2022年第四章电气控制系统的设计 .pdf

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1、1.1第4章电气控制系统的设计 1.1返回总目录返回总目录 1.2第4章电气控制系统的设计1.2任何生产机械电气的控制系统设计都包括两个基本方面一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求另一个是满足电气控制系统本身的制造、使用及维修的需要。因此电气控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。前者决定一台设备的使用效能和自动化程度即决定生产机械设备的先进性、合理性而后者决定电气控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。本章将在前面各章分析的基础上针对某些生产机械讨论如何完成其电气控制系统设计即完成一个电气控制系统设计应遵循的基本原则。1.3第4章电气控制系统的设计 1.34.1 电气控制设

2、计的原则、内容和程序4.2 电力拖动方案的确定和电动机的选择4.3 电气原理图的设计步骤与方法4.4 常用控制电器的选择 4.5 电气控制工艺设计本章内容1.4第4章电气控制系统的设计 1.41. 2. 3. 4. 5. 1.5第4章电气控制系统的设计 1.51.2. 3. 1. 2. 1.6 第4章电气控制系统的设计 1.64.1 电气控制系统设计的基本原则在现代生产的控制设备中对机电、液 电、气 电等设备的配合要求越来越高。虽然生产机械的种类繁多其电气控制设备也各不相同但电气控制系统的设计原则和设计方法基本是相同的。1.7第4章电气控制系统的设计1.74.1 电气控制系统设计的基本原则12

3、1.8第4章电气控制系统的设计 1.84.1.1 电气控制系统设计要求电气控制系统的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的是传动形式与控制方案的具体化。其设计灵活多变没有固定的方法和模式即使是同一个电路的功能结构不同人员设计出来的线路可能完全不同。因此作为设计人员应该随时发现和总结经验不断丰富和拓宽思路才能做出最为合理的设计。一般情况下电气控制系统的设计应满足生产机械加工工艺的要求线路要安全可靠操作和维护方便设备投 ?噬俚取虼艘罂刂频缏返纳杓票匦胝凡芎侠淼匮 竦缙髟话阍谏杓剖庇 寐阋韵乱蟆?.1 电气控制系统设计的基本原则1.9第4章电气控制系统的设计 1.94.1 电气控制系统设计的基

4、本原则1. 最大限度地实现生产机械和工艺对电气控制线路的要求首先要对生产要求、机械设备的工作性能、结构特点和实际加工情况有充分了解。生产工艺要求一般是由机械设计人员提供的实际执行时有些地方可能会有些差异这就需要电气设计人员深入现场对同类或接近的产品进行调查、分析和综合从而作为设计电气控制线路的依据。并在此基础上考虑控制方式启动、反向、制动及调速的要求设置各种联锁及保护装置。1.10第4章电气控制系统的设计 1.104.1 电气控制系统设计的基本原则2. 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、成熟的环节和线路。2 尽量缩短连接导线的数量和长度。1.11第4章电气控制

5、系统的设计 1.114.1 电气控制系统设计的基本原则设计控制线路时应合理安排各电器的位置、考虑各个元件之间的实际接线。要注意电气柜、操作台和限位开关之间的连接线如图4.1a和图4.1b所示仅从控制线路上分析没有什么不同但若考虑实际接线图4.1a就明显不合理因为按钮在操作台上而接触器在电气柜内这样就需要由电气柜二次引出较长的连接线到操作台的按钮上。而图4.1b的连接是将启动按钮和停止按钮直接连接这样就可以减少一次引出线减少布线的麻烦和导线的使用数量。特别要注意同一电器的不同触头在线路中应尽可能具有更多的公共接线这样可以减少导线数和缩短导线的长度。1.12第4章电气控制系统的设计 1.12图4.

6、1 电器连接图 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.13第4章电气控制系统的设计 1.133 尽量减少电器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。4 尽量减少不必要的触头简化控制线路以减小控制线路的故障率提高系统工作的可靠性。为此可采用以下 4种方法。合并同类触头。如图4.2所示在获得同样功能的情精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 5 页况下图 4.2b比图4.2a在电路中减少了一对触头。但是在合并触头时应注意触头对额定电流值的限制。 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.14第4章电气控制系统的设计 1.

7、14图4.2 同类触头的合并 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.15第4章电气控制系统的设计 1.15利用转换触头。利用具有转换触头的中间断电器将两触头合并成一对转换触头如图4.3所示。利用半导体二极管的单向导电性来有效减少触头数如图4.4所示。对于弱电电气控制电路这样做既经济又可靠。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.16第4章电气控制系统的设计 1.164.1 电气控制系统设计的基本原则图4.3 转换触头的应用 1.17第4章电气控制系统的设计 1.17图4.4 利用二极管等效 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.18第4章电气控制系统的设计 1.18利用逻辑代数进行化简以便得到最

8、简化的线路。5 线路在工作时除必要的电路必须通电外其余的尽量不通电以节约电能并延长电路的使用寿命。由图 4.5a可知接触器 KM2 得电后接触器 KM1 和时间继电器 KT就失去了作用不必继续通电但它们仍处于带电状态。图4.5b线路比较合理。在 KM2 得电后就切断了 KM1 和KT的电源节约了电能并延长了该电器的寿命。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.19第4章电气控制系统的设计 1.19图4.5 减少电器通电时间电路 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.20第4章电气控制系统的设计 1.203. 保证控制线路工作的可靠性1 选用的电器元件要可靠、抗干扰性能好。2 正确连接电器的线圈。

9、 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.21第4章电气控制系统的设计 1.214.1 电气控制系统设计的基本原则在交流控制电路中不能串联接入两个电器的线圈即使外加电压是两个线圈额定电压之和也是不允许的如图4.6a所示。因为每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比两个电器动作总是有先有后不能同时吸合。若接触器KM1先吸合线圈电感显著增加其阻抗比未吸合的接触器KM2 的阻抗大因而在该线圈上的电压降增大使 KM2 的电压达不到动作电压。因此若需两个电器同时动作时其线圈应该并联连接如图4.6b所示。 1.22第4章电气控制系统的设计 1.22图4.6 线圈在交流控制线路中的连接4.1 电气控制系统设计

10、的基本原则1.23第4章电气控制系统的设计 1.23在直流控制电路中对于电感较大的电磁线圈如电磁阀、电磁铁或直流电动机励磁线圈等不宜与相同电压等级的继电器直接并联工作。如图4.7a所示当触头 KM 断开时电磁铁 YA 线圈两端产生大的感应电动势加在中间继电器KA的线圈上造成 KA 的误动作。为此在 YA 线圈两端并联放电电阻 R并在KA 支路中串入 KM 常开触头如图 4.7b所示这样就能获得可靠工作。 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.24第4章电气控制系统的设计 1.244.1 电气控制系统设计的基本原则图4.7 大电感线圈与直流继电器线圈的连接1.25第4章电气控制系统的设计 1.2

11、53正确连接电器的触头设计时应使分布在线路不同位置的同一电器触头尽量接到同一极或同一相上以避免在电器触头上引起短路。如图4.8a所示限位开关 SQ的常开触头与常闭触头靠得很近而在电路中分别接在不同相上当触头断开产生电弧时可能在两触头间形成电弧而造成电源短路若改接成如图4.8b所示的形式因两触头电位相同就不会造成电源短路。 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.26第4章电气控制系统的设计 1.264.1 电气控制系统设计的基本原则图4.8 正确连接电器的触头 1.27第4章电气控制系统的设计 1.27在控制电路中应尽量将所有电器的联锁触头接在线圈的左端线圈的右端直接接电源这样可以减少线路内产生

12、虚精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 5 页假回路的可能性还可以简化电气柜的出线。4 在控制线路中采用小容量继电器的触头来断开或接通大容量接触器的线路时要计算继电器触头断开或接通容量是否足够不够时必须加小容量的接触器或中间继电器否则工作不可靠。 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.28第4章电气控制系统的设计 1.284.1 电气控制系统设计的基本原则5 在频繁操作的可逆线路中正反向接触器应选加重型的接触器同时应有电气和机械的联锁。 6 在线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线路。图4.9a中的继电器

13、K4需要在 K1、K2、K3相继动作后才接通。改为如图4.9b所示的接线形式每一继电器的接通只需经过一对触头工作可靠性大大提高了。1.29第4章电气控制系统的设计 1.29图4.9 触头的连接 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.30第4章电气控制系统的设计 1.307 防止触头竞争现象。图 4.10a为用时间继电器的反身关闭电路。当时间继电器KT的常闭触头延时断开后时间继电器KT线圈失电又使经 ts秒延时断开的常闭触头闭合以及经t1秒瞬时动作的常开触头断开。若tst1则电路能反身关闭若 tst1则继电器 KT再次吸合这种现象就是触头竞争。在此电路中增加中间继电器KA 便可以解决如图 4.1

14、0b所示。 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.31第4章电气控制系统的设计 1.314.1 电气控制系统设计的基本原则图4.10 反身自停电路 1.32第4章电气控制系统的设计 1.328 设计的线路应能适应所在电网情况如电网容量的大小电压频率的波动范围以及允许的冲击电流数值等。据此决定电动机的启动方式是直接启动还是间接降压启动。9 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叫寄生电路。若控制电路中存在寄生电路将破坏电器和线路的工作顺序造成误动作。图4.11所示电路在正常工作时能完成正、反向启动停止时信号指示但当热继电器FR动作时线路出现了寄生电路如图4.11中虚线所示

15、使正向接触器 KMl 不能释放起不了保护作用。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.33第4章电气控制系统的设计 1.33图4.11 寄生电路 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.34第4章电气控制系统的设计 1.344.1 电气控制系统设计的基本原则4. 控制线路工作的安全性电气控制线路应具有完善的保护环节用以保护电网、电动机、控制电器以及其他电器元件消除不正常工作时的有害影响避免因误操作而发生事故。在自动控制系统中常用的保护环节有短路、过流、过载、过压、失压、弱磁、超限、极限等。这些内容已在第2章中作了介绍。 1.35第4章电气控制系统的设计 1.355. 保证操作、安装、调整、维修方便

16、和安全为了使电器设备维修方便使用安全电器元件应留有备用触头必要时应留有备用电器元件以便检修调整改接线路应设置隔离电器以免带电检修。控制机构应操作简单能迅速而方便地由一种控制形式转换到另一种控制形式例如由手动控制转换到自动控制。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.36第4章电气控制系统的设计 1.364.1 电气控制系统设计的基本原则为避免带电维修每台设备均应装有隔离开关。根据需要可设置手动控制及点动控制以便于调整设备。必要时可设多点控制开关使操作者可在几个位置均能控制设备。需要注意的是装有手动电器的控制线路和带行程开关的控制线路一定要有零压保护环节以避免由于断电时手动开关没扳到分断位置或行程

17、开关恰好被压动在恢复供电时造成意外事故。还要注意实际上总有误操作的可能性在控制线路中应该加入必要的联锁保护。1.37第4章电气控制系统的设计 1.374.1.2 电气控制系统设计的基本内容电气设计的基本任务是根据控制要求设计和编制出设精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 5 页备制造和使用维修过程中所必需的各种图纸、资料其中包括电气系统的组件划分与元器件布置图、安装接线图、电气原理图、控制面板布置图等编制设备清单、电气控制系统操作使用及维护说明书等资料。因此电气控制系统设计包含原理设计与工艺设计两部分。 4.1 电气控制系统设

18、计的基本原则1.38第4章电气控制系统的设计 1.384.1 电气控制系统设计的基本原则1.39第4章电气控制系统的设计 1.394.1 电气控制系统设计的基本原则1. 原理设计内容电气原理设计是整个系统设计的核心它是工艺设计和制定其他技术资料的依据电气控制系统原理设计内容主要包括以下部分。1. 拟定设计任务书 2. 选择电气拖动方案和控制方式3. 确定电动机类型、型号、容量、转速等4. 设计电气控制原理框图确定各部分之间的关系拟定各部分技术指标与要求5. 设计并绘制电气控制原理图计算主要技术参数6. 选择电器元件制定元件清单7. 编写设计说明书 1.40第4章电气控制系统的设计 1.402.

19、 工艺设计内容工艺设计的主要目的是便于组织电气控制系统的制造实现原理设计要求的各项技术指标为设备的调试、维护、使用提供必要的图样资料。工艺设计的主要内容如下。 1 根据设计原理图及所选用的电器元件设计绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。总装配图应能反映各电动机、执行电器、各种电器元件、操作台布置、电源及检测元件的分布状况总接线图应能反映系统中的电器元件各部分之间的接线关系与连接方式。 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.41第4章电气控制系统的设计 1.414.1 电气控制系统设计的基本原则2 根据原理框图和划分的组件对总原理图进行编号绘制各组件原理电路图列出各部分的元件目录表并根据总图编

20、号统计出各组件的进出线号。3 根据组件原理电路及选定的元件目录表设计组件装配图电器元件布置与安装图、接线图图中应反映各电器元件的安装方式与接线方式。这些资料是组件装配和生产管理的依据。 1.42第4章电气控制系统的设计 1.424 根据组件装配要求绘制电器安装板和非标准的电器安装零件图标明技术要求。这些图样是机械加工和外协作加工所必需的技术资料。5 设计电气原理图。根据组件尺寸及安装要求确定电气柜结构与外形尺寸设置安装支架标明安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热以及开门方式。在电气原理图设计中应注意操作维护方便与造型美观。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.43第4章电气控制系

21、统的设计 1.434.1 电气控制系统设计的基本原则6 根据总原理图、总装配图及各组件原理图资料进行汇总分别列出外购件清单标准件清单以及主要材料消耗定额。这些是生产管理如采购、调度、配料等和成本核算所必须具备的技术资料。 7 编写使用维护说明书。 1.44第4章电气控制系统的设计 1.444.1.3 电气控制系统设计步骤根据电气设计的内容电气控制系统设计的基本步骤如下。1 拟定电气控制系统设计任务书。电气控制系统设计任务书是整个电气设计的依据任务书中除扼要说明所设计设备的型号、用途、加工工艺、动作要求、传动参数及工作条件外还要说明以下主要技术指标及要求。控制精度和生产效率的要求。电气传动基本特

22、性如运动部件数量、用途、动作顺序、负载特性、调速指标、启动、制动方面的要求。 4.1 电气控制系统设计的基本原则1.45第4章电气控制系统的设计 1.454.1 电气控制系统设计的基本原则稳定性及抗干扰要求。联锁条件及保护要求。电源种类、电压等级。目标成本及经费限额。验收标准及验收方式。其他要精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页求如设备布局、安装要求、操作台布置、照明、信号指示、报警方式等。1.46第4章电气控制系统的设计 1.462 确定拖动传动方案、选择电动机型号。根据零件加工精度、加工效率、生产机械的结构、运动部

23、件的数量、运动方式、负载性质和调速等方面的要求以及投资额的大小确定电动机的类型、数量、拖动方式并拟定电动机的启动、运行、调速、转向、制动等控制方案。在这里电动机的选择非常重要选择电动机的基本原则如下。电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求要与负载特性相适应以保证加工过程中运行稳定并具有一定的调速范围与良好的启动、制动性能。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.47第4章电气控制系统的设计 1.474.1 电气控制系统设计的基本原则工作过程中电动机容量能得到充分利用。电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求并能适应周围环境工作条件。在满足设计要求的情况下、应优先考虑采用结构简单、价格便宜、

24、使用和维护方便的三相交流异步电动机。如果生产设备的各部分之间不需要保证一定的内在联系则可采用多台电动机分别拖动的方式以缩短设备的传动链提高传动效率简化设备结构。1.48第4章电气控制系统的设计 1.48根据设备中主要电动机的负载情况、调速范围及对启动、反向、制动的要求确定拖动形式。一般设备采用交流拖动系统利用齿轮箱变速为了扩大调速范围、简化设备结构也可采用双速或多速笼型异步电动机及绕线型异步电动机。如果设备对启动、制动要求很高需要无级调速应该采用直流电动机调速系统或交流变频调速系统。与此同时需要注意电动机调速的性质应当与负载特性相适应。例如负载需要恒功率调速时可采用定子绕组由三角形改为双星形连

25、接的双速电动机或直流它励电动机的调磁调速。负载需要恒转矩调速时可选用定子绕组由星形连接改成双星形的交流双速电机或直流它励电动机调压调速。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.49第4章电气控制系统的设计 1.493 确定控制方案。为了保证设备协调准确动作充分发挥其效能在确定控制方案时应考虑以下几点。确定控制方式。根据控制设备复杂程度及生产工艺精度要求的不同可以选择几种不同的控制方式。例如继电接触控制、顺序控制、PLC控制、计算机联网控制等。满足控制线路对电源种类、工作电压、频率等方面的要求。4.1 电气控制系统设计的基本原则1.50第4章电气控制系统的设计 1.504.1 电气控制系统设计的基本原则构成自动循环。画出设备工作循环简图确定行程开关的位置。如在电液控制时要确定电磁铁和电磁阀的通断状态列出上述电器元件与执行动作的关系表。确定控制系统的工作方法。一台设备可能有不同的工作方式例如自动循环、手动调整、动作程序转换及控制系统中的检测等需逐个予以实现。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页