《電機(jī)與電氣控制》課件第6章

6.1電氣控制設(shè)計(jì)的一般原則和基本內(nèi)容6.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟

6.3電動(dòng)機(jī)的一般選擇

6.4電動(dòng)機(jī)的保護(hù)

6.5電氣控制線路的設(shè)計(jì)

6.6電氣元件布置圖與接線圖的設(shè)計(jì)

本章小結(jié)

思考題第6章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1.1電氣控制設(shè)計(jì)的一般原則

在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常應(yīng)遵守以下幾個(gè)原則：

(1)最大限度原則，即要最大限度地滿足控制設(shè)備對(duì)電氣控制的要求。對(duì)控制設(shè)備的控制要求是由相關(guān)專業(yè)人員從他們的專業(yè)角度提出的，這也是對(duì)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。這些要求常常以工作循環(huán)圖、執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表、檢測(cè)元件狀態(tài)表等形式提供，對(duì)于有調(diào)速要求的場(chǎng)合，還應(yīng)給出調(diào)速技術(shù)指標(biāo)。其他如啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、照明、保護(hù)以及與BAS、FAS系統(tǒng)的接口等要求，應(yīng)根據(jù)具體需要充分考慮。6.1電氣控制設(shè)計(jì)的一般原則和基本內(nèi)容

(2)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)原則，即在滿足控制要求的前提下，設(shè)計(jì)方案力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。

(3)合理選用原則,即要正確、合理地選用各種電氣元件。

(4)安全可靠原則,即要確保使用安全、可靠。

(5)實(shí)用原則,即造型美觀、使用維護(hù)方便。6.1.2電氣控制設(shè)計(jì)的基本任務(wù)與內(nèi)容

電氣控制設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)和編制出設(shè)備制造、使用、維修過(guò)程中所必需的圖紙、資料，包括電氣原理圖、電氣系統(tǒng)的組件劃分與元器件布置圖、安裝接線圖、電氣箱圖、控制面板及電氣元件安裝底板圖、非標(biāo)準(zhǔn)緊固件加工圖等，編制外購(gòu)件目錄、單臺(tái)材料消耗清單、設(shè)備說(shuō)明書等資料。由此可見(jiàn)，電氣控制設(shè)計(jì)包含原理設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)兩個(gè)基本部分。下面以電力拖動(dòng)控制設(shè)備為例，分述這兩方面的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1.原理設(shè)計(jì)的內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)中原理設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：

(1)擬定電氣設(shè)計(jì)任務(wù)書。

(2)選擇拖動(dòng)方案與控制方式。

(3)確定電動(dòng)機(jī)的類型、容量、轉(zhuǎn)速，并選擇具體型號(hào)。

(4)設(shè)計(jì)電氣控制原理框圖，確定各部分之間的關(guān)系，擬訂部分技術(shù)要求。

(5)設(shè)計(jì)并繪制電氣原理圖，計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)。

(6)選擇電氣元件，制訂元器件目錄清單。

(7)編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。

電氣原理圖設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，是工藝設(shè)計(jì)和制定其他技術(shù)資料的依據(jù)。

2.工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容

工藝設(shè)計(jì)的主要目的是便于組織電氣控制裝置的制造，實(shí)現(xiàn)原理設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，為設(shè)備的調(diào)試、維護(hù)、使用提供必要的圖紙資料，同時(shí)使設(shè)備美觀、實(shí)用并具有先進(jìn)性。工藝設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖及選定的電氣元件，設(shè)計(jì)電氣設(shè)備的總體配置，繪制電氣控制系統(tǒng)的總裝配圖及總接線圖。

(2)按照原理圖或劃分的組件，對(duì)總原理圖進(jìn)行編號(hào)，繪制各組件原理圖，列出各部分的元件目錄表，并根據(jù)總圖編號(hào)統(tǒng)計(jì)出各組件的進(jìn)/出線號(hào)。

(3)根據(jù)組件原理電路及選定的元件目錄表，設(shè)計(jì)組件裝配圖(電氣元件布置與安裝圖)、接線圖。

(4)根據(jù)組件裝配要求，繪制電氣安裝板和非標(biāo)準(zhǔn)電氣安裝零件圖紙，標(biāo)明技術(shù)要求。

(5)設(shè)計(jì)電氣箱。根據(jù)組件尺寸及安裝要求確定電氣箱的結(jié)構(gòu)與外形尺寸，設(shè)置安裝支架，標(biāo)明安裝尺寸、面板安裝方式、各組件的連接方式、通風(fēng)散熱以及開(kāi)門方式。在電氣箱設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意操作、維護(hù)方便與造型美觀。

(6)根據(jù)總原理圖、總裝配圖及各組件原理圖等資料進(jìn)行匯總，分別列出外購(gòu)件清單、標(biāo)準(zhǔn)件清單以及主要材料消耗定額。

(7)編寫使用維護(hù)說(shuō)明書。6.2.1電力拖動(dòng)方案的確定

電力拖動(dòng)方案是指根據(jù)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)部件的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)要求、負(fù)載性質(zhì)、調(diào)速要求、投資額等條件去確定電動(dòng)機(jī)的類型、數(shù)量、傳動(dòng)方式以及電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等控制要求，作為電氣控制原理圖設(shè)計(jì)及電氣元件選擇的依據(jù)。6.2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟例如，在研制某些高效率專用加工機(jī)床時(shí)，可以采用交流拖動(dòng)，也可以采用直流拖動(dòng)，可以采用集中拖動(dòng)，也可以采用單獨(dú)分散拖動(dòng)，要根據(jù)以上各方面因素綜合考慮、比較，作出選擇。

電力拖動(dòng)方案與控制方式的確定是設(shè)計(jì)的重要部分，因?yàn)橹挥性诳傮w方案正確的前提下，才能保證生產(chǎn)設(shè)備各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)實(shí)施的可能性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，即使個(gè)別控制環(huán)節(jié)或工藝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)不當(dāng)，也可以通過(guò)不斷改進(jìn)、反復(fù)試驗(yàn)來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但如果總體方案出現(xiàn)錯(cuò)誤，則整個(gè)設(shè)計(jì)工作必須重新開(kāi)始。因此，在電氣設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)確定并以任務(wù)書的方式下達(dá)后，必須認(rèn)真做好調(diào)查研究工作，要注意借鑒已經(jīng)獲得成功并經(jīng)過(guò)生產(chǎn)考驗(yàn)的類似設(shè)備或生產(chǎn)工藝，列出幾種可能的方案，并根據(jù)自己的條件和工藝要求進(jìn)行比較分析后作出決定。

1．拖動(dòng)方式的選擇

電力拖動(dòng)方式有單獨(dú)拖動(dòng)與集中拖動(dòng)兩種。電力傳動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)是電動(dòng)機(jī)逐步接近工作機(jī)構(gòu)，形成多電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)方式，如有些機(jī)床，除必需的內(nèi)在聯(lián)系外，主軸、刀架、工作臺(tái)及其他輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，都分別由單獨(dú)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，這樣不僅縮短了機(jī)械傳動(dòng)鏈，提高了傳動(dòng)效率，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，而且還可使機(jī)床總體結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化。在具體選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝及結(jié)構(gòu)的具體情況決定電動(dòng)機(jī)數(shù)量。

2．調(diào)速方案的選擇

一般金屬切削機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)都要求具有一定的調(diào)速范圍。為此，可采用齒輪變換調(diào)速、液壓調(diào)速、雙速或多速電動(dòng)機(jī)及電氣的無(wú)級(jí)調(diào)速等。在選擇調(diào)速方案時(shí)，可從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)重型或大型設(shè)備的主運(yùn)動(dòng)及進(jìn)給運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡可能采用無(wú)級(jí)調(diào)速，這有利于簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，減小齒輪箱體積，降低制造成本，提高機(jī)床效率。

(2)精密機(jī)械設(shè)備如坐標(biāo)鏜床、精密磨床、數(shù)控機(jī)床等，為保證加工精度，便于自動(dòng)控制，應(yīng)采用電氣無(wú)級(jí)調(diào)速。

電氣無(wú)級(jí)調(diào)速一般應(yīng)用晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。但與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)體積大，造價(jià)高，維護(hù)困難。因此，隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)全面經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)分析后，可考慮選用交流調(diào)速方案。

(3)一般中、小型設(shè)備如普通機(jī)床，在沒(méi)有特殊要求時(shí)，可選用經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、可靠的三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，維護(hù)方便，配以適當(dāng)級(jí)數(shù)的齒輪變速箱，便能滿足一般機(jī)床的調(diào)速要求。有時(shí)為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大調(diào)速范圍，也可采用雙速或多速鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。

在選用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)滿足工藝條件要求，選用二極、四極或更低的同步轉(zhuǎn)速，以便簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)鏈，降低齒輪減速箱的制造成本。

3．電動(dòng)機(jī)調(diào)速性質(zhì)的確定

機(jī)械設(shè)備中各個(gè)工作機(jī)構(gòu)具有各自不同的負(fù)載特性，如機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)為恒功率負(fù)載，而進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。選擇電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性相適應(yīng)，以使電動(dòng)機(jī)獲得充分合理的使用。例如，對(duì)于雙速鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)定子繞組由三角形連接改成雙星形連接時(shí)，轉(zhuǎn)速增加一倍，功率卻增加很少，它適用于恒功率傳動(dòng)；對(duì)于低速、星形連接的雙速電動(dòng)機(jī)，改成雙星形連接后，轉(zhuǎn)速和功率都增加一倍，而電動(dòng)機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)矩卻保持不變，它適用于恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。6.2.2電氣控制方案的確定

拖動(dòng)方案及拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)確定之后，采用什么方法去實(shí)現(xiàn)這些控制要求就是控制方式的選擇問(wèn)題了。隨著電氣技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)以及自動(dòng)控制理論的迅速發(fā)展與機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝水平的不斷提高，機(jī)械設(shè)備電力拖動(dòng)的控制方式發(fā)生了深刻的變革，從傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制向順序控制、可編程邏輯控制、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制等方面發(fā)展，各種新型的工業(yè)控制器及標(biāo)準(zhǔn)系列控制系統(tǒng)也不斷出現(xiàn)，可供選擇的控制方式較多，系統(tǒng)復(fù)雜程度差異也很大。因此，合理選擇電氣控制方案是可靠、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)工藝要求的重要步驟。電氣控制方案的選擇與電氣傳動(dòng)形式的選擇緊密相關(guān)。在選擇傳動(dòng)形式時(shí)，要預(yù)先考慮如何實(shí)現(xiàn)控制；在選擇控制方案時(shí)，一定要在傳動(dòng)形式選定后進(jìn)行。

選擇控制方案時(shí)應(yīng)遵循的原則是：

(1)控制方式應(yīng)與設(shè)備通用化和專用化的程度相適應(yīng)。以金屬切削機(jī)床為例，對(duì)于一般普通機(jī)床和專用機(jī)床，其工作程序往往是固定的，使用中并不需要經(jīng)常改變?cè)械某绦?。因此，可采用繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，其控制電路在結(jié)構(gòu)上接成固定式的。對(duì)于萬(wàn)能機(jī)床，為了適應(yīng)不同工藝過(guò)程的需要，其工作程序往往需要在一定范圍內(nèi)加以更改。在這種情況下，宜采用可編程控制器控制。在機(jī)床自動(dòng)線中，可根據(jù)控制要求和聯(lián)鎖條件的復(fù)雜程度，采用分散控制或集中控制的方式。但是各臺(tái)單機(jī)的控制方案和基本控制環(huán)節(jié)應(yīng)盡量一致，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。

數(shù)控機(jī)床具有較好的通用性和靈活性，可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)率，降低成本，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。微處理機(jī)已進(jìn)入機(jī)床、自動(dòng)線、機(jī)械手的控制領(lǐng)域，且發(fā)展迅猛，已引起電氣設(shè)計(jì)者的高度重視。

(2)控制系統(tǒng)的工作方式應(yīng)在經(jīng)濟(jì)、安全的前提下，最大限度地滿足工藝要求。作為控制方案，應(yīng)采用自動(dòng)循環(huán)或半自動(dòng)循環(huán)；應(yīng)具有手動(dòng)調(diào)整、動(dòng)作程序的變更及有關(guān)檢測(cè)功能；應(yīng)考慮各個(gè)運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)鎖、各種保護(hù)、故障診斷、信號(hào)指示、照明及操作方便等問(wèn)題。

(3)當(dāng)控制系統(tǒng)所用電器數(shù)量較多時(shí)，可采用直流低壓供電。簡(jiǎn)單的控制回路可直接由電網(wǎng)供電。當(dāng)控制電器較多，線路分支較復(fù)雜，可靠性要求較高時(shí)，可采用控制變壓器隔離并降壓。6.2.3電氣元件的選擇

1.電氣元件選擇的基本原則

(1)根據(jù)對(duì)控制元件功能的要求，確定電器元件的類型。例如，當(dāng)用于通斷功率較大的主電路時(shí)，應(yīng)選交流接觸器。

(2)確定元器件的額定承載能力和使用壽命，主要根據(jù)電氣控制的電壓、電流和功率大小確定元件的規(guī)格。

(3)確定元器件的工作環(huán)境和以后的供應(yīng)情況。

(4)確定元器件在工作時(shí)的可靠性。

2．合理選擇元器件

根據(jù)電氣控制原理圖合理選擇元器件，編制元器件目錄清單。機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)多由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此，合理地選擇電動(dòng)機(jī)非常重要。選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，不但要符合機(jī)械設(shè)備的使用條件，而且要保證機(jī)械設(shè)備和電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠運(yùn)行。選擇時(shí)主要考慮電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、種類、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、允許溫升、工作方式、額定功率等。6.3電動(dòng)機(jī)的一般選擇6.3.1電動(dòng)機(jī)選擇的一般原則

電動(dòng)機(jī)常用來(lái)驅(qū)動(dòng)各類機(jī)械負(fù)載。一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行，正確選用拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。電動(dòng)機(jī)的選擇是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，選用時(shí)應(yīng)從以下幾個(gè)方面予以考慮：

(1)在滿足生產(chǎn)機(jī)械的技術(shù)性能要求和生產(chǎn)工藝的前提下，合理選擇電動(dòng)機(jī)種類。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件，例如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯、腐蝕及易燃易爆氣體的含量等，考慮必要的保護(hù)方式，合理選擇電動(dòng)機(jī)的防護(hù)結(jié)構(gòu)形式和相應(yīng)的絕緣等級(jí)。

(3)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率，使工作過(guò)程中功率匹配、安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。

(4)根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因數(shù)的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)。

(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速要求，以及機(jī)械減速的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

(6)選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，一方面要考慮產(chǎn)品價(jià)格、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，使其綜合經(jīng)濟(jì)效益最好；另一方面要考慮影響安裝、運(yùn)行和維護(hù)的因素，使其安裝、檢修方便，運(yùn)行可靠。

(7)要貫徹國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，積極采用國(guó)家推廣的新產(chǎn)品，不用淘汰的產(chǎn)品，如J2、JO2、JO3系列等。

除此以外，還應(yīng)考慮環(huán)保、現(xiàn)有技術(shù)狀況等問(wèn)題。總之，在滿足技術(shù)要求的前提下，應(yīng)從全局出發(fā)，優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性。6.3.2電動(dòng)機(jī)的選擇

1．電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式的選擇

(1)安裝方式：分為臥式和立式。臥式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸安裝后為水平位置，立式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸則為垂直于地面的位置。兩種類型的電動(dòng)機(jī)使用的軸承不同，立式的價(jià)格稍高，一般情況下多選用臥式電動(dòng)機(jī)。

(2)軸伸個(gè)數(shù)：伸出到端蓋外面與負(fù)載連接的轉(zhuǎn)軸部分稱為軸伸。電動(dòng)機(jī)有單軸伸與雙軸伸兩種，多數(shù)情況下用單軸伸，特殊情況下用雙軸伸。例如，一邊安裝測(cè)速發(fā)電機(jī)，另一邊需要拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，則要選用雙軸伸電動(dòng)機(jī)。

(3)防護(hù)方式:分為開(kāi)啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式等幾種。

開(kāi)啟式電動(dòng)機(jī)的定子兩側(cè)和端蓋上都有很大的通風(fēng)口。它散熱好，價(jià)格便宜，但易受灰塵、水滴、鐵屑等雜物的侵入，只能在清潔、干燥的環(huán)境中使用。

防護(hù)式電動(dòng)機(jī)的機(jī)座下面有通風(fēng)口。它散熱好，能防止水滴和異物從上面落入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，但不能防止潮氣、灰塵侵入，適應(yīng)于比較干燥、沒(méi)有腐蝕性和爆炸性氣體的環(huán)境。封閉式電動(dòng)機(jī)的機(jī)座和端蓋上均無(wú)通風(fēng)口，完全是封閉的。封閉式電動(dòng)機(jī)又分為自冷式、他冷式、管道通風(fēng)式及密閉式等。前三種機(jī)外潮氣和灰塵不易進(jìn)入機(jī)內(nèi)，適用于多塵、潮濕、有腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境。密閉式可浸在液體中使用，如潛水泵。

防爆式電動(dòng)機(jī)在封閉式的基礎(chǔ)上制成防爆形式，機(jī)殼有足夠的強(qiáng)度，適用于有易燃易爆氣體的環(huán)境，如礦井、油庫(kù)、煤氣站等。

2.電動(dòng)機(jī)種類的選擇

(1)電動(dòng)機(jī)的主要種類。拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)包括直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類，交流電動(dòng)機(jī)又有異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩種。電動(dòng)機(jī)的主要種類見(jiàn)表6-1。表6-1電動(dòng)機(jī)的主要種類電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)包括性能、所需電源、維修方便與否、價(jià)格等，是選擇電動(dòng)機(jī)種類的基本知識(shí)。生產(chǎn)工藝特點(diǎn)是選擇電動(dòng)機(jī)的先決條件。表6-2列出了各種電動(dòng)機(jī)最重要的性能特點(diǎn)。表6-2電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)

(2)電動(dòng)機(jī)種類的選擇原則。電動(dòng)機(jī)種類的選擇原則是：在滿足生產(chǎn)機(jī)械技術(shù)性能的前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜、維修方便、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)機(jī)。從這個(gè)意義上講，交流電動(dòng)機(jī)優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于同步電動(dòng)機(jī)，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)優(yōu)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。具體選用時(shí)應(yīng)從以下幾方面考慮：①電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。各種生產(chǎn)機(jī)械具有不同的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系，要求電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與之相適應(yīng)。例如，負(fù)載變化時(shí)要求轉(zhuǎn)速恒定不變的，應(yīng)選擇同步電動(dòng)機(jī)；要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大及特性軟的電車、電氣機(jī)車等，則應(yīng)選用串勵(lì)或復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。

②電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能包括調(diào)速范圍、調(diào)速的平滑性、調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性(設(shè)備成本、運(yùn)行效率)等，這些都應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。例如，調(diào)速性能要求不高的機(jī)床、水泵、通風(fēng)機(jī)多選用三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，調(diào)速范圍較大、要求平滑調(diào)速的精密車床、造紙機(jī)等多選用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和繞線式異步電動(dòng)機(jī)。③電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的，優(yōu)先采用異步電動(dòng)機(jī)；啟、制動(dòng)頻繁，且啟、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求較大的生產(chǎn)機(jī)械(如礦井提升機(jī)，起重機(jī)等)，可選用繞線式異步電動(dòng)機(jī)。

④電源。交流電源比較方便，直流電源一般需要有整流設(shè)備。

總之，以上各方面內(nèi)容在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)都應(yīng)滿足才可選定，而且還要綜合考慮其他情況(如節(jié)能等)。

3．電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇

交流電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇主要按使用場(chǎng)所提供的電網(wǎng)電壓等級(jí)決定。低壓電網(wǎng)一般為380V，中、小型電動(dòng)機(jī)的額定電壓多為380V(Y/△接法)、220/380V(△/Y接法)和380/660V(△/Y接法)。單相異步電動(dòng)機(jī)額定電壓多采用220V，而像礦山及鋼鐵企業(yè)的設(shè)備使用的大功率電動(dòng)機(jī)，一般采用高壓供電，額定電壓一般為3kV、6kV等。

直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓也要與電源電壓配合。由直流發(fā)電機(jī)供電的電動(dòng)機(jī)其額定電壓一般為110V或220V，大功率電動(dòng)機(jī)可提高到600~1000V。當(dāng)電網(wǎng)電壓為380V，直流電動(dòng)機(jī)由晶閘管整流電路供電時(shí)，采用三相整流可選額定電壓440V，單相整流可選額定電壓160V或180V。

4．電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速選擇得合理與否，將直接影響到電動(dòng)機(jī)的價(jià)格、能量的損耗以及生產(chǎn)效率等。對(duì)電動(dòng)機(jī)本身而言，額定功率相同的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速越高，體積越小，造價(jià)越低。一般情況下，選用高速電機(jī)比較經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械所需額定轉(zhuǎn)速一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速度比越大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，而且傳動(dòng)損耗也越大。所以選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，必須全面考慮，力求損耗少，設(shè)備投資少，易維護(hù)等。通常電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速選在750～1500r/min之間比較合適。正確選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速需要根據(jù)具體生產(chǎn)機(jī)械的要求，綜合考慮上面各個(gè)因素后才能確定。不需調(diào)速的高、中速機(jī)械，如泵、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等，可選相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)；調(diào)速要求不高的生產(chǎn)機(jī)械,可選用轉(zhuǎn)速稍高的電動(dòng)機(jī)配以減速機(jī)構(gòu)或選多級(jí)電動(dòng)機(jī);調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械,應(yīng)考慮生產(chǎn)機(jī)械最高轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，直接用電氣調(diào)速。

5．電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇

電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇是一個(gè)很重要的問(wèn)題，應(yīng)在滿足生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)、合理地選擇電動(dòng)機(jī)的功率。若功率選得過(guò)大，則不但設(shè)備成本增大，造成浪費(fèi)，且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常欠載運(yùn)行，效率及電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)較低；反之，若功率選得過(guò)低，則電動(dòng)機(jī)將過(guò)載運(yùn)行，造成電動(dòng)機(jī)過(guò)早損壞，影響使用壽命。決定電動(dòng)機(jī)功率的因素主要有三個(gè)：

(1)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與溫升，這是決定功率的主要因素；(2)允許短時(shí)過(guò)載能力；

(3)對(duì)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)還應(yīng)考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

電動(dòng)機(jī)功率選擇是在環(huán)境溫度為40℃及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，且電動(dòng)機(jī)不調(diào)速的前提下進(jìn)行的。電動(dòng)機(jī)的工作方式有三種：連續(xù)工作方式、短時(shí)工作方式、周期性斷續(xù)工作方式。下面分別介紹在這三種工作方式下電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇。

1)連續(xù)工作方式

在連續(xù)工作方式下，如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)載是恒定的或變化很小，則選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率PN等于或略大于負(fù)載功率PL，即

PN≥PL(6-1)式中，PL依據(jù)具體負(fù)載及效率進(jìn)行計(jì)算，可查閱相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。因?yàn)檫@個(gè)條件本身是從發(fā)熱溫升角度考慮的，故不必再校核電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題，只需校核過(guò)載能力，必要時(shí)還需校核啟動(dòng)能力。過(guò)載能力是指電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，可以在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的電流或轉(zhuǎn)矩過(guò)載的允許倍數(shù)。不同類型的電動(dòng)機(jī)，其過(guò)載能力不完全一樣。

對(duì)直流電動(dòng)機(jī)，限制其過(guò)載能力的是換向問(wèn)題。其過(guò)載能力即電樞允許電流的倍數(shù)λ，λIN為允許電流，它應(yīng)比可能出現(xiàn)的最大電流大。對(duì)交流電動(dòng)機(jī),其過(guò)載能力即最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)λ，考慮過(guò)載時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，可按下式進(jìn)行選擇：

Tmax≤(0.72~0.81)λTN

(6-2)

其中,Tmax為電動(dòng)機(jī)在工作中所承受的最大轉(zhuǎn)矩。如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)載是變化的，則必須進(jìn)行發(fā)熱校驗(yàn)。所謂發(fā)熱校驗(yàn)，就是看電動(dòng)機(jī)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中所達(dá)到的最高溫升是否接近并低于允許溫升。這時(shí)可以按下式選擇電動(dòng)機(jī)的額定功率：

PN≥(1.1~1.6)PLj

(6-3)

其中,PLj為負(fù)載的平均功率，如果大負(fù)載占的比例較大，則系數(shù)應(yīng)選大一些。若預(yù)選電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力達(dá)不到，則應(yīng)重選電動(dòng)機(jī)及其額定功率，直到通過(guò)。若電動(dòng)機(jī)為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，則還要校核啟動(dòng)能力。

以上額定功率的選擇都是在環(huán)境溫度為40℃的前提下進(jìn)行的。若電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境溫度發(fā)生變化，則需對(duì)電動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行修正，可按表6-3進(jìn)行。表6-3不同環(huán)境溫度下電動(dòng)機(jī)功率修正百分?jǐn)?shù)

2)短時(shí)工作方式

在短時(shí)工作方式下，電動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間較短，可能運(yùn)行期間溫度未達(dá)到穩(wěn)定值，電動(dòng)機(jī)就停止了運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)的溫度很快降到環(huán)境溫度。為了滿足生產(chǎn)機(jī)械短時(shí)工作的特性，電機(jī)生產(chǎn)廠家制造了一些短時(shí)工作且過(guò)載能力強(qiáng)的電動(dòng)機(jī)，其標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間有15min、30min、60min和90min四種，只要設(shè)備工作時(shí)間滿足要求，則只需滿足電動(dòng)機(jī)PN等于或略大于負(fù)載功率PL即可，且不需熱校核。

若負(fù)載工作時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間不等，則預(yù)選電動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)，按發(fā)熱和溫升等效的觀點(diǎn)先把負(fù)載功率由非標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間變成標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間，然后按標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間預(yù)選額定功率。設(shè)短時(shí)工作方式下負(fù)載的工作時(shí)間為tr，最接近的標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間為trb，則預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)滿足：

式(6-4)是從發(fā)熱和溫升等效的觀點(diǎn)推導(dǎo)出來(lái)的，故不必再進(jìn)行熱校核。

若選擇連續(xù)工作方式的電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，則需從發(fā)熱與溫升的角度考慮電動(dòng)機(jī)在短時(shí)工作方式下應(yīng)該輸出比連續(xù)工作方式時(shí)額定功率大的功率才能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的能力?；蛘哒f(shuō)，預(yù)選電動(dòng)機(jī)時(shí)要把短時(shí)工作的功率折算到連續(xù)工作方式上去，且不必再進(jìn)行溫升校核。(6-4)設(shè)電動(dòng)機(jī)不變損耗與額定負(fù)載時(shí)的可變損耗的比值為α，則預(yù)選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)滿足:

(6-5)式中,Tθ為發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，tr為短時(shí)工作時(shí)間，單位均為s

式(6-5)中的α數(shù)值因電動(dòng)機(jī)而異。一般而言，普通直流電動(dòng)機(jī)α=1~1.5，冶金專用直流電動(dòng)機(jī)α=0.5~0.9，冶金專用中、小型三相繞線異步電動(dòng)機(jī)α=0.45~0.6，冶金專用大

型三相異步電動(dòng)機(jī)α=0.9~1.0，普通三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)α=0.5~0.7。對(duì)于具體電動(dòng)機(jī)而言，Tθ和α可從技術(shù)數(shù)據(jù)中找出或估算。

3)周期性斷續(xù)工作方式

選擇周期性斷續(xù)工作方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作與停止相互交替進(jìn)行，兩者時(shí)間都比較短，溫度未升到穩(wěn)定值就停止運(yùn)行，未降到環(huán)境溫度就又運(yùn)行。

專門設(shè)計(jì)的周期性斷續(xù)工作的電動(dòng)機(jī)有YZR和YZ系列。負(fù)載持續(xù)率(負(fù)載工作時(shí)間與整個(gè)周期之比稱為負(fù)載持續(xù)率或稱暫載率，用FS%表示)有15%、25%、40%、和60%四種，一個(gè)周期的時(shí)間規(guī)定不大于10min。周期性斷續(xù)工作方式下電動(dòng)機(jī)功率選擇和連續(xù)工作方式下變化負(fù)載的功率選擇相類似。需指出的是，當(dāng)FS%<10%時(shí)，按短期工作方式選擇；當(dāng)FS%>70%時(shí)，按持續(xù)工作方式選擇。6.3.3電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻

電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)機(jī)內(nèi)有功率損耗，最終都將變成熱能，從而使電動(dòng)機(jī)溫度升高，高出周圍環(huán)境溫度。電動(dòng)機(jī)溫度高出環(huán)境溫度的值稱為溫升。一旦有了溫升，電動(dòng)機(jī)就要向周圍散熱，溫升越高，散熱越快。當(dāng)電動(dòng)機(jī)單位時(shí)間散發(fā)出的熱量等于散出的熱量時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度不再增加，保持一個(gè)穩(wěn)定不變的溫升，即處于發(fā)熱與散熱平衡的狀態(tài)，通常稱其為動(dòng)態(tài)熱平衡。

1．電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻

電動(dòng)機(jī)實(shí)際發(fā)熱情況是很復(fù)雜的，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)：①電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行，負(fù)載不變，總損耗不變；②電動(dòng)機(jī)本身各部分溫度均勻；③周圍環(huán)境溫度不變。

電動(dòng)機(jī)單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量為Q,dt時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量則為Qdt。

電動(dòng)機(jī)單位時(shí)間散發(fā)的熱量為Aτ。其中,A為散熱系數(shù)，它表示溫升為1℃時(shí)每秒鐘的散熱量；τ為溫升。dt時(shí)間內(nèi)散發(fā)出的熱量為Aτdt。在溫度升高的整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)溫度在升高，因此它本身吸收了一部分熱量。電動(dòng)機(jī)的熱容量為C，dt

時(shí)間內(nèi)的溫升為dτ，則dt時(shí)間內(nèi)電動(dòng)機(jī)本身吸收的熱量

為Cdτ。dt時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱等于本身吸熱與散熱之和，即

Qdt=Cdτ+Aτdt

(6-6)這就是熱平衡方程式。整理后為

(6-7)

解得

(6-8)式中，Tθ=C/A,為發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，表征熱慣性的大小；τL=Q/A，為穩(wěn)態(tài)溫升；τF0為起始溫升。

如果電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱過(guò)程是從周圍環(huán)境溫度開(kāi)始的，即τF0=0，則式(6-8)變?yōu)?/p>

(6-9)式(6-8)表明，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程中的溫升包括兩個(gè)分量：一個(gè)是強(qiáng)制分量τL，它是發(fā)熱過(guò)程結(jié)束時(shí)的穩(wěn)態(tài)值；另一個(gè)是自由分量，它按指數(shù)規(guī)律衰減至零。時(shí)間常數(shù)Tθ一般約為十幾分鐘到幾十分鐘，容量大的一般Tθ也大。熱容量越大，熱慣性越大，時(shí)間常數(shù)也越大。散熱越快，達(dá)到熱平衡狀態(tài)就越快，時(shí)間常數(shù)Tθ則越小。分析式(6-8)和式(6-9)可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫升是按指數(shù)曲線變化的，如圖6-1所示。由溫升曲線可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程開(kāi)始時(shí)，由于溫升較小，散發(fā)出去的熱量較少，大部分熱量被電動(dòng)機(jī)本身所吸收，所以溫度上升得快，溫升曲線較陡。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，溫度升高了，溫差較大，散發(fā)出去的熱量不斷增多，吸收的熱量不斷減少，溫升減慢，曲線趨于平緩。最后直到發(fā)熱量和散熱量相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫度不再升高，溫升達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

圖6-1電動(dòng)機(jī)發(fā)熱過(guò)程的溫升曲線一臺(tái)負(fù)載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，在溫升穩(wěn)定以后，如果減少或去掉負(fù)載，那么電動(dòng)機(jī)損耗及單位時(shí)間發(fā)熱量都會(huì)隨之減少。這樣，原來(lái)的熱平衡狀態(tài)被破壞，變?yōu)榘l(fā)熱少于散熱，電動(dòng)機(jī)溫度就要下降，溫升降低。隨著溫升減小，單位時(shí)間的散熱量也減少。當(dāng)重新達(dá)到平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)不再繼續(xù)降溫，而穩(wěn)定在一個(gè)新的溫升上。這個(gè)溫升下降的過(guò)程稱為電動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)程。冷卻過(guò)程的公式與發(fā)熱過(guò)程相同，為式(6-8)。至于初始值τF0和穩(wěn)態(tài)值τL，則要由冷卻過(guò)程的具體條件來(lái)確定。

電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)程的溫升曲線如圖6-2所示。當(dāng)負(fù)載減小到某一數(shù)值時(shí)，τL≠0，；若負(fù)載全去掉，且電動(dòng)機(jī)脫離電源，則τL=0。時(shí)間常數(shù)與發(fā)熱時(shí)相同。圖6-2電動(dòng)機(jī)冷卻過(guò)程的溫升曲線

2．電動(dòng)機(jī)的允許溫升和工作方式

1)電動(dòng)機(jī)的允許溫升

從發(fā)熱角度來(lái)看，電動(dòng)機(jī)耐溫最薄弱的部件是絕緣材料。也就是說(shuō)，限制電動(dòng)機(jī)容量的主要因素是它的繞組絕緣材料的耐熱能力，即繞組絕緣材料所能容許的溫度。這個(gè)最高溫度稱為電動(dòng)機(jī)的允許溫升。為了保證電動(dòng)機(jī)有足夠長(zhǎng)的壽命且能可靠運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中的最高溫度不能超過(guò)允許溫升。當(dāng)超過(guò)這一極限時(shí)，電動(dòng)機(jī)的使用年限就大大縮短，甚至因絕緣很快燒壞而不能使用。根據(jù)國(guó)際電工協(xié)會(huì)規(guī)定，按照最高允許溫度不同，電工用的材料可分為七個(gè)等級(jí)，而電動(dòng)機(jī)所用的絕緣材料主要有A、E、B、F、H五個(gè)等級(jí)。我國(guó)規(guī)定40℃為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，絕緣材料或電機(jī)的允許溫度減去40℃即為允許溫升，用τmax表示。各級(jí)絕緣材料的最高允許溫度和允許溫升見(jiàn)表6-4。表6-4各級(jí)絕緣材料的最高允許溫度和允許溫升

2)電動(dòng)機(jī)不同工作方式下的額定功率

電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，負(fù)載持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況影響很大，因而也對(duì)電動(dòng)機(jī)功率的選擇有很大影響。下面按電動(dòng)機(jī)的三種工作方式分析電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與額定功率的關(guān)系。

(1)連續(xù)工作方式。連續(xù)運(yùn)行方式時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間tr>(3~4)Tθ，因此溫升可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，也稱長(zhǎng)期工作制。其簡(jiǎn)化的負(fù)載圖P=f(t)及溫升曲線τ=f(t)如圖6-3所示。屬于此類工作方式的生產(chǎn)機(jī)械有水泵、通風(fēng)機(jī)、紡織機(jī)等。圖6-3連續(xù)工作方式下電動(dòng)機(jī)的負(fù)載與溫升

連續(xù)工作方式下，電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行，其溫升達(dá)到一個(gè)與負(fù)載大小相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，如圖6-3所示。當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率是一個(gè)恒值P時(shí)，電動(dòng)機(jī)溫升必然達(dá)到由P所決定的穩(wěn)態(tài)值τL。P的大小不同，τL也隨之不同。

為了充分利用電動(dòng)機(jī)，要求電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期負(fù)載運(yùn)行后達(dá)到的穩(wěn)定溫升等于電動(dòng)機(jī)的允許溫升。一般將穩(wěn)態(tài)溫升τL等于允許溫升τmax時(shí)的輸出功率作為電動(dòng)機(jī)的額定功率。連續(xù)工作方式下，電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，額定功率與溫升的關(guān)系為

(6-10)

式(6-10)表明，對(duì)同樣尺寸的電動(dòng)機(jī)，可以從選用等級(jí)較高的絕緣材料、提高電動(dòng)機(jī)散熱能力、降低電動(dòng)機(jī)損耗等方面提高其額定功率。

(2)短時(shí)工作方式。短時(shí)工作方式時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間tr<(3~4)Tθ，而停歇時(shí)間t0>(3~4)Tθ，因此溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)值τL，而停歇時(shí)電動(dòng)機(jī)的溫度足以降至周圍環(huán)境溫度，即溫升降為零,如鉆床的夾緊和放松裝置、水閘閘門啟閉機(jī)等均屬此種工作方式。其負(fù)載和溫升曲線如圖6-4所示。圖6-4短時(shí)工作方式下電動(dòng)機(jī)的負(fù)載與溫升

短時(shí)工作方式下，電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)間內(nèi)實(shí)際達(dá)到的溫升低于穩(wěn)態(tài)溫升，因此其額定功率必須依據(jù)實(shí)際達(dá)到的最高溫升來(lái)確定，即在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行達(dá)到的實(shí)際溫升恰好等于(或接近)允許溫升，電動(dòng)機(jī)的輸出功率則為額定功率PN。

短時(shí)工作方式下電動(dòng)機(jī)的額定功率是與規(guī)定的工作時(shí)間相對(duì)應(yīng)的，這一點(diǎn)與連續(xù)工作方式的情況不完全一樣。對(duì)于短時(shí)工作方式的電動(dòng)機(jī)，允許溫升、發(fā)熱時(shí)間常數(shù)一樣的情況下，工作時(shí)間短的，穩(wěn)態(tài)溫升高，額定功率也高；工作時(shí)間長(zhǎng)的，穩(wěn)態(tài)溫升低，額定功率也低。電動(dòng)機(jī)銘牌上給的額定功率是按30min、60min、90min三種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。

(3)周期性斷續(xù)工作方式。周期性斷續(xù)工作方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作與停歇相互交替進(jìn)行，兩者的時(shí)間都比較短，即工作時(shí)間tr<(3~4)Tθ，停歇時(shí)間t0<(3~4)Tθ。工作時(shí)溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)值，停歇時(shí)溫升降不到零，如起重機(jī)、電梯等均屬此類工作方式。其負(fù)載和溫升曲線如圖6-5所示。圖6-5周期性斷續(xù)工作方式下電動(dòng)機(jī)的負(fù)載與溫升周期性斷續(xù)工作方式下，每個(gè)周期內(nèi)工作時(shí)間占的百分?jǐn)?shù)叫做負(fù)載持續(xù)率(又稱暫載率)，用FS%表示，即

我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載持續(xù)率有15%、25%、40%、60%四種。

周期性斷續(xù)工作方式下，每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，電動(dòng)機(jī)的溫升都升降一次。經(jīng)過(guò)足夠的周期以后，當(dāng)每個(gè)周期內(nèi)的發(fā)熱量等于散熱量時(shí)，溫升將在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖6-5所示。電動(dòng)機(jī)實(shí)際達(dá)到的最高溫升為τm，當(dāng)τm等于(或接近于)電動(dòng)機(jī)允許溫升τmax時(shí)，相應(yīng)的輸出功率則為電動(dòng)機(jī)的額定功率。

(6-11)周期性斷續(xù)工作方式下的電動(dòng)機(jī)額定功率是對(duì)應(yīng)于某一負(fù)載持續(xù)率(FS%)的。對(duì)同一臺(tái)以周期性斷續(xù)工作方式工作的電動(dòng)機(jī)，負(fù)載持續(xù)率不同時(shí)，其額定功率也不同。只有在各自的負(fù)載持續(xù)率上，輸出各自不同的額定功率，其最后達(dá)到的溫升才等于電動(dòng)機(jī)的溫升。FS%值越大，額定功率越??；反之，額定功率大。6.4.1短路保護(hù)

當(dāng)發(fā)生電動(dòng)機(jī)繞組及導(dǎo)線的絕緣損壞、負(fù)載短路或接線錯(cuò)誤等故障時(shí)，都可能造成短路事故。短路時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)故障電流可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的幾十倍，這樣會(huì)造成嚴(yán)重的絕緣破壞、導(dǎo)線熔化，在電動(dòng)機(jī)中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電動(dòng)力而使繞組或機(jī)械部件損壞。

短路保護(hù)要求具有瞬動(dòng)特性，即要求在很短時(shí)間內(nèi)迅速將電源切斷，且當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)與制動(dòng)時(shí)，短路保護(hù)裝置不應(yīng)誤動(dòng)作。

6.4電動(dòng)機(jī)的保護(hù)常用的短路保護(hù)元件有熔斷器和具有瞬時(shí)動(dòng)作脫扣器的低壓斷路器等。當(dāng)主電路容量較小時(shí)，主電路中的熔斷器可同時(shí)作為控制電路的短路保護(hù)；當(dāng)主電路容量較大時(shí)，則控制電路要配置單獨(dú)的熔斷器作為短路保護(hù)。6.4.2過(guò)載保護(hù)

過(guò)載是指電動(dòng)機(jī)工作電流超過(guò)其額定電流但在額定電流的1.5倍之內(nèi)，而使電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱的情況。引起過(guò)載的原因有負(fù)載過(guò)大、電源電壓降低和缺相運(yùn)行等。電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行時(shí)，繞組溫升將超過(guò)其允許值，電動(dòng)機(jī)絕緣材料要變脆，壽命縮短，甚至使電動(dòng)機(jī)燒壞。

過(guò)載保護(hù)常用的元件是熱繼電器。熱繼電器具有反時(shí)限特性，即根據(jù)電流過(guò)載倍數(shù)不同，過(guò)載電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短。電動(dòng)機(jī)的工作電流為額定電流時(shí)，熱繼電器長(zhǎng)期不動(dòng)作。由于熱慣性的原因，熱繼電器不會(huì)受電動(dòng)機(jī)短時(shí)過(guò)載沖擊電流的影響而瞬時(shí)動(dòng)作，因此當(dāng)使用熱繼電器作過(guò)載保護(hù)時(shí)，還必須設(shè)有短路保護(hù)，同時(shí)選為短路保護(hù)的熔斷器熔體的額定電流不應(yīng)超過(guò)熱繼電器發(fā)熱元件的額定電流的4倍。電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)還可以采用帶長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的低壓斷路器或具有反時(shí)限特性的過(guò)電流繼電器。采用帶長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的低壓斷路器時(shí)，脫扣器的整定電流一般可取為電動(dòng)機(jī)的額定電流或稍大一些，并應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短；采用過(guò)電流繼電器時(shí)，只有保證發(fā)生過(guò)電流的時(shí)間長(zhǎng)于啟動(dòng)時(shí)間，繼電器才動(dòng)作。6.4.3過(guò)流保護(hù)

過(guò)流是指電動(dòng)機(jī)的工作電流超過(guò)其額定電流的運(yùn)行狀態(tài)，其值比短路電流小，不超過(guò)額定電流的6倍。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生這種過(guò)流比發(fā)生短路的可能性要大，特別是頻繁正反轉(zhuǎn)、重復(fù)短時(shí)工作的電動(dòng)機(jī)更是如此。因此，過(guò)流保護(hù)的動(dòng)作值應(yīng)比正常的啟動(dòng)電流稍大一些，以免影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。過(guò)流保護(hù)要求保護(hù)裝置能瞬時(shí)動(dòng)作。通常過(guò)流保護(hù)用過(guò)流繼電器與接觸器配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將過(guò)流繼電器線圈串聯(lián)在被保護(hù)的電路中，當(dāng)電路電流達(dá)到其整定值時(shí)，過(guò)流繼電器動(dòng)作，其常閉觸頭串接在接觸器控制電路中，使接觸器線圈斷電釋放，接觸器主觸頭斷開(kāi)，從而切斷被保護(hù)電路電源，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。通常情況下，過(guò)流保護(hù)用于直流電動(dòng)機(jī)或繞線型異步電動(dòng)機(jī)，若過(guò)流繼電器的動(dòng)作電流為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的1.2倍，則過(guò)流繼電器可起到短路保護(hù)的作用。對(duì)于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，短時(shí)的過(guò)流不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，所以不采用過(guò)流保護(hù)，而采用短路保護(hù)。6.4.4欠壓、失壓保護(hù)

1.欠壓保護(hù)

電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電源電壓降低引起電磁轉(zhuǎn)矩下降。在負(fù)載一定的情況下，轉(zhuǎn)速下降，電動(dòng)機(jī)電流增大，溫度上升。另一方面，電源電壓低到一定限度時(shí)，控制電路中的一些電器(如接觸器、繼電器)釋放或處于抖動(dòng)狀態(tài)，造成電器控制電路不能正常工作，甚至導(dǎo)致事故發(fā)生。為此，在電源電壓降到允許值以下時(shí)，需自動(dòng)切斷電源，這種保護(hù)稱為欠壓保護(hù)。除利用上述電路中接觸器及按鈕本身的欠壓保護(hù)作用外，還可采用欠壓繼電器來(lái)進(jìn)行欠壓保護(hù)。欠壓繼電器的吸合電壓整定值為(0.8~0.85)UN，釋放電壓整定值為(0.5~0.7)UN。將欠壓繼電器線圈跨接在電源上，其常開(kāi)觸頭串接在接觸器線圈電路中，使接觸器線圈斷電釋放，接觸器主觸頭斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)電源，即可實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。

此外，還可采用具有欠壓脫扣器的低壓斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)。

2.失壓保護(hù)

電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，如果因?yàn)殡娫措妷旱南Ф＾D(zhuǎn)，那么在電源電壓恢復(fù)時(shí)，就可能自行啟動(dòng)，這將造成人身事故或機(jī)械設(shè)備的損壞。為防止電源電壓恢復(fù)供電時(shí)電動(dòng)機(jī)自行啟動(dòng)而設(shè)置的保護(hù)方式，稱為電動(dòng)機(jī)的失壓保護(hù)。對(duì)于采用接觸器和按鈕控制電動(dòng)機(jī)啟、停的電路，可利用按鈕的自動(dòng)恢復(fù)作用和接觸器的失壓保護(hù)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)失壓保護(hù)。這是因?yàn)楫?dāng)電壓消失時(shí)，接觸器就自動(dòng)釋放，其主觸頭和自鎖觸頭同時(shí)斷開(kāi)，切斷電動(dòng)機(jī)電源。當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，必須重新按下啟動(dòng)按鈕，才能使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)采用不能自動(dòng)復(fù)位的手動(dòng)開(kāi)關(guān)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)及接觸器控制時(shí)，必須采用專門的零電壓繼電器來(lái)進(jìn)行失壓保護(hù)。工作過(guò)程中一旦電源電壓消失，零電壓繼電器線圈斷電釋放，其自鎖電路斷開(kāi)。當(dāng)電源電壓恢復(fù)時(shí)，不會(huì)自行啟動(dòng)。6.4.5斷相保護(hù)

三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果電源任一相斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)將在缺相情況下低速運(yùn)轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn)，此時(shí)定子電流很大，這是造成電動(dòng)機(jī)絕緣及繞組燒毀的常見(jiàn)故障之一。因此應(yīng)進(jìn)行斷相保護(hù)，也稱缺相保護(hù)。

引起電動(dòng)機(jī)斷相的主要原因有：電動(dòng)機(jī)定子繞組一相斷線；電源一相斷線；熔斷器、接觸器、低壓熔斷器等接觸不良或接頭松動(dòng)等。斷相運(yùn)行時(shí)，線路電流和電動(dòng)機(jī)繞組連接因斷相形式(電源斷相、繞組斷相等)不同而不同。電動(dòng)機(jī)負(fù)載越大，故障電流也越大。

斷相保護(hù)的方法有：用帶斷相保護(hù)的熱繼電器、電壓繼電器、電流繼電器與固態(tài)斷相保護(hù)器等。6.4.6弱磁保護(hù)

直流電動(dòng)機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)，若磁場(chǎng)減弱或消失，將會(huì)造成超速運(yùn)行甚至飛車；在重載運(yùn)行時(shí)，若磁場(chǎng)減弱或消失，則點(diǎn)數(shù)電流迅速增加，使電樞繞組絕緣因發(fā)熱而損壞。為此應(yīng)采取弱磁保護(hù)。

弱磁保護(hù)是在電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路中串入欠流繼電器線圈，并將其常開(kāi)觸頭串接在電動(dòng)機(jī)電樞回路的接觸器線圈電路中。當(dāng)勵(lì)磁電流過(guò)小時(shí)，欠流繼電器釋放，常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，切斷接觸器線圈電路，接觸器線圈斷電釋放，其主觸頭斷開(kāi)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路，電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)電源而停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電動(dòng)機(jī)的目的。6.4.7電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)

電動(dòng)機(jī)智能綜合保護(hù)是對(duì)電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障的多種保護(hù)，其保護(hù)內(nèi)容有以下幾方面。

(1)具有反時(shí)限特性的長(zhǎng)延時(shí)過(guò)載保護(hù)。

(2)具有定時(shí)限的短延時(shí)短路保護(hù)。

(3)具有瞬時(shí)動(dòng)作的短路保護(hù)。

(4)欠壓和過(guò)壓保護(hù)。

(5)漏電保護(hù)和斷相保護(hù)。智能綜合保護(hù)是把單機(jī)引入電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)中，這樣可以提高對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)水平，使電動(dòng)機(jī)的性能穩(wěn)定可靠。智能綜合保護(hù)裝置集成化程度高,抗干擾能力強(qiáng),工作溫度范圍寬,耗電少，參數(shù)設(shè)置方便，具有良好、靈活的顯示界面和按鍵設(shè)置，安裝快捷，便于在各種生產(chǎn)環(huán)境中使用，是目前電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置中最先進(jìn)、最可靠的換代產(chǎn)品。電氣控制線路設(shè)計(jì)是原理設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。在總體方案確定之后,具體設(shè)計(jì)是從電氣原理圖開(kāi)始的，各項(xiàng)設(shè)計(jì)也是通過(guò)控制原理圖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)它又是工藝設(shè)計(jì)和編制各種技術(shù)資料的依據(jù)。6.5電氣控制線路的設(shè)計(jì)電氣控制線路設(shè)計(jì)的一般步驟如下：

(1)根據(jù)選定的拖動(dòng)方案及控制方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理圖，擬訂出各部分的主要技術(shù)要求和主要技術(shù)參數(shù)。

(2)根據(jù)各部分的要求，設(shè)計(jì)出原理圖中各個(gè)部分的具體電路。對(duì)于每一部分的設(shè)計(jì)總是按主電路→控制電路→輔助電路→聯(lián)鎖與保護(hù)→總體檢查并反復(fù)修改與完善的步驟進(jìn)行的。

(3)繪制總原理圖。按系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)將各部分連成一個(gè)整體。

(4)正確選用原理線路中的每一個(gè)電氣元件，并制訂元器件目錄清單。

對(duì)于比較簡(jiǎn)單的控制線路，例如普通機(jī)械或非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的電氣配套設(shè)計(jì)，可以省略前兩步，直接進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和選用電氣元件。但對(duì)于比較復(fù)雜的自動(dòng)控制線路，例如采用微機(jī)或電子控制的專用檢測(cè)與控制系統(tǒng)，要求有程序預(yù)選、自動(dòng)顯示、各種保護(hù)、故障診斷、報(bào)警、打印記錄等要求，就必須按上述過(guò)程一步一步進(jìn)行設(shè)計(jì)。只有各個(gè)獨(dú)立部分都達(dá)到技術(shù)要求，才能保證總體技術(shù)要求的實(shí)現(xiàn)，保證總裝調(diào)試的順利進(jìn)行。6.5.1電氣原理圖設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

電氣控制設(shè)計(jì)中應(yīng)重視在長(zhǎng)期實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，盡量采用成熟電路，使設(shè)計(jì)線路簡(jiǎn)單、正確、安全、可靠，結(jié)構(gòu)合理，使用維修方便，通常應(yīng)注意以下問(wèn)題：

(1)盡量減少控制線路中電流、電壓的種類；控制電壓等級(jí)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)；在控制線路比較簡(jiǎn)單的情況下，可直接采用電網(wǎng)電壓，即交流220V、380V供電，以省去控制變壓器。當(dāng)控制系統(tǒng)所用電器數(shù)量比較多時(shí)，應(yīng)采用控制變壓器降低控制電壓，或用直流低電壓控制，既節(jié)省安裝空間，又便于采用晶體管無(wú)觸點(diǎn)器件，具有動(dòng)作平衡可靠、檢修操作安全等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于微機(jī)控制系統(tǒng)，應(yīng)注意弱電控制與強(qiáng)電源之間的隔離，不能共用零線，以免引起電源干擾。照明、顯示及報(bào)警等電路應(yīng)采用安全電壓。電氣控制線路常用的電壓等級(jí)如表6-5所示。表6-5常用控制電壓等級(jí)

(2)盡量減少電氣元件的品種、規(guī)格與數(shù)量。在電氣元件選用中，盡可能選用性能優(yōu)良、價(jià)格便宜的新型氣件，同一用途盡可能選用相同型號(hào)的元件。電氣控制系統(tǒng)的先進(jìn)性總是與電氣元件的不斷發(fā)展、更新緊密聯(lián)系在一起的，因此，設(shè)計(jì)人員必須密切關(guān)心電機(jī)、電氣技術(shù)、電子技術(shù)的新發(fā)展，不斷收集新產(chǎn)品資料，以便及時(shí)應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使控制線路在技術(shù)指標(biāo)、穩(wěn)定性、可靠性等方面得到進(jìn)一步提高。

(3)正常工作中，盡可能減少通電電器的數(shù)量，以利節(jié)能，延長(zhǎng)電氣元件壽命，減少故障。

(4)合理使用電器觸點(diǎn)。在復(fù)雜的繼電器-接觸器控制線路中，各類接觸器、繼電器數(shù)量較多，使用的觸點(diǎn)也多，線路設(shè)計(jì)應(yīng)注意：

①觸點(diǎn)的使用量不能超過(guò)限定對(duì)數(shù)，因?yàn)楦黝惤佑|器、繼電器的主、輔觸點(diǎn)數(shù)量是有一定限制的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意盡可能減少觸點(diǎn)的使用數(shù)量,如圖6-6中(b)圖比(a)圖就節(jié)省一對(duì)觸點(diǎn)。因控制需要觸點(diǎn)數(shù)量不夠時(shí)，可以采用邏輯設(shè)計(jì)化簡(jiǎn)方法，改變觸點(diǎn)的組合方式以減少觸點(diǎn)使用數(shù)量，或增加中間繼電器來(lái)解決。圖6-6減少觸點(diǎn)使用數(shù)量(a)不合理；(b)合理②觸點(diǎn)容量應(yīng)滿足控制要求，避免因使用不當(dāng)而出現(xiàn)觸點(diǎn)燒壞、粘滯和釋放不了的故障；要合理安排接觸器主、輔觸點(diǎn)的位置，避免用小容量繼電器觸點(diǎn)去切斷大容量負(fù)載。總之，要計(jì)算觸點(diǎn)通斷能力是否滿足被控制負(fù)載的要求，以保證觸點(diǎn)的工作壽命和可靠性。

(5)做到正確連線。具體應(yīng)注意以下幾方面：

①正確連接電器線圈。電壓線圈通常不串聯(lián)使用，即使是兩個(gè)同型號(hào)的電壓線圈也不能串聯(lián)使用，以免電壓分配不勻引起工作不可靠，如圖6-7所示。

對(duì)于電感較大的電器線圈，例如電磁閥、電磁鐵或直流電機(jī)勵(lì)磁線圈等，不宜與相同電壓等級(jí)的接觸器或中間繼電器直接并聯(lián)工作，否則在接通或斷開(kāi)電源時(shí)會(huì)造成后者的誤動(dòng)作。圖6-7線圈連接(a)正確；(b)不正確②合理安排電氣元件及觸點(diǎn)位置。對(duì)于一個(gè)串聯(lián)回路，各電氣元件或觸點(diǎn)位置互換并不影響其工作影響，但在實(shí)際連線上卻存在影響安全、浪費(fèi)導(dǎo)線等方面的問(wèn)題。圖6-8所示的兩種接法其工作原理相同，但是采用圖6-8(a)的接法既不安全又浪費(fèi)線，因?yàn)橄尬婚_(kāi)關(guān)SQ的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)靠得很近，在觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，由于電弧可能造成電源短路，很不安全，而且這種接法電氣箱到現(xiàn)場(chǎng)要引出四根線，很不合理，而圖6-8(b)所示的接法則比較合理。圖6-8合理安排觸點(diǎn)位置(a)合理；(b)不合理③注意避免出現(xiàn)寄生回路。在控制電路的動(dòng)作過(guò)程中出現(xiàn)的不是由于誤操作而產(chǎn)生的意外接通的電路，稱為寄生回路。圖6-9所示為電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行控制線路，F(xiàn)R為熱繼電器保護(hù)觸點(diǎn)。為了節(jié)省觸點(diǎn)，顯示電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的指示燈采用圖中所示的接法，正常情況下線路能完成啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及停止操作。但在運(yùn)行中電動(dòng)機(jī)過(guò)載，F(xiàn)R觸點(diǎn)斷開(kāi)就會(huì)出現(xiàn)如圖6-9中虛線所示的寄生回路，使接觸器不能可靠釋放而得不到過(guò)載保護(hù)。如果將FR觸點(diǎn)位置移接到SB1上端,則可避免產(chǎn)生寄生回路。圖6-9電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行控制線路

(6)盡可能提高電路工作的可靠性、安全性。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

①電氣元件動(dòng)作時(shí)間配合不良引起的競(jìng)爭(zhēng)。復(fù)雜控制電路中，在某一控制信號(hào)作用下，電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，常常有幾個(gè)電氣元件的狀態(tài)同時(shí)變化?？紤]電氣元件總有一定的動(dòng)作時(shí)間，對(duì)時(shí)序電路來(lái)說(shuō)，就會(huì)得到幾個(gè)不同的輸出狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為電路的“競(jìng)爭(zhēng)”。另外，對(duì)于開(kāi)關(guān)電路，由于電氣元件的釋放延時(shí)作用，也會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)元件不按要求的邏輯功能輸出的可能性，我們稱這種現(xiàn)象為“冒險(xiǎn)”?！案?jìng)爭(zhēng)”與“冒險(xiǎn)”現(xiàn)象都將造成控制回路不能按要求動(dòng)作，引起控制失靈。通常我們分析控制回路的電器動(dòng)作及觸點(diǎn)的接通和斷開(kāi)，都是靜態(tài)分析，沒(méi)有考慮其動(dòng)作時(shí)間。實(shí)際上，由于電磁線圈的電磁慣性、機(jī)械慣性、機(jī)械位移量等因素，通、斷之間存在一定的時(shí)間(幾十毫秒到幾百毫秒)，是電氣元件固有的因素，它不同于因控制需要人為設(shè)置的延時(shí)(前者的延時(shí)通常是不可調(diào)的，而后者的延時(shí)是可調(diào)的)。當(dāng)電氣元件的動(dòng)作時(shí)間可能影響到控制線路的動(dòng)作程序時(shí)，就需要用能精確反映元件動(dòng)作時(shí)間及它們之間互相配合的方法，例如用時(shí)間圖來(lái)分析執(zhí)行元件的動(dòng)作可靠性。

圖6-10時(shí)間圖繼電器或接觸器線圈從通電到觸點(diǎn)的閉合或打開(kāi)這段時(shí)間稱為吸引時(shí)間。如圖6-10所示，用點(diǎn)1到點(diǎn)2的斜線表示線圈是通電的，但其觸點(diǎn)要到點(diǎn)2才閉合。線圈斷電到觸點(diǎn)打開(kāi)這段時(shí)間稱為釋放時(shí)間，以斜線3－4表示，在這段時(shí)間里，線圈已斷電，但觸點(diǎn)仍閉合，到點(diǎn)4時(shí)刻觸點(diǎn)才斷開(kāi)。圖中,點(diǎn)1－3陰影部分為線圈通電時(shí)間，點(diǎn)2—4為觸點(diǎn)閉合時(shí)間，只有水平線2—3為線圈通電而觸點(diǎn)也閉合時(shí)間。這種電器動(dòng)作過(guò)程與時(shí)間關(guān)系圖稱為時(shí)間圖。②誤操作可能帶來(lái)的危害,特別是一些重要設(shè)備,應(yīng)仔細(xì)考慮每一控制程序之間必要的聯(lián)鎖，即使發(fā)生誤操作也不會(huì)造成設(shè)備事故。

③應(yīng)考慮到故障狀態(tài)下設(shè)備的自動(dòng)保護(hù)作用。

④應(yīng)根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)及使用情況設(shè)置必要的電氣保護(hù)。

(7)線路設(shè)計(jì)要考慮操作、使用、調(diào)試和維修的方便。例如,設(shè)置必要的顯示裝置，隨時(shí)反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與關(guān)鍵參數(shù)；考慮到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)修理所必要的單機(jī)點(diǎn)動(dòng)、單步及單循環(huán)動(dòng)作，必要的照明，易損觸點(diǎn)及電氣元件的備用等。

(8)原理圖繪制應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其中器件圖形符號(hào)應(yīng)符合GB4728中1-13電氣圖形符號(hào)的規(guī)定。繪制時(shí)要合理安排版面，項(xiàng)目代號(hào)應(yīng)符合GB5924《電氣技術(shù)中項(xiàng)目代號(hào)》的規(guī)定。例如，主電路一般排在左面或上面，控制電路或輔助電路排在右面或下面，元器件目錄排在標(biāo)題上方。為了幫助讀圖，有時(shí)以動(dòng)作狀態(tài)或工藝過(guò)程形式將主令開(kāi)關(guān)的通斷、電磁閥動(dòng)作要求、控制流程等表示在圖面上，也可以在控制電路的每一支路邊上標(biāo)出控制目的。6.5.2電氣原理圖的設(shè)計(jì)方法

1.經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法又稱為分析設(shè)計(jì)法，是根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求去選擇適當(dāng)?shù)幕究刂骗h(huán)節(jié)(單元電路)或經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的成熟電路,按各部分的聯(lián)鎖條件組合起來(lái)并加以補(bǔ)充和修改，綜合成滿足控制要求的完整線路的方法。當(dāng)找不到現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時(shí)，可根據(jù)控制要求邊分析邊設(shè)計(jì)，將主令信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)組合與變換，在一定條件下得到執(zhí)行元件所需要的工作信號(hào)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，要隨時(shí)增減元器件和改變觸點(diǎn)的組合方式，以滿足拖動(dòng)系統(tǒng)的工作條件和控制要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改得到理想的控制線路。由于這種設(shè)計(jì)方法是以熟練掌握各種電氣控制線路的基本環(huán)節(jié)和具備一定的閱讀分析電氣控制線路的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，所以又稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)是無(wú)固定的設(shè)計(jì)程序，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，容易為初學(xué)者所掌握，對(duì)于具有一定工作經(jīng)驗(yàn)的電氣人員來(lái)說(shuō)，也能較快地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，因此在電氣設(shè)計(jì)中被普遍采用。其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)方案不一定是最佳方案，當(dāng)經(jīng)驗(yàn)不足或考慮不周時(shí)會(huì)影響線路工作的可靠性。

2．邏輯設(shè)計(jì)法

邏輯設(shè)計(jì)法是利用邏輯代數(shù)這一數(shù)學(xué)工具來(lái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的方法，即根據(jù)機(jī)械設(shè)備的拖動(dòng)要求及工藝要求，將執(zhí)行元件需要的工作信號(hào)以及主令電器的接通與斷開(kāi)狀態(tài)看成邏輯變量，并根據(jù)控制要求將它們之間的關(guān)系用邏輯函數(shù)關(guān)系式來(lái)表達(dá)，然后再運(yùn)用邏輯函數(shù)基本公式和運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行簡(jiǎn)化，使之成為需要的最簡(jiǎn)“與”、“或”關(guān)系式，之后根據(jù)最簡(jiǎn)式畫出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖，最后再作進(jìn)一步的檢查和完善，即能獲得需要的控制線路。采用邏輯設(shè)計(jì)法能獲得理想、經(jīng)濟(jì)的方案，所用元件數(shù)量少，各元件能充分發(fā)揮作用，當(dāng)給定條件變化時(shí)，能指出電路相應(yīng)變化的內(nèi)在規(guī)律，在設(shè)計(jì)復(fù)雜控制線路時(shí)，更能顯示出它的優(yōu)點(diǎn)。

任何控制線路，控制對(duì)象與控制條件之間都可以用邏輯函數(shù)式來(lái)表示，所以邏輯法不僅能用于線路設(shè)計(jì)，也可以用于線路簡(jiǎn)化和讀圖分析。邏輯代數(shù)讀圖法的優(yōu)點(diǎn)是各控制元件的關(guān)系能一目了然，不會(huì)讀錯(cuò)和遺漏。

由于這種方法設(shè)計(jì)難度較大，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程較復(fù)雜，還要涉及一些新概念，因此在一般常規(guī)設(shè)計(jì)中很少單獨(dú)采用。6.5.3設(shè)計(jì)舉例

下面以熱循環(huán)泵的電氣控制設(shè)計(jì)為例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和邏輯設(shè)計(jì)法。熱循環(huán)泵是用來(lái)為民用建筑內(nèi)的洗澡、洗臉和食堂洗滌等提供熱水的電氣設(shè)備。由于建筑內(nèi)不同的地方需要的熱水溫度是不一樣的，如洗澡用水一般不低于60℃，洗臉用水較低，一般為30℃，因此熱循環(huán)泵提供的熱水溫度應(yīng)有一定的范圍，一般其供水出口的溫度在55～65℃，也就是要求熱循環(huán)泵55℃啟泵，65℃停泵。熱循環(huán)泵的拖動(dòng)電機(jī)一般采用10kW以下的鼠籠式電動(dòng)機(jī)，對(duì)其電氣控制的主要要求是：

(1)電動(dòng)機(jī)一般采用三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，單方向運(yùn)行；電動(dòng)機(jī)容量通常在10kW以下，故直接啟動(dòng)，自由停車。

(2)控制電路具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式。設(shè)置手動(dòng)控制的目的主要是便于檢修和維護(hù)。自動(dòng)控制采用溫度控制，應(yīng)在55℃啟泵，65℃停泵。

(3)控制電路應(yīng)能提供控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

(4)必要的電氣保護(hù)措施，如主電路與控制電路的過(guò)電流保護(hù)、電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)等。

下面介紹熱循環(huán)泵的電氣控制設(shè)計(jì)過(guò)程。

1．主電路的設(shè)計(jì)

(1)由于電動(dòng)機(jī)單向運(yùn)行，因此采用一個(gè)接觸器KM控制電動(dòng)機(jī)M的啟動(dòng)。

(2)在控制電路中用熱繼電器FR實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。采用斷路器QF供電，并實(shí)現(xiàn)其短路保護(hù)。

根據(jù)以上兩點(diǎn)可繪制出如圖6-11所示的主電路。

(3)加上必要的電氣保護(hù)措施，如主電路與控制電路的過(guò)電流保護(hù)、電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)等。圖6-11熱循環(huán)泵電氣控制草圖1

2．控制電路的設(shè)計(jì)

1)用分析設(shè)計(jì)法

(1)根據(jù)控制要求有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，通常采用選擇開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換。手動(dòng)控制可采用按鈕控制單向旋轉(zhuǎn)、連續(xù)運(yùn)行的基本控制環(huán)節(jié)，如圖6-11所示。

(2)熱循環(huán)泵根據(jù)溫度的高低信號(hào)自動(dòng)地啟動(dòng)和停止，因此需要一個(gè)檢測(cè)溫度信號(hào)的傳感器。由于要求55℃啟泵，65℃停泵，因此所需的溫度信號(hào)是一個(gè)兩位信號(hào)，可采用具有電觸頭的溫度計(jì)ST。溫度計(jì)ST有一個(gè)溫度控制范圍，當(dāng)溫度達(dá)到溫度計(jì)設(shè)定溫度范圍的上限時(shí)，ST的電觸頭動(dòng)作，其常開(kāi)觸頭閉合，常閉觸頭斷開(kāi)；當(dāng)溫度達(dá)到溫度計(jì)設(shè)定溫度范圍的下限時(shí)，ST的常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，常閉觸頭閉合。ST的常閉觸頭接通中間繼電器KA，再由中間繼電器的常開(kāi)觸頭控制接觸器KM的斷開(kāi)。對(duì)接觸器來(lái)講，實(shí)際上由手動(dòng)和自動(dòng)兩條路并聯(lián)控制，由選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，如圖6-12所示。圖6-12熱循環(huán)泵電氣控制電路草圖2

(3)根據(jù)控制要求，設(shè)置一個(gè)電源指示燈HLG、自動(dòng)位置指示燈HLW及熱循環(huán)泵工作指示燈HLR。當(dāng)接通電源而熱循環(huán)泵不工作時(shí)，HLG亮；當(dāng)熱循環(huán)泵開(kāi)始工作時(shí)，KM通電，使HLG滅，HLR亮；當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)放在自動(dòng)位置時(shí)，HLW亮。因此，可設(shè)計(jì)出如圖6-13所示的控制線路。圖6-13熱循環(huán)泵電氣控制電路圖

2)用邏輯設(shè)計(jì)法

根據(jù)控制要求，當(dāng)啟動(dòng)按鈕SB2動(dòng)作且停止按鈕SB1不動(dòng)作時(shí)，或選擇開(kāi)關(guān)處于接通時(shí)，電動(dòng)機(jī)都可啟動(dòng)，即接觸器KM通電。因此，可列出控制元件與執(zhí)行元件的動(dòng)作狀態(tài)表，如表6-6所示。表中，“0”表示不通電或不動(dòng)作狀態(tài)，“1”表示通電或動(dòng)作狀態(tài)。表6-6控制元件與執(zhí)行元件的動(dòng)作狀態(tài)表根據(jù)狀態(tài)表可知，SB1、SB2、ST的狀態(tài)共有8種，其中5種狀態(tài)下KM會(huì)接通，即KM狀態(tài)為“1”。這5種狀態(tài)分別是001、010、011、101、111，因此可寫出KM的邏輯代數(shù)式：

根據(jù)簡(jiǎn)化了的邏輯式繪制控制電路，如圖6-14所示。圖6-14控制電路6.6.1電氣設(shè)備總體配置設(shè)計(jì)

各種電動(dòng)機(jī)及電氣元件根據(jù)各自的作用，都有一定的裝配位置，例如拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)與各種執(zhí)行元件以及各種檢測(cè)元件必須安裝在機(jī)械設(shè)備的相應(yīng)部位；各種控制電器、保護(hù)電器可以安放在單獨(dú)的電器箱內(nèi)；各種控制按鈕、控制開(kāi)關(guān)、指示燈、指示儀表、需經(jīng)常調(diào)節(jié)的電位器等，則必須安放在控制臺(tái)面板上。6.6電氣元件布置圖與接線圖的設(shè)計(jì)由于各種電氣元件的安裝位置不同，因此在構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，必須劃分組件，同時(shí)要解決組件之間、電氣箱之間以及電氣箱與被控制裝置之間的連線問(wèn)題。

1．組件的劃分原則

(1)功能類似的元件組合在一起。例如,用于操作的各種按鈕、開(kāi)關(guān)、鍵盤、指示檢測(cè)元件、調(diào)節(jié)元件等集中為控制面板組件；各種繼電器、接觸器、熔斷器、照明變壓器等控制電器集中為電氣板組件；各種控制電源及整流、濾波元件集中為電源組件。

(2)盡可能減少組件之間的連線數(shù)量，接線關(guān)系密切的控制電器置于同一組件中。

(3)強(qiáng)、弱電控制電器分離，以減少干擾。

(4)力求整齊美觀，外形尺寸、重量相近的電器組合在一起。

(5)便于檢查與調(diào)試，需經(jīng)常調(diào)節(jié)、維護(hù)的元件和易損元件組合在一起。

2．電氣控制設(shè)備各部分及組件之間的接線方式

電氣控制設(shè)備各部分及組件之間的接線方式通常有以下幾種：

(1)電氣板、控制板、機(jī)床電器的進(jìn)出線一般采用接線端子(按電流大小及進(jìn)出線數(shù)選用不同規(guī)格的線端子)。

(2)被控制設(shè)備與電氣箱之間采用多孔接插件，便于拆裝、搬運(yùn)。

(3)印制電路板及弱電控制組件之間宜采用各種類型的標(biāo)準(zhǔn)插件。電氣設(shè)備總體配置設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)電氣原理圖的工作原理與控制要求，將控制系統(tǒng)劃分為幾個(gè)組成部分(稱為部件)。根據(jù)電氣設(shè)備的復(fù)雜程度，每一部分又可劃分成若干組件，如電路組件、電氣安裝板組件、控制面板組件、電源組件等。應(yīng)根據(jù)電氣原理圖的接線關(guān)系整理出各部