择，是根据生产机械的要求，选择单机拖动还是多机拖动。目前，电气传动发展的趋势是多电动机的传动方式。这样，不仅能提高传动效率，便于自动化，而且也能使总体结构得以简化。近年来，随着电力电子和控制技术的发展，交流调速装置逐渐代替了直流调速装置。这样，既节约成本，又使得维护方便。因此在交流电动机能满足生产需求的场合都应采用交流电动机。下一页返回项目２电气传动形式的选择具体应考虑以下几点：（１）需调速的机械，包括长期工作制、短时工作制和重复短时工作制的机械，应采用交流电动机。只有在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和启动特性不能满足要求时，才选用直流电动机。对于只需几级固定速度的机械可采用多速交流电动机。（２）需要调速的机械，宜采用交流电动机。目前交流调速装置的性能、转矩响应时间和成本已经能和直流调速装置进行竞争了，而且越来越多的直流调速应用领域已经采用了通用变频器进行控制。（３）在环境恶劣的场合，例如，高温、多尘、多水气、易燃和易爆等场合，宜采用交流电动机。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择（４）电动机的结构形式应当适应机械结构的要求，然后考虑现场环境，可选用防护式、封闭式、防腐式、防爆式和变频器专用电动机等结构形式。任务２电动机与负载工作特性的配合不同的机械具有不同的负载特性，本任务要求能根据负载特性的不同正确配置电动机。许多机械设备从工艺和节能方面考虑，均有调速要求，如机床设备、风机、水泵和起重设备等。不同设备可能要求要具有不同的调速范围和调速精度等。为了满足一定的调速性能，应选用不同的调速方案，如采用机械变速、多速电动机或变频调速等方法来实现。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择随着交流调速技术的发展，其经济技术指标不断提高，采用各种形式的变频调速技术，将是机械设备调速的主流。不同机械设备具有不同的负载特性，如机床的主轴运动通常属于恒功率负载，而进给运动则为恒转矩负载。任务３典型生产机械的工艺要求和电气传动系统方案的选择一般说来，电气传动控制的目的，就是通过电气控制装置来控制电动机的启动、停止、制动和反转等要求来满足生产机械的工艺要求。由电动机完成机械设备的起停、制动和反向等动作，要比机械方法简单容易。因此，机电设备主轴的启动、停止、正反转运动和调整等操作，只要条件允许均由电动机来完成。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择机械设备主运动传动系统的启动转矩一般都比较小，因此，原则上可采用任何一种启动方式。它的辅助运动在启动时往往要克服较大的静转矩，所以在必要时也可选用具有高启动转矩的电动机，或采用提高启动转矩的措施。另外，还要考虑电网容量。对于电网容量不大而启动电流较大的电动机，一定要采取限制启动电流的措施，如采用降压启动、软启动方式等，以免电网电压波动较大而造成事故。传动电动机是否需要制动，应视机电设备工艺要求而定。对于某些高速高效的金属切削机床，为了便于测量和装卸工件或者更换刀具，常采用电动机进行制动。如果对于制动的性能无特殊要求而电动机又不需要反转时，则采用反接制动，这样可使线路简化。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择在要求制动平稳、准确，即在制动过程中不允许有反转可能性时，则宜采用能耗制动方式。在起吊运输设备中也常采用具有联锁保护功能的电磁机械制动（俗称电磁抱闸），有些场合也采用再生发电制动（回馈制动）。当采用变频调速时，可根据需要设定不同的制动方式。电动机的频繁启动、反向或制动会使过渡过程中的能量损耗增加，导致电动机的过载。因此在这种情况下，必须限制电动机的启动或制动电流，或者在选择电动机的类型时加以考虑。阶段１风机和泵类机械上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择风机和泵类机械属于长期工作制、平稳负载和平方减转矩类型负载。这类机械启动不困难，且运行稳定。在过去，工厂设计时通常按生产中可能需要的最大风量或流量并留有较大的裕量选风机和泵，而实际运行时又不要那么大。电动机不能调速，无法改变机械出力，只有用挡板调节风量或流量，所以能量利用率很低。近年来，为实现节能，并取得最佳经济运行效果，这类机械开始要求具有调速功能，通过改变速度来控制风量和流量，以实现节能。其电气传动系统方案一般采用母线供电和电器控制。为达到节能的目的并实现经济运行，这类机械采用了交流调速，但调速范围不大，可能的方案有：上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择（１）通过变频器变频调速。优点是：使用笼型交流电动机调速，性能好，功率因数较高，节能效果显著；缺点是：一次投资较大，但回收期短。（２）串级调速。当系统采用绕线转子交流电动机时，需采用串级调速，优点是：交流设备容量小，较其他无极调速方案更经济；缺点是：交流和控制装置复杂，功率因数较低，转子电流波形呈方波，增加了电动机的损耗，且最高转速受限制。某些特大功率风机和泵，虽不能调速，但需减压启动，因而可采用软启动装置的方案。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择阶段２提升类机械提升类机械是具有位势负载的生产机械，如电梯、卷扬机、抽油机和起重设备等。其特点是，当下放重载时，其负载转矩大于平衡重转矩，储存于负载中的位能被释放出来变成动能，负载拖着机械和电动机转动，电动机转矩方向和转速方向相反。这类负载要求：（１）能在较大范围内调速。以满足爬行和准确停车的需要，对转速变化要求不高。（２）对速度变化率有限制。为确保按给定速度运行，须有良好速度跟随性能，且能准确定位停车。（３）零负载工作。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择当平衡重转矩等于负载转矩时，电动机转矩在零附近摆动，一会儿工作在电动状态，一会儿工作在再生状态，所以过渡必须平滑、可靠。提升类机械的电气传动系统的方案有以下几种：（１）在有平衡重的情况下，电动机是四象限运行。通用变频调速装置需附加制动电阻或能量回馈装置。（２）低速中小卷扬机通常采用绕线转子异步电动机驱动，即转子回路串电阻启动方式，稳定段速度固定，不需要调速。为准确停车，停车前需把电动机切换到低频电源上，频率约为５Ｈｚ，使其低速爬行一段时间后再停车。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择（３）高速电梯及大中功率的卷扬机，以前以直流调速为主。目前开始推广矢量控制变频器加低速交流电动机驱动的方案，取代直流调速系统。（４）起重设备以电器控制驱动交流电动机为主，为改善其传动性能，可采用通用变频器控制。阶段３球磨机和滚筒类机械球磨机和滚筒类机械属于长期工作制，是具有平稳负载和恒转矩类型负载的机械。这类机械一般不要求调速，但启动困难。另一特点是转速低，通常带有庞大的减速机，且造价高，磨损严重。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择其电气传动系统方案通常采用母线供应和电器供应，其交流电动机不调速。为改善性能，可以采用变频调速加低速交流电动机直接传动的方案，取消造价高、易磨损的减速机，可获得较好的经济效益。阶段４张力控制类机械在许多带材、线材加工生产线中，如金属带、布匹、纸带、胶带、钢线材和导线等生产线中，有各种卷取和开卷机使得带（线）材卷得紧而齐，为改善产品质量，要求在卷取机（开卷机）和压延机（或张力辊）之间，要维持恒定张力的。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择这类机械的特点是，属于位势类负载机械，在卷取时，张力矩等于阻力矩，电动机拖拉带（线）材建立张力；开卷时，张力拖动电动机和机械移动，电动机转矩方向和转速方向相反。卷取（开卷）机的控制目标是转矩，而不是速度。电气传动系统工作于机械特性的下垂段，即软特性区或堵转区。其电气传动系统方案可采用以下几种：（１）采用高性能矢量控制带张力控制功能的通用变频器，并选用变频器专用的电动机；（２）采用不可逆或不对称可逆整流的直流调速装置；（３）小功率或中小功率设备可采用电磁离合器调速的方式。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择阶段５多分部（单元）速度协调类机械有些生产机械是由多个分部（单元）组成的，它们通过被加工的工件，例如造纸机通过纸，印染机通过布，连轧机通过钢材等连成一个整体，各分部之间的速度必须维持一定的比例关系。这类机械要求尽量减小运行速度以避免受外界干扰的影响，如电源、负载、环境和温度的变化等，从而破坏各分部间的速度协调关系。当速度给定值变化时，当前速度应尽快跟上给定速度的变化。多分部速度协调机械和稳速机械的工艺要求相似，都要求速度稳定，但多分布协调机械更强调动态指标。因此，其电气传动系统方案应首选高性能矢量控制通用变频调速方案。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择除此之外，若负载是单象限或要求较小的制动力矩的四象限运动时，可采用直流不可逆或不对称可逆调速方案。阶段６宽调速类机械有些生产机械要求从高速到低速要有较宽的调速范围，并要求在最低速运行时，仍能平稳运行且保持较小的转速变化率，例如机床的进给机构。宽调速机械和稳速机械都要求要有小的转速变化率，但前者强调低速性能，后者着眼于长期稳定性能。一般宽调速类机械的功率不大，其电气传动系统方案宜选用通用变频器控制方案，对于恒转矩负载，应采用矢量控制通用变频器。若采用直流调速方案，采用功率晶体管ＧＴＲ的ＰＷＭ控制方案比用晶闸管相控方案效果好。上一页下一页返回项目２电气传动形式的选择阶段７快速正反转类机械某些机械，如可逆轧钢机主副转动、龙门刨床等，工作时频繁启停、制动、加减速和正反转，其生产率在很大程度上取决于电气传动系统的快速性，它们属于重复短期工作制，要求启动、制动和反转过程尽可能快，以满足高生产率和频繁操作的要求。它们要求能在较大范围内调速，以满足爬行和小行程时低速运转的需要，但对转速变化率要求不高。若负载转矩超过规定限度时，应快速可靠地制动，以保护机械和电动机不致损坏。对某些负载的电气传动系统方案而言，过去主要以直流为主，成本较高。目前高性能的通用变频器已具备了挖土机的性能，因此采用具有挖土机性能的通用变频器交流变频调速方案可以获得更好的技术经济指标。上一页返回项目３电气控制线路的设计方法任务１电气控制经验设计法电气控制又称继电器接触器逻辑控制，一般包括电源装置、电动机控制线路和其辅助电路。电器控制设计方法一般有经验设计法和逻辑分析设计法两种。经验设计方法的特点是无固定的设计程序，无固定的设计模式，灵活性很大，设计方法简单，易于掌握，且能较快地完成设计任务，在电气设计中被广泛地应用。采用经验设计法设计，通常是先根据生产工艺的要求，画出功能流程图，再用一些成熟的典型线路环节来实现某些基本要求，确定适当的基本控制环节（单元电路），而后再根据生产工艺要求逐步完善其功能，并适当配置联锁和保护等环节，最后利用基本控制原则把它们综合地组成一个整体，成为满足控制要求的完整线路。下一页返回项目３电气控制线路的设计方法当找不到现成的典型环节时，可根据控制要求，将主令信号经过适当的组合与变换，在一定的条件下得到执行元件所需要的工作信号，再套用典型的控制电路完成设计。在设计过程中，要随时增减元器件和改变触头的组合方式，以满足被拖动系统的工作条件和控制要求，最后经过反复修改得到理想的控制线路。在进行具体电路设计时，一般先设计主电路，然后设计控制电路、信号线路和局部特殊电路等。初步设计完成后，应当仔细地检查，反复验证，看线路是否符合设计的要求，并进一步使之完善和细化。最后选择恰当的电器元件的规格和型号，使其能充分地实现设计功能。上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法也可用逻辑分析方法进一步进行逻辑分析，以优化设计，但是其设计的系统比较复杂，也难以奏效。所以本书主要采用经验设计方法，下面通过实例介绍电气控制的基本设计方法和思路。１.设备运转模式控制在生产实际中设备运转模式多种多样，如需要设备间歇正、反向运转、往复运动、运动方向的控制、两台设备一用一备控制等。从电路设计的角度来讲，这类控制是相似的，可以归为一类，如设备间歇正、反向运转、往复运动、运动方向控制均可归结为正反向控制，只要恰当地引入控制参量即可达到举一反三的目的，得到需要的控制环节。上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法图１５－９所示给出了一个设备间歇正、反向运转的控制线路工作原理图。在主电路中将正反向控制改为两个单极控制电路的并联，即可得到两台设备一用一备控制的主电路。在控制电路中将相应的时间继电器改为需要的物理量控制，如压力控制、行程开关控制等，就可以得到需要的控制电路。此装置可使电动机的正反转及停顿时间，由选用的时间继电器的定时范围进行控制，变为按需要调节。２.高层建筑消防水泵控制系统上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法现代高层建筑的发展对消防系统提出了越来越高的要求，这使消防控制柜受多种信号的控制，如本柜控制、消控中心控制、消火栓启动、烟感信号的控制和水池水位控制等。另外，由于消防系统的特殊要求，一旦有危急信号必须万无一失，确保迅速安全地启动和运行，这就对系统提出了必须有备用机组的要求。一般情况下，多采用一用一备的模式，当在一组泵出现故障的情况下时，必须启动备用机泵。而且由于消防泵的功率一般比较大，需采用降压启动方式，如Ｙ／△启动、自耦变压器降压启动、软启动或变频器启动等。这样控制回路需采用多只中间继电器和时间继电器，使得控制线路比较复杂。上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法由于采用的元件和接线较多，容易发生故障，所以主电路前端通常需要接双路电源互投系统，末端是两台水泵互为备用装置，以提高可靠性。在控制系统上，也必须具备相应的可靠性，才能满足要求。如图１５－１０所示。图１５－１０中未画出主电路，实际上，对于双路电源互投控制系统而言，电动机控制主电路可以是前述的单机控制的Ｙ／△启动电路，或自耦变压器降压启动电路，或软启动电路，或变频器启动电路中的任何一种。图１５－１０所示采用的是两个自耦变压器降压启动电路的并联电路，每个电路控制一套水泵机组。上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法整个系统分为三个控制回路，一个是双路电源互投控制系统，另外两个是两台水泵独立的控制系统分别与其控制电源及水泵电动机，与主电源连接。这样既能满足自动控制的要求，而且在特殊情况下还能分别控制每台水泵电动机。由图１５－１０可见，线路比较复杂，采用的元器件和接线较多，发生故障的概率也高，为此可采用新器件以提高其可靠性。任务２电气控制线路的逻辑分析设计方法逻辑分析设计方法是在逻辑代数的基础上发展起来的设计方法，它可以使设计更合理。所以本任务要求掌握电气控制线路的逻辑分析设计方法。上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法逻辑分析设计方法，又称逻辑设计法。逻辑设计法是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析和化简设计线路的方法。这种设计方法能够确定实现一个开关量自动控制线路的逻辑功能所必需的、最少的中间记忆元件（中间继电器）的数目，然后有选择地设置中间记忆元件，达到使逻辑电路最简的目的。逻辑设计法较为科学，设计的线路也比较简单、合理。但是当设计的控制系统比较复杂时，这种方法就显得十分烦琐，工作量也大，而且容易出错。所以它一般适用于简单的系统设计。但是，如果将一个较大的、功能较为复杂的控制系统分成若干个互相联系的控制单元，用逻辑设计的方法先完成每个单元控制线路的设计，然后再用经验设计方法把这些单元电路组合起来，各取所长，这也是一种简单的设计方法。上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法这种方法不但可以获得理想、经济的方案，而且所用的元件数量少，各元件能充分发挥作用。此外，当给定条件变化时，容易找出电路相应变化的内在规律，在设计复杂控制线路时，更能显示出它的优点。逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来实行电路设计的，即根据生产工艺的要求，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关系用逻辑函数关系式来表达。然后再运用逻辑函数的基本公式和运算规律进行简化，使之成为需要的最简“与”“或”关系式。根据最简式画出相应的电路结构图，最后再作进一步的检查和完善，即能获得需要的控制线路。上一页下一页返回项目３电气控制线路的设计方法任何控制线路、控制对象与控制条件之间都可以用逻辑函数式来表示，所以逻辑设计法不仅可用于线路设计，也可以用于简化线路和读图分析。利用逻辑分析法读图的优点是，各控制元件的关系能一目了然，不会读错和遗漏。上一页返回项目４电气控制工艺设计基础任务１电气装置总体配置设计电气设备总体配置设计任务是根据电气原理图的工作原理与控制要求，将控制系统划分为几个组成部分，每一部分又分为若干组件，如开关组件、控制电器组件和电源组件等。然后根据电气原理图的接线关系整理出进出线号，并合理地调整它们之间的连接方式。总体配置设计是以电气系统的总装配图与总接线图的形式来表达的，图中应当表达出各部分主要组件的位置和各部分接线的关系，接线方式及使用线槽和管线的要求等。总配线图和接线图是进行分部设计和协调各部分使它们形成一个完整系统的依据。下一页返回项目４电气控制工艺设计基础总体设计要使整个系统集中、紧凑，同时在空间允许的条件下，对发热元件和噪声振动大的电气部件，如继电器、启动电阻箱等尽量放在距离其他元件较远的地方隔离起来。总电源开关和紧急停止开关应放在方便而明显的位置。总体配置设计合理与否关系到电气系统的制造和装配质量的好坏，也将影响到电器控制系统性能能否实现及其工作是否可靠，以及操作、调试和维护等工作的是否方便及质量是否达到要求。阶段１组件的划分上一页下一页返回项目４电气控制工艺设计基础电气设备中各种电动机、各类电器元件根据各自的作用和操作要求，都有一定的装配位置要求，如：各类电动机与各种执行元件，一般安装在靠近机械的部位；各种检测元件安装在生产机械的一些特殊部位；各种开关电器和控制电器安放在电气柜中；而各种控制按钮、控制开关和指示灯等，则安装在控制面板上。划分组件的原则是：（１）功能类似的原件组合在一起。尽可能减少组件之间的连线数量，将接线关系密切的控制电器置于同一组件中，并将强弱控制器分离，以减少干扰。（２）重量相近的电器组合在一起。上一页下一页返回项目４电气控制工艺设计基础（３）为了便于检查与调试，将需经常调节和维护及易损元件组合在一起。电气控制设备各部分及组件之间的接线方式一般遵循以下原则：（１）开关电器板和控制板的进出线一般采用接线端头或接线鼻子连接，按电流大小及进出线数选用不同规格的接线端头或接线鼻子。（２）电气箱、控制箱和柜（台）之间以及它们与被控制设备之间，采用接线端子排连接或接插件连接器连接。（３）弱电控制组件和印制电路板组件之间采用各种类型的标准接插件进行连接。上一页下一页返回项目４电气控制工艺设计基础（４）电气柜、控制箱和柜（台）内的元件之间的连接，可以借用元件本身的接线端子直接连接。过渡连接线采用端子排过渡连接，端子应采用相应规格的接线端子进行处理。阶段２电器元件布置图的设计与绘制电器元件布置图是将某些电器元件按一定的原则进行组合。电器元件布置图的设计依据是部件原理图和组件的划分等，设计时应遵循以下的原则：（１）同一组件中电器元件的布置应注意以下几点：①体积大、重量大的元件放在电器板的下部；②发热元件放在电器板的上部或后部；上一页下一页返回项目４电气控制工艺设计基础③热继电器放在下部，直接与接触器及电动机相连。（２）强、弱电器分开并加以屏蔽，防止互相干扰。（３）需要经常维护、检修和调整的电器元件以及人力操作的电器的安装应遵循操作方面的原则。（４）电器元件的布置应考虑安装间隙，并做到整齐、美观和对称，外形尺寸与结构类似的电器安装在一起，以利于配线。（５）各电器元件的位置确定以后，便可绘制电器布置图。布置图是根据电器元件的外形轮廓绘制的，并以其轴线为准，标出各元件的间距尺寸。每个电器元件的安装尺寸及公差范围，应按产品说明书的标准进行标注。上一页下