工业电气控制系统的设计

第4章工业电气控制系统的设计机电设备的设计工作包括：•机械设计•电气设计电气设计通常是和机械设计同时开始，交叉进行的。4.1电气控制线路设计的基本原则4.1.1满足生产机械和工艺对电气控制系统要求原则4.1.2控制线路力求简单、经济原则1.尽量减少电器元件的数量，选用标准电器元件，尽可能选用相同型号的电器元件以减少备用品的数量。2.尽量选用标准的、常用的或经过实践考验的典型环节或基本电气控制线路。3.尽量减少不必要的触头，以简化电气控制线路，降低故障几率，提高工作可靠性。（1）合并同类触头（2）利用转换触头（3）在直流电路中利用半导体二极管的单向导电性++--（4）利用逻辑代数对电路化简以减少触头的数目。4.尽量缩短连接导线和长度。设计控制电路时考虑到各元件之间的实际位置，如控制柜、操作台、限位开关等。5.尽量减少电器不必要的通电时间4.1.3保证电气控制电路工作的可靠性原则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.正确连接电器元件的线圈。在交流控制线路中，即使外加电压是两个线圈额定电压之和，也不允许两个电器元件的线圈串联使用。两电感量相差悬殊的直流电压线圈不能直接并联。YA为电感量较大的电磁铁线圈，KA为电感量较小的中间继电器线圈。3.正确连接电器元件的触头SQ常开和常闭触点分别接在电源的不同相上，当触头断开产生电弧时，可能在两触头间形成飞弧造成电源短路。由于两触头间的电位相同，就不会造成电源短路。可减少导线段数和缩短导线长度。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圈时，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。若要增加接通能力，可用多触头并联；若要增加分断能力，可用多触头串联。5.在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器之间不但要有电气联锁，而且还要有机械联锁。6.设计的电气控制线路应能适应所在电网的情况，如电网容量大小，电压频率的波动范围，以及允许的冲击电流数值等。并据此来决定电动机的起动方式是直接起动或是间接起动。7.在电气控制线路中应尽量避免许多电器元件依次动作才能接通另一个电器元件的现象，以增加线路的可靠性。8.防止出现寄生回路在电气控制线路的动作过程中，意外接通的电路称为寄生回路。寄生回路将破坏电器元件和控制线路的工作顺序或造成误动作。热继电器FR起不了保护作用。9.防止线路出现触头竞争现象KT整定的延时时间太短，甚至小于其瞬时触点的动作时间，则无法使KT的线圈失电。4.1.4保证电气控制电路工作的安全性原则在自动控制系统中，常用的保护环节有：•短路保护•过流保护•过载保护•过压保护•失压保护•弱磁保护•超速极限保护1.短路保护当电路发生短路时，强大的短路电流造成的电热效应和电应力效应容易引起各种电气设备和电器元件的绝缘损坏及机械损坏。当电路发生短路时，必须迅速而可靠地切断电源。采用熔断器作短路保护当主电机容量较小时，其控制电路不需另设熔断器，主电路中的熔断器也可兼作控制电路的短路保护。当主电机容量较大时，则控制电路必须单独设置短路保护用熔断器。采用断路器（自动空气开关）作短路保护它既可以作为短路保护，又可以作为过载保护。2.过电流保护在电动机运行过程中，有各种各样的原因，会引起电动机产生很大的电流，从而造成电动机或生产机械设备的损坏。一般采用过电流继电器KI实现的过电流保护。I3.过载保护电动机长期过载运行，其绕组的温升将超过允许值而造成电动机的损坏，所以应设置过载保护环节。4.失压保护失压保护——防止电压恢复时电动机自行起动的保护。在电动机正常工作时，如果电源电压消失，电动机停转。当电源电压恢复时，如果电动机自行起动，则可能造成设备损坏甚至人身伤亡事故。5.弱磁保护直流并励电动机、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。弱磁继电器的吸合值整定为额定励磁电流的0.8倍。对于调磁调速的电动机，弱磁继电器的释放值为最小励磁电流的0.8倍。6.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。7.其他保护根据生产机械的不同要求和可能出现的各种现象，可设置温度、水位、欠压等保护环节。4.1.5操作、维护、检修方便原则•电器元件应留有备用触头，必要时留有备用电器元件，以便检修、调整改接线路；•设置电气隔离，避免带电检修；•控制机构应操作简单、便利，能迅速而方便地实现从一种控制方式到另一种控制方式的转换，如从自动控制转换到手动控制等；•设置多点控制，便于在生产机械旁进行调试；•操作回路较多时，应采用主令控制器，而不采用许多按钮的方式。4.2电气控制线路设计的基本程序4.2.1拟定电气设计任务书在任务书中，应简要说明所设计的机械设备型号、用途、工艺过程、技术性能、传动方式及现场环境条件等。技术指标及要求：1.控制精度，生产效率要求；2.用户供电电网的种类、电压等级、频率及容量；3.有关电力拖动的基本特性，如电动机的数量、用途、负载特性、调速范围以及对起动、反向和制动的要求等；4.有关电气控制的特性，如电气控制的基本方式、自动工作循环的组成、动作程序、电气保护及联锁条件等；5.有关操作方面的要求，如操作台的布置、测量和信号指示、故障报警及照明等；6.机床主要电气设备（如电动机、执行电器和行程开关等）的参数及布置草图。4.2.2电力拖动方案的选择电力拖动方案：是指根据生产工艺要求、生产机械的结构、运动部件的数量、运动要求、负载特性、调速要求及投资金额等条件，来确定电动机的类型、数量、拖动方式，并拟定电动机的起动、运行、调速、转向、制动等控制要求，作为电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。1.电气传动方式（1）单机拖动一台设备只有一台电动机，通过机械传动链将动力传送到各个工作机构。（2）分机拖动一台设备由多台电动机分别驱动各个工作机构。2.调速性能在选择调速方案时，可参考以下几点。（1）重型或大型设备主运动及进给运动，尽可能采用无级调速。有利于简化机械结构，缩小齿轮箱体积，降低制造成本，提高机床利用率。（2）精密机械设备为了保证加工精度和动作的准确性，便于自动控制，也应采用电气无级调速方案。（3）一般中小型设备用经济、简单、可靠的三相鼠笼式异步电动机，配以适当级数的齿轮变速箱。当调速范围D=2~3，调速级数≤2~4时，可采用双速或多速的鼠笼式异步电动机。3.负载特性为使电动机得到充分合理的应用，要求电动机的调速特性与负载特性相适应。例如，双速鼠笼式异步电动机当定子绕组由三角形联接改接成双星形联接时，转速增加一倍，功率却增加很少。它适用于恒功率传动。对于低速为星形联接的双速电机改接成双星形后，转速和功率都增加一倍，而电动机所输出的转矩却保持不变，它适用于恒转矩传动。他激直流电动机的调磁调速属于恒功率调速，而调压调速则属于恒转矩调速。4.起动和制动要求机械设备主运动传动系统的起动转矩一般都比较小，原则上可采用任何一种起动方式。对于它的辅助运动，在起动时往往要克服较大的静转矩，所以在必要时可选用高起动转矩的电动机，或采用提高起动转矩的措施，如对绕线式异步电动机转子串接对称电阻的起动。起动的要求对于电网容量不大而起动电流较大的电动机，要采取限制起动电流的措施，常用的方法有：•在定子电路中串入电阻或电抗，•星三角起动•延边三角形起动•使用自耦变压器降压起动等以免电网电压波动较大而造成事故。如果对于制动的性能无特殊要求而电动机又不需要反转时，则采用反接制动，可使控制线路简化。在要求制动平稳、准确，而且在制动过程中不允许有反转可能性时，则宜采用能耗制动方式。在起吊运输设备中也常常采用具有联锁保护功能的电磁机械制动（俗称电磁抱闸）。有些场合也采用再生发电制动（回馈制动）。制动的要求4.2.3电动机的选择电动机选择的基本原则：1.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，以保证生产过程中运行稳定性并具有一定的调速范围和良好的起、制动性能。2.电动机的结构形式应满足机械设计提出的安装要求，并适应周围环境的工作条件。3.根据电动机的负载和工作方式，正确选择电动机的容量。①对于恒定负载长期工作制的电动机，其容量的选择应保证电动机的额定功率等于或大于负载所需要的功率；②对于变动负载长期工作制的电动机，其容量的选择应保证当负载变到最大时，电动机仍能给出所需要的功率，同时电动机的温升不超过允许值；③对于短时工作制的电动机，其容量的选择应按照电动机的过载能力来选择；④对于重复短时工作制的电动机，其容量的选择原则上可按照电动机在一个工作循环内的平均功耗来选择。4.电动机电压的选择应根据使用地点的电源电压来决定，常用为380V、220V。5.在没有特殊要求的场合，一般均采用交流电动机，仅在起动、制动和调速不满足要求时才选择直流电动机。6.根据生产机械的功率负载和转矩负载选择电动机的额定功率。4.2.4电气控制方案的确定选择电气控制方案遵循的主要原则：1.自动化程度与国情相适应；2.控制方案应与设备的通用化及专用化相适应；3.控制方案随控制过程的复杂程度而变化；4.控制系统的工作方式，应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺要求。4.2.5控制方式的选择控制方式主要有：时间控制方式：利用时间继电器、可编程序控制器或微型计算机的延时单元，它将感测系统接受的输入信号经过延时一段时间后才发出输出信号，从而实现电路切换的时间控制。速度控制方式：利用速度继电器或测速发电机，间接或直接地检测某机械部件的运动速度，来实现按速度原则的控制。电流控制方式：借助于电流继电器，它的动作反映了某一电路中的电流变化，从而实现按电流原则的控制。行程控制方式：利用生产机械运动部件与事先安排好位置的行程开关或接近开关相互配合，而达到位置控制的作用。说明•时间控制方式一般不用于反接制动控制，而适用于异步电动机的能耗制动控制。•一般对组合机床和自动线等的自动工作循环，为了保证加工精度而常用行程控制。•对反接制动和速度反馈环节用速度控制。•对星三角降压起动或多速电动机的变速控制则采用时间控制。•对过载保护、电流保护等环节则采用电流控制。4.3电气控制线路的设计方法电气控制线路的设计有两种方法；1.经验设计法2.逻辑设计法4.3.1经验设计法1.经验设计法的基本步骤①主电路设计。主要考虑电动机的起动、点动、正反转、制动和调速。②控制电路设计。主要考虑如何满足电动机的各种运转功能及生产工艺要求，包括基本控制线路和控制线路特殊部分的设计，以及选择控制参量和确定控制原则。③连接各单元环节，构成满足整机生产工艺要求，实现生产过程自动或半自动及调整的控制电路。④联锁保护环节设计。主要考虑如何完善整个控制线路的设计，包含各种联锁环节及短路、过载、过流、失压等保护环节。⑤线路的综合审查。反复审查所设计的控制线路是否满足设计原则和生产工艺要求。在条件允许的情况下，进行模拟实验，直至电路动作准确无误，并逐步完善整个电气控制线路的设计。2.经验设计法的基本方法①根据生产机械的工艺要求和工作过程，将现有的典型环节有机地组合起来加以适当的补充和修改，综合成所需要的电气控制线路。②若不能选择到适合的典型环节，则根据生产机械的工艺要求和生产过程自行设计，边分析边画图，将输入的主令信号经过适当转换，得到执行元件所需的工作信号。随时增减电器元件和触头，以满足所给定的工作条件。3.经验设计法举例有一台二级皮带运输机，分别由M1、M2二台电动机拖动，要求：（1）按先起动M1，5s后再起动M2；（2）按先停止M2，5s后再停止M1。主电路M1～3QSKM1FU1FR1L1L2L3M2～3KM2FU2FR212控制电路SB1KM1FU3FU312KM1FR1KM2FR2KT1KT1SB0KT2KT2KT2KT24.3.2逻辑设计法继电器控制线路实际上是按一定逻辑关系组合的线路，或称开关线路。因此，可以用逻辑代数方法分析和设计这类控制线路。采用逻辑设计法能获得理想、经济的方案，所用元件数量少，各元件能充分发挥作用