第04章电气控制系统的设计

1第四章电气控制系统的设计第四章电气控制系统的设计第一节电气控制系统设计的一般原则、基本内容和设计程序第二节电气原理电路设计的方法与步骤第三节电气控线路设计的主要参数计算和元器件选择第四节电气控制装置的工艺设计2第四章电气控制系统的设计为电气控制装置的制造、使用、运行及维修的需要进行的生产施工设计电气控制系统的设计包括两个基本内容：1、电气原理图设计为满足生产机械和工艺的控制要求进行的电气控制电路设计2、电气工艺设计决定着生产机械设备的合理性与先进性，是电气控制系统设计的核心。决定着电气控制系统生产可行性、经济性、美观、使用维修方便3第四章电气控制系统的设计第一节电气控制系统设计的一般原则、基本内容和设计程序一、电气控制系统设计的一般原则1.最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求2.设计方案要合理3.机械设计与电气设计应相互配合4.确保控制系统安全可靠地工作4第四章电气控制系统的设计电气控制系统设计的基本任务是根据控制要求设计、编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图纸、资料等。图纸包括电气原理图、电气系统的组件划分图、元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板图、电器元件安装底板图和非标准件加工图等。文字资料包括编制外购件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等。二、电气控制系统设计的基本任务、内容5第四章电气控制系统的设计电气控制系统设计的内容主要包含原理设计与工艺设计两个部分：1、原理设计内容l）拟订电气设计任务书2）确定电力拖动方案和控制方式3）确定电动机的类型、型号、容量、转速4）设计电气控制原理图5）选择电器元件，制订元器件明细表6）编写设计说明书二、电气控制系统设计的基本任务、内容6第四章电气控制系统的设计2、工艺设计内容1）设计电气总布置图、总安装图与总接线图2）设计组件布置图、安装图和接线图3）设计电气箱、操作台及非标准元件4）列出元件清单5）编写使用维护说明书二、电气控制系统设计的基本任务、内容10第四章电气控制系统的设计一、电气控制原理电路的基本设计方法电气控制原理电路设计的方法有分析设计法和逻辑设计法。1、分析设计法分析设计法是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节按其联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整线路。当没有现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计。优点：设计方法简单，无固定的设计程序，容易为初学者所掌握，在电气设计中被普遍采用缺点：设计出的方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周全时会影响线路工作的可靠性第二节电气控制原理电路设计的方法与步骤11第四章电气控制系统的设计2、逻辑设计法逻辑设计法是利用逻辑代数来进行电路设计，从生产机械的拖动要求和工艺要求出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，主令电器的接通与断开看成逻辑变量，根据控制要求将它们之间的关系用逻辑关系式来表达，然后再化简，做出相应的电路图。优点：是能获得理想、经济的方案缺点：难度较大，设计过程复杂，在一般常规设计中，很少单独采用二、电气原理图设计的基本步骤（l）根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图（2）设计出原理框图中各个部分的具体电路设计时按主电路→控制电路→辅助电路→联锁与保护→总体检查，反复修改与完善的步骤进行。（3）绘制总原理图（4）恰当选用电器元件，并制订元器件明细表12第四章电气控制系统的设计三、原理图设计的一般要求1、电气控制原理应满足工艺的要求2、控制电路电源种类与电压数值的要求13第四章电气控制系统的设计（1）避免触头的“竞争”和“冒险”现象竞争：是指在一个控制信号作用下，电路从一种稳定状态转换到另一稳定状态，常常有几个元器件的触头状态同时发生变化，由于各电器元件总有一定的动作时间，对时序电路来说，往往发生不按时序动作的情况，触头争先吸合，就会得到几个不同的输出状态，这种现象称为电路的“竞争”。冒险：对于开关电路，由于电器元件的延时释放作用，存在开关元件不按要求的逻辑功能输出，这种现象称为“冒险”。“竞争”和“冒险”现象会造成电路不按控制要求动作，逻辑混乱，控制失灵，严重的还会造成相间短路，电机、电器及机械装置损害，危害极大。3、控制电路力求可靠、安全、简单、经济反身自停改进后14第四章电气控制系统的设计（2）正确连接电器线圈图4-1交流控制电路线圈连接图4-2直流控制回路大电感线圈与直流继电器线圈的连接15第四章电气控制系统的设计（3）合理安排电器元件和触点的位置图4-3电气元件和触头间的连接16第四章电气控制系统的设计（4）防止出现寄生电路图4-4寄生回路寄生电路是指在控制电路的动作过程中，出现的不是由于误操作而产生的意外接通的电路。17第四章电气控制系统的设计（5）尽量减少连接导线的数量，缩短连接导线的长度（6）控制电路工作时，应尽量减少通电电器的数量；控制触头应合理布置18第四章电气控制系统的设计（7）考虑触头的接通和分断能力（8）应具有必要的保护环节在电路中采用小容量的继电器触点来断开或接通大容量接触器线圈时，要分析触点容量的大小。若不够时，必须加大继电器容量或增加中间继电器，否则工作不可靠。常用的有漏电开关保护、过载、短路、过电流、过电压、失电压、联锁与行程保护等措施。19第四章电气控制系统的设计一、异步电动机起动、制动电阻的计算1、三相绕线转子异步电动机起动电阻的计算绕线式异步电动机在起动时，为降低起动电流，增加起动转矩，并获得一定的调速范围，常采用转子串电阻降压起动方法，因此要确定外接电阻的级数和电阻的大小。电阻的级数越多，转矩波动就越小，控制电路也就越复杂。通常电阻级数可以根据表4-2来选取。下面介绍平衡短接法电阻阻值的计算。起动电阻级数确定后，转子绕组中每相串联的各级电阻值，可用下式计算：第三节电控线路设计的主要参数计算rkRnmn式中，n为各级起动电阻的序号，n=1且表示第一级，即最先被短接的电阻；m为起动电阻级数；k为常数；r为最后被短接的那一级电阻值。20第四章电气控制系统的设计msk1113122mkkIsEr式中，s为电动机额定转差率；E2为正常工作时电动机转子电压（V）；I2为正常工作时电动机转子电流（A）。每相起动电阻的功率为：RIPs231212~I2s为转子起动电流（A），取I2s＝1.5I2；R为每相的串联电阻（Ω）。2、笼型异步电动机反接制动电阻的计算反接制动时，三相定子回路各相串联的限流电阻R估算：sIUkR式中，Uφ为电动机定子绕组相电压（V）；Is为全压起动电流（A）；k为系数，当最大反接制动电流Im＜Is肘，取k＝0.13；当Im＜0.5Is时，取k＝1.5。k、r计算：21第四章电气控制系统的设计反接制动时，若仅在两相定子绕组中串接限流电阻，选用电阻值是上述计算值的1.5倍。制动电阻的功率为：式中，IN为电动机额定电流；R为每一相串接的限流电阻值。根据制动频繁程度适当选取前面系数。RIPN24121~二、笼型异步电动机能耗制动参数1、能耗制动直流电流与电压的计算直流电流越大，制动效果越好，但过大的电流引起绕组发热，能耗增加，且当磁饱和后对制动转矩的提高也不明显，通常制动直流电流Id按下式或0)42(IId～NdII)21(～RIUddI0为电动机空载电流；IN为电动机额定电流。制动时，直流电压Ud为：R为两相串联定子绕组的冷电阻22第四章电气控制系统的设计2、整流变压器参数计算（1）变压器二次交流电压（2）变压器容量由于变压器仅在能耗制动时工作，所以容量允许比长期工作时小。根据制动频繁程度，取计算容量的0.25~0.5倍。三、控制变压器的选用控制变压器一般用于降低控制电路或辅助电路电压，以保证控制电路安全性和可靠性。选择控制变压器的原则为：（l）控制变压器一、二次侧电压应与交流电源电压、控制电路电压与辅助电路电压要求相符。（2）应保证变压器二次侧的交流电磁器件在起动时能可靠的吸合。（3）电路正常运行时，变压器温升不应超过允许温升。9.0/2dUU23第四章电气控制系统的设计（4）控制变压器容量的近似算式：式中，S为控制变压器容量（VA）；S1为电磁器件的吸持功率（VA）；S2为接触器、继电器起动功率（VA）；S3为电磁铁起动功率（VA）；K为电磁铁工作行程L与额定行程LN之比的修正系数。当L/LN＝0.5-0.8时，K＝0.7-0.8；当L/LN=0.85-0.9时，K＝0.85-0.95；当L/LN＝0.9以上时，K=1。满足上式时，可以保证电器元件的正常工作。式中系数0.25和0.125为经验数据，当电磁铁额定行程小于15mm，额定吸力小于15牛时，系数0.125修正为0.25。系数0.6表示在电压降至60%时，已吸合的电器仍能可靠地保持吸合状态。控制变压器也可按长期运行的温升来考虑，这时变压器容量应大于或等于最大工作负荷的功率，即KSSSS321125.025.06.011KSS24第四章电气控制系统的设计式中，S1为电磁器件吸持功率（VA）；K1为变压器容量的储备系数，一般K1取1.l-1.25。控制变压器容量也可按下式计算式中的S、S1、S2同前式。四、接触器的选用不同的使用场合及控制对象，接触器的操作条件与工作繁重程度也不同。为尽可能经济正确地使用接触器，必须对控制对象的工作情况及接触器的性能有较全面的了解，不能仅看产品的铭牌数据，因接触器铭牌上所标定的电压、电流、控制功率等参数均为某一使用条件下的额定值，选用时应根据具体使用条件正确选择。（1）根据接触器所控制负载的工作任务来选择所使用的接触器类别。接触器的触头数量、种类等应满足控制线路的要求。（2）根据接触器控制对象的工作参数（如工作电压、工作电流、控制功率、操作频率、工作制等）确定接触器的容量等级。（3）根据控制回路电压决定接触器线圈电压。（4）对于特殊环境条件下工作的接触器应选用特定的产品。215.16.0SSS25第四章电气控制系统的设计（－）交流接触器的选用交流接触器控制的负载可分为电动机负载和非电动机类负载（如电热设备、照明装置、电容器、电焊机等）。1、电动机负载时的选用把电动机的负载按轻重程度分为一般任务、重任务和特重任务三类。（l）一般任务主要运行于间歇性使用类别，其操作频率不高，用来控制笼型异步电动机或绕线转子电动机，在达到一定转速时断开，并有少量的点动。这种任务在使用中所占的比例很大，并常与热继电器组成电磁起动器来满足控制与保护的要求。属于这一类的典型机械有：压缩机、泵、通风机、升降机、传送带、电梯、搅拌机、离心机、空调机、冲床、剪床等。选配接触器时，只要使选用接触器的额定电压和额定电流等于或稍大于电动机的额定电压和额定电流即可，通常选用CJ10系列。26第四章电气控制系统的设计（2）重任务主要运行于包括间歇性和正常运行的混合类别，平均操作频率可达100次／h或以上，用以起动笼型或绕线转子电动机，并常有点动、反接制动、反向和低速时断开。属于这一类的典型机械有：车床、钻床、铣床、磨床、升降设备、轧机辅助设备等。在这类设备的控制中，电动机功率一般在20kW以下，因此选用CJ10Z系列重任务交流接触器较为合适。（3）特重任务主要运行于几乎长期运行的类别，操作频率可达600~1200次/h，个别的甚至达3000次/h，用于笼型或绕线转子电动机的频繁点动、反接制动和可逆运行。属于这一类的典型设备有：印刷机、拉丝机、镗床、港口起重设备、轧钢辅助设备等。选用接触器时一定要使其电寿命满足使用要求。对于已按重任务设计的CJ10Z等系列接触器可按电寿命选用，电寿命可按与分断电流平方成反比的关系推算。有时，粗略按电动机的起动电流作为接触器的额定使用电流来选用接触器，便可得到较高的电寿命。由于控制容量大，常可选用CI12系列。27第四章电气控制系统的设计有时为了减少维护时间和频繁操作带来的噪声，可考虑选用晶闸管交流接触器。交流接触器的主要参数是：主触头额定电流、额定电压及线圈控制电压。一般来说，接触器主触头的额定电压应