电气控制线路设计 精品.docx

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第4章电气控制线路设计

生产机械种类繁多，电气控制设备各不相同，本章将以生产机械电力装置设计的基本原则及内容为主线，叙述电力拖动方案的确定，电气控制线路设计的一般要求。

电气控制线路的设计以及生产机械电气设备的施工设计等。

以求通过本章的学习能让学生举一反三，掌握电气控制线路的设计方法和常用控制电器的选择，掌握生产机械电气设备的施工设计、安装和调试。

第一节生产机械电力装备设计的基本原则和内容

生产机械的机械结构、加工工艺、操作方式与其电气化程度密切相关，故生产机械电力装置的设计应与机械设计同时进行密切配合，并应树立工程实践的观点，最大限度地满足生产机械及工艺流程对电气控制的要求，使设计的产品经济实用、安全可靠、性能先进、使用及维修方便等。

机床电力装备设计的基本内容：

（1）确定电力拖动方案；

（2）选择电动机种类、结构形式和容量；

（3）设计机床电气控制电路图；

（4）选择机床电器，制订电器元件一览表；

（5）进行机床电力装备施工设计；

（6）编写设计计算说明书和使用说明书。

第二节电力拖动方案确定原则和电动机选择

一、电力拖动方案的确定原则

确定电力拖动方案时，首先应根据机床工艺要求及结构来选择电力拖动方式，确定电动机的数量，然后根据机床各运动机构要求的调速范围来选择调速方案，使电动机能得到充分合理的利用。

（一）拖动方式的选择

电力拖动方式有单独拖动与分立拖动两种。

电气传动发展的趋向是电动机逐步接近工作机构，形成多电动机的拖动方式。

在具体选择时，应根据工艺及结构具体情况决定电动机的数量。

（二）调速方案的选择

一般金属切削机床的主运动和进给运动，以及要求具有快速平稳的动态性能和准确定位的设备如龙门刨床、镗床、数控机床等，都要求具有一定的调速范围。

为此，可采用齿轮变速箱、液压调速装置、双速或多速电动机及电气的无级调速方案。

在选择调速方案时，可参考以下几点：

（1）重型或大型设备的主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。

（2）精密机械设备如坐标镗床、精密磨床、数控机床等，为了保证加工精度，便于自动控制，也应采用电气无级调速方案。

（3）一般中小型设备如普通机床没有特殊要求时，可选用经济、简单、可靠的三相笼型感应电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。

为简化结构，扩大调速范围，也可采用双速或多速笼型感应电动机。

（三）电动机调速性质应与负载特性相适应

机械设备的各个工作机构，具有各自不同的负载特性，如机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。

在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速性质与生产机械的负载特性相适应，以使电动机获得充分合理的使用。

二、拖动电动机的选择

电动机的选择包括电动机种类、结构形式、额定转速、额定电压和额定功率的选择。

1．根据生产机械调速要求选择电动机种类　感应电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小，但起动及调速等方面不能满足要求时才考虑选用直流电动机。

具体选择原则是：

（1）不需调速的机械应首先考虑采用感应电动机。

（2）对于周期性波动负载的长期工作机械，为消平尖峰负载，一般采用电动机带飞轮工作，这时应考虑起动条件和充分利用飞轮的作用而采用绕线转子感应电动机。

（3）需要补偿电网功率因数及稳定的工作速度时，应优先考虑采用同步电动机。

（4）对于只需几种速度，但不要求调速的生产机械，选用多速感应电动机。

（5）要求大的起动转矩和恒功率调速时，常选用直流串励电动机，如电车、牵引车等。

（6）对起动、调速及制动要求较高的机械，常选用直流电动机或带调速装置的感应电动机。

（7）对于要求调速范围大的场合，常采用机械与电气联合调速。

2．根据工作环境选择电动机结构型式　GB/T5226-1985《机床电气设备通用技术条件》中规定：

应根据工作环境选择电动机的结构型式。

（1）在正常环境条件下，一般采用防护式电动机；在人员及设备安全有保证的前提下，也可采用开启式电动机。

（2）在空气中存在较多粉尘的场所，宜用封闭式电动机。

（3）在湿热带地区或比较潮湿的场所，应尽量选用湿热带型电动机，若用普通型电动机，应采取相应的防潮措施。

（4）在露天场所，宜选用户外型电动机，若有防护措施的也可采用封闭型或防护型电动机。

（5）在高温车间，应根据周围环境温度，选用相应绝缘等级的电动机，并加强通风，改善电动机的工作条件，提高电动机的工作容量。

（6）在有爆炸危险及有腐蚀性气体的场所，应相应地选用隔爆型及防腐型电动机。

3．电动机额定转速的选择　对于额定功率相同的电动机，额定转速越高的电动机成本越小，越经济，但电动机转速越高，传动机构转速比愈大，传动机构愈复杂。

因此，应综合考虑电动机的工作特点及生产机械结构两方面多种因素来确定电动机的额定转速。

4．电动机额定电压的选择　电动机额定电压应与供电电源电压相一致。

5．电动机额定功率的选择　依据生产实践验证，选择电动机容量时，电动机的额定功率一般比拖动的机械所需之功率大10%左右为宜。

第三节　电气控制线路设计的一般要求

电气控制系统是生产机械的重要组成部分，对生产机械能否正确可靠地工作起着决定性的作用。

因此必须正确设计电气控制电路，合理选择电器元件，使电气控制系统满足以下要求：

一、电气控制线路要满足生产机械的工艺要求

设计前，应充分了解生产机械的工作性能、基本结构、运动情况、实际加工工艺过程，然后再考虑控制方式、启动、制动、正反转及调速等控制方案设计，并设置必要的保护联锁环节，以保证生产机械工艺要求的实现。

二、控制电路中对电压的要求应符合国家标准

根据GB/T5226—1985《机床电气设备通用技术条件》规定：

对于具有5个以上的电磁线圈（例如：

接触器、继电器、电磁阀等）或电柜外还具有控制器件或仪表的机床，必须采用分离绕组的变压器给控制和信号电路供电。

当机床有几个控制变压器时，每个变压器尽可能只给机床一个单元的控制电路供电。

只有这样，才能使得不工作的那个控制电路不会危及人身、机床和工件的安全。

如果电源具有接地中线时，在不要求专门保护措施情况下，可以把控制电路直接接到电源上，在此情况下，控制电路必须联接在相线和接地中线之间。

对于电磁线圈5个以下的电气设备，控制电路可以直接接到电源上，即接在两相线之间或相线与中性线之间，这种控制电路电压不作规定，由电源电压而定。

由变压器供电的交流控制电路，二次电压为：

24V或48V，50Hz。

对于触点外露在空气中的电路，由于电压过低而使电路工作不可靠时，应采用48V或更高的电压：

110V（优越值）和220V，50Hz。

直流控制电路的电压为：

24V、48V、110V、220V。

只能使用低电压的电子电路和电子装置可以采用其它的低电压。

对于大型机床线路长，串联的触点多，压降大，故不推荐使用24V或48V。

三、控制线路工作的可靠性

控制线路工作的可靠性主要包括以下方面：

（1）电器元件应完好无损且符合有关国家标准中的规定，工作时应稳定可靠，符合使用环境条件的要求。

（2）电器元件在实际运行中，由于电磁线圈的电磁惯性、机械惯性、机械位移量等因素，使接触器或继电器线圈从通电（断电）到触点的动作有一段吸引（释放）时间，称其为电器元件的动作时间。

要求电器元件的动作时间要小（需延时的除外），不影响电路正常工作。

（3）电器元件的线圈和触点的连接要符合GB/T5226—1985的规定：

每个电磁动作器件的线圈、信号灯或向信号灯供电的变压器的一次线圈，必须连接在控制电路接地的一边，各个器件的触点应接在线圈和控制电路的另一边之间。

如果保护继电器的触点与被它所控制的器件线圈之间的导线是在同一个电柜或壁龛内，则该保护继电器的触点可以连接在控制电路接地边和线圈之间。

凡触点不同于上述接法且能使外部控制附件（触轮、卷线机构、多路插件等）简化时，可以接在线圈和控制电路另一边之间，但必须设法避免出现故障时所产生的危险。

在实际连接时，应注意正确连接电器的电磁线圈：

交流电压线圈通常不能串联使用，即使是两个同型号电压线圈也不能采用串联后接在两倍线圈额定电压的交流源上，如图4-1所示。

因电器动作有先有后，若KM1先动作，KM2后动作，造成KM1磁路气隙先减小，使该线圈电感量增大，阻抗加大，KM1线圈分配到的电压增大，而KM2线圈电压将低于其额定电压，若低于吸动电压时，KM2将不能吸合，影响电路正常工作；同时电路电流增大，可能烧毁接触器线圈。

（4）在电器控制电路中，应尽量将所有电器的联接触点接在线圈的左端，线圈的右端直接接到电源，这样可以减少在线路内产生虚假回路，防止产生寄生电路。

（5）应考虑电器触点的接通与分断能力，如果触点容量不够，可加大继电器容量或增加中间继电器。

（6）尽量减少电器数量，合理安排触点位置，减少导线的数目和缩短导线的长度，以减少故障可能性节约电能。

四、保证电气控制线路工作的安全性

电气控制线路在正常工作和事故情况下，应能保障操作人员、电气设备、生气机械的安全，并能有效地制止事故的扩大。

常用的保护措施有漏电开关保护、过载、短路、欠（失）压、过压、过流、联锁与行程保护等。

五、保证操作和维修方便

电气控制线路应从操作与维修人员工作出发，力求操作简单，维修方便。

第四节　电气控制线路的设计

生产机械电力拖动方案及拖动电动机确定以后，在明确控制系统设计要求的基础上，就可进行电气控制线路的设计。

设计方法通常有：

一、经验设计法

经验设计法又称分析设计法，是根据生产机械的工艺要求和生产过程，参考各种电气控制电路的基本环节，或将比较成熟的电路设计按其联锁条件组合起来，加以修改和完善，最后得出最为合理的方案。

1．经验设计法的基本步骤：

（1）设计主电路。

主要考虑电动机的启动、调速、制动等。

（2）设计控制电路。

主要考虑实现电动机的各种运转功能和生产工艺要求。

（3）设计联锁保护环节。

主要考虑如何完善整个控制线路的设计。

（4）线路的综合审查。

反复审查设计或进行模拟实验来检验。

2．经验设计法举例

例4-1龙门刨床横梁升降电气控制电路图的设计

（1）横梁升降机构的工艺要求。

横梁升降机构的工艺要求包括：

①随加工工件位置高低的变化，横梁应能沿立柱作升降移动。

②横梁升降与横梁夹紧之间按顺序进行操作并能自动转换。

③横梁升降设有限位保护，夹紧电动机通过过电流继电器KOC来实现夹紧力保护。

④.横梁夹紧与移动以及其它相关动作之间的联锁保护。

（2）电气控制线路图的设计过程

①设计主电路：

从横梁运动要求出发，需两台异步电动机M1和M2，且都具有正反转，来实现横梁的上升与下降、夹紧与放松。

所以分别用接触器KM1、KM2控制横梁升降电动机M1的正反转。

因为横梁升降为短时调整运动，所以M1可采用点动控制；M2则按一定的顺序自动控制。

②设计控制电路：

根据工艺要求，用点动按钮SB1和SB2控制横梁的上升与下降。

按下SB1或SB2后，电动机M2启动并开始松开横梁。

当横梁完全松开后，经机械传动机构压下行程开关SQ1以发出横梁松开完成信号，则电动机M2停转，M1开始启动并拖动横梁移动。

当横梁移动到所需位置时，松开按钮，则电动机M1停转，M2反方向运转并拖动夹紧机构将横梁夹紧，夹紧的同时SQ1复位。

当横梁夹紧到一定程度时，M2主电路电流升高，过电流继电器KOC动作，切断M2电路，则横梁移动操作结束。

应当注意的是横梁升降移动时，不能进行夹紧工作，应采用将接触器KM1、KM2的各一对常闭触头串接在接触器KM4的线圈电路中来保证。

③控制电路的改进与完善：

图中，控制按钮SB1、SB2均需具有两对动合触点，而正规按钮为一对动合触点和一对动断触点。

为此引入一个中间继电器KA，用按钮的动合触点控制KA，再由KA来控制横梁的放松和升降；用按钮的动断触点来实现横梁升降移动的互锁控制。

进一步考虑到电路的各种保护与完善，还应采取以下措施：

．SQ2—横梁与侧刀架运动的限位保护；

．SQ3—横梁上升极限保护；

．SQ4—横梁下降极限保护；

．横梁上升与下降、夹紧与放松的互锁；

．电动机的保护接地线（PE线）。

至此，得到了较为完善的横梁升降控制电路。

（3）设计电路校核。

电气控制电路设计完成后，必须仔细校核，查看电路是否合理，是否还有需要进一步简化和完善之处。

最后根据实际生产工艺要求，逐步分析所设计线路是否能实现全部控制，电路工作是否安全可靠。

二、逻辑设计法

逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来设计电气控制线路，并用于线路的简化。

从生产机械电气设备的生产工艺要求出发，把接触器、继电器等电器元件线圈的通电和断电，触点的闭合和断开，看成是逻辑变量，根据控制线路中各逻辑变量之间所要满足的逻辑关系，按照一定的方法和步骤设计出符合生产工艺要求的电气控制线路。

下面我们以实例简单介绍逻辑设计法的方法和步骤。

例4-2设计一控制电路，当三个控制继电器K1、K2、K3中任何一个或两个吸合时，接触器KM得电吸合，当三个继电器均吸合或释放时，KM断电释放。

根据题目要求，列出接触器通电状态的真值表：

K1

K2

K3

KM

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

0

根据真值表，KM通电的逻辑表达式为

KM=

K1K2K3+K1K2K3+K1K2K3+K1K2K3+K1K2K3+K1K2K3

化简得

KM=K1K3+K1K2+K2K3

第五节常用控制电器的选用

正确合理地选择电器元件是控制电路安全可靠工作的先决条件和重要保证。

下面仅对常用控制电器的选择作简单介绍。

一、接触器的选用

随使用场合及控制对象不同，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。

为了尽可能经济正确地使用接触器，必须对控制对象的工作情况及接触器的性能有较全面的了解，不能只看产品的铭牌数据，因为铭牌上所标定的电压、电流、控制功率等参数均为某一使用条件下的额定值，选用时应根据具体使用条件正确选择。

通常接触器选用的方法步骤是：

1．根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别即交流负载应选用交流接触器，直流负载应选用直流接触器。

交流接触器使用类别有AC-0—AC-4五类：

（1）AC-0类用于感性负载或阻性负载，接通和分断额定电压和额定电流。

（2）AC-1类用于启动和运转中断开绕线转子电动机。

在额定电压下，接通和分断2.5倍额定电流。

（3）AC-2类用于启动、反接制动、反向与频繁通断绕线转子电动机。

在额定电压下，接通和分断2.5倍额定电流。

（4）AC-3类用于启动和运转中断开笼型异步电动机。

额定电压下接通6倍额定电流，在0.17倍额定电压下分断额定电流。

（5）AC-4类用于启动、反接制动、反向与频繁通断笼型异步电动机。

在额定电压下接通和分断6倍额定电流。

若电动机承担一般任务，其控制接触器可选AC－3类；若承担重任务，应选取AC－4类。

后一情形如选用了AC－3类，则应降级使用。

直流接触器使用类别有控制电动机和电磁铁两类：

（1）控制直流电动机时的选用。

选用时，应先弄清电动机实际运行的主要技术参数。

接触器的额定电压、额定电流（或额定控制功率）均不得低于电动机的相应值。

当用于反复短时工作制或短时工作制时，接触器的额定发热电流应不低于电动机实际运行的等效有效电流，接触器的额定操作频率也不应低于电动机实际运行的操作频率。

然后根据电动机的使用类别，选择相应使用类别的接触器系列。

若接触器提供有DC－2使用类别的技术数据，当用于DC－3或DC－2、DC－3混合使用时，则可降低一半容量使用。

同理，有DC－4技术数据的接触器，用于DC－5或DC－4、DC－5混合使用时，也可降容量使用。

但不宜将只有DC－2技术数据而无DC－4或DC－5使用系列的接触器用于DC－4或DC－5使用场合中，因为这有可能会出现不能分断甚至发生短路的事故。

（2）控制直流电磁铁时的选用。

控制直流电磁铁时，应根据额定电压、额定电流、通电持续率和时间常数等主要技术参数，选用合适的直流接触器。

由于直流电磁铁中的起重电磁铁负载属于大电感性负载，时间常数特别大，为保证可靠使用，往往在电磁铁线圈两端并联一电阻，其阻值一般不大于线圈电阻值的6倍。

2．根据接触器控制对象的工作参数确定接触器的容量等级　工作参数有工作电压、工作电流、控制功率、操作频率、工作制度等。

接触器主触点的额定电压应不小于负载的额定电压；主触点的额定电流应不小于负载电路的额定电流，也可根据所控制电动机的最大功率进行选择。

3．根据控制回路电压来决定接触器线圈电压　如果控制线路比较简单，所用接触器的数量较少，则交流接触器线圈的额定电压一般直接选用380V或220V。

如果控制线路比较复杂，使用的电器又比较多，为了安全起见，线圈的额定电压可选低一些，这时需要加一个控制变压器。

直流接触器线圈的额定电压应视控制回路的情况而定。

同一系列、同一容量等级的接触器，其线圈的额定电压有好几种，可以选线圈的额定电压和直流控制电路的电压一致。

对于特殊环境条件下工作的接触器应选用派生型产品。

二、热继电器的选用

热继电器主要用于电动机的过载保护，选用时应遵循下列原则：

（1）根据被保护电动机的实际启动时间选取6IN下具有相应可返回时间的热继电器。

一般可返回时间大约为动作时间的（0.5—0.7）倍。

（2）热继电器整定电流范围的中间值为电动机的额定工作电流。

使用时，热继电器的旋钮应调到该值，否则将不能起到保护作用。

（3）一般情况下可选用两相结构的热继电器，但对于电源电压显著不平衡、电动机定子绕组一相断线、多台电动机的功率差别比较显著、Y－△（或△－Y）联结的电源变压器一次侧断线的情况以选用三相结构的热继电器为宜。

（4）定子绕组Y型联结的电动机，可使用不带断相保护的三相热继电器，而定子绕组作△型联结的电动机，应采用有断相保护装置的热继电器作过载和断相保护。

（5）频繁正反转及重载重复短时工作的电动机不宜采用双金属片式热继电器，可用延时动作型的过电流继电器作过载和短路保护。

三、熔断器的选用

熔断器的选择主要包括熔断器类型、额定电压、额定电流与熔体额定电流的确定。

（1）熔断器的类型选择。

熔断器的类型应根据负载保护特性和短路电流大小，各类熔断器的适用范围来选用。

（2）熔断器的额定电压选择。

熔断器的额定电压应不小于线路的额定电压。

（3）熔断器的额定电流选择。

熔断器的额定电流应不小于熔体的额定电流。

（4）熔体额定电流的选择。

有以下两种情况：

①对于照明电路和电热电路等阻性负载，熔断器可用作过载保护和短路保护，熔断器的额定电流应稍大于或等于负载的额定电流。

②对于有启动冲击电流的电动机负载，熔断器只宜做短路保护而不能作过载保护。

单台电动机容量选择为：

　　　　　　　　　　　　　　INF＝（1.5—2.5）ＩNM

式中ＩNF—熔体额定电流（Ａ）；

ＩNM—电动机额定电流。

多台电动机共用一个熔断器保护的熔体选择为：

　　　　　　ＩNF＝（1.5—2.5）INMmax+∑INM

式中ＩNMmax—容量最大一台电动机的额定电流（Ａ）；

∑ＩNM—其余各台电动机额定电流之和。

轻载启动及启动时间较短，式中系数取1.5；重载启动及启动时间较长时，式中系数取2.5。

（5）熔断器的保护特性，应与保护对象的过载特性有良好的配合，使在整个曲线范围内获得可靠的保护。

同时，熔断器极限分断能力应大于或等于所保护电路可能出现的短路电流值，这样才能得到可靠的短路保护。

四、自动开关的选用

塑料外壳式断路器（自动开关的一种）常用来作电动机的过载与短路保护，其选用原则是：

（1）断路器的额定电压和额定电流应等于或大于电路正常工作电压和电流。

（2）热脱扣器的整定电流应与所控制的电动机额定电流或负载额定电流相等。

（3）对保护笼型感应电动机，断路器的电磁脱机器的瞬时脱扣整定电流为（8—15）倍电动机额定电流，而保护绕线式电动机时为（3—6）倍。

五、控制变压器的选用

控制变压器一般用于降低控制电路或辅助电路电压，以保证控制电路安全可靠。

选择控制变压器的原则为：

（1）控制变压器一、二次侧电压应与交流电源电压、控制电路电压与辅助电路电压要求相一致。

（2）应保证接于变压器二次侧的交流电磁器件在启动时能可靠地吸合。

（3）电路正常运行时，变压器温升不应超过允许温升。

（4）控制变压器的容量

可按长期运行的温升来考虑，其容量应大于或等于最大工作负荷的功率，即

　　　　　　　　　　Ｓ≥∑Ｓ１Ｋ１

式中Ｓ１━━为电磁器件吸持功率（VA）；

　　Ｋ１━━为变压器容量的储备系数，一般1.5—1.25。

六、其它控制电器选用

其它控制电器的选用有：

1．转换开关选择

（1）转换开关的层数和接线图应符合电路要求。

（2）转换开关的额定电压和额定电流必须符合电路要求。

2．万能转换开关选择　可按下列要求进行选用：

（1）按额定电压和工作电流选用合适的万能转换开关系列。

（2）按操作需要选定手柄型式和定位特征。

（3）按控制要求参照转换开关样本确定触点数量和接线图编号。

（4）选择面板型式及标志。

3．控制按钮选择　应根据用途、控制回路和使用场合来选择按钮的型式、按钮数、按钮种类和按钮颜色，根据GB/T5226-1985的规定，按钮、信号灯的颜色的含义与典型用途分别见表4-1和表4-2。

表4－1　按钮颜色及其含义

颜色

颜色含义

典型应用

红

　　急情出现时动作

急停

停止或断开

①总停；

②停止一台或几台电动机；

③停止机床的一部分；

④停止循环（如果操作者在循环期间按此按钮，机床

在有关循环完成后停止）；

　　⑤断开开关装置；

　　⑥兼有停止作用的复位。

黄

干预

排除反常情况或避免不希望的变化，当循环尚未完成，把机床部件返回到循环起始点按压黄色按钮可以超越预选的其他功能

绿

起动或接通

①总启动；

②开动一台或几台电动机；

③开动机床的一部分；

④开动辅助功能；

⑤闭合开关装置；

⑥接通控制电路。

蓝

红蓝绿三种颜色未包含的任何特定含义

①红、黄、绿含义未包括的特殊情况，可以用蓝色；

②蓝色：

复位。

黑灰

白

除专用“停止”功能按钮外，可用于任何功能，如：

黑色为点动，白色为控制与工作循环无直接关系的辅助功能

表4－2　指示灯的颜色及其含义

颜色

灯亮的含义

说明

典　型　应　用

红

危险或报警

警报潜在危险

或要求立刻行动的

情况

①润滑系统压力出故障；

②温度超过规定（安全）极限；

③命令立即停止机床（如因为过载）；

④主要设备因保护器件动作而停止；

⑤有容易接触的带电或运动部件的危险。

黄

警告

情况发生变化

呈即将发生变化

①温度（压力）不正常；

②出现短时的有限过载；

③自动循环正在运行。

绿

安全

表示安全，授

权开始工作，表示

无障碍

①冷却液循环正常：

机床准备就绪可以工作，所有必须的辅助工作完毕，各种机

构处于起动状态，液压或电动发电机组输

出电压在给定范围内等

②循环完毕，机床准备重新启动。

蓝

按照情况

需要赋予的

特定含义

上述红、黄、绿三色未包括的任何特定含义都可由蓝色表示

①遥控指示；

②选择开关处于“整定状态”；

③装置处于“正向”状态；

④刀架或装置微量进给。

白

未赋予特

定含义

使用红、绿黄三色存在问题时，可以用白色，