電氣控制裝置設(shè)計基礎(chǔ).pptx

電氣控制裝置設(shè)計包括原理與工藝設(shè)計兩個方面 電氣工程技術(shù)人員 必須掌握電氣控制裝置設(shè)計的基本原則 設(shè)計內(nèi)容和一般設(shè)計方法 以便根據(jù)生產(chǎn)機械的拖動要求及工藝需要去設(shè)計各類圖紙和必要的技術(shù)資料 本章將討論電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計過程 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計要求具有較豐富的實踐經(jīng)驗 這里僅討論設(shè)計中的一般共性問題 第九章電氣控制裝置設(shè)計基礎(chǔ) 第一節(jié)電氣控制裝置設(shè)計的一般原則 基本內(nèi)容和設(shè)計程序正確的設(shè)計思想和工程觀點是高質(zhì)量完成設(shè)計任務(wù)的保證 一 電氣控制設(shè)計的一般原則在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中 通常應(yīng)遵循以下幾個原則 1 最大限度滿足生產(chǎn)機械和工藝對電氣控制的要求 2 在滿足控制要求的前提下 設(shè)計方案應(yīng)力求簡單 經(jīng)濟 不宜盲目追求自動化和高指標 3 妥善處理機械與電氣關(guān)系 4 正確合理的選用電器元件 5 確保使用安全 可靠 6 造型美觀 使用維護方便 二 電氣控制設(shè)計的基本任務(wù)與內(nèi)容電氣設(shè)計的基本任務(wù)是根據(jù)控制要求設(shè)計和編制出設(shè)備制造和使用維修過程中所必須的圖樣 資料 包括電氣原理圖 電氣系統(tǒng)的組件劃分與元器件布置圖 安裝接線圖 電氣箱圖 控制面板及電器元件安裝底板 廢標準緊固件加工圖等 編制外構(gòu)元件目錄 單臺材料消耗清單 設(shè)備說明書等資料 由此可見 電氣控制設(shè)計包含原理設(shè)計與工藝設(shè)計兩個基本部分 以電力拖動控制設(shè)備為例 二方面的設(shè)計內(nèi)容分述如下 一 原理設(shè)計內(nèi)容電氣控制系統(tǒng)原理設(shè)計內(nèi)容主要包括 1 擬訂電氣設(shè)計任務(wù)書 2 選擇拖動方案與控制方式 3 確定電動機的類型 容量 轉(zhuǎn)速 并選擇具體型號 4 設(shè)計電氣控制原理框圖 確定各部分之間的關(guān)系 擬訂各部分技術(shù)要求 5 設(shè)計并繪制電氣原理圖 計算主要技術(shù)參數(shù) 6 選擇電氣元件 制訂元器件目錄清單 7 編寫設(shè)計說明書 電氣原理圖是整個設(shè)計的中心環(huán)節(jié) 因為它是工藝設(shè)計和制訂其他技術(shù)資料的依據(jù) 二 工藝設(shè)計內(nèi)容工藝設(shè)計的主要目的是便于組織電氣控制裝置的制造 實現(xiàn)原理設(shè)計要求的各項技術(shù)指標 為設(shè)備的調(diào)試 維護 使用提供必要的圖樣資料 工藝設(shè)計主要內(nèi)容是 1 根據(jù)設(shè)計的原理圖及選定的電器元件 設(shè)計電氣設(shè)備的總體配置 繪制電氣控制系統(tǒng)的總裝配圖及總接線圖 2 按照原理框圖或劃分的組件 對總原理圖進行編號 繪制各組件原理電路圖 列出各部分的元件目錄表 并根據(jù)總圖編號統(tǒng)計出各組件的進出線號 3 根據(jù)組件原理電路及選定的元件目錄表 設(shè)計組件裝配圖 接線圖 圖中應(yīng)反映各電器元件的安裝方式與接線方式 4 根據(jù)組件裝配要求 繪制電器安裝板和非標準的電器安裝零件圖紙 標明技術(shù)要求 5 設(shè)計電氣箱 6 根據(jù)總原理圖 總裝配圖及各組件原理圖等資料 進行匯總 分別列出外購件清單 標準件清單以及主要材料消耗定額 7 編寫使用維護說明書 三 電氣控制設(shè)計的一般程序以電力拖動控制設(shè)計項目為例 通常電氣系統(tǒng)的設(shè)計程序是按以下步驟進行的 1 擬訂設(shè)計任務(wù)書設(shè)計任務(wù)書是整個系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù) 同時又是今后設(shè)備竣工驗收的依據(jù) 因此設(shè)計任務(wù)書的擬訂是一個十分重要而且必須認真對待的問題 在很多情況下 設(shè)計任務(wù)下達部門對本系統(tǒng)的功能要求 技術(shù)指標只能描述一個粗略輪廓 涉及設(shè)備使用中應(yīng)達到的各種具體的技術(shù)指標及其他各項基本要求實際是由技術(shù)領(lǐng)導部門 設(shè)備使用部門及承擔機電設(shè)計任務(wù)部門等幾方面共同協(xié)商 最后以技術(shù)協(xié)議形式予以確定的 電氣設(shè)計任務(wù)書中 除簡要說明所設(shè)計設(shè)備的型號 用途 工藝過程 動作要求 傳動參數(shù) 工作條件外還應(yīng)說明以下主要技術(shù)指標及要求 1 控制精度 生產(chǎn)效率要求 2 電氣傳動基本特性如運動部件數(shù)量 用途 動作順序 負載特性 調(diào)速指標 起動 制動要求等 3 自動化程度要求 4 穩(wěn)定性及抗干擾要求 5 聯(lián)鎖條件及保護要求 6 電源種類 電壓等級 頻率及容量等要求 7 目標成本與經(jīng)費限額 8 驗收標準及驗收方式 9 其他要求如設(shè)備布局 安裝要求 操作臺布置 照明 信號指示 報警方式等等 2 選擇拖動方案與控制方式電力拖動方案與控制方式的確定是設(shè)計的重要部分 因為只有在總體方案正確的前提下 才能保證生產(chǎn)設(shè)備各項技術(shù)指標實施的可能性 在電氣設(shè)計主要技術(shù)指標確定并以任務(wù)書格式下達后 必須認真做好調(diào)查研究工作 列出幾種可能的方案 并根據(jù)自己的條件和工藝要求進行比較分析后作出決定 所謂電力拖動方案是指根據(jù)零件加工精度 加工效率要求 生產(chǎn)機械的結(jié)構(gòu) 運動部件的數(shù)量 運動要求 負載性質(zhì) 調(diào)速要求以及投資額等去確定電動機的類型 數(shù)量 傳動方式以及擬訂電動機起動 運行 調(diào)速 轉(zhuǎn)向 制動等控制要求 作為電氣控制原理圖設(shè)計及電器元件選擇的依據(jù) 3 選擇電動機拖動方案決定以后 就可以進一步選擇電動機的類型 數(shù)量 結(jié)構(gòu)形式以及容量 額定電壓與額定轉(zhuǎn)速等要求 電動機選擇的基本原則是 1 電動機的機械特性應(yīng)滿足生產(chǎn)機械提出的要求 要與負載特性相適應(yīng) 以保證加工過程中運行穩(wěn)定并具有一定的調(diào)速范圍與良好的起動 制動性能 2 工作過程中電動機容量能得到充分利用 即溫升盡可能達到或接近額定溫升值 3 電動機的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足機械設(shè)計提出的安裝要求 并能適應(yīng)周圍環(huán)境工作條件 應(yīng)該強調(diào) 在滿足設(shè)計要求情況下優(yōu)先考慮采用結(jié)構(gòu)簡單 價格便宜 使用維護方便的三相交流異步電動機 正確選定電動機容量是電動機選擇中的關(guān)鍵問題 電動機容量計算的基本步驟是 首先根據(jù)生產(chǎn)機械提供的功率負載圖P f t 或轉(zhuǎn)矩負載圖ML f t 預選一臺電動機 然后根據(jù)負載進行發(fā)熱校驗 將校驗結(jié)果與預選電動機參數(shù)進行比較 若發(fā)現(xiàn)預選電動機的額定容量太大或太小 再重新選擇 直到電動機容量得到充分利用 最后再校驗其過載能力與起動轉(zhuǎn)矩是否滿足拖動要求 由于分析計算過程較為復雜 在比較簡單 無特殊要求 生產(chǎn)數(shù)量又不多的電力拖動系統(tǒng)中 電動機容量選擇往往采用統(tǒng)計類比法 或者根據(jù)經(jīng)驗采用工程估算的方法來選用 4 選擇控制方式拖動方案確定之后 采用什么方法去實現(xiàn)這些控制要求就是控制方式的選擇問題 隨著電氣技術(shù) 電子技術(shù) 計算機技術(shù) 檢測技術(shù)以及自動控制理論的迅速發(fā)展和機械結(jié)構(gòu)與工藝水平的不斷提高 生產(chǎn)機械電力拖動的控制方式已從傳統(tǒng)的繼電接觸控制向順序控制 可編程邏輯控制 計算機聯(lián)網(wǎng)控制等方面發(fā)展 各種新型的工業(yè)控制器及標準系列控制系統(tǒng)也不斷出現(xiàn) 可供選擇的控制方式較多 系統(tǒng)復雜程度差異也很大 5 設(shè)計電氣控制原理線路圖并合理選用元器件 編制元器件目錄清單 6 設(shè)計電氣設(shè)備制造 安裝 調(diào)試所必須的各種施工圖樣并以此為根據(jù)編制各種材料定額清單 7 編寫說明書 第二節(jié)電氣控制原理線路設(shè)計的方法與步驟原理線路設(shè)計是原理設(shè)計的核心內(nèi)容 在總體方案確定之后具體設(shè)計是從電氣原理圖開始 各項設(shè)計指標是通過控制原理圖來實現(xiàn)的 同時它又是工藝設(shè)計和編制各種技術(shù)資料的依據(jù) 一 電氣原理圖設(shè)計的基本步驟原理線路設(shè)計的基本步驟是 1 根據(jù)選定的拖動方案及控制方式設(shè)計系統(tǒng)的原理框圖 擬訂出各部分的主要技術(shù)要求和主要技術(shù)參數(shù) 2 根據(jù)各部的要求 設(shè)計出原理框圖中各個部分的具體電路 按主電路 控制電路 輔助電路 聯(lián)鎖與保護 總體檢查反復修改與完善的步驟進行 3 繪制總原理圖 4 正確選用原理線路中每一個電器元件 并制訂元器件目錄清單 對于比較簡單的控制線路 可以省略前兩步直接進行原理圖設(shè)計和選用電器元件 但對于比較復雜的自動控制線路 就必須按上述過程一步一步進行設(shè)計 只有各個獨立部分都達到技術(shù)要求 才能保證總體技術(shù)要求的實現(xiàn) 保證總裝調(diào)試的順利進行 二 電氣原理圖的設(shè)計方法及設(shè)計實例電氣原理設(shè)計的主要方法 分析設(shè)計法 邏輯設(shè)計法 一 分析設(shè)計法根據(jù)生產(chǎn)工藝要求去選擇適當?shù)幕究刂骗h(huán)節(jié) 單元電路 或經(jīng)過考驗的成熟電路按各部分的聯(lián)鎖條件組合起來并加以補充和修改 綜合成滿足控制要求的完整線路 當找不到現(xiàn)成的典型環(huán)節(jié)時 可根據(jù)控制要求邊分析邊設(shè)計 將主令信號經(jīng)過適當?shù)慕M合與變換 在一定條件下得到執(zhí)行元件所需要的工作信號 設(shè)計過程中 要隨時增減元器件和改變觸點的組合方式 以滿足拖動系統(tǒng)的工作條件和控制要求 經(jīng)過反復修改得到理想的控制線路 特點 無固定的設(shè)計程序 設(shè)計方法簡單 容易為初學者所掌握 對于具有一定工作經(jīng)驗的電氣人員來說 也能較快地完成設(shè)計任務(wù) 缺點 設(shè)計方案不一定是最佳方案 當經(jīng)驗不足或考慮不周時會影響線路工作的可靠性 下面通過C534JI立式車床橫梁升降電氣控制原理線路的設(shè)計實例 進一步說明分析設(shè)計法的設(shè)計過程 1 電力拖動方式及其控制要求為適應(yīng)不同高度工件加工時對刀的需要 要求安裝有左 右立刀架的橫梁能通過絲杠傳動快速上升下降的調(diào)整運動 絲杠的正反轉(zhuǎn)由一臺三相交流異步電動機M1拖動 為了保證零件的加工精密 當橫梁點動到需要的高度后應(yīng)立即通過夾緊機構(gòu)將橫梁夾緊在立柱上 每次移動前要先放松夾緊裝置 因此設(shè)置另一臺三相交流異步電動機M2拖動夾緊放松機構(gòu) 以實現(xiàn)橫梁移動前的放松和到位后的夾緊動作 在夾緊 放松機構(gòu)中設(shè)置兩個行程開關(guān)SQ1與SQ2分別檢測已放松與已夾緊信號 橫梁升降控制要求是 1 采用短時工作的電動控制 2 橫梁上升控制動作過程 按上升按鈕 橫梁放松 夾緊電動機反轉(zhuǎn) 壓下放松位置開關(guān) 停止放松 橫梁自動上升 升 降電動機正轉(zhuǎn) 到位放開上升按鈕 橫梁停止上升 橫梁自動夾緊 夾緊電動機正轉(zhuǎn) 已放松位置開關(guān)松開 達到一定夾緊緊度已夾緊位置開關(guān)壓下 上升過程結(jié)束 3 橫梁下降控制動作過程 按下降按鈕 橫梁放松 壓下已放松位置開關(guān) 停止放松 橫梁自動下降 到位放開下降按鈕 橫梁停止下降并自動短時回升 升 降電動機短時正轉(zhuǎn) 橫梁自動夾緊 已放松位置開關(guān)松開 并夾緊至一定緊度已夾緊位置開關(guān)壓下 下降過程結(jié)束 下降與上升控制的區(qū)別在于到位后多了一個自動的短時回升動作 其目的在于消除移動螺母上端面與絲杠的間隙 以防止加工過程中因橫梁傾斜造成的誤差 而上升過程中移動螺母上端面與絲杠間不存在間隙 4 橫梁升降動作應(yīng)設(shè)置上 下極限位置保護 2 設(shè)計過程1 根據(jù)拖動要求設(shè)計主電路由于升 降電動機M1與夾緊放松電動機M2都要求正反轉(zhuǎn) 所以采用KM1 KM2及KM3 KM4接觸器主觸頭變換相序控制 考慮到橫梁夾緊時有一定的緊度要求 故在M2正轉(zhuǎn)即KM3動作時 其中一相串過電流繼電器KI檢測電流信號 當M2處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài) 電流增長至動作值時 過電流繼電器KI動作 使夾緊動作結(jié)束 以保證每次夾緊緊度相同 由于M1 M2均為短時工作 因而不設(shè)置過載保護 據(jù)此便可設(shè)計出如圖9 1所示的主電路 圖9 1主電路與控制電路草圖之一 2 設(shè)計控制電路草圖如果暫不考慮橫梁下降控制的短時回升 則上升與下降控制過程完全相同 當發(fā)出 上升 或 下降 指令時 首先是夾緊放松電動機M2反轉(zhuǎn) KM4吸合 由于平時橫梁總是處于夾緊狀態(tài) 行程開關(guān)SQ1 檢測已放松信號 不受壓 SQ2處于受壓狀態(tài) 檢測已夾緊信號 將SQ1常開觸點串在橫梁升降控制回路中 常閉觸點串于發(fā)出上升或下降指令時 SQ2常開觸點串在立車工作臺轉(zhuǎn)動控制回路中 用于聯(lián)鎖控制 因此在發(fā)出上升或下降指令時 按SB1或SB2 必然時先放松 SQ2立即復位 夾緊解除 當放松動作完成SQ1受壓 KM4釋放 KM1 或KM2 自動吸合實現(xiàn)橫梁自動上升 或下降 上升 或下降 到位 放開SB1 或SB2 停止上升 由于此時SQ1受壓 SQ2不受壓 所以KM3自動吸合 夾緊動作自動發(fā)出直到SQ2壓下 再通過KI常閉觸點與KM3的常開觸點串聯(lián)的自?；芈防^續(xù)夾緊至過電流繼電器動作 控制過程自動結(jié)束 按此思路設(shè)計的草圖如9 1所示 3 完善設(shè)計草圖圖9 1設(shè)計草圖功能不完善 主要是未考慮下降的短時回升 下降到位的短時自動回升 是滿足一定條件下的結(jié)果 此條件與上升指令是 或 的邏輯關(guān)系 因此它應(yīng)與SB1并聯(lián) 應(yīng)該是下降動作結(jié)束即用KM2常閉觸點與一個短時延時斷開的時間繼電器KT觸點的串聯(lián)組成 回升時間有時間繼電器控制 于是便可設(shè)計出如圖9 2所示的設(shè)計草圖之二 圖9 2控制電路設(shè)計草圖之二 4 檢查并改進設(shè)計草圖圖9 2在控制功能上已達到上述控制要求 但仔細檢查會發(fā)現(xiàn)KM2的副觸點使用已經(jīng)超出接觸器擁有數(shù)量 同時考慮到一般情況下不采用二常開二常閉的復式按鈕 因此可采用中間繼電器KA來完善設(shè)計 如圖9 3所示 其中R M L M為工作臺驅(qū)動電動機正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖觸點 以保證機床進入加工狀態(tài) 不允許橫梁移動 反之橫梁放松時就不允許工作臺移動 是通過行程開關(guān)SQ2的常開觸點串聯(lián)在R M L M的控制回路中來實現(xiàn) 另一方面在完善控制電路設(shè)計過程中 進一步考慮橫梁上下極限位置保護面而采用SQ3 SQ4的常閉觸頭串接在上升與下降控制線路中 圖9 3控制電路設(shè)計草圖之三 5 總體校核控制線路設(shè)計完畢 最后需進行總體校核 檢查是否存在不合理 遺漏或進一步簡化的可能 檢查內(nèi)容包括 控制線路是否滿足拖動要求 觸頭使用是否超出允許范圍 必要的聯(lián)鎖與保護 電路工作的可靠性 照明顯示及其他輔助控制要求以及進一步簡化的可能性 二 邏輯設(shè)計法利用邏輯代數(shù)這一數(shù)學工具來進行電路設(shè)計 即根據(jù)生產(chǎn)機械的拖動要求及工藝要求 將執(zhí)行元件需要的工作信號以及安全電氣的接通與斷開狀態(tài)看成邏輯變量 并根據(jù)控制要求將它們之間的關(guān)系用邏輯函數(shù)關(guān)系式來表達 然后再運用邏輯函數(shù)基本公式和運算規(guī)律進行簡化 使之成為需要的最簡 與 或 關(guān)系式 根據(jù)最簡式畫出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖 最后再作進一步的檢查和完善 即能獲得需要的控制線路 優(yōu)點 能獲得理想 經(jīng)濟的方案 所用元件數(shù)量少 各元件能充分發(fā)揮作用 當給定條件變化時 能指出電路相應(yīng)變化的內(nèi)在規(guī)律 在設(shè)計復雜控制線路時 更顯方便 邏輯法不僅能用于線路設(shè)計 也可以用于線路簡化和讀圖分析 邏輯代數(shù)讀圖法的優(yōu)點是各個控制元件關(guān)系能一目了然 不會讀錯和遺漏 邏輯電路有兩種基本類型 組合邏輯電路和時序邏輯電路 對應(yīng)其設(shè)計方法也各不相同 組合邏輯電路 使執(zhí)行元件的輸出狀態(tài) 只與同一時刻控制元件的狀態(tài)相關(guān) 輸入 輸出呈單方向關(guān)系 即輸出量對輸入量無影響 其設(shè)計方法比較簡單 可以作為經(jīng)驗設(shè)計法的輔助和補充 用于簡單控制電路的設(shè)計 或?qū)δ承┚植侩娐愤M行簡化 進一步節(jié)省并合理使用電器元件與觸點 舉例說明如下 設(shè)計要求 某電動機只有在繼電器KA1 KA2 KA3中任何一個或兩個動作時才能運轉(zhuǎn) 而在其他條件下都不運轉(zhuǎn) 試設(shè)計其控制線路 設(shè)計步驟 1 列出控制元件與執(zhí)行元件的動作狀態(tài)表 如表9 1所示 表9 1狀態(tài)表 1 根據(jù)表9 1寫出KM的邏輯代數(shù)式 2 利用邏輯代數(shù)基本公式化簡至最簡 與或 式 3 利用邏輯代數(shù)基本公式化簡至最簡 與或 式 4 根據(jù)簡化了的邏輯式繪制控制電路 如圖9 4所示 圖9 4控制電路 時序邏輯電路特點 輸出狀態(tài)不僅與同一時刻的輸入狀態(tài)有關(guān) 而且還與輸出量的原有狀態(tài)及其組合順序有關(guān) 即輸出量通過反饋作用 對輸入狀態(tài)產(chǎn)生影響 這種邏輯電路設(shè)計要設(shè)置中間記憶元件 如中間繼電器等 記憶輸入信號的變化 以達到各程度兩兩區(qū)分的目的 其設(shè)計過程比較復雜 基本步驟如下 1 根據(jù)拖動要求 先設(shè)計主電路 明確各電動機及執(zhí)行元件的控制要求 并選擇產(chǎn)生控制信號 包括主令信號與檢測信號 的主令元件 如按鈕 控制開關(guān) 主令控制器等 和檢測元件 如行程開關(guān) 壓力繼電器 速度繼電器 過電流繼電器等 2 根據(jù)工藝要求作出工作循環(huán)圖 并列出主令元件 檢測元件以及執(zhí)行元件的狀態(tài)表 寫出各狀態(tài)的特征碼 3 為區(qū)分所有狀態(tài) 重復特征碼 而增設(shè)必要的中間記憶元件 中間繼電器 4 根據(jù)已區(qū)分的各種狀態(tài)的特征碼 寫出各執(zhí)行元件 輸出 與中間繼電器 主令元件及檢測元件 邏輯變量 間的邏輯關(guān)系式 5 化簡邏輯式 據(jù)此繪出相應(yīng)控制線路 6 檢查并完善設(shè)計線路 由于這種方法設(shè)計難度較大 整個設(shè)計過程較復雜 還要涉及一些新概念 因此 在一般常規(guī)設(shè)計中 很少單獨采用 三 原理圖設(shè)計中應(yīng)注意的問題1 盡量減少控制線路中電流 電壓的種類 控制電壓等級應(yīng)符合標準等級 對于微機控制系統(tǒng)應(yīng)注意弱電控制與強電電源之間的隔離 不能共用零線 以免引起電源干擾 照明 顯示及報警等電路應(yīng)采用安全電壓 電氣控制線路常用的電壓等級如表9 2所示 表9 2常用控制電壓等級 2 盡量減少電器元件的品種 規(guī)格與數(shù)量在電器元件選用中 盡可能選用性能良好 價格便宜的新型器件 同一用途盡可能選用相同型號 3 盡可能減少通電電器的數(shù)量正常工作中以利節(jié)能 延長電器元件壽命以減少故障 4 合理使用電器觸頭與觸點在復雜的繼電接觸控制線路中 各類接觸器 繼電器數(shù)量較多 使用的觸頭 觸點也多 線路設(shè)計應(yīng)注意 主觸頭與副觸點的使用量不能超過限定對數(shù) 因為各類接觸器 繼電器的主觸頭與副觸點數(shù)量是一定的 設(shè)計時應(yīng)注意盡可能減少其使用量 如圖9 5b比圖9 5a就節(jié)省一對觸點 因控制需要觸點數(shù)量不夠時 可以采用邏輯設(shè)計化簡方法 改變觸點的組合方式以減少觸點使用數(shù)量或增加中間繼電器來解決 檢查觸頭容量是否滿足控制要求 避免使用不當而出現(xiàn)觸頭燒壞 粘滯和釋放不了的故障 要合理安排接觸器主觸頭與副觸點的位置 避免用小容量繼電器觸點去切斷大容量負載 總之 要計算觸頭斷流容量是否滿足被控制負載的要求 以保證觸頭工作壽命和可靠性 a 不合理b 合理圖9 5減少觸頭使用量 5 做到正確連線具體應(yīng)注意以下幾方面 正確連接電器線圈電壓線圈通常不串聯(lián)使用 即使是兩個同型號電壓線圈也不能采用串聯(lián)施加額定電壓之和 以免電壓分配不勻引起工作不可靠 如圖9 6所示 對于電感較大的電器線圈 例如電磁閥 電磁鐵或直流電機勵磁線圈等則不宜與相同電壓等級的接觸器或中間繼電器直接并聯(lián)工作 否則在接通或斷開電源時會造成后者的誤動作 a 不正確b 正確圖9 6線圈連接 合理安排電器元件及觸點位置對一個串聯(lián)回路 各電器元件或觸點位置互換 并不影響其工作原理 但從實際連線上卻影響到安全 節(jié)省導線等方面的問題 如圖9 7兩種接法所示 兩者工作原理相同 但是采用圖9 7a接法既不安全而且浪費導線 因為限位開關(guān)SQ的常開 常閉觸頭靠得很近 在觸頭斷開時 由于電弧可能造成電源短路 很不安全 而且這種接法電氣箱到現(xiàn)場要引出4種線 很不合理 圖9 7b所示的接法較合理 a 不合理b 合理圖9 7合理安排觸點位置 注意避免出現(xiàn)寄生回路在控制線路的動作過程中 如果出現(xiàn)不是由于誤操作而產(chǎn)生的意外接通的電路 稱為寄生線路 圖9 8所示為電動機可逆運行控制線路 FR為熱繼電器保護觸點 為了節(jié)省觸點 顯示電動機工作狀態(tài)的指示燈HLR和HLL采用圖中所示的接法 正常情況下線路能完成起動 正反轉(zhuǎn)及停止操作 但在運行中電動機過載 FR觸點斷開就會出現(xiàn)如圖中虛線所示的寄生線路 使接觸器不能可靠釋放而得不到過載保護 如果將FR觸點位置移接到SB1上端就可避免產(chǎn)生寄生回路 圖9 8寄生回路 6 盡可能提高電路工作的可靠性 安全性設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點 電器元件動作時間配合不良引起競爭復雜控制電路中 在某一控制信號作用下 電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài) 常常有幾個電器元件的狀態(tài)同時變化 考慮電器元件總有一定的動作時間 對時序電路來說 就會得到幾個不同的輸出狀態(tài) 稱為電路的 競爭 對于開關(guān)電路 由于電器元件的釋放延時作用 也會出現(xiàn)開關(guān)元件不按要求的邏輯功能輸出的可能性 稱為 冒險 競爭 與 冒險 現(xiàn)象都將造成控制回路不能按要求動作 引起控制失靈 當電氣元件的動作時間可能影響到控制線路的動作程序時 就需要用能精確反映元件動作時間及它們之間互相互配合的方法 例如用時間圖來分析執(zhí)行元件的動作可靠性 繼電器或接觸器線圈從通電到觸點的閉合或打開 這段時間稱為吸引時間 t1 如圖9 9所示 用點1到2的斜線表示線圈時通電的 但其觸點要到點2才閉合 而線圈斷電到觸點打開這段時間稱為釋放時間 t2 以斜線3 4表示 在這段時間線圈已斷開 但觸點仍閉合 到點4時刻觸點才斷開 圖中點1 3陰影部分為線圈通電時間 點2 4為觸點閉合時間 只有水平線2 3為線圈通電而觸頭也閉合時間 這種電器動作過程與時間關(guān)系圖稱為時間圖 圖9 9時間圖 現(xiàn)用時間圖來分析圖9 10a所示的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機按電流原則起動控制線路的動作順序 在圖9 10b與c中用垂直箭頭表示元件動作作用的傳遞 水平線表示時間 由圖9 10a線路的靜態(tài)分析來看 電路控制作用似乎不存在什么問題 但是據(jù)圖9 10b時間圖來看 由于接觸器KM1 KM2的動作時間小于電流繼電器KI1 KI2的動作時間 從而使KM1 KM2觸點在KI1 KI2觸點之前動作 使電流繼電器失去控制作用 R1 R2不能起到限制起動電流的目的 只有圖9 10c時間圖中所示 在t2 t3條件下 才能使KI1先于KM1動作 這樣才能實現(xiàn)按電流原則 逐級切除起動電阻 達到限制起動電流的目的 a 起動控制線路b 動作時間配合不好c 動作時間配合好圖9 10時間圖分析電動機起動過程 誤操作可能帶來的危害特別是一些重要設(shè)備應(yīng)仔細考慮每一控制程序之間必要的聯(lián)鎖 即使發(fā)生誤操作也不會造成設(shè)備事故 應(yīng)考慮到故障狀態(tài)下 設(shè)備的自動保護作用 應(yīng)根據(jù)設(shè)備特點及使用情況設(shè)置必要的電氣保護 7 線路設(shè)計要考慮操作 使用 調(diào)試與維修的方便例如設(shè)置必要的顯示 隨時反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)與關(guān)鍵參數(shù) 考慮到刀具調(diào)整與運動機構(gòu)修理必要的單機點動 單步及單循環(huán)動作 必要的照明 易損觸點及電器元件的備用等等 8 原理圖繪制應(yīng)符合國家有關(guān)標準規(guī)定包括器件圖形符號應(yīng)符合GB4728中1 13電氣圖形符號的規(guī)定 繪制時要合理安排版面 項目代號應(yīng)符合GB5924 電氣技術(shù)中的項目代號 的規(guī)定 例如 主電路一般排在左面或上面 控制電路或輔助電路排在右面或下面 元器件目錄表排在標題上方 為了幫助讀圖 有時以動作狀態(tài)或工藝過程形式將主令開關(guān)的通斷 電磁閥動作要求 控制流程圖等表示在圖面上 也可以在控制電路的每一支路邊上標注出控制目的 第三節(jié)電氣保護類型及實現(xiàn)方法電氣保護時電氣線路設(shè)計中必須考慮的一個重要問題 下面從電氣設(shè)計角度討論電氣故障的類型 產(chǎn)生原因 保護方法以供設(shè)計中選用參考 一 電流型保護電氣元件在正常工作中 通過的電流一般在額定電流以內(nèi) 短時間內(nèi) 只要溫升不超過允許值 超過額定電流也是允許的 電器元件由于電流過大引起損壞的根本原因是發(fā)熱引起的溫升超過絕緣材料的承受能力 在散熱條件一定的情況下 溫升決定于發(fā)熱量 而發(fā)熱量不僅決定于電流大小 而且于通電時間密切相關(guān) 因此 在談到電流保護時 總是要與通電時間這一因素緊密聯(lián)系在一起的 電流型保護的基本原理是 通過保護電器檢測電流信號 經(jīng)過變換或放大后去控制被保護對象 當電流達到整定值時保護電器動作 屬于電流型保護主要有以下幾種 1 短路保護短路保護要求在很短時間內(nèi)迅速切斷電源 短路保護的常用方法使采用熔斷器 斷路器或采用專門的短路保護繼電器 2 過電流保護這種保護的特點是電流值比短路時小 一般不超過2 5IN 過電流保護要求有瞬時保護特征 即只要過電流值達到整定值 保護電器立即動作 切斷電源 過電流保護是采用過電流繼電器與接觸器配合動作的方法 3 過載保護過載也是指電動機的運行電流大于其額定電流 但超過額定電流的倍數(shù)更小些 通常在1 5IN以內(nèi) 過載保護要求保護電器具有反時限特性 即根據(jù)電流過載倍數(shù)的不同 其動作時間時不同的 它隨著電流的增加而減小 4 欠電流保護欠電流保護是指被控制電路電流低于整定值時需要動作的一種保護 欠電流保護通常時采用欠電流繼電器來實現(xiàn)的 欠電流繼電器線圈串聯(lián)在被保護電路中 正常工作時吸合 一旦發(fā)生欠電流就釋放切斷電源 5 斷相保護異步電動機在正常運行中 由于電網(wǎng)故障或一相熔斷器熔斷引起對稱三相電壓缺少一相 電動機將在兩相電源中低速運轉(zhuǎn)或堵轉(zhuǎn) 定子電流很大 是造成電動機絕緣及繞組燒損的常見故障之一 由于熱繼電器熱元件是串接在三相電流進線中 采用普通三相式熱繼電器起不到保護作用 斷相保護可以采用專門為斷相運行而設(shè)計的斷相保護熱繼電器 也可以在三相線路上跨接兩只電壓繼電器 當發(fā)生缺相時 電壓繼電器動作帶動控制元件去切斷電源 二 電壓型保護電動機或電器元件都是在一定的額定電壓下正常工作 電壓過高 過低或者工作過程中非人為因素的突然斷電 都可以造成生產(chǎn)機械的損壞或人身事故 因此在電氣控制線路設(shè)計中 應(yīng)根據(jù)要求設(shè)置失電壓保護 過電壓保護及欠電壓保護 1 失電壓保護為了防止電壓恢復時電動機的自行起動或電器元件的自行投入工作而設(shè)置的保護 稱為失電壓保護 采用接觸器及按鈕控制電動機的起停 具有失電壓保護作用 如果不是采用按鈕 而是用不能自動復位的手動開關(guān) 行程開關(guān)等控制接觸器 必須采用專門的零壓繼電器 2 欠電壓保護電動機或電器元件在正常運行中 電網(wǎng)電壓降低到UN的60 80 UN為其額定電壓 時 就要求能自動切除電源而停止工作 這種保護稱為欠電壓保護 采用接觸器及按鈕控制方式具有欠電壓保護作用 還可以采用空氣開關(guān)或?qū)ｉT的電磁式電壓繼電器 直流高返回系數(shù)電壓繼電器來進行欠電壓保護 3 過電壓保護為防止電網(wǎng)電壓過高引起電流增大或絕緣擊穿而損壞電氣設(shè)備的保護措施稱為過電壓保護 通常用過電壓繼電器實現(xiàn) 4 浪涌電壓吸收保護電磁鐵 電磁吸盤等類電感量較大負載 在切斷電源時會產(chǎn)生很高的浪涌電壓 為此需采用適當?shù)谋Ｗo 常用的保護方法是在線圈兩端并接電阻 電阻電容串聯(lián)或二極管等方式 以構(gòu)成續(xù)流回路 圖9 11示磨床電磁吸盤的吸收保護 圖9 11電磁吸盤的吸收保護 三 位置保護生產(chǎn)機械運動部件的行程 越位大小及運動部件的相對位置都要限制在一定范圍內(nèi) 這類保護稱為位置保護 位置保護可以采用限位開關(guān) 干簧繼電器 接近開關(guān)等類電器 當運動部件到達調(diào)定位置 使限位開關(guān)或繼電器動作 其常閉觸頭串聯(lián)在接觸器控制電路中 因常閉觸頭打開而使接觸器釋放 于是 運動部件停止運動 四 溫度 壓力 流量 轉(zhuǎn)速等保護在電氣控制線路設(shè)計中 常提出對生產(chǎn)機械某一部分的溫度 液壓或氣壓系統(tǒng)的壓力和流量 運動速度等的保護要求 即要求以上各物理量限制在一定范圍以內(nèi) 各種專用的溫度 壓力 流量 速度繼電器 基本原理都是在控制回路中串聯(lián)一個受這些參數(shù)控制的常開觸點或常閉觸點 第四節(jié)電氣控制線路設(shè)計中的主要參數(shù)計算及常用元件選擇 一 異步電動機有關(guān)起動 制動電阻計算 一 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機起動轉(zhuǎn)距電阻計算為了減少起動電流 增加起動轉(zhuǎn)距并獲得一定的調(diào)速要求 常常采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子繞組串接外加電阻的方法來實現(xiàn) 為此要確定外加電阻的級數(shù) 以及各級電阻的大小 電阻的級數(shù)越多 起動或調(diào)速時轉(zhuǎn)距波動就越小 但控制線路也就越復雜 通常電阻級數(shù)可以根據(jù)表9 3來選取 表9 3電阻級數(shù)及選擇 起動電阻級數(shù)確定以后 對于平衡短接法 轉(zhuǎn)子繞組中每相串聯(lián)的各級電阻值 可以用下面的公式計算 式中 m為起動電阻級數(shù) n為各級起動電阻的序號 n 1表示第一級 即最先被接的電阻 k為常數(shù) r為最后被短接的那一級電阻值 k r值可分別由下列兩個公式計算 式中 s為電動機額定轉(zhuǎn)差率 為正常工作中電動機轉(zhuǎn)子電壓 V 為正常工作時電動機轉(zhuǎn)子電流 A 每相起動電阻的功率為 式中 為轉(zhuǎn)子起動電流 A 取 1 5 R為每相串聯(lián)電阻 二 籠型異步電動機反接制動電阻的計算反接制動時 三相定子回路中各相串聯(lián)的限流電阻R可按下面經(jīng)驗公式近似計算 式中為電動機定子繞組相電壓 V 為全壓起動電流 A k為系數(shù) 當要求最大反接制動電流時 k 0 13 當要求時 k 1 5 若在反接制動時 僅在兩相定子繞組中串接電阻 選用電阻值應(yīng)為上述計算值的1 5倍 而制動電阻的功率為 式中 為電動機額定電流 R為每一相串接的限流電阻值 根據(jù)制動頻繁程度適當選取前面系數(shù) 二 籠型異步電動機能耗制動參數(shù)計算圖9 12為能耗制動整流裝置的原理圖 圖9 12能耗制動整流裝置的原理圖 一 能耗制動直流電流與電壓的計算從制動效果來看 希望直流電流大些 但是過大的電流會引起繞組發(fā)熱 耗能增加 而且當磁路飽和后對制動力矩的提高也不明顯 通常制動直流電流按下式選取或式中 I0為電動機空載電流 為電動機額定電流 制動時 直流電壓為式中 R為兩相串聯(lián)定子繞組的冷電阻 二 整流變壓器參數(shù)計算對單相橋式整流電路 1 變壓器二次交流電壓為 2 變壓器容量計算 由于變壓器僅在能耗制動時工作 故容量允許比長期工作小 根據(jù)制動頻繁程度 取計算容量的 1 2 1 4 三 控制變壓器容量計算當控制線路比較復雜 控制電壓種類比較多時 需要采用控制變壓器進行電壓變換 以提高工作的可靠性和安全性 控制變壓器的容量可以根據(jù)它供電的控制線路在最大工作負載時所需要的功率來考慮 并留有一定的余量 即式中 為控制變壓器容量 VA 為控制電路在最大負載時所有吸持電器消耗功率的總和 VA 對于交流電磁式電器 應(yīng)取其吸持視在功率 VA 為變壓器容量儲備系數(shù) 一般取1 1 1 25 表9 4起動與吸持功率 常用交流電磁式電器的起動與吸持功率 均為視在功率 列于表9 4中 四 常用電器元件的選擇在控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計完成之后 就可根據(jù)線路要求 選擇各種控制電路 并以元件目錄表形式列在標題欄上方 正確 合理地選用各種電器元件 是控制線路安全 可靠工作的保證 也是使電氣控制設(shè)備具有一定的先進性和良好的經(jīng)濟性的環(huán)節(jié) 下面介紹一些常用控制電器的選用依據(jù) 1 按鈕選用依據(jù)主要是根據(jù)需要的觸點對數(shù) 動作要求 是否需要帶指示燈 使用場合以及顏色等要求 2 刀開關(guān)選用根據(jù)是電源種類 電壓等級 斷流容量及需要極數(shù) 當用刀開關(guān)來控制電動機時 其額定電流要大于電動機額定電流的3倍 3 組合開關(guān)選用依據(jù)是電源種類 電壓等級 觸頭數(shù)量以及斷流容量 當采用組合開關(guān)來控制5kW以下小容量異步電動機時 其額定電流一般為 1 5 2 5 IN 接通次數(shù)小于 15 20 次 h 常用的組合開關(guān)為HZ10系列 4 限位開關(guān)選用根據(jù)是機械位置對開關(guān)型式的要求和控制線路對觸頭數(shù)量的要求 以及電流 電壓等級來確定其型號 5 斷路器在初步確定斷路器的類型和等級后 各級保護動作值的整定還必須注意和上 下級開關(guān)保護特性的協(xié)調(diào)配合 從總體上滿足系統(tǒng)對選擇性保護的要求 一 接觸器的選擇交流接觸器的選用主要依據(jù)是接觸器主觸頭的額定電壓 電流要求 輔助觸頭的種類 數(shù)量以及額定電流 控制線圈電源種類 頻率與額定電壓 操作頻繁程度負載類型等因素 具體選用方法是 1 主觸頭額定電流IN的選擇 主觸頭的額定電流應(yīng)大于 等于負載電流 對于電動機負載可按下面經(jīng)驗公式計算主觸頭電流IN 式中 PN為被控制電動機額定功率 kW UN為電動機額定線電壓 V k為經(jīng)驗系數(shù)取1 1 4 在選用接觸器額定電流應(yīng)大于計算值 也可以參照表9 5 按被控制電動機的容量進行選取 對于頻繁起動 制動與頻繁正反轉(zhuǎn)工作情況 為了防止主觸頭的燒蝕和過早損壞 應(yīng)將接觸器的額定電流降低一個等級使用 或?qū)⒈? 5中的控制容量減半選用 表9 5接觸器額定電流的選取 2 主觸頭額定電壓UN應(yīng)大于控制線的額定電壓 3 接觸器副觸點數(shù)量 種類應(yīng)滿足控制要求 當輔助觸點的對數(shù)不能滿足要求時 可用增設(shè)中間繼電器方法來解決 4 接觸器控制線圈的電壓種類與電壓等級應(yīng)根據(jù)控制線路要求選用 簡單控制線路可直接選用交流380V 220V 線路復雜 使用電器較多時 應(yīng)選用127V 110V或更低的控制電壓 直流接觸器主要有CZ0系列 選用方法與交流接觸器基本相同 二 繼電器的選擇1 電磁式繼電器的選用選用的依據(jù)主要是 被控制或被保護對象的特性 觸點的種類 數(shù)量 控制電路的電壓 電流 負載性質(zhì)等因素 線圈電壓 電流應(yīng)滿足控制線路的要求 如果控制電流超過繼電器觸點額定電流 可將觸點并聯(lián)使用 也可以采用觸點串聯(lián)使用方法來提高觸頭的分斷能力 2 時間繼電器的選用選用時應(yīng)考慮延時方式 延時范圍 延時精度要求 外形尺寸 安裝方式 價格等因素 常用的時間繼電器有氣囊式 電動式和晶體管式等 在延時要求精度不高 電源電壓波動大的場合 宜選用價格較低的電磁式或氣囊式時間繼電器 當延時范圍大 延時準確度要求高時 可選用電動式或晶體管式時間繼電器 3 熱繼電器的選用一般的電動機都應(yīng)考慮過載保護 熱繼電器有兩相式 三相式及三相帶斷相保護式等型式 對于星型接法的電動機及電源對稱性好的情況可采用兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器 對于三角形接法的電動機或電源對稱性不夠好的情況則應(yīng)選用三相結(jié)構(gòu)或帶斷相保護的三相結(jié)構(gòu)熱繼電器 而在重要場合或容量較大的電動機 可選用半導體溫度繼電器進行過載保護 熱繼電器發(fā)熱元件額定電流 原則上按被控制電動機的額定電流選取 并依次去選擇發(fā)熱元件編號和一定的調(diào)節(jié)范圍 四 熔斷器選擇熔斷器選擇的主要內(nèi)容是其類型 額定電壓 熔斷器額定電流等級與熔體額定電流 根據(jù)負載保護特性 短路電流大小 各類熔斷器的適用范圍來選用熔斷器的類型 額定電壓根據(jù)被保護電路的電壓來選擇的 熔體額定電流是選擇熔斷器的關(guān)鍵 它與負載大小 負載性質(zhì)密切相關(guān) 對于負載平穩(wěn) 無沖擊電流 如照明 信號 電熱水器可直接按負載額定電流選取 而對于像電動機一類有沖級電流負載 熔體額定電流可按下式計算值選取 單臺電動機長期工作多臺電動機長期共用一個熔斷器保護式中 為容量最大一臺電動機的額定電流 是除容量最大的電動機之外 其余電動機額定電流之和 輕載及起動時間短時 系數(shù)取1 5 起動負載較重及起動時間長 起動次數(shù)又多的情況 則取2 5 熔體額定電流的選擇還要照顧到上下級保護的配合 以滿足選擇性保護的要求 使下一級熔斷器的分斷時間較上一級熔斷器熔體的分斷時間要小 否則將發(fā)生越級動作 擴大停電范圍 第五節(jié)電氣控制裝置工藝設(shè)計工藝設(shè)計的目的是為了滿足電氣控制設(shè)備的制造和使用要求 在完成電器原理設(shè)計及電器元件選擇后 就可以進行電氣控制設(shè)備總體配置 既總裝配圖 總接線圖設(shè)計 然后再設(shè)計各部分的電器裝配圖與接線圖 并列出各部分的元件目錄 進出線號以及主要材料清單等技術(shù)資料 最后編寫使用說明書 一 電氣設(shè)備總體配置設(shè)計各種電動機以及各類電器元件根據(jù)各自的作用 都有一定的裝配位置 由于各種電器元件安裝位置不同 在構(gòu)成一個完整的自動控制系統(tǒng)時 必須劃分組件 同時要解決組件之間 電器箱之間以及電器箱與被控制裝置之間的連線問題 劃分組件的原則是 1 功能類似的元件組合在一起2 盡可能減少組件之間的連線數(shù)量接線關(guān)系密切的控制電器置于同一組件中3 強弱電控制器分離以減少干擾4 力求整齊美觀外形尺寸 重量近似的電器組合在一起 5 便于檢查和調(diào)試需經(jīng)常調(diào)節(jié) 維護和易損元件組合在一起 電氣控制設(shè)備的各部分及組件之間的接線方式通常有 1 電器板 控制板 機床電器的進出線一般采用接線端子 2 被控制設(shè)備與電氣箱之間采用多孔接插件 便于拆裝 搬運 3 印刷電路板及弱電控制組件之間宜采用各種類型標準接插件 電氣設(shè)備總體配置設(shè)計任務(wù)是根據(jù)電氣原理圖的工作原理與控制要求 將控制系統(tǒng)劃分為幾個組成部分稱為部件 根據(jù)電氣設(shè)備的復雜程度 每一部分又可劃成組件 要根據(jù)電氣原理圖的接線關(guān)系整理出各部分的進出線號 并調(diào)整他們之間的連接方式 總體配置設(shè)計是以電氣系統(tǒng)的總裝配圖與總接線圖形式來表達的 圖中應(yīng)以示意形式反映出各部分主要部件的位置及各部分接線關(guān)系 走線方式及使用管線要求等 總裝配圖 接線圖是進行分部設(shè)計和協(xié)調(diào)各部分組成一個完整系統(tǒng)的依據(jù) 總體設(shè)計要使整個系統(tǒng)集中 緊湊 同時在場地允許條件下 對發(fā)熱厲害 噪聲振動大的電氣部件 如電動機組 起動電阻箱等要盡量放在離操作者較遠的地方或隔離起來 對于多工位加工的大型設(shè)備 應(yīng)考慮兩地操作地可能 總電源緊急停止控制應(yīng)安放在方便且明顯的位置 總體配置設(shè)計合理與否將影響到電氣控制系統(tǒng)工作的可靠性 并關(guān)系到電氣系統(tǒng)的制造 裝配質(zhì)量 調(diào)試 操作及維護是否方便 二 元件配置圖的設(shè)計與繪制電氣元件布置圖是某些電器元件按一定規(guī)則的組合 電器元件布置圖的設(shè)計依據(jù)是部件原理圖 總原理圖的一部分 同一組件中電器元件的布置應(yīng)注意 1 體積大和較重的電器元件應(yīng)安裝在電氣板的下面 而發(fā)熱元件應(yīng)安裝在電氣板的上面 2 強電弱電分開并注意屏蔽 防止外界干擾 3 需要經(jīng)常維護 檢修 調(diào)整的電器元件安裝位置不宜過高或過低 4 電器元件的布置應(yīng)考慮整齊 美觀 對稱 外形尺寸與結(jié)構(gòu)類似的電器安放在一起 以利加工 安裝和配線 5 電器元件布置不宜過密 要留有一定間距 若采用板前走線槽配線方式 應(yīng)適當加大各排電器的間距 以利布線和維護 各電器元件的位置確定以后 便可繪制電器布置圖 布置圖是根據(jù)電器元件的外形繪制 并標出各元件間距尺寸 每個電器元件的安裝尺寸及其公差范圍 應(yīng)嚴格按產(chǎn)品手冊標準標注 作為底板加工依據(jù) 以保證各電器順利安裝