第四章 电气控制系统的设计

2020/3/19
4.1 电气控制系统设计的 基本内容和一般原则
一、电气控制系统设计的基本内容 设计一台电气控制系统的新设备，一般包括
以下设计内容： （1）拟定电气设计的技术条件（任务书）； （2）选择电气传动形式与控制方案； （3）确定电动机的容量； （4）设计电气控制原理图； （5）选择电气元件，制订电机和电气元件明
① 在获得同样功能情况下，合并同类触点。如 图4-2所示，（b）图将两个线路中同一触点合并比 （a）图在电路上少了一对触点。但是在合并触点时 应注意触点对额定电流值的限制。
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图4-2 (a) (b) 合并同类触点 图4-3(a) 不加二极管(b) 加二极管
② 利用半导体二极管的单向导电性来有效 地减少触点数，如图4-3所示。对于弱电电气控 制电路，这样做既经济又可靠。
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图4-5 两个接触器 线圈串联＊
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(a) 产生飞弧 (b) 消除飞弧
(b)图4-6 电气触点正确连接方式＊
（4）在控制线路中，采用小容量继电器的触点来 断开或接通大容量接触器的线圈时，要计算继电器触 点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。在频繁操作 的可逆线路中，正反向接触器应选加重型的接触器。
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4.2 电力拖动方案确定原则和电机的选择
电力拖动方案是指确定电动机的类型 、数量、传动方式及电动机的起动、运行 、调速、转向、制动等控制要求，是电气 设计的主要内容之一，为电气控制原理图 设计及电气元件选择提供依据。确定电力 拖动方案必须依据生产机械的精度、工作 效率、结构以及运动部件的数量、运动要 求、负载性质、调速要求以及投资额等条 件。
③ 在设计完成后，利用逻辑代数进行化简 ，得到最简化的线路。
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(5) 尽量减少电器不必要的通电时间，使电 气元件在必要时通电，不必要时尽量不通电， 可以节约电能并延长电器的使用寿命。
(a) 不合理线路
(b) 合理线路
2020/3/19 图4-4以时间原则控制的电动机降压起动线路＊
（三）保证控制线路工作的可靠性和安 全性
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；
防止电路中因电气元件固有特性引起配 合不良后果，当电气元件的动作时间可能 影响到控制线路的动作程序时，就需要用 时间继电器配合控制，这样可清晰地反映 元件动作时间及它们之间的互相配合；
若不可避免，则应将产生“竞争”与“ 冒险”现象的触点加以区分、联锁隔离或 采用多触点开关分离。
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（二）在满足生产要求的前提下，力求使控制线 路简单、经济
(1) 尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的 环节和线路。
(2) 尽量缩短连接导线的数量和长度。设计控制线 路时，应合理安排各电器的位置，考虑到各个元件之 间的实际接线，要注意电气柜、操作台和限位开关之 间的连接线。
例如:图4-1是电气柜接线，要求起动按钮SB1和停 止按钮SB2装在操作台上，接触器K装在电气柜内。
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分析调速性质和负载特性，找出电机在整个调速 范围内转矩、功率与转速的关系，以确定负载需要恒 功率调速还是恒转矩调速，为合理确定拖动方案和控 制方案以及电机和电机容量的选择提供必要的依据。
三、 电动机的选择和电动机的起动、制动和反向 要求
1．电动机的选择
电动机的选择包括电动机的种类、结构形式、 额定转速和额定功率。电动机的种类和转速根据生产 机械的调速要求选择，一般都应采用感应电动机，仅 在起动、制动和调速不满足要求时才选用直流电动机 ；电动机的结构形式应适应机械结构和现场环境，可 选用开启式、防护式、封闭式、防腐式甚至是防爆式 电动机；电动机的额定功率根据生产机械的功率负载 和转矩负载选择，使电动机容量得到充分利用。
在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速特 性与负载特性相适应，否则将会引起拖动工作的不正 常，电动机不能充分合理的使用。例如，
双速鼠笼式异步电动机，当定子绕组由Δ连接改 接成YY连接时，转速增加1倍，功率却增加很少，因 此它适用于恒功率传动。
对于低速为Y连接的双速电动机改接成YY后，转 速和功率都增加1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。
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（7）在控制线路中应避免出现寄生电路 。在电气控制线路的动作过程中，意外接通 的电路叫寄生电路（或假电路）。
图4-9所示是一个具有指示灯和热继电器 保护的正反向控制电路。在正常工作时，能 完成正反向起动、停止和信号指示；但当热 继电器FR动作时，线路就出现了寄生电路（ 如图4-9中虚线所示），使正向接触器KM1不 能释放，起不了保护作用。
在设计电气控制线路时，严格按照“线圈、 能耗元件下边接电源（零线），上边接触点”的原 则，降低产生寄生回路的可能性；
还应注意消除两个电路之间产生联系的可能性 ，若不可避免应加以区分、联锁隔离或采用多触点 开关分离。如将图中的指示灯分别用KM1、KM2的 另外常开触点直接连接到左边控制母线上，就可消 除寄生电路。
（8）设计的线路应能适应所在电网情况，根 据现场的电网容量、电压、频率，以及允许的冲击 电流值等，决定电动机应直接或间接（降压）起动 。
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（四）操作和维修方便
电气设备应力求维修方便，使用安全。电气 元件应留有备用触点，必要时应留有备用电气元 件，以便检修、改接线用，为避免带电检修应设 置隔离电器。控制机构应操作简单、便利，能迅 速而方便地由一种控制形式转换到另一种控制形 式，例如由手动控制转换到自动控制。
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SB1
KM1
KM2
SB2
SB3
KM2
KM1
寄生 FR 电路
L1 KM1
KM2 L2
(a)
FR
SB1 KM2
KM1
SB2
KM1 SB3 KM2
KM2
KM1
L1 KM1
KM2
L2
(b)
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图4-9具有指示灯和热继电器保护的 正反向控制电路中的寄生电路
避免产生寄生电路的方法有：
（1）选用的电气元件要可靠、牢固、动作时 间短，抗干扰性能好。
（2）正确连接电器的线圈。在交流控制电路 中不能串联接入两个电器的线圈，即使外加电压是 两个线圈额定电压之和，也是不允许的，如图4-5 所示。
（3）正确连接电器的触点。同一电气元件的常 开和常闭触点靠得很近，若分别接在电源不同的相 上，由于各相的电位不等，当触点断开时，会产生 电弧形成短路。如图4-6所示。
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二、电气控制线路设计的一般原则
当机械设备的电力拖动方案和控制方案已经确定 后，就可以进行电气控制线路的设计。电气控制线路 的设计是电力拖动方案和控制方案的具体化，一般在 设计时应该遵循以下原则：
（一）最大限度地实现生产机械和工艺对电气控 制线路的要求
控制线路是为整个设备和工艺过程服务的。因 此，在设计之前，要调查清楚生产要求，对机械设备 的工作性能、结构特点和实际加工情况有充分的了解 。电气设计人员深入现场对同类或接近的产品进行调 查，收集资料，加以分析和综合，并在此基础上考虑 控制方式，起动、反向、制动及调速的要求，设置各 种联锁及保护装置，最大限度地实现生产机械和工艺 对电气控制线路的要求。
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当延时断开常闭触点断开后再闭合的时间ts> 瞬时触点断开时间t１，反身电路能自关断； 反之，若ts<t1,反身电路不能自关断，称 为＂竞争冒险。
(a) “竞争”与“冒险”
(b)合理电路
(b)图4-8 时间继电器组成的反身关闭电路*
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要避免发生触点“竞争”与“冒险” 现象的方法有：
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二、确定调速方案
不同的对象有不同的调速要求，为了达到一 定的调速范围，可采用齿轮变速箱、液压调速装置 、双速或多速电动机以及电气的无级调速传动方案 。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，应 尽可能采用无级调速。这有利于简化机械结构，缩 小体积，降低制造成本。
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(a)不合理
(b)减少元件依次动作
图4-7电器正确连接方式*
在电气控制电路中，在某一控制信号作用下， 电路从一个状态转换到另一个状态时，常常有几个 电器的状态发生变化，由于电气元件总有一定的固 有动作时间，往往会发生不按预定时序动作的情况 ，触点争先吸合，发生振荡，这种现象称为电路的 “竞争”。另外，由于电气元件的固有释放延时作 用，也会出现开关电器不按要求的逻辑功能转换状 态的可能性，我们称这种现象为“冒险”。“竞争 ”与“冒险”现象都将造成控制回路不能按要求动 作，引起控制失灵。例如图4-8 是时间继电器组成的 反身关闭电路中触点竞争与解决的方法。
(a)不合理的线路
(b)合理的线路
图4-1 电气柜接线
(3) 尽量减少电气元件的品种、规格和数量， 并尽可能采用性能优良，价格便宜的新型器件和标 准件，同一用途尽量选用相同型号的电气元件。
(4) 尽量减少不必要的触点以简化电路。在满 足动作要求的条件下，电气元件触点愈少，控制线 路的故障机会率就愈低，工作的可靠性愈高。常用 的方法有：
（2）精密机械设备如坐标镗床、精密磨床、数 控机床以及某些精密机械手，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。
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（3）一般中小型设备如普通机床没有特殊要求时 ，可选用经济、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。为了简化结构，扩大 调速范围，也可采用双速或多速的鼠笼式异步电动机 。在选用三相鼠笼式异步电动机的额定转速时，应满 足工艺条件要求 。