电气控制电路设计

第一节电气控制电路设计基础电气控制系统设计的基本内容：拟定电气设计任务书确定电气传动控制方案，选择电动机设计电气控制原理图选择电气元件，制定明细表设计操作台、电气柜及非标准电气元件设计电气设备布置总图、电气安装图以及电气接线图编写电气说明书和使用操作说明书电气控制系统设计的原则：1.电力拖动方案确定的原则：无电气调速要求电力拖动方案确定:笼型异步电动机：起动不频繁的场合绕线转子异步电动机：负载静转矩大的拖动装置笼型异步电动机：起动不频繁的场合要求电气调速电力拖动方案确定:调速范围D＝2～3、调速级数≤2～4：改变极对数的双速或多速笼型异步电动机调速范围D3，且不要求平滑调速：绕线转子异步电动机，短时或重复短时负载调运范围D＝3～10，且要求平滑调速：容量不大时可采用带滑差离合器的异步电动机。长期运转在低速时，也可考虑采用晶闸管直流拖动系统。调速范围D＝10～100：直流拖动系统或交流调速系统三相异步电动机：变更定子绕组的极数和改变转子电路的电阻电动机调速性质的确定:与生产机械的负载特性相适应双速笼型异步电动机，当定子绕组由三角形联结改为双星形联结时，转速由低速升为高速，功率却变化不大，适用于恒功率传动。由星形联结改为双星形联结时，电动机输出转矩不变，适用于恒转矩传动。直流他励电动机，改变电枢电压调速为恒转矩调速；而改变励磁调速为恒功率调速。恒转矩负载采用恒功率调速或恒功率负载采用恒转矩调速，将使电动机额定功率增大D倍（D为调速范围），部分转矩未得到充分利用。2.控制方案确定:控制方式与拖动需要相适应：以经济效益为标准。控制逻辑简单、加工程序基本固定，采用继电器接点控制方式较为合理；经常改变加工程序或控制逻辑复杂，采用可编程序控制器较为合理。控制方式与通用化程度相适应：加工一种或几种零件的专用设备，通用化程度低，可以有较高的自动化程度，宜采用固定的控制电路；单件、小批量且可加工形状复杂零件的通用设备，采用数字程序控制或可编程序控制器控制，可以根据不同加工对象设定不同的加工程序，有较好的通用性和灵活性。控制方式应最大限度满足工艺要求：自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性联锁、信号指示和故障诊断等功能。控制电路的电源应可靠：简单控制电路可直接用电网电源；电路较复杂的控制装置，可将电网电压隔离降压，以降低故障率；自动化程度较高的生产设备，可采用直流电源，有助于节省安装空间，便于同无触点元件连接，元件动作平稳，操作维修也较安全。电气控制电路设计方法：设先设计主电路，再设计控制电路、信号电路及局部照明电路等控制电路设计要求：满足生产机械的工艺要求，能按照工艺的顺序准确而可靠地工作。电路结构力求简单，尽量选用常用的且经过实际考验过的电路。操作、调整和检修方便。具有各种必要的保护装置和联锁环节。控制电路设计方法：经验设计法：根据生产工艺的要求，按照电动机的控制方法，采用典型环节电路直接进行设计。逻辑设计法：采用逻辑代数进行设计。通过下面的例子来说明如何用经验设计法来设计控制电路：例题：某机床有左、右两个动力头，用以铣削加工，它们各由一台交流电动机拖动；另外有一个安装工件的滑台，由另一台交流电动机拖动。加工工艺是在开始工作时，要求滑台先快速移动到加工位置，然后自动变为记速进给，进给到指定位置自动停止，再由操作者发出指令使滑台快速返回，回到原位后自动停车。要求两动力头电动机在滑台电动机正向起动后起动，而在滑台电动机正向停车时也停车。主电路主电路设计：动力头拖动电动机只要求单方向旋转，为使两台电动机同步起动，可用一只接触器KM3控制。滑台拖功电动机需要正转、反转，可用两只接触器KM1、KM2接制。滑台的快速移动由电磁铁YA改变机械传动链来实现，由接触器KM4来控制。控制电路设计滑台电动机的正转、反转分别用两个按钮SBl与SB2控制，停车则分别用SB3与SB4控制。由于动力头电动机在滑台电动机正转后起动，停车时也停车，故可用接触器KM1的常开辅助触点控制KM3的线圈，如图a所示。滑台的快速移动可采用电磁铁YA通电时，改变凸轮的变速比来实现。滑台的快速前进与返回分别用KM1与KM2的辅助触点控制KM4，再由KM4触点去通断电磁铁YA。滑台快速前进到加工位置时，要求慢速进给，因而在KM1触点控制KM4的支路上串联限位开关SQ3的常闭触点。此部分的辅助电路如图b所示。控制电路草图联锁与保护环节设计：用限位开关SQ1的常闭触点控制滑台慢速进给到位时的停车；用限位开关SQ2的常闭触点控制滑台快速返回至原位时的自动停车。接触器KMl与KM2之间应互相联锁，三台电动机均应用热继电器作过载保护。控制电路电路的完善：电路初步设计完后，可能还有不够合理的地方，因此需仔细校核。一共用了三个KMl的常开辅助触点，而一般的接触器只有两个常开辅助触点。因此，必须进行修改。从电路的工作情况可以看出，KM3的常开辅助触点完全可以代替KM1的常开辅助触点去控制电磁铁YA，修改后的辅助电路如图所示。修改后的控制电路控制电路设计时应注意的问题：尽量减少连接导线。设计控制电路时，应考虑电器元件的实际位置，尽可能地减少配线时的连接导线，如图a是不合理的。按钮一般是装在操作台上，而接触器则是装在电器柜内，这样接线就需要由电器柜二次引出连接线到操作台上，所以一般都将起动按钮和停止按钮直接连接，就可以减少一次引出线，如图b所示。电器连接图正确连接电器的线圈。a)电压线圈通常不能串联使用，如图a所示。由于它们的阻抗不尽相同，会造成两个线圈上的电压分配不等。即使外加电压是同型号线圈电压的额定电压之和，也不允许。因为电器动作总有先后，当有一个接触器先动作时，则其线圈阻抗增大,该线圈上的电压降增大，使另一个接触器不能吸合，严重时将使电路烧毁。b)电感量相差悬殊的两个电器线圈，也不要并联连接。图b中直流电磁铁YA与继电器KA并联，在接通电源时可正常工作，但在断开电源时，由于电磁铁线圈的电感比继电器线圈的电感大得多，所以断电时，继电器很快释放，但电磁铁线圈产生的自感电动势可能使继电器又吸合一段时间，从而造成继电器的误动作。解决方法可备用一个接触器的触点来控制。如图c所示。电磁线圈的串并联控制电路中应避免出现寄生电路:寄生电路是电路动作过程中意外接通的电路。如图所示具有指示灯HL和热保护的正反向电路.正常工作时，能完成正反向起动、停止和信号指示。当热继电器FR动作时，电路就出现了寄生电路，如图中虚线所示，使正向接触器KM1不能有效释放，起不了保护作用。寄生电路尽可能减少电器数量，采用标准件和相同型号的电器:如图所示。当控制的支路数较多，而触点数目不够时，可采用中间继电器增加控制支路的数量。简化电路去掉不必要的KM1，简化电路，提高电路可靠性多个电器的依次动作问题在电路中应尽量避免许多电器依次动作才能接通另一个电器的控制电路。可逆电路的联锁在频繁操作的可逆电路中，正反向接触器之间不仅要有电气联锁，而且还有机械联锁。要有完善的保护措施常用的保护措施有漏电流、短路、过载、过电流、过电压、失电压等保护环节，有时还应设有合闸、断开、事故、安全等必须的指示信号。电气控制电路设计中元器件的选择1.电动机的选择：选择电动机时，要考虑电动机的功率、转速、结构型式、额定电压等a)电动机功率的选择:依据的是负载功率。选择电动机功率的一种实用方法是调查统计类比法。目前采用的拖动电动机功率的统计分析公式如下：(1)卧式车床主电动机的功率式中，P为主拖动电动机功率（kW）；D为工件最大直径（m）。54.15.36P(2)立式车床主电动机的功率式中，P为主拖动电动机功率（kW）；D为工件最大直径（m）。(3)摇臂钻床主电动机的功率式中，P为主拖动电动机功率（kW）；D为最大钻孔直径（mm）。(4)卧式镗床主电动机的功率式中，P为主拖动电动机功率（kW）；D为镗杆直径（mm）。(5)龙门铣床主电动机的功率式中，P为主拖动电动机功率（kW）；B为工作台宽度（mm）。主拖动和进给拖动用一台电动机的场合，按主拖动电动机的功率计算。对于采用单独的进给拖动电动机，出于其不仅拖动进给运动外还拖动工作台的快速移动，应按快速移动所需功率来选择。快速移动所需功率，—般按经验数据来选择，可查阅有关资料。机床进给拖动的功率一般较小。按经验，车床、钻床的进给拖动功率为主拖动功率的0.03-0.05，而铣床的进给拖动功率为主拖动功率的0.2-0.25。88.020DP19.10646.0DP7.1004.0DP15.11661BPb)电动机额定电压的选择交流电动机额定电压应与供电电网电压一致。中小型异步电动机额定电压为220V/380V（三角形/Y联结）及6380V/660V（三角形/Y联结）两种，后者可用Y/三角形起动；当电动机功率较大时，可选用相应电压的高压电动机。直流电动机的额定电压也要与电源电压相一致。c)电动机额定转速的选择对于额定功率相同的电动机，额定转速愈高，电动机尺寸、质量愈小，成本愈低，选用高速电动机较为经济。由于生产机械所需转速一定，电动机转速愈高，传动机构转速比愈大，传动机构愈复杂。因此应通过综合分析来确定电动机的额定转速。d)电动机结构型式的选择电动机的结构型式按其安装位置的不同可分为卧式（轴是水平的）和立式（轴是垂直的）两种，应以电动机与工作机构的连接方便、紧凑为原则来选择。电动机具有不同的防护型式，如防护式、封闭式、防爆式等，具体要根据电动机的工作条件来选择。e)笼型异步电动机有关电阻的计算(1)笼型异步电动机起动电阻的计算：在电动机减压起动方式中，定子回路串联的限流电阻可按下式近似计算：式中，Rst为每相启动限流电阻值（Ω）；IN为电动机额定电流（A）；Kst为不加电阻时，电动机的起动电流与额定电流之比，可由手册查出；Ksrt为加入起动限流电阻后，电动机的起动电流与额定电流之比、可根据需要选取。(2)笼型异步电动机反接制动电阻的计算：电动机在反接制动瞬间，定子的旋转磁场已经反向旋转，而转子的转向尚未来得及改变，转差率s接近2，因此反接制动时的电流比起动电流大。为了限制制动电流，在电动机定子回路中也应串入限流电阻。反接制动的限流电阻可按下式近似计算：式中，Rrb为每相反接制动限流电阻阻值（Ω）；Krbr为接入限流电阻后，反接制动电流与额定电流之比。如果只在电动机的两相中串入制动限流电阻，Rrb值可取计算值的1.5倍。stsrtstNstKKKIR134110strbrstNrbKKKIR5.0341102.常用低压电器的选择a)接触器的选用选择接触器主要依据以下数据：电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。机床应用最多的是交流接触器。交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。(1)主触点额定电流IN可根据下面经验公式进行选择：式中，IN为接触器主触点额定电流（A）;K为比例系数，一般取1-1.4；PN为被控电动机额定功率（kW）；UN为被控电动机额定线电压（V）。(2)交流接触器主触点额定电压一般按高于电路额定电压来确定。(3)根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压(4)接触器辅助触点的数量、种类应满足电路的需要。NNNKUPI310b)继电器的选择一般继电器的选择一般继电器也叫电磁继电器。选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器、中间继电器等。另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应注意。时间继电器的选择从以下几方面考虑：1)根据控制电路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。2)根据延时准确度要求和延时长、短要求来选择。3)根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。热继电器的选择按照电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。(1)热继电器结构形式的选择。星形