《電氣與可編程控制技術(shù)》第3章

第3章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第一節(jié)電氣控制設(shè)計(jì)的原則第二節(jié)電氣控制電路設(shè)計(jì)的基本方法第三節(jié)電氣保護(hù)類型及實(shí)現(xiàn)方法第五節(jié)電氣控制裝置工藝設(shè)計(jì)

第四節(jié)電氣控制線路設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)計(jì)算及電器元件選擇3.1電氣控制設(shè)計(jì)的原則設(shè)計(jì)之前，要進(jìn)行充分調(diào)研。首先要調(diào)查清楚用戶的生產(chǎn)要求，因?yàn)榭刂齐娐窞檎麄€設(shè)備和工藝過程服務(wù)的，不弄明白這些就迷失了設(shè)計(jì)方向。生產(chǎn)工藝要求一般是由機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供的，但提供的大部分都是一般性原則意見，這時候就要求電氣設(shè)計(jì)人員對同類或相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)查、分析、綜合，然后提出具體、詳細(xì)的要求，再征求機(jī)械設(shè)計(jì)人員意見后，作為設(shè)計(jì)電氣控制電路的依據(jù)。1.電氣控制應(yīng)最大限度的滿足生產(chǎn)機(jī)械加工工藝的要求對控制電路電流、電壓的要求表述如下：較簡單的交流電力傳動的控制電路一般都直接采用交流380V、220V，較復(fù)雜交流電力傳動的控制電路一般都采用交流110V、48V。照明及信號指示電路一般采用交流48V、24V、6V。直流電力傳動的控制電路一般采用直流220V、110V。直流電磁鐵及電磁離合器的控制電路一般采用直流48V、24V、12V。

2.對控制電路電流、電壓的要求.常用電氣控制電路電壓等級表整流器48、24、12直流電磁鐵及電磁離合器的控制電路整流器或直流發(fā)電機(jī)220、110直流直流電力傳動的控制電路采用控制電源變壓器48、24、6照明及信號指示電路采用控制電源變壓器110（127）、48交流電力傳動的控制電路較復(fù)雜不用控制電源變壓器380、220交流交流電力傳動的控制電路較簡單電源設(shè)備常用的電壓值/V控制電路類型(1)盡量縮短連接導(dǎo)線的長度和數(shù)量3.在滿足生產(chǎn)要求的前提下，控制電路力求簡單、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠圖3-1減少連接導(dǎo)線的數(shù)量

a)不合理b)合理(2)盡量減少電器的數(shù)量在設(shè)計(jì)時盡量選擇相同型號的電器產(chǎn)品，這樣就可以最大限度的減少備件備品的數(shù)量，提高經(jīng)濟(jì)性。盡量選用標(biāo)準(zhǔn)的、常用的或經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)過的線路和環(huán)節(jié)。(3)盡量減少控制線路中電源的種類一般電氣控制線路盡可能直接采用所使用的電網(wǎng)電壓，這樣在安全允許的條件下可省去控制變壓器。(4)盡量減少電器元件觸頭的數(shù)目在控制線路中，應(yīng)盡量減少觸點(diǎn)，以提高線路的可靠性。圖3-2觸頭化簡與合并

a)不合理b)合理a）b）(5)正確連接觸點(diǎn)在控制電路中，應(yīng)盡量將所有觸點(diǎn)接在線圈的左端或上端，而線圈的右端或下端直接接到電源的另一根母線上。這樣可以減少線路內(nèi)產(chǎn)生虛假回路的可能性，還可以簡化電氣柜的出線。(6)正確連接電器的線圈在交流控制電路中兩個電器的線圈不能串聯(lián)。

圖3-3線圈的連接(7)元器件的連接應(yīng)盡量減少多個元件依次通電后才接通另一個電器元件的情況。

(8)要注意電器之間的聯(lián)鎖和其他安全保護(hù)環(huán)節(jié)以及電氣系統(tǒng)具有的各種電氣保護(hù)措施，例如過載、短路、欠壓、零位、限位等保護(hù)措施。(9)在設(shè)計(jì)控制線路時應(yīng)也應(yīng)考慮有關(guān)操縱、故障檢查、檢測儀表、信號指示、報(bào)警，以及照明等要求。3.2電氣控制電路設(shè)計(jì)的基本方法電氣控制電路設(shè)計(jì)主要采用兩種設(shè)計(jì)方法：一般設(shè)計(jì)法（經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法）和邏輯設(shè)計(jì)法。一般設(shè)計(jì)法主要是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，利用各種典型環(huán)節(jié)，直接設(shè)計(jì)控制電路，這種方法要求設(shè)計(jì)人必須熟悉大量的基本控制電路，掌握多種典型控制電路的設(shè)計(jì)資料、方法，具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。這種設(shè)計(jì)方法比較簡單，常為工程設(shè)計(jì)人員采用。另一種方法是邏輯設(shè)計(jì)法，它是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，利用邏輯代數(shù)來分析、設(shè)計(jì)電路的。用這種方法設(shè)計(jì)的電路比較合理，特別適合完成較復(fù)雜的生產(chǎn)工藝所要求的控制電路。但是邏輯設(shè)計(jì)法難度較大，不易掌握。對于簡單的電氣控制電路，考慮成本問題，還要采用傳統(tǒng)由繼電器組成的控制系統(tǒng)。其次，對于稍微復(fù)雜的電氣控制線路，可采用PLC而不會繼電器控制系統(tǒng)，所以邏輯設(shè)計(jì)法使用的越來越少。所以本書主要介紹一般設(shè)計(jì)法。首先一般設(shè)計(jì)法要遵循第一節(jié)介紹的設(shè)計(jì)原則。其次因?yàn)橐话汶姎饪刂齐娐范际怯筛鞯湫铜h(huán)節(jié)組成并加上合理的保護(hù)環(huán)節(jié)等，所以本節(jié)先從典型環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)入手。1.啟動和點(diǎn)動的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)圖3-5(a)采用手動開關(guān)的點(diǎn)動控制電路（b）點(diǎn)動按鈕聯(lián)鎖的控制電路(1)采用手動開關(guān)聯(lián)鎖的點(diǎn)動控制電路在機(jī)床的控制電路中，經(jīng)常采用手動開關(guān)SA作為點(diǎn)動按鈕，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能。如圖3-5（a）所示，在需要點(diǎn)動調(diào)整機(jī)床時，預(yù)先打開點(diǎn)動按鈕SA，這樣就切斷了KM的自鎖電路，這時候按鈕SB2就成了點(diǎn)動按鈕并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動控制。調(diào)整完畢后，必須閉合SA，恢復(fù)自鎖電路，實(shí)現(xiàn)正常工作時的啟動控制。(2)點(diǎn)動按鈕聯(lián)鎖的控制電路如圖3-5（b）所示，聯(lián)鎖控制由復(fù)合按鈕SB3實(shí)現(xiàn)。SB3按鈕的常閉觸點(diǎn)與KM的自鎖觸點(diǎn)串聯(lián)，構(gòu)成正常啟動的自鎖環(huán)節(jié)。正常情況下按下啟動按鈕SB2，電機(jī)啟動，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。需要點(diǎn)動控制時，按下點(diǎn)動按鈕SB3，通過按鈕SB3的常閉按鈕切斷自鎖電路，啟動按鈕SB3常開觸點(diǎn)閉合，形成點(diǎn)動控制。2.正反向接觸器間的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)圖3-6三相異步電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路（a）具有電氣互鎖電路（b）具有雙重互鎖電路3.順序啟動的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)圖3-7車床主軸的順序啟動控制電路介紹完各典型環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)后，我們就可以使用一般設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)相對簡單的電氣控制電路，一般設(shè)計(jì)法要求在設(shè)計(jì)控制線路中要做到以下幾點(diǎn)：(1)按工藝要求對電動機(jī)提出的起動、制動、反向和調(diào)速等要求，設(shè)計(jì)出主電路。(2)根據(jù)所設(shè)計(jì)出的主電路，設(shè)計(jì)出相應(yīng)控制電路的基本環(huán)節(jié)。(3)根據(jù)各部分運(yùn)動要求的配合關(guān)系及連鎖關(guān)系，確定控制參量和特殊環(huán)節(jié)。(4)根據(jù)工藝要求做進(jìn)一步的檢查工作，如加入必要的保護(hù)和互鎖環(huán)節(jié)等。(5)綜合審查、全面檢查電路動作是否正確，進(jìn)一步完善和簡化電路，必要時可通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。3.3電氣保護(hù)類型及實(shí)現(xiàn)方法1.短路保護(hù)短路電流會引起電器絕緣層燒壞，電動機(jī)繞組和電器產(chǎn)生機(jī)械性損壞。因此，出現(xiàn)短路時，應(yīng)當(dāng)可靠、迅速地切斷電路，同時保護(hù)裝置不會因啟動電流而動作。經(jīng)常采用的保護(hù)方法有：

(1)熔斷器保護(hù)適合于動作準(zhǔn)確要求不高和自動化程度要求較差的系統(tǒng)。例如，小功率的籠型感應(yīng)電機(jī)和小功率的直流電動機(jī)。

(2)過電流繼電器保護(hù)或斷路器保護(hù)。2.過電流保護(hù)由于不正確地啟動電機(jī)或過大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩而引起的過電流現(xiàn)象，產(chǎn)生的電流一般比短路電流小。頻繁的啟動電動機(jī)、正反轉(zhuǎn)重復(fù)短時的電動機(jī)容易出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。通常，采用過電流繼電器來實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)，當(dāng)電流達(dá)到額定值時，瞬時切斷電源。3.熱保護(hù)電動機(jī)長期超載運(yùn)行，其繞組會因溫升超過允許值而損壞。因而，需要采用熱繼電器實(shí)現(xiàn)保護(hù)措施。要求負(fù)載電流越大，熱繼電器的動作時間越快，但是不會受到啟動電流的影響而產(chǎn)生誤動作。注意，在使用熱繼電器的同時，還必須加入熔斷器或過電流繼電器的短路保護(hù)裝置。4.零電壓和欠電壓保護(hù)(1)零電壓保護(hù)因電源電壓消失使電動機(jī)停止工作，電源電壓恢復(fù)時，電動機(jī)可能自動啟動，造成事故。為防止電壓恢復(fù)時，電動機(jī)自啟動的保護(hù)為零電壓保護(hù)。(2)欠電壓保護(hù)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，電源電壓過分降低，引起電動機(jī)定子電流變大、轉(zhuǎn)速下降甚至停止工作，也可能使得一些線圈釋放，造成電路工作不正常。因此，當(dāng)電壓下降到允許的最小值時，將電動機(jī)電源切斷，這種保護(hù)為欠電壓保護(hù)。如圖3-10所示的電路中，當(dāng)控制線路發(fā)生短路故障時，控制線路應(yīng)能迅速切除電源，熔斷器FU1是作為主電路短路保護(hù)的，熔斷器FU2是作為控制電路短路保護(hù)的，但達(dá)不到過載保護(hù)的目的。過流保護(hù)由過電流繼電器KI實(shí)現(xiàn)，如圖所示的控制電路中，在電流超過設(shè)定值時，過流繼電器所帶的常閉觸點(diǎn)動作斷開，線圈KM失電，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到電機(jī)的過電流保護(hù)目的。過載保護(hù)是由熱繼電器FR完成，由于熱繼電器的慣性很大，即使熱元件流過幾倍的額定電流，熱繼電器也不會立即動作，因此電動機(jī)短時間過載，熱繼電器是不會動作的，只有過載時間相對較長時，熱繼電器動作，其所帶的常閉觸點(diǎn)斷開，控制線路斷開，線圈KM失電跳閘，接觸器主觸點(diǎn)斷開主電路，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的過載保護(hù)。圖3-10中，依靠接觸器KM本身來實(shí)現(xiàn)欠壓和失壓保護(hù)。當(dāng)電源電壓低到一定程度或失電壓時，接觸器KM的電磁吸力小于彈簧反力，電磁機(jī)構(gòu)會釋放，主觸點(diǎn)把主電源斷開，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這時候即使電源恢復(fù)，由于控制電路失去自鎖，電動機(jī)不會自動啟動。只有操作人員再次按下啟動按鈕SB2時，電動機(jī)才會從新啟動。3.4電氣控制線路設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)計(jì)算及電器元件選擇(1)按鈕按鈕通常是用來短時接通或斷開小電流的控制電路的開關(guān)。目前市場上按鈕在結(jié)構(gòu)上是多種多樣的，主要有：旋轉(zhuǎn)式—用手扭動旋轉(zhuǎn)進(jìn)行操作；指示燈式—按鈕除了常用的常開常閉觸點(diǎn)外還裝入指示燈顯示信號；急停式—裝有蘑菇形鈕帽，表示緊急操作。為便于識別各個按鈕的作用，避免誤操作，通常把按鈕帽做成不同顏色供選擇，其顏色主要有紅、綠、黃、藍(lán)、白等。其中紅色按鈕表示危險(xiǎn)狀態(tài)或在緊急狀況時停機(jī)緊急停機(jī)操作，主要用于停止/分?jǐn)嚯娐?，激活緊急功能等。1.主令電器的選擇.(2)行程開關(guān)、接近開關(guān)和光電開關(guān)

行程開關(guān)是用來反映工作機(jī)械的行程，發(fā)出命令以控制其行動方向或行程大小的主令電器。如果把行程開關(guān)安裝在工作機(jī)械行程終點(diǎn)處，以限制其行程，稱為限位開關(guān)。接近開關(guān)是非接觸式的檢測裝置，當(dāng)運(yùn)動的物體接近它一定距離范圍內(nèi)時，它就能發(fā)出信號，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作。光電開關(guān)是另一種類型的非接觸式檢測裝置，它有一對光發(fā)射和接收裝置。根據(jù)兩者和光的接收方式分為對射式和反射式，作用距離從幾厘米到幾十米不等。選用時，要根據(jù)使用場合和控制對象確定檢測元件的種類。例如，當(dāng)被測對象運(yùn)動速度不是太快，可選用一般用途的行程開關(guān)；而在工作頻率很高，且對可靠性及精度要求也很高時，應(yīng)選用接近開關(guān)；不能接近被測物體時，則選用光電開關(guān)。

(3)刀開關(guān)刀開關(guān)又稱閘刀，其主要作用是接通和切斷長期工作設(shè)備的電源，切斷時主要起隔離開關(guān)作用。也用于不經(jīng)常起制動容量小于7.5KW的異步電動機(jī)。當(dāng)用于啟動異步電動機(jī)時，其額定電流不要小于電動機(jī)額定電流的三倍。一般刀開關(guān)的額定電壓不超過500V，額定電流由10A到上千安培的多種等級。有些刀開關(guān)附有熔斷器。不帶熔斷器的刀開關(guān)主要有HD型及HS型，帶熔斷器的刀開關(guān)有HR3系列。自動開關(guān)又稱自動空氣斷路器。選擇自動空氣開關(guān)應(yīng)考慮其主要參數(shù)：額定電壓、額定電流和允許切斷的極限電流等。自動開關(guān)脫扣器的額定電流應(yīng)等于或大于負(fù)載允許的長期平均電流；自動開關(guān)的極限分?jǐn)嗄芰σ笥?，至少要等于電路最大短路電流；自動開關(guān)脫扣器電流整定應(yīng)按以下原則：欠電壓脫扣器額定電流應(yīng)等于主電路額定電流；熱脫扣器的額定電流與被控對象額定電流相等；電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流應(yīng)大于負(fù)載正常工作時的尖峰電流；保護(hù)電機(jī)時，電磁脫扣器的瞬時脫扣整定電流為電動機(jī)起動電流的1.7倍。(4)自動空氣開關(guān)選擇熔斷器，主要是選擇熔斷器的種類、額定電壓、熔斷器額定電流等級及熔體的額定電流。額定電壓是根據(jù)所保護(hù)電路的電壓選擇的。熔體電流的選擇是熔斷器選擇的核心。對于如照明線路等沒有沖擊電流的負(fù)載，應(yīng)使熔體的額定電流等于或稍大于線路工作電流I，即2.熔斷器的選用3.熱繼電器的選用遇到下列情況，選擇的熱繼電器元件的額定電流要比電動機(jī)額定電流高一些，以便進(jìn)行保護(hù)：

(1)電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常大，啟動時間長。

(2)電動機(jī)所帶動的設(shè)備，不允許任意停電。

(3)電動機(jī)拖動的為沖擊性負(fù)載，如沖床、剪床等設(shè)備。4.接觸器的選用接觸器用于負(fù)載主電路的自動接通或切斷。分直流、交流兩類，一般應(yīng)用最多的是交流接觸器。選擇接觸器主要考慮以下技術(shù)數(shù)據(jù)：(1)電源種類：交流或直流(2)主觸點(diǎn)額定電壓、額定電流。(3)輔助觸點(diǎn)種類、數(shù)量及觸點(diǎn)額定電流(4)電磁線圈的電源種類，頻率和額定電壓。(5)額定操作頻率，即允許的每小時接通的最多次數(shù)。而接觸器觸點(diǎn)額定電壓一般要大于等于線路額定電壓。接觸器線圈電壓一般從安全考慮，一般選擇低點(diǎn)，但當(dāng)控制線路要求簡單，所用電器不多，這樣可選用380V、220V，省去了變壓器。常用的國產(chǎn)接觸器有CJ20、CJ21、CJ26、CJ35、CJ40、CZ18、CZ21、CZ22、CZ10。引進(jìn)的有：B（德國BBC公司制造的）、LC1-D（法國的）、3TB(德國西門子）系列交流接觸器等。5.中間繼電器的選用中間繼電器主要在電路中起信號傳遞與轉(zhuǎn)換作用，作用是實(shí)現(xiàn)多路控制，并可將小功率的控制信號轉(zhuǎn)換為大容量的觸點(diǎn)動作，以驅(qū)動電氣執(zhí)行元件工作。中間繼電器觸點(diǎn)多，可以擴(kuò)充其它電器的作用。選用中間繼電器，主要依據(jù)控制電路的電壓等級，同時還要考慮觸點(diǎn)數(shù)量、種類及容量滿足控制線路的要求。中間繼電器常用的型號有JZ7系列、JZ8系列兩種。其中JZ8為交直流兩用的繼電器。選擇時間繼電器，主要考慮控制回路所需要的延時觸點(diǎn)的延時方式（通電延時還是斷電延時），以及觸點(diǎn)的數(shù)目，根據(jù)不同條件選擇不同類型的電器。在一般電氣控制電路中用的最多的是空氣阻尼式時間繼電器，其型號有JS7-A系列，延時范圍有0.4—60s及0.4—180s兩種。7PR系列時間繼電器是引進(jìn)德國西門子公司制造技術(shù)的產(chǎn)品，適用于交流50Hz或60Hz電壓為110、220V的電路中，特點(diǎn)是抗干擾強(qiáng)，延時誤差小，體積小。3.5電氣控制裝置工藝設(shè)計(jì)1．電氣控制原理圖繪制原則(1)圖中所有的元器件都應(yīng)采用國家統(tǒng)一規(guī)定的圖形符號和文字符號。(2)電氣原理圖的組成電氣原理圖由主電路和輔助電路組成。(3)電氣原理圖布局一般主電路安排在圖面左側(cè)或上方，輔助電路一般安排在圖面右側(cè)或下方。(4)電氣原理圖中所有電器的可動部分（繼電器，接觸器的觸點(diǎn)）均按沒有通電或沒有外力作用下的狀態(tài)畫出。(5)原理圖的繪制要層次分明，各電器元件及觸頭的安排要合理，盡量減少和避免線條線條交叉。導(dǎo)線之間有聯(lián)系時，交叉點(diǎn)畫實(shí)心圓點(diǎn)。(6)在原理圖的上方將分成若干圖區(qū)，并標(biāo)明該區(qū)電路的用途和作用；在繼電器、接觸器線圈的下方列有觸點(diǎn)表，以說明線圈和觸點(diǎn)的從屬關(guān)系。2．電氣原理圖符號位置的索引為了便于確定原理圖的內(nèi)容和組成部分在圖中的位置，常在圖紙上分區(qū)。對于電器元件較少的電氣控制電路來說，一般只對橫邊分區(qū)就夠了，如上圖所示某機(jī)床的電氣控制電路就相對簡單，對橫邊分區(qū)就可以進(jìn)行正確的索引。對于復(fù)雜電氣控制橫豎邊都要分區(qū)，豎邊方面用大寫拉丁字母編號，橫邊用阿拉伯?dāng)?shù)字編號（橫邊一般上面加文字說明，便于理解全部電路的工作原理）。在較復(fù)雜電氣原理圖中，在繼電器、接觸器線圈的下方注有該繼電器、接觸器相應(yīng)觸點(diǎn)所在圖中位置的索引代號，而在其觸點(diǎn)的文字符號下方標(biāo)注其線圈位置的索引，符號位置的索引，用圖號、頁次和圖區(qū)編號的組合索引號，索引代號的組成如下圖所示：電氣原理圖中，接觸器和繼電器線圈與觸點(diǎn)的從屬關(guān)系如右圖所示。即在原理圖相應(yīng)線圈下方，給出觸點(diǎn)的圖形符號，并在下面標(biāo)明相應(yīng)觸點(diǎn)的索引代碼，且對未使用的觸點(diǎn)用“”表明，有時也可采用省略的表示方法。

3．電氣元件布置圖的設(shè)計(jì)與繪制電氣元件布置圖是某些電器元件按一定原則的組合。電器元件布置圖的設(shè)計(jì)依據(jù)是部件原理圖、組件的劃分情況等。設(shè)計(jì)時應(yīng)遵循以下原則：(1)同一組件中電器元件的布置應(yīng)注意將體積大和較重的電器元件安裝在電器板的下面，而發(fā)熱元件應(yīng)安裝在電氣箱(柜)的上部或后部，但熱繼電器宜放在其下部，因?yàn)闊崂^電器的出線端直接與電動機(jī)相連便于出線，而其進(jìn)線端與接觸器直接相連接，便于接線并使走線最短，且宜于散熱。(2)強(qiáng)電弱電分開并注意屏蔽，防止外界干擾。(3)需要經(jīng)常維護(hù)、檢修、調(diào)整的電器元件安裝位置不宜過高或過低，人力操作開關(guān)及需經(jīng)常監(jiān)視的儀表的安裝位置應(yīng)符合人體工程學(xué)原理。(4)電器元件的布置應(yīng)考慮安全間隙，并做到整齊、美觀、對稱，外形尺寸與結(jié)構(gòu)類似的電器可安放在一起，以利加工、安裝和配線。若采用行線槽配線方式，應(yīng)適當(dāng)加大各排電器間距，以利布