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1第四章电气控制线路的设计本章要点介绍电气控制线路设计的原则和内容学习电气控制线路设计的方法掌握拖动方案和控制方案的确定原则熟练掌握元器件的选择方法本章难点控制线路的设计与优化在生产中，机械设备的使用效能与其电气自动化的程度有着密切的关系，尤其是机电一体化已成为现代机械工业发展的总趋势，所以要搞好机电工作，就应当掌握生产设备电气控制线路的设计。通过前几章的学习，在已经初步掌握了低压电器、电气控制线路的基本环节以及一些典型生产机械电气控制线路的基础上，本章将介绍相关的电气控制线路的设计方法和所使用的低压电器的选择方法。第一节设计的基本原则和内容设计工作的首要问题是树立正确的设计思想，树立工程实践的观点，使设计的产品经济、使用、可靠、先进、使用及维修方便。任何一台机械设备的结构形式和使用效能与其电气自动化程度有着十分密切的关系，因此电气控制设计必须与设备的机械设计相对应，这就要求电气设计人员必须对机械设备的的机械结构、加工工艺有一定的了解，这样才能设计出符合要求的电气控制设备。一、电气控制系统设计的基本内容机械设备的控制系统绝大多数属于电力拖动控制系统，因此生产机械电气控制系统设计的基本内容有以下几个方面：１．确定电力拖动方案。２．设计生产机械电力拖动自动控制线路。３．选择拖动电机及电气元件，制定电器明细表。４．进行生产机械电力装备施工设计５．编写生产机械电气控制系统的电气说明书与设计文件二、电力拖动方案确定的原则对各类生产机械电气控制系统的设计，首要的是选择和确定合适的拖动方案。主要根据设备的工艺要求及结构来选用电动机的数量，然后根据各生产机械的调速要求来确定调速方案，同时，应当考虑电动机的调速特性与负载特性相适应，以求得电动机充分合理的应用。1．无电气调速要求的生产机械在不需要电气调速和起动不频繁的场合，应首先考虑采用鼠笼式异步电动2机。在负载静转矩很大的拖动装置中，可考虑采用绕线式异步电动机。对于负载很平稳、容量大、且起停次数很少时，则采用同步电动机更为合理，不仅可以充分发挥同步电动机效率高、功率因数高的优点，还可以调节励磁使它工作在过励情况下，提高电网的功率因数。2．要求电气调速的生产机械应根据生产机械的调速要求（如调速范围、调速平滑性、机械特性硬度、转速调节级数及工作可靠性等）来选择拖动方案，在满足技术指标的前提下，进行经济比较。最后确定最佳拖动方案。调速范围D＝2～3，调速级数≤2～4。一般采用改变磁极对数的双速或多速笼式异步电动机拖动。调速范围D＜3，且不要求平滑调速时，采用绕线式转子感应电动机拖动。但只适用于短时负载和重复短时负载的场合。调速范围D＝3～10，且要求平滑调速时，在容量不大的情况下，可采用带滑差离合器的异步电动机拖动系统。若需长期运转在低速时，也可考虑采用晶闸管直流拖动系统。调速范围D＝10～100时，可采用直流拖动系统或交流调速系统。三相异步电动机的调速，以前主要依靠改变定子绕组的极数和改变转子电路的电阻来实现。目前，变频调速和串级调速已得到广泛的应用。3．电动机调速性质的确定电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应。对于双速笼型异步电动机当定子绕组由Δ联接改为YY接法时，转速由低速转为高速，功率却变化不大，适用于恒功率传动；当定子绕组由Y联接改为YY接法时，电动机输出转矩不变，适用于恒转矩传动。对于直流他励电动机，改变电枢电压调速为恒转矩输出；而改变励磁调速为恒功率调速。若采用不对应调速，即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，都讲使电动机额定功率增大D倍（D为调速范围），且部分转矩未得到充分利用。所以电动机调速性质是指电动机在整个调速范围内转矩、功率与转速的关系。究竟是容许恒功率输出还是恒转矩输出，在选择条苏方法是，应尽可能使它与负载性质相同。三、控制方案的确定原则设备的电气控制方法很多，由继电器接触器的有触点控制，有无触点逻辑控制，有可编程序控制器控制、计算机控制等。总之，合理地确定控制方案，设计实现、简便、可靠、经济、适用的电力拖动控制系统的重要前提。控制方案的确定，应遵循以下原则：1．控制方式与拖动需要相适应。控制方式并非越先进越好，而应该以经济效益为标准。控制逻辑简单、加工程序基本固定的生产机械设备，采用继电器接触器控制方式比较合理；对于经常改变加工程序或控制逻辑复杂的生产机械设备，则采用可编程序控制器较为合理。2．控制方式与通用化程度相适应。通用化是指生产机械加工不同对象的通用化程度，它与自动化是两个概念。对于某些加工一种或几种零件的专用机床，它的通用化程度很低，但它可以有较高的自动化程度，这种机床宜采用固定的控制电路；对于单件、小批量且可以加工形状复杂零件的通用机床，则采用数字程序控制，或采用可编程序控制器控制，因为他们可以根据不同的加工对象而设定不同的加工程序，因而有较好的通用性和灵活性。33．控制方式应最大限度满足工艺要求。根据加工哦年工艺要求，控制线路应具有自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性连锁、信号指示和故障诊断等功能，以最大限度满足工艺要求。4．控制电路的电源应当可靠。简单的控制电路可直接用电网电源，元件较多、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。对于自动化程度较高的生产设备可采用直流电源，这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，操作维修也比较安全。影响方案确定的因素很多，最后选定方案的技术水平和经济水平，取决于设计人员的设计经验和设计方案的灵活运用。第二节电气控制线路的设计方法生产机械的电气控制系统使生产机械的重要组成部分，它对生产机械能否正确可靠地工作起着决定性的作用。因此，设计电气控制线路前，应对生产机械的工作性能、基本结构、运动情况及加工工艺过程有充分的了解，特别要明确生产工艺对电气控制提出的要求，在此基础上，再来考虑控制方案，如控制方式、起动、反向、制动、调速灯控制，设置必要的保护与联锁，以保证满足生产机械的工艺要求。在进行具体电路设计时，首先应设计主电路，然后设计控制电路，最后是信号电路及局部照明电路等。初步设计完成后，应当仔细检查，看线路是否符合设计要求，并尽可能使之完善和简化，最后选择所用电器的型号与规格。一、控制线路的设计要求不同用途的电气控制线路，其控制要求有所不同，一般应满足以下要求：1.应能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。2.线路结构力求简单，尽量选用常用的且经过实际考验过的线路。3.操作、调整和检修方便。4.具有各种必要的保护装置和联锁环节，即使在误操作时也不会发生重大事故。5.工作稳定，安全可靠，符合使用环境条件。二、控制线路的设计方法电气控制线路的设计方法有两种，一种是经验设计法，另一种是逻辑设计法。经验设计法，它是根据生产工艺的要求，按照电动机的控制方法，采用典型环节线路直接进行设计，先设计出各个独立的控制电路，然后根据设备的工艺要求决定各部分电路的联锁或联系。这种方法比较简单，但是对于比较复杂的线路，设计人员必须具有丰富的工作经验，需绘制大量的线路图，并经多次修改后才能得到符合要求的控制线路。逻辑设计法，采用逻辑代数进行设计，按此方法设计的线路结构合理，可节省所用元件的数量。三、设计控制线路时应注意的问题设计具体线路时，为了使线路设计得简单且准确可靠，应注意以下几个问题。1．尽量减少连接导线设计控制电路时，应考虑各元器件的实际位置，尽可能减少配线时的连接导线。4如图6.1（a）所示电路是不合理的。因为按钮一般是安装在操作台上的，而接触器是安装在电气柜内的，这样接线就需要由电气柜内二次引出连接线到操作台上，所以一般都将起动按钮与停止按钮直接连接，这样就可以减少一次引出线，如图6.1（b）所示为合理的连接。(a)不合理(b)合理图4.1电器连接图2．正确连接电器的线圈电压线圈通常不能串联使用，如图6.2（a）所示为不正确的连接。由于他们的阻抗不尽相同，造成两个线圈上的电压分配不等。即使是两个同型号线圈，外加电压是他们的额定电压之和，也不允许这样连接，因为电器动作总有先后，当有一个接触器先动作时，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，严重时将使线圈烧毁。电感量相差悬殊的两个电器线圈，也不要并联连接。图6.2（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时继电器又吸合一段时间，从而造成继电器的误动作。解决的方法是可以各用一个接触器的触点来控制。如图6.2（c）所示。(a)错误(b)错误(c)正确图4.2电磁线圈连接图3．控制线路中应避免出现寄生电路寄生电路是线路动作过程中意外接通的电路。如图4.3HL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，线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；反转时亦然。5图4.3寄生电路4．尽可能减少电器数量、采用标准件和相同型号的电器尽量减少不必要的触点以简化线路，提高线路可靠性．如将图4.4（a）中线路改成图6.4（b）所示的线路后，可减少一个触点。图4.4简化线路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。5．多个电器的依次动作问题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。6．可逆线路的联锁在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器之间不仅要由电气联锁而且要有机械联锁。7．完善的保护措施在电气控制线路中，为保证操作人员、电气设备及生产机械的安全，一定要有完善的保护措施。常用的保护环节有漏电流、短路、过载、过流、过压、失压等保护环节。有时还应设有合闸、断开、事故、安全等必需的指示信号。第三节电气控制线路中设计中的电动机选择电动机是生产机械电力拖动系统的拖动元件，选择电动机的原则是：经济、合理、安全。选择电动机的指标是结构形式、类型、转速、额定电压和功率。正确的选择电动机，对设备性能影响很大。6一、电动机结构的选择电动机具有不同的防护型式，如防护式、封闭式、防爆式等等，具体要根据电动机的工作条件来选择。1．现代设备，如机床，多选用防护式电动机，而在某些场合，在操作者和设备安全有保证的条件下也可采用开启式电动机，以利于散热和提高效率。2．在污染严重或粉尘较多的场所，应选用封闭式电动机。3．有爆炸危险的厂房车间，应选择防爆式电动机。4．比较潮湿或冷却液流散的场所，也应选择封闭型电动机；若温度较高的时，应考虑选用湿热型电动机。5．露天作业，除选用封闭式电动机外，还应加防护措施。二、电动机类型的选择选择电动机类型的依据是在安全经济的条件下，适应设备工作特性的要求。1．由于笼型异步电动机造价低，使用维修方便，所以对速度无特殊要求的设备应首先选择笼型异步电动机。2．要求有调速性能的设备，可选用直流电动机，当然也可以采用交流调速装置而选用交流电动机，但要考虑其经济性。3．对要求速度变化级数较少的场合，可选用多速异步电动机。4．对要求调速范围较宽的设备，除考虑直流拖动外，还应考虑是否需要机械变速和电气调速结合使用。三、电动机转速的选择对于额定功率相同的电动机，额定转速愈高，电动机体积、重量和成本就愈小。因此，在条件允许的情况下，应尽可能选用高速电动机，但要根据设备对转速的要求，综合考虑电动机转速和机械传动两方面的多种因素来确定电动机额定转速，一般要考虑以下几个方面：1．低速运转的设备，宜选用一适当的转速为参考转速，以该转速选择电动机并与减速机构联合传动。2．对中高速运转的设备，可选用适当速度的电动机直接拖动。3．对要求调速的设备，应注意电动机转速与设备要求的最高转速相适应，使得调速范围留有余地。4．对经常起动、制动及反转的设备，如冶金及起重设备，其电动机的转速不宜选得过高，电动机的转动惯量应越小越好。四、电动机额定电压的选择交流电动机的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220/380V（Δ/Y连接）