第四章电气控制系统设计介绍

第四章电气控制线路的设计第一节电气控制线路设计的一般原则一、最大限度地满足生产机械和工艺对电气控制线路的要求二、保证控制线路的工作安全、可靠1.电器元件的选择为了保证电气控制线路工作的安全性和可靠性，首先要选用可靠的电器元件，也就是说应尽可能选用机械和电气寿命长、结构坚实、动作可靠、抗干扰性能好的电器。二、保证控制线路的工作安全、可靠2.正确连接电器的线圈在交流控制线路中，不能通过串联两个电器的线圈（如图3-1a所示）达到使其同时动作的目的。其线圈应并联连接，如图3-1b所示。KKM1KM2a)b)图3-1线圈的连接a)不合理b)合理KKM1KM2二、保证控制线路的工作安全、可靠2.正确连接电器的线圈对于直流电磁线圈，最好不直接并联连接，尤其是二者电感量相差悬殊时。如图3-2a所示，正确的连接如图3-2b所示，将电磁铁线圈和继电器线圈分别由接触器KM的动合触头控制。KMYARdKKRdYAKMKMa)b)图3-2直流电磁线圈的连接a)不正确b)正确二、保证控制线路的工作安全、可靠3.正确连接电器的触头同一电器的动合触头和动断触头相距很近，如果分别接在电源的不同相上，如图3-3a所示，有可能在两个触头之间形成飞弧而造成电源短路。如果按图3-3b接线，提高了线路工作的可靠性。1221图3-3触头的连接a)不合理b)合理二、保证控制线路的工作安全、可靠4.避免多个电器元件依次接通如图3-4a所示，继电器K3线圈的接通要经过K、K1、K2三对动合触头，如果其中一对触头接线不牢，都会造成K3无法正常工作。应改为图3-4b。a)b)KK1K2K3K2K1KK1K2K3K2K1图3-4避免多个电器元件依次接通a)不合理b）合理二、保证控制线路的工作安全、可靠5.电器线圈回路不能串接自身的触头SBKMKM1KM2KM3SBKMKM3KM1KM2a)b)图3-5电器线圈回路串接自身动断触头二、保证控制线路的工作安全、可靠6.控制线路中应避免出现寄生电路在电气控制线路工作过程中意外接通的电路称为寄生电路。寄生电路的出现将影响控制线路的正常工作，造成误动作，应尽可能避免。31112221212图3-7防止寄生电路212123123121212212121121有寄生电路）无寄生电路二、保证控制线路的工作安全、可靠7.避免电路竞争“竞争”现象的存在将造成电气控制线路不能按照设计的要求完成既定动作，有可能引起控制失灵，或发生误动作，因此在设计中应尽量避免。8.电气联锁和机械联锁共用SB2KM1SB1KTKM2KTKM2KM2KM1图3-8电路竞争现象三、在满足工艺要求前提下，控制线路力求经济、简单1.尽量减少电器元件的品种、规格和数量，同一用途的器件尽可能选用相同品牌、相同型号的产品，以减少备品备件的种类和数量。2.尽量减少不必要的触头，这样不但可以简化线路，而且可以减少出故障的机会。121211212图3-9减少触头数量SB1KMSB2KMSB2SB1KMKMa)b)图3-10减少连接导线a)不合理b)合理三、在满足工艺要求前提下，线路力求经济、简单3.尽量缩减连接导线的数量和长度。设计控制线路时，各个电器元件之间的接线应合理布局，特别是安装在不同地点的电器元件之间的连线更应予以充分的考虑，否则不但会造成导线的浪费，甚至还会影响线路工作的安全。三、在满足工艺要求前提下，线路力求经济、简单4.控制线路在工作时，除必要的电器元件外，其余电器应尽量不长期通电，以延长电器元件的使用寿命和节约电能。212112221112图3-11减少通电电器数量a)不合理b）合理四、应设置必要的保护环节1.短路保护2.过电流保护3.过载保护4.断相保护5.零（欠）压保护四、应设置必要的保护环节1.短路保护电路发生短路时会引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力，使电路中的各种电气设备发生机械性损坏。因此当电路出现短路电流时，必须迅速、可靠地切断电源，以防止短路电流流过电动机，使电动机发生严重损坏。常用的短路保护方法是采用熔断器和自动空气开关。四、应设置必要的保护环节2.过电流保护过电流会使电动机流过过大的冲击电流而损坏电动机的换向器，同时过大的电动机转矩也会使机械传动部件受到损坏，因此要及时切断电源。在电动机运行过程中，过电流出现的可能性比短路要大，特别是在频繁启动和正反转运行、重复短时工作制的电动机中更是如此。过电流保护常用于限流启动的直流电动机和绕线式异步电动机中，采用过电流继电器作保护器件。四、应设置必要的保护环节3.过载保护与短路保护和过电流保护相同，过载保护也属于电流型保护。通常采用热继电器作长期过载保护元件。但是由于热惯性的关系，热继电器不会在短路电流的冲击下而瞬时动作，当有8~10倍额定电流通过时，热继电器需经过1~3s的时间才能动作，这样在热继电器尚未动作时，其热元件就可能已经烧损。因此，在使用热继电器作过载保护时，应与短路保护装置配合使用。四、应设置必要的保护环节4.断相保护电源缺相、一相熔断器熔断、开关或接触器的一对触头接触不良或者电动机内部断线等都会引起电动机缺相运行。缺相运行时，电动机转速降低甚至堵转，使电动机严重发热，甚至烧损电动机的绝缘和绕组。此时必须用带有专门为断相运行而设计的断相保护机构的三相热继电器才能达到保护目的。四、应设置必要的保护环节5.零（欠）压保护零压保护的作用就在于防止电源电压恢复时电动机的自行启动。在电动机运转时，过低的电源电压会使电动机转速下降甚至堵转，从而出现数倍于额定电流值的过电流，因此需要在电源电压下降到0.5~0.7URT时自动将电动机电源切除，这种保护称为欠电压保护。通常直接利用线路中并联在启动按钮两端的接触器自锁触头来实现零（欠）压保护。第二节电动机容量的选择一、概述(一)为什么要正确选择电动机(二)电动机选择的主要内容1.电动机种类的选择2.电动机型式的选择3.电动机额定电压的选择4.电动机额定转速的选择5.电动机容量的选择a.发热：θmax≤θab.过载能力：TLmax≤Tmax=λ´mTRTc.起动能力：TL＜λstTRT二、电动机的发热和冷却（一）电动机的发热过程（二）电动机的冷却过程τ图3-14电动机的温升、温降曲线三、不同工作制下电动机容量的选择电动机按发热状况分为三类：连续工作制、短时工作制和重复短时工作制。（一）连续工作制电动机容量的选择特点：电动机的连续工作时间tp＞(3～4)Th，运行中电动机的稳定温升可以达到稳定值。连续工作制电动机的负载分为两类：恒定负载和变动负载。1.带恒定负载时电动机容量的选择PRT≥PL图3-15恒定负载长期连续工作负载图及温升曲线例3-1一台低压离心式水泵与电动机直接连接，流量Q=50m3/h，总扬程H=15m，转速n=1450r/min，效率η1=0.4，试选择电动机。2.带变动负载时电动机容量的选择a.等效电流法为:IRT≥Ieq图3-16变动负载连续工作的负载图及温升曲线)5-(3Ieq12222121niinnttItItI)7-(3¨Peq12222121niinnttPtPtPb.等效转矩法为:TRT≥Teqc.等效功率法为:PRT≥Peq6)-(3Teq12222121niinnttTtTtT例3-2某台电动机直接拖动一生产机械，其转矩变化负载图如图3-17所示，要求生产机械的转速n=1450r/min左右。试选择电动机。图3-17例3-2的负载图(二)短时工作制电动机容量的选择特点:生产机械工作时间较短tp＜(3～4)Th，而停车时间却很长to＞(3～4)T’h，则工作时温升达不到稳定值，而停车时温升可下降为零。图3-18短时工作制下电动机的负载图与温升曲线1.选用短时工作制电动机标准持续运行时间ts是10min，30min，60min和90min。（3-8）选取PRT≥PS的电动机，并进行过载和起动能力的校核。2.选用连续工作制电动机PRT≥PL/λ（3-9）λ—电动机短时工作过载倍数，与tp/Th有关。spttspsttPPp（三）重复短时工作制电动机容量的选择特点：工作时间（3～4）Th，停车（或空载）时间t0＜（3～4）T´h，工作时间内电动机的温升不能达到稳定温升，停车时间内温升尚未下降到零时，下一个周期又已经开始。这样每经过一个周期（tp+t0）温升便有所上升，经过若干个周期后，电动机温升将在一稳定的小范围内波动。重复短时工作制具有重复性与短时性的特点，通常用负载持续率（或暂载率）ε来表征重复短时工作制的工作情况，即ε==×100%(3-10)停车时间工作时间工作时间图3-20重复短时工作制电动机的负载图及温升曲线0tttpp1.选用重复短时工作制电动机标准负载持续率εs规定为15%、25%、40%和60%四种，并以25%为额定负载持续率，同时规定一个周期的总时间（tp+t0）不超过10min。a.根据生产机械的负载图算出电动机的实际负载持续率ε，如果算出的ε值与电动机的额定负载持续率εsRT（25%）相等，即可从产品目录中查得额定功率PRT，使PRT等于或略大于生产机械所需功率P。b.如果算出的ε值不等于εsRT，则按下式换算(3-11)再根据εsRT从产品目录中查得PRT，选取PRT等于或略大于PS的电动机即可。例3-3一起重机的工作负载图如图3-20所示，其中P=10kW，工作时间tp=0.91min，空车时间t0=2.34min，要求采用转速为1000r/min左右的绕线式异步电动机，试选择之。%25PP=sRTsP2.选用连续工作制电动机•将εs视为100%，再按上述方法选择电动机。•在重复短时工作制下，如果负载是变动的，则仍可用前面已介绍过的“等效法”先算出其等效功率Peq，再按上述方法选取电动机。选好电动机容量后，需进行过载能力的校验。•负载持续率ε＜10%时，可按短时工作制选择电动机；当ε＞70%时，则按连续工作制选择电动机。四、电动机容量选择的统计法和类比法车床P=36.5D1.54,D为工件的最大直径（m）；立式车床P=20D0.88,D为工件的最大直径（m）；摇臂钻床P=0.0646D1.19,D为最大的钻孔直径（mm）；卧式镗床P=0.004D1.7,D为镗杆直径（mm）；龙门铣床P=B1.15/166,B为工作台宽度（mm）。第三节电气控制线路设计举例一、电气控制线路的设计方法电气控制线路的设计方法通常有两种，即经验设计法和逻辑设计法。•经验设计法是根据生产工艺要求，凭借设计人员的实际经验，将各种典型的基本控制环节加以合理综合，并适当配置联锁和保护等环节，从而形成满足控制要求的控制线路。•逻辑设计法是从满足生产工艺要求的角度出发，利用逻辑代数来设计电器控制线路，同时也可用于线路的分析和简化。二、电气控制线路设计实例放松方向夹紧方向SQ1SQ2M2123547891061-夹紧电动机；2-减速器；3-横梁；4-立柱；5-压板；6-导轨；7-夹紧杠杆；8-凸轮；9-挡块；10-偏心轴图3-24横梁夹紧机构工作原理图二、电气控制线路设计实例横梁升降—夹紧机构的工艺要求•点动操作，即按一下按钮，横梁移动一下；不按则停止。•横梁夹紧与横梁升降之间有一定的操作顺序，即：按下按钮，横梁夹紧机构自动放松，当完全放松后夹紧电动机自动停止，紧接着升降电动机自动起动，拖动横梁上下移动；松开按钮，横梁应立即停止移动，并自动夹紧于立柱上。•夹紧机构必须保证一定的夹紧力。当夹紧到一定程度时，夹紧电动机应自动停止。•应限制横梁在上下两个方向的移动距离，即向上不应碰到上梁，向下不应碰到左右侧刀架。•应具有必要的连锁保护：横梁升降与夹紧机构之间不能同时动作；横梁移动与主拖动（如工作台）之间也不能同时动作。二、电气控制线路设计实例L1L2L3QKFU1KM1KM2KM3KM4I移动电动机夹紧电动机a)FR1FR2KA图3-25龙门刨床横梁升降-夹紧自动控制线路a)主电路二、电气控制线路设计实例图3-25龙门刨床横梁升降-夹紧自动控制线路二、电气控制线路设计实例FU2FR1FR