第四章电气控制线路设计基础

常用低压电器电气设计的主要内容1电气设计的一般原则2电气控制线路的经验设计法3电气控制线路的逻辑设计法4电气控制线路工艺设计基础5电气设计的主要内容①确定拖动方案和选择电动机，前者是指选择交流拖动方案还是直流拖动方案；后者是指选择电动机的型号及容量。②设计电气自动控制线路，选择电器元件和设计电气原理图、装配图及接线图。电气设计的主要内容电气设计的主要内容①拟定电气设计任务书(技术条件)；②确定电力传动方案和控制方案；③选择传动电动机；④设计电气原理图(包括主、辅助电路)；⑤选择电气元件，制定电气元件或装置易损件及备用件的明细表；⑥设计操作台、电气柜、电气安装板以及非标准电器和专用安装零件；⑦绘制电气装配图和接线图；⑧编写电气原理说明书和使用说明书。电气设计的一般内容电气设计的主要内容拟定电气设计任务书•供电系统的电压等级、频率、容量及电流种类。•操作方面的要求(如操作台的布置，操作按钮的设置和作用，测量仪表的种类、故障报警和局部照明要求等)。•电气控制的特性，(如电气控制的基本方式，自动工作循环的组成，动作程序，限位设置，电气保护及联锁条件等)。•电力拖动的基本特性，(如电动机数量和用途，主要电动机的额定功率、负载特性、调速范围和方法，对起动、反向和制动控制的要求等)。•生产机械主要电气设备(如电动机、执行电器和行程开关等的布置草图和参数)。电气设计的主要内容电气传动方案电气传动系统：电动机，电源，控制器•电动机的种类、数量•调速性能•负载特性•起动、制动和反向要求电气设计的主要内容电气控制方案•通用化与专用化•分散控制与集中控制•工艺要求：手动调整、工序变更、系统检测、运动之间的联锁、安全保护、故障诊断、信号指示、照明、人机关系电气设计的主要内容•时间控制方式：时间继电器、PLC或微机延时，时间原则控制•速度控制方式：利用速度继电器或测速发电机，速度原则的控制。•电流控制方式：电流继电器•行程控制方式：行程开关或接近开关，位置控制电气设计的一般原则•最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求•在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简单、经济1)尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的环节和线路2)尽量缩短连接导线的数量和长度3)尽量减少电器的数量，采用标准件，尽可能选用相同型号的电器元件，以减少备用量电气设计的一般原则•起动按钮和停止按钮直接连接，减少一次引出线•同一电器的不同触点应尽量具有更多的公共接线，减少导线数和缩短导线的长度4)尽量减少不必要的触点，简化电路5)利用逻辑代数进行化简电气设计的一般原则合并同类触点利用转换触点利用半导体二极管的单向导电性有效减少触头数电气设计的一般原则•不必要的电路尽量不通电以节约电能，延长电路的使用寿命电气设计的一般原则•保证控制线路工作的可靠性1)选用的电器元件要可靠、牢固、动作时间少、抗干扰性能好2)正确连接电器的线圈3)正确连接电器的触点电气设计的一般原则同一电器的常开和常闭辅助触点要等电位连接避免电器触点断开时产生飞弧造成电源短路电气设计的一般原则电器的联锁触点接在线圈的左端，线圈的右端直接接电源，减少线圈内产生虚假回路的可能性，简化电气柜的出线•保证控制线路工作的可靠性4)容量不够增加接触器或中间继电器，并联触点增加电路接通的可靠性，串联触点增加电路断开的可靠性5）频繁操作的可逆线路中，正反向接触器应加重型接触器，应有电气和机械的联锁6）避免许多电气依次动作才能接通另一电器的控制线路电气设计的一般原则7）防止触点竞争现象•保证控制线路工作的可靠性反身关闭电路恢复关闭时间ts断开时间t1tst1反身关闭失败电气设计的一般原则•保证控制线路工作的可靠性8）防止寄生电路：控制电路在正常工作或事故情况下，发生意外接通的电路9）根据电网容量和电压、频率波动范围以及允许的冲击电流等决定电动机的启动方式电气设计的一般原则一、电流型保护1.短路保护2.过电流保护（KI电流值一般不超过2.5Ie）3.过载保护（电流通常在1.5Ie以内）4、欠电流保护（弱磁保护）•控制线路工作的安全性二、电压型保护1.失压保护2.欠电压保护3.过电压保护4.其它保护电气设计的一般原则•一、电流型保护短路短路电流引起电器设备绝缘损坏和产生强大的电动力，使电机和电路中的各种电器设备产生机械性损坏，因此当电路出现短路电流时，必须迅速而可靠地断开电源电气设计的一般原则过流过流原因：不正确的启动和过大负载危害：损坏电机换向器，过大的转矩使机械转动部件受损容易产生过流的应用：频繁起动和正反转重复短时工作的电机•一、电流型保护电气设计的一般原则过载•一、电流型保护电动机长期超载运行，其绕组的温升将超过允许值而损坏，所以应设过载保护环节。此种保护多采用热继电器为保护元件。热继电器具有反时限特性，受到短路电流冲击不会瞬时动作，需要与熔断器或过流继电器配合使用电气设计的一般原则二、电压型保护失压危害：电机自动起动可能造成人身事故或设备事故(a)按钮控制(b)主令控制器控制电气设计的一般原则二、电压型保护弱磁直流并励电动机、复励电动机在磁场消失时，会引起电动机“飞车”。•弱磁保护一般采用弱磁继电器（欠电流继电器）•弱磁继电器的吸合值整定为额定励磁电流的0.8倍•释放值为最小励磁电流的0.8倍电气设计的一般原则•根据生产机械的不同要求•设置温度、水位、欠压等保护环节其他保护极限保护直线运动的生产机械常设置有极限保护环节，如上、下极限，前、后极限保护等。一般由行程开关的常闭触头来实现。电气设计的一般原则•操作和维修方便备用触头，备用电器元件，以便检修、调整；设置电气隔离，避免带电检修；控制机构应操作简单、便利，从自动控制转换到手动控制等；设置多点控制，便于调试；电气控制线路的经验设计法电气控制线路有两种设计方法，一种是经验设计法，另一种是逻辑设计法经验设计法①根据生产机械对电气控制电路的要求，首先设计出各个独立环节的控制电路或单元电路，②然后根据生产工艺要求找出各个控制环节之间的相互关系，进一步拟定联锁控制电路及进行辅助电路的设计，③最后再考虑减少电器与触头数目，努力取得较好的技术经济效果电气控制线路的经验设计法经验设计法的基本步骤：①主电路设计②控制电路设计③辅助电路设计④反复审核电路是否满足设计原则易于掌握，不易获得最佳方案电气控制线路的经验设计法铣床加工的自动控制线路的经验设计法(1)铣床加工的工艺要求•加工前滑台快速移动到加工位置，然后自动改为慢速进给滑台速度的改变是由齿轮变速机构和电磁铁来实现（电磁铁吸合时为快进，电磁铁放松时为慢进）；•同时左右动力头对工件进行铣削加工；•滑台达到终点自动停车，由人工操作滑台快速退回；•动力头电机4.5kW，滑台电动机1.1kW；电气控制线路的经验设计法•需要三台电动机•滑台电动机需要正反转•必要的短路保护和过载保护主电路设计电气控制线路的经验设计法控制回路基本设计•滑台正反转•滑台正向起动后动力头电机才能起动，滑台正转停车后，动力头电机也应停止•滑台快速到慢速的转变•两个启停线路控制；•由正转线路控制动力头电机的启停；•由行程开关控制，发出信号，电磁铁冲击电流大，需用中间继电器电气控制线路的经验设计法•设置原位和终点行程开关•KM1,KM2互锁•过载保护，短路保护辅助电路基本设计电气控制线路的经验设计法线路完善减少触头数目电气控制线路的逻辑设计法①将控制线路中的接触器、继电器等电器元件线圈的通电与断电，触头的闭合与断开，以及主令元件触头的接通与断开等，作为逻辑变量；②根据控制要求，用逻辑函数关系式表示这些逻辑变量之间的逻辑关系；③再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数式进行化简；④最后由化简的逻辑函数式画出相应的电气原理图电气控制线路的逻辑设计法逻辑变量、逻辑函数及运算法则1.逻辑变量•在逻辑代数中，把这种具有两个对立物理状态的量称为“逻辑变量”。在继电接触式控制线路中，每一个接触器或继电器的线圈、触头以及控制按钮的触头都相当于一个逻辑变量。•对于继电器、接触器、电磁铁、电磁阀、电磁离合器等元件的线圈，通常规定通电为“1”状态，失电则规定为“0”状态。•对于按钮、行程开关元件，规定压下时为“1”状态，复位时为“0”状态。•对于元件的触点，规定触点闭合状态为“1”状态，触点断开状态为“0”状态。电气控制线路的逻辑设计法表示其相应的常闭触头、、、用SBSQKAKM用KM、KA、SQ、SB分别表示接触器、继电器、行程开关、按钮的常开触头以继电器为例：KA—“1”，继电器线圈处于得电状态；KA—“0”，继电器线圈处于失电状态；KA—“1”，继电器常开触头闭合；KA—“0”，继电器常开触头断开：—“1”，继电器常闭触头闭合；—“0”，继电器常闭触头断开。KAKA电气控制线路的逻辑设计法2.逻辑函数三种基本逻辑运算—与、或、非电气控制线路的逻辑设计法逻辑代数的基本运算规则和定律1)基本运算规则电气控制线路的逻辑设计法电气控制线路的逻辑设计法电路的逻辑表示以某一控制电器的线圈为对象，写出与此对象有关的电路中各控制元件、信号元件、执行元件、保护元件等，它们触头间相互联接关系的逻辑函数表达式（均以未受激时的状态来表示）电气控制线路的逻辑设计法真值表:将控制线路中输入和输出关系用列表方式表示出来_____21SBK)(SBK逻辑函数式真值表电气控制线路的逻辑设计法继电接触器控制线路的逻辑函数•继电接触器控制属于开关量控制，符合逻辑规律，所以其控制线路中的关系可用逻辑函数来表示。•触点控制：开启、关闭、保持电气控制线路的逻辑设计法关断优先开启优先简单的起、保、停电路电气控制线路的逻辑设计法具有联锁条件的起、停、保电路起动和停止的约束条件电气控制线路的逻辑设计法设计步骤1）按工艺要求，作出工作循环图或工作示意图；2）按工作循环图画出元件状态表；3）根据状态表，列出执行元件逻辑函数式；4）简化逻辑关系式，画出电路结构图；5）检查完善，增必要的连锁、保护环节电气控制线路的逻辑设计法开启信号和关断信号的选择形式和原则•开启线：输出元件开启通电•关断线：输出元件关断•开启边界线转换主令信号是X开主。若转换主令信号由常态变为受激，则X开主取其动合触点；若转换主令信号由受激变为常态，则X开主取其动断触点。•关闭边界线转换主令信号是X关主。若转换主令信号由常态变为受激，则X关主取其动断触点；若转换主令信号由受激变为常态，则X关主取其动合触点电气控制线路的逻辑设计法•操作工人按需要按上升（SBH）或下降（SBL）按钮，横梁夹紧电机向放松方向运行；•完全放松后碰行程开关SA，横梁转入上升或下降，控制升降电机的接触器KM-U或KM-D工作；•达到需要位置时松开SBH或SBL，横梁停止移动，自动夹紧；•当夹紧力达到一定程度时，过电流继电器（KS）动作，夹紧电机停止工作工艺流程电气控制线路的逻辑设计法工作循环图电气控制线路的逻辑设计法特征数—由检测元件构成的二进制数•特征数决定了检测元件的状态也决定了线路的输出状态。不同的程序之间，特征数不能相同。•程序与程序间的特征数相同称为待相分区组，特征数互不相同的程序叫做相分区组。•必须将待相分区组增加新的特征数，使其成为相分区组。电气控制线路的逻辑设计法•设置中间记忆元件——中间继电器Ｋ，使待相区分组成为相区分组•第三程序和第四程序中都有特征数000，为待相分区组，因此必须设置中间继电器K来增加特征数。•若第三程序K为1，第四程序K为0，则将待相区分组转化为相区分组。原特征数K新特征数第三程序0001第四程序0000•由于KM-B本身就具有记忆功能，可替代K，以省去一中间继电器。•由KM-B、SA、KS和SBH/SBL组成1000特征数，因而第三程序需要自锁。电气控制线路工艺设计基础电气设备总体配置设计要使整个系统集中、紧凑、安全、可靠•对发热元件，噪声振动大的电气部件尽量放在离其他元件较远的地方或隔离起来；•对于多工位加工的大型设备，考虑两地操作方便；•总电源开关、紧急停止控制开关应安放在方便而明显的位置。•电气设备总体配置设计任务是根据电气原理图的