第二章 电器控制线路的基本规律文档格式.docx
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电气原理图是用来表示电路各个电气元件导电部件的连接关系和工作原理的图。
该图应根据简单、清晰的原则,采用电气元件展开形式来绘制,它不按电气元件的实际位置来画,也不反映电气元件的大小、安装位置,只用电气元件的导电部件及其接线端钮表示电气元件,用导线将这些导电部件连接起来,反映其连接关系。
所以电气原理图结构简单、层次分明,关系明确,适用于分析研究电路的工作原理,且为其他电气图的依据,在设计部门和生产现场获得广泛的应用。
现以图2-1CW6132普通车床电气原理图为例来阐明绘制电气原理图的原则和注意事项。
图2-1CW6132普通车床电气原理图
(一)绘制电气原理图的原则
1)图中所有的元器件都应采用国家统一规定的图形符号和文字符号。
2)电气原理图的组成 电气原理图由主电路和辅助电路组成。
主电路是从电源到电动机的电路,其中有刀开关、熔断器、接触器助触头、热继电器发热元件与电动机等。
主电路用粗线绘制在土面的左侧或上方。
辅助电路包括控制电路、照明电路、信号电路及保护电路等。
它们由继电器、接触器的电磁线圈、继电器、接触器辅助触头、控制按钮、其他控制元件触头、控制变压器、熔断器、照明灯、信号灯及控制开关等组成,用细实线绘制在图面的右侧或下方。
3)电源线的画法 原理图中直流电源用水平线画出,一般直流电源的正极画在图面上方,负极画在图面的下方。
三相交流电源线集中水平画在图面的上方,项序自上而下依L1、L2、L3排列,中性线(N线)和保护接地线(PE线)排在相线之下。
主电路垂直于电源线画出,控制电路与信号电路垂直在两条水平电源线之间。
耗电元件(如接触器、继电器的线圈、电磁铁线圈、照明灯、信号灯等)直接与下方水平电源线相接,控制触头接在上下方电路水平线与耗电元件之间。
4)原理图中电气元件的画法 原理图中的各电气元件均不画实际的外形图,原理图中只画出其带电部件,同一电气元件上的不同带电部件是按电路中的连接关系画出,但必须按国家标准规定的图形符号画出,并且用同一文字符号表明。
对于几个同类电器,在表示名称的文字符号后加上数字符号,以示区别。
5)电气原理图中电气触头的画法 原理图中个元器件触头状态均按没有外力作用时或未通电十出头的自然状态画出。
对于接触器、电磁式继电器是按电磁线圈未通电时触头状态画出;
对于控制按钮、行程开关的触头是按不受外力作用时的状态画出;
对于断路器和开关电器触头按断开状态画出。
6)原理图的布局 原理图按功能布置,即同一功能的电气元件集中在一起,尽可能按动作顺序从上到下或从左到右的原则绘制。
7)线路连接点、交叉点的绘制 在电路图中,对于需要测试和拆接的外部引线的端子,采用“空心圆”表示;
有直接电联系的导线连接点,用“实心圆”表示;
无直接电联系的导线交叉点不画黑圆点,但在电气图中尽量避免线条的交叉。
8)原理图的绘制要层次分明,各电器元件及触头的安排要合理,既要做到所用元器件最少,耗能最少,又要保证电路运行可靠,节省连接导线以及安装、维修方便。
(二)关于电气原理图图面区域的划分
为了便于确定原理图的内容和组成部分在图中的位置,可在各种负面的图样上区分。
每个区分内竖边方向用大写的拉丁字母编号,横边方向用阿拉伯数字编号。
编号的顺序应从与标题栏相对应的图符的左上角开始,分取代号用该区的拉丁字母和阿拉伯数字表示。
有时为了分析方便,也把数字区放在图的下面。
为了方便读图,利于理解电路工作原理,常在图面区域对应的上方表明该区域的元件或电路的功能,如图2-1所示。
(三)继电器、接触器触头位置的索引
电气原理图中,在继电器、接触器线圈的下方注有该继电器、接触器触头所在图中位置的索引代号,索引代号用图面区域号表示。
其中左栏为敞开触头所在图区号,右栏为常闭触头所在图区号,见图2-1。
(四)电气图中技术数据的标注
电气原理中电气元件的相关数据,常在电气原理图中电器元件文字符号下方标注出来。
如图2-1中热继电器为字符号FR下方标有6.8~11A,该数据为该热继电器的动作电流值范围,而8.4A为该继电器的整定电流值。
三、电器布置图
电器元件布置图是用来表明电气原理图中各元器件的实际安装位置,可按实际情况分别绘制,如电气控制箱中的电器元件布置图、控制面板图等。
电器元件布置图是控制设备生产及维护的技术文件,电器元件的布置应注意以下几个方面:
1)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上面。
2)强电、弱电应分开,弱电应屏蔽,防止外界干扰。
3)需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低。
4)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一起,以利安装和配线。
5)电器元件布置不宜过密,应留有一定间距。
如有走线槽,应加大各排电器间距,以利布线和维修。
电器布置图根据电器元件的外形尺寸绘出,并表明各元件间距尺寸。
控制盘内电器元件与盘外电器元件的联接应经接线端子进行,在电器布置图中应画出接线端子板并按一定的顺序标出接线号。
图2-2为CW6132普通车床控制盘电器布置图,图2-3为CW6132普通车床电气设备安装布置图。
图2-2CW6132普通车床控制盘电器布置图
图2-3CW6132普通车床电气设备安装布置图
四、电气安装接线图
电气安装接线图主要用于电器的安装接线、线路检查、线路维修和故障处理,通常接线图与电气原理图和元件布置图一起使用。
电气安装接线图表示出项目的相对位置、项目代号、端子号、异线号、导线型号、导线截面等内容。
接线图中的各个项目(如元件、器件、部件、组件、成套设备等)采用简化外形(如正方形、矩形、圆形)表示,简化外形旁应标注项目代号,并应与电气原理图中的标注一致。
电气安装接线图的绘制原则是:
1)各电气元件均按实际安装位置绘出,元件所占图面按实际尺寸以统一比例绘制。
2)一个元件中所有的带电部件均画在一起,并用点划线框起来,即采用集中表示法。
3)各电气元件的图形符号和文字符号必须与电气原理图一致,并符合国家标准。
4)各电气元件上凡是需要接线的部件端子都应绘出,并予以编号,各接线端子的编号必须与电气原理图上的导线编号相一致。
5)绘制安装接线图时,走向相同的相邻导线可以绘成一股线。
图2-4是根据上述原理绘制的与图2-1对应的CW6132普通车床电气安装接线图。
图2-4CW6132普通车床电气安装接线图
第二节电气控制电路基本控制规律
由继电器接触器所组成的电气控制电路,基本控制规律有自锁与互锁的控制、点动与连续运转的控制、多地联锁控制、顺序控制与自动循环的控制等。
一、自锁与互锁的控制
自锁与互锁的控制统称为电气的联锁控制,在电气控制电路中应用十分广泛。
图2-5为三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制电路。
电动机起动时,合上电源开关Q,接通控制电路电源,按下起动按钮SB2,其常开触头闭合,接触器KM线圈通电吸合,KM常开主触头与常开辅助触头同时闭合,前者使电动机接入三相交流电源起动旋转;
后者并接在起动按钮SB2两端,从而使KM线圈经SB2常开触头与KM自身的常开辅助触头两路供电。
松开起动按钮SB2时,虽然SB2这一路已断开,但KM线圈仍通过自身常开触头这一通路而保持通电,使电动机继续运转,这种依靠接触器自身辅助触头而保持通电的现象称为自锁,这对起自锁作用的辅助触头称为自锁触头,这段电路称为自锁电路。
要使电动机停止运转,可按下停止按钮SB1,KM线圈断电释放,主电路及自锁电路均断开,电动机断电停止。
上述电路时一个典型的有自锁控制的单向运转电路,也是一个具有最基本的控制功能的电路。
图2-6为三相异步电动机正反转控制电路,图左方为其主电路图,右方为三种控制电路图。
图2-6a是将两个单向旋转控制电路组合而成。
主电路由正、反转接触器KM1、KM2的主触头来实现电动机三项电源任意两项的换相,从而实现电动机正反转。
当正转起动时,按下正转起动按钮SB2,KM1线圈通电吸合并自锁,电动机正向起动并运转;
当反转起动时,按下反转起动按钮SB3,KM2线圈通电吸合并自锁,电动机便反向起动并运转。
但若在按下正转起动按钮SB2,电动机已进入正转运行后,接着又按下反转起动按钮SB3的误操作时,由于正反转接触器KM1、KM2线圈均通电吸合,其主触头均闭合,于是发生电源两相短路,致使熔断器FU1熔体熔断,电动机无法工作。
因此,该电路在任何时候只能允许一个接触器通电工作。
因此,通常在控制电路中将KM1。
KM2正反转接触器常闭辅助触头串接在对方线圈电路中,形成相互制约的控制,这种相互制约的控制关系称为互锁,这两对起互锁作用的常闭触头称为互锁触头。
图2-6b是利用正反转接触器常闭辅助触头作互锁的,这种互锁称为电气互锁。
这种电路要实现电动机由正转到反转,或由反转变正转,都必须先按下停止按钮,然后才可进行反向起动,这种电路称为正-停-反电路。
图2-6c是在b图基础上又增加了一对互锁,这对互锁是将正、反转起动按钮的常闭辅助触头串接在对方接触器线圈电路中,这种互锁称为按钮互锁,又称机械互锁。
所以c图是具有双重互锁的控制电路,该电路可以实现不按停止按钮,由正转直接变反转,这是因为按钮互锁触头可实现先断开正在运行的电路,再接通反向运转电路。
称为正-反-停电路。
图2-6三相异步电动机正反转控制电路
a)无互锁电路b)具有电气互锁电路c)具有双重互锁电路
二、点动与连续运转的控制
生产机械的运转状态有连续运转与短时间断运转,所以对其拖动电机的控制也有点动与连续运转两种控制电路,图2-7为电动机点动与连续运转控制电路,图左方为主电路图,右方为三种控制形式的控制电路图。
图2-7a是最基本的点动控制电路。
按下点动按钮SB,KM线圈通电,电动机起动旋转;
松开SB按钮,KM线圈断电释放,电动机停转。
所以该电路为单纯的点动控制电路。
图2-7b是用开关SA断开或接通自锁电路,可实现点动也可实现连续运转的电路。
合上开关SA时,可实现连续运转;
SA断开时,可实现点动控制。
图2-7c是用复合按钮SB3实现点动控制,按钮SB2实现连续运转的电路。
图2-7电动机点动与连续运转控制电路
a)基本点动控制电路b)开关选择运行状态的电路c)两个按钮控制的电路
三、多地联锁控制
在一些大型生产机械和设备上,要求操作人员在不同方位能进行操作与控制,即实现多地控制。
多地控制是用多组起动按钮、停止按钮来进行的,这些按钮连接的原则是:
起动按钮常开触头要并联,即逻辑或的关系;
停止按钮常闭触头要串联,即逻辑与的关系。
图2-8为多地控制电路图。
四、顺序控制
在生产实际中,有些设备往往要求其上的多台电动机按一定顺序实现其起动和停止,如磨床上的电动机就要求先起动液压泵电动机,再起动主触头电动机。
顺序起停控制电路有顺序起动、同时停止控制电路和顺序起动、顺序停止的控制电路。
图2-9为两台电动机顺序控制电路图,图中左方为两台电动机顺序控制主电路,右方为两种不同控制要求的控制电路,其中图2-9a为按顺序起动电路图,合上主电路与控制电路电源开关,按下起动按钮SB2,KM1线圈通电并自锁,电动机M1起动旋转,同时串在KM2控制电路中的KM1常开辅助触头也闭合,此时再按下按钮SB4,KM2线圈通电并自锁,电动机M2起动旋转,如果先按下SB4按钮,因KM1常开辅助触头断开,电动机M2不可能先起动,达到按顺序起动M1、M2的目的。
图2-9两台电动机顺序控制电路图
a)按顺序起动电路b)按顺序起动、停止的控制电路
生产机械除要求按顺序起动外,有时还要求安一定顺序停止,如传送带运转机,前面的第一台运输机先起动,再起动后面的第二台;
停车时应先停第二台,再停第一台,这样才不会造成物料在皮带上的堆积和滞留。
图2-9b图为按顺序起动与停止的控制电路,为此在图2-9a基础上,将接触器KM2的常开辅助触头并接在停止按钮SB1的两端,这样,即使先按下SB1,由于KM2线圈仍通电,电动机M1不会停转,只有按下SB3,电动机M2先停后,再按下SB1才能使M1停转,达到先停M2,后停M1的要求。
在许多顺序控制中,要求有一定的时间间隔,此时往往用时间继电器来实现。
图2-10为时间继电器控制的顺序起动电路,接通主电路与控制电路电源,按下起按钮SB2、KM1、KT同时通电并自锁,电动机M1起动运转,当通电延时型时间继电器KT延时时间到,其延时闭合的常开触头闭合,接通KM2线圈电路并自锁,电动机M2起动旋转,同时KM2常闭辅助触头断开将时间继电器KT线圈电路切断,KT不再工作。
五、自动往复循环系统
在生产中,某些机床的工作台需要进行自动往复运行,而自动往复运行通常是利用行程开关来控制自动往复运动的相对位置,再来控制电动机的正反转或电磁阀的通断点来实现生产机械的自动往复运动的。
图2-11a为机床工作台自动往复运动示意图,在床身两端固定有行程开关SQ1、SQ2,用来表明加工的起点与终点。
在工作台上设有撞块A和B,其随运动部件工作台一起移动,分别压下SQ2、SQ1,来改变控制电路状态,实现电动机的正反向运转,实现工作台的自动往复运动。
图2-11b为自动往复循环控制电路,其中左方为主电路,右方为控制电路。
图中SQ1为反向转正向行程开关,SQ2为正向转方向行程开关,SQ3为正向限位开关,SQ4为反向限位开关。
电路工作原理:
合上主电路与控制电路电源开关,按下正转起动按钮SB2,KM1线圈通电并自锁,电动机正转起动旋转,拖动工作台前进向右移动,当移动到位时,撞块A压下SQ2,其常闭触头断开,
常开触头闭合,前者使KM1线圈断电,后者使KM2线圈通电并自锁,电动机由正转变为反转,拖动工作台由前进变为后退,工作台向左移动。
当后退到位时,撞块B压下SQ1,使KM2断电,KM1通电,电动机由反转变为正转,拖动工作台变后退为前进,如此周而复始实现自动往返工作。
当按下停止按钮SB1时,电动机停止,工作台停下。
当行程开关SQ1、SQ2失灵时,由限位开关SQ3、SQ4来实现极限保护,避免运动部件因超出极限位置而发生事故。
第三节三相异步电动机的起动控制
10kw及其以下容量的三相异步电动机,通常采用全压起动,即起动时电动机的定子绕组直接接在额定电压的交流电源上,如图2-5、图2-6等电路皆为全压电动机起动电路。
但当电动机容量超过10kw时,因起动电流较大,一般采用减压起动。
所谓减压起动,是指起动时降低加在电动机定子绕组上的电压,待电动机起动后再将电压恢复到额定值,使之运行在额定电压下。
减压起动可以减少起动电流,减小线路电压降,也就减小了起动时对线路的影响。
但电动机的电磁转矩是与定子端电压平方成正比,所以电动机的起动转矩对应减小,故减压起动适用于空载或轻载下起动。
减压起动方式有星形---三角形减压起动、自耦变压器减压起动、软起动(固态减压起动)、延边三角形减压起动、定子串电阻减压起动等。
常用的有星形---三角形减压起动与自耦变压器起动。
软起动是一种当代电动机控制技术,正在一些场合推广使用,其余两种起动方式已很少采用。
一、星形---三角形减压起动控制
对于正常运行时定子绕组接成三角形的三相笼型异步电动机,均可采用星形---三角形减压起动。
起动时,定子绕组先接成星形,待电动机转速上升到接近额定转速时,将定子饶组换接成三角形,电动机便进入全压下的正常运转。
图2-12为QX4系列自动星形---三角形起动器电路,适用于125kw及以下的三相笼型异步电动机作星形---三角形减压起动和停止的控制。
合上电源开关Q,按下起动按钮SB2,KM1、KT、KM3线圈同时接通并自锁,电动机三相定子绕组接成星形接入三相交流电源进行减压起动,当电动机转速接近额定转速时,通电延时型时间继电器动作,KT常闭触头断开,KM3线圈断电释放;
同时KT常开触头闭合,KM2线圈通电吸合并自锁,电动机绕组接成三角形全压运行。
当KM2通电吸合后,KM2常闭触头断开,使KT线圈断电,避免时间继电器长期工作。
KM2、KM3常闭触头为互锁触头,以防同时接成星形和三角形造成电源短路。
二、自耦变压器压器减压起动控制
电动机自耦变压器减压起动是将自耦变压器一次侧接在电网上,起动时定子绕组接在自耦变压器二次侧上。
这样,起动时电动机获得的电压为自耦变压器的二次电压。
待电动机转速接近电动机额定转速时,再将电动机定子绕组接在电网上即电动机额定电压上进入正常运转。
这种减压起动适用于教大容量电动机的空载或轻载起动,起动转矩可以通过改变不同轴头来获得。
图2-13为XJ01系列自耦变压器减压起动电路图。
图中KM1为减压起动接触器,KM2为全压运行接触器,KA为中间继电器,KT为减压起动时间继电器,HL1为电源指示灯,HL2为减压起动指示灯,HL3为正常运行指示灯。
合上主电路与控制电路电源开关,HL1灯亮,表明电源电压正常。
按下起动按钮SB2,KM1、KT线圈同时通电并自锁,将自耦变压器接入,电动机由自耦变压器二次电压供电作减压起动,同时指示灯HL1灭,HL2亮,显示电动机正进行减压起动。
当电动机转速接近额定转速时,时间继电器KT通电延时闭合触头闭合,使KA线圈通电并自锁,其常闭触头断开KM1线圈电路,KM1线圈断电释放,将自耦变压器从电路切除;
KA的另一对常闭触头断开,HL2指示
图2-13XJ01系列自耦减压起动电路图
灯灭;
KA的常开触头闭合,使KM2线圈通电吸合,电源电压全部加在电动机定子上,电动机在额定电压下进入正常运转,同时HL3指示灯亮,表明电动机减压起动结束。
由于自耦变压器星接部分的电流为自耦变压器一、二次电流之差,故用KM2辅助触头来连接。
三、三相绕线转子异步电动机的起动控制
三相绕线转子异步电动机转子饶组可通过铜环经电刷与外电路电阻相接,以见效起动电流,提高转子电路功率因数和起动转矩,故适用于重载起动的场合。
按绕线转子起动过程中串接装置不同分串电阻起动和串频敏变阻器起动电路,转子串电阻起动又有按时间原则和电流原则控制两种。
下面仅分析按时间原则控制转子串电阻起动电路。
图2-14为时间原则控制转子电阻起动电路。
图中KM1为线路接触器,KM2、KM3、KM4为短接电阻起动接触器,KT1、KT2、KT3为短接转子电阻时间继电器。
电路工作原理读者可自行分析。
值得注意的是,电路保在转子全部电阻串入情况下起动,且当电动机进入正常运行时,只有KM1、KM4两个接触器处于长期通电状态,而KT1、KT2、KT3与KM2、KM3线圈通电时间均压缩到最低限度,一方面节省电能,延长电器使用寿命,更为重要的是减少电路故障,保证电路安全可靠地工作。
由于电路为逐级短接电阻,电动机电流与转矩突然增大,产生机械冲击。
图2-14时间原则控制转子电阻启动电路
四、固态降压起动器的起动控制
前述的传统异步电动机起动方式的共同特点是电路简单,但起动转矩固定不可调,起动过程存在较大的冲击电流,使被拖动负载受到较大的机械冲击。
且易受电网电压波动影响。
固态减压起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。
固态减压起动器由电动机的起停控制装置和软起动控制器组成,其核心部件是软起动控制器。
软起动控制器是利用电力电子技术与自动控制技术,将强电与弱点结合起来的控制技术,其主要结构是一组串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路,利用晶闸管移相控制原理,控制三相反并联晶闸管的导通角,使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化,从而实现不同的起动功能。
起动时,使晶闸管的导通角从零开始,逐渐前移,电动机的端电压从零开始,按预设函数关系逐渐上升,直至达到满足起动转矩而使电动机顺利起动,再使电动机全电压运行。
所以三相异步电动机在软起动过程中,软起动控制器是通过加到电动机上的平均电压来控制电动机的起动电流和转矩,也就控制了电动机的转速。
一般软启动控制器可以通过设定得到不同的启动特性,以满足不同负载特性的要求。
我国软起动器有JKR软起动器及JQ、JQZ型交流电动机固态节能起动器等。
国外产品有ABB公司的PSA、PSD和PSDH型软起动器,美国罗克韦尔公司的STC、SMC-2、SMCPLUS和SMCDialogPLUS等4个系列软起动器,以及法国施耐德电气公司Altistart46型软起动器、德国西门子公司的3RW22型软起动器、英国欧丽公司MS2型软起动器、英国CT公司SX型和德国AEG公司3DA、3DM型软起动器等。
图2-15为三相异步电动机用软起动器起动控制电路,图中虚线框所示为软起动器,其内部有内部继电器KA1、KA2。
当电路正常时,KA1常开触头处于闭合状态;
若发生过载故障时,KA1常开触头断开。
当电动机起动完成时,内部继电器KA2常开触头闭合。
KM1为线路接触器,KM2为旁路接触器,SB1为正常停车按钮,SB2为起动按钮,SB3为紧急停车按钮。
合上电源开关Q,KM1线圈通电吸合,其主触头闭合,三相电源送入软起动器,电动机由软起动器拱电。
按下起动按钮SB2,电动机按设定的起动方式起动,当起动完成后,内部继电器KA2常开触头闭合,KM
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