第十一章 电气控制系统设计

有时铭牌上标“电压380/220，Y/Δ” 表示： 电压=380V时，应接成Y 电压=220V时，应接成Δ
直流电动机一般由单独电源供电，直流电动机额定 电压一般为110v，220v和440v。最常用的电压等级为 220v。
当交流电源为380v时；
➢采用无整流变压器的三相桥式可控整流电路供电，则直 流电动机的额定电压应选为440v；
直流电力传动的控制电路
直流电磁铁及电磁离合器 的控制电路
常用的电压值/V 交 380、220 流
110（127）、 48
48、24、6
直 220、110 流
48、24、12
电源设备
不用控制电 源变压器
采用控制电 源变压器
采用控制电 源变压器
整流器或直 流发电机
整流器
3．确保电气控制电路工作的可靠性和安全性 为保 证电气控制电路可靠的工作，应考虑以下几方面：
➢若采用无整流变压器的三相半披可控整流电路供电，则 直流电动机的额定电压应选为220v
➢若采用无整流变压器的单相整流电路供电，则可选用改型 的Z3型、额定电压为160v的直流电动机。
电动机额定转速的选择
在同样的功率下，转速较高的电动机转矩较小，转 速高的电动机体积小、价格便宜，而且效率也高，还具 有较好的功率因数，因此，选用高速电动机比较合适，
1）尽量减少电器元件的品种、规格与数量。
2）正常工作中，尽可能减少通电电器的数量。 3）合理使用电器触头。
4）做到正确接线。
●首先正确连接电器线圈。
●第二要合理安排电器元件及触头的位置。
a)不合理 b）合理
不宜采用二常开二常闭的复合式按钮
●第三要注意避免出现寄生电路。
存在寄生电路的控制电路
5）尽量减少连接导线的数量，缩短连接导线的长度。 6）尽可能提高电路工作的可靠性、安全性。
(二）电动机的选择
1、电动机的种类、电压、转速和结构型式的选择
根据生产机械的负载性质来选择电动机的类型
➢对于不要求调速、对启动性能亦无过高要求的生产机械， 应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机(如YL型、JS型、Y 系列等)。 若要求启动转矩较大，则可选用高启动转矩的鼠 笼式异步电动机(如JS2—1x x型，JQ2承JQO2系列等)
(4)防爆式，是在封闭式结构基础上制成的隔爆型，适用于 有易燃、易煤气体的场所，如油库、煤气站及矿井等。
2、 电动机容量选择的原则
选择电动机容量应根据以下三项基本原则 (1)发热。 (2)过载能力。 (3)启动能力。
PMMTL
根据负载图按发热的理论计算电动机容量 的方法精确但复杂。
常采用统计法。所谓统计法，就是对国内 外同类型先进机床的主拖动电动机进行统计和 分析，结合我国的生产实际情况，找出电动机 容量与机床主要参数的关系，并用数学式加以 表达，作为设计新机床时选择电动机容量的主 要依据
③横梁下降控制动作过程：按下降按钮，横梁放松(夹紧电动机 反转) 放松到位置停止放松，横粱自动下降(升／降电动机反转)， 到位放开下降按钮， 横梁停止下降并自动短时回升(升／降电 动机组时正转)，横梁自动夹紧(夹紧电动机正转)。放松位置开 关复位，达到一定夹紧紧度，夹紧位置开关压下，下降过程结 束。
B为工作台宽Байду номын сангаас(mm)
第三节 电气原理图设计 的步骤与方法
11.3.1 电气控制原理图设计的基本步骤
1、根据选定的拖动方案和控制方式设计系统的原 理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术 参数。
2、根据各部分的要求，设计出原理框图中各个部 分的具体电路。对于每一部分电路的设计都是按照 主电路→控制电路→联锁与保护→总体检查，反复 修改与完善的步骤来进行。
横梁升降控制要求：
①采用短时工作的点动控制。
②横梁上升控制动作过程：按上升按钮。横梁放松(夹紧电 动机反转) 放松到位置停止放松，横粱自动上升(升／降电动机 正转)，到位放开上升按钮，横梁停止上升，横梁自动夹紧(夹 紧电动机正转)。放松位置开关复位，达到一定夹紧紧度，夹紧 位置开关压下，上升过程结束。
2、电气工艺设计 为电气控制装置本身的制造、使用、运行及维修的
需要而进行的生产工艺设计。
（一）电气原理图设计内容
1.拟定电气设计任务书 2.选择电气拖动方案：确定电动机类型、型号、容量、转速
3.选择控制方式：设计电气控制原理框图，拟订各部分技 术指标与要求。
4.设计并绘制电气控制原理图，计算主要技术参数 5.选择电气元件，制定元件目录清单 6.编写设计说明书
➢经常启动、制动和反转的生产机械．要着重考虑缩小 过渡过程提高生产率。
电动机结构形式的选择
(1)开启式。电动机定子上有很大的通风口，仅适用于干 燥和清洁的工作环境。
(2)防护式。可防止水滴、铁屑等杂物落入电动机内部， 但不能防止灰尘和潮气侵入，适用于干燥、灰尘多、无腐 蚀性和爆炸性气体的场所。
(3)封闭式。适用于尘土、多潮湿、易引起火灾和腐蚀性气 体的地方，密闭式电动机可以防止一定压力水柱的冲击， 如船用直流电功机与潜水异步电泵。适用于在液体中工作 的生产机械。
（一）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， 要与负载的负载特性相适应。保证运行稳定且具有 良好的起动、制动性能。
2.工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升 尽可能达到或接近额定温升值。
3.电动机结构型式满足机械设计提出的安装要求， 并能适应周围环境工作条件。
4.在满足设计要求前提下，应优先采用结构简单、价 格便宜、使用维护方便的三相笼型异步电动机。
（二）电气工艺设计内容
1.根据设计出的电气原理图及选定的电气元件,设计电气设 备的总体配置,绘制电气控制系统的总布置图及总接线图。
2.按照原理框图或划分的组件，对总原理图进行编号，绘制 各组件原理电路图，列出各部件的元件目录表。
3.根据组件原理电路图及选定的元件目录表，设计组件电器 装配图、接线图，图中应反映元件的安装方式和接线方式。
5、对画出的电路进行检查、化简和完善。
三、电气控制原理图设计中的一般要求
电气控制原理图设计应满足以下要求：
1．电气控制电路满足生产工艺要求
2．尽量减少控制电路中电流、电压的种类，控制电 压选择标准电压等级。
常用控制电压等级表
控制电路类型 交流电力传动的控制电路
较简单 交流电力传动的控制电路
较复杂 照明及信号指示电路
第一节 电气控制设计的原则、 内容和程序
11.1.1 电气控制设计的一般原则
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， 这些生产工艺要求是电气控制设计的依据。
2.在满足控制要求前提下，设计方案力求简单、经济、合 理，不要盲目追求自动化和高指标。
3.正确、合理地选用电器元件，确保控制系统安全可靠 地工作。
2、设计满足各电动机的运转功能和工作状态相对应的控 制电路。
3、设计保护、联锁、检测、信号和照明等环节控制电路。 4、全面检查所设计的电路。
由于这种设计方法是以热练掌促各种电气控制线路的 基本环节和具备一定的阅读分析电气控制线路的经验为基 础，所以又称为经验设计法。
特点是无固定的设计程序，设计方法简单，容易为初 学者所掌握，对于具有一定工作经验的电气人员来说，也 能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用， 缺点是设计方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不 用时会影响线路工作的可靠性。
6．设计电气设备制造、安装、调试所必需的各种施工 图，并以此依据编制各种材料定额清单。
7．编写设计说明书和使用说明书。
第二节 电力拖动方案的确定 和电动机的选择
11.2.1 电力拖动方案的确定 （一）拖动方式的选择 （二）调速方案的选择
（三）电动机调速性质应与负载特性相适应
11.2.2 拖动电动机的选择
如果生产机械的运行速度很低，而电动机转速很高， 就需增加减速装置。
➢对不需要调速的高、中转速的机械，选相应额定转 速的异步电动机或同步电动机，直接与机械相连接。
➢对不需要调速的低速运转的机械。选用适当转速的 电动机通过减速机构传动。
➢需要调速的机械，电动机的最高转速与生产机械的 最高转速相适应。采用直接传动或通过减速机构传动
4.根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准的电 器安装零件图纸。 5.设计电气箱。
6.编写使用维护说明书
11.1.3、电气控制设计的一般程序 以电力拖动电气控制设计为例
1．拟定设计任务书 3．电动机的选择
2．选择拖动方案（交、直流） 4．选择控制方式
5．设计电气控制原理图、合理选用元器件，编制元 器件目录清单。
4.为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时， 设备能力留有适当裕量。
11.1.2 电气控制设计的基本任务和内容
电气控制系统设计的基本内容是根据控制要求，设计 和编制出电气设备制造和使用维修中必备的图样和资料 等。
包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。
电气控制设计包括：
1、电气原理图设计 为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制设计。
具体介绍如下(公式中P均为主拖动电动机容量，P 的单位为kW)
车床： P36.5D1.54 D为工件的最大直径(m)；
立式车床： P20D0.88 D为工件的最大直径〔m)
摇臂钻床：P0.06D 41.6 19D为最大的钻孔直径(mm)
卧式镗床： P0.00D 41.7 D为镗杆直径(mm)
龙门铣床： P B 1.15 166
（二）逻辑设计法
采用逻辑设计法设计电气控制电路大体按五步进行：
1、按工艺要求画出工作循环图 2、决定执行元件与检测元件，作出执行元件动作节 拍表和检测元件状态表。
3、根据检测元件状态表写出各程序的特征码，并确 定相区分组，设置中间记忆元件，使各待相区分组所 有程序皆可区分。
4、列写中间记忆元件开关逻辑函数式及执行元件动 作逻辑函数式，进而画出相应的电路结构图。
➢对要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网 功率因数，应优先考虑选用同步电动机(如TD型等)。
➢对需要大的启动转矩，又要求恒功率调运的生产机 械，常选用直流串励或复励电动机。
➢对要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反 转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或电磁 调速鼠笼式异步电动机。
4．应具有必要的保护 5．电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便。 6．电路力求简单经济。
11.3.3横粱升降电气控制原理线路的设计实例
1.横梁升降控制要求： 横梁升降由一台2JH61·4型三相交流异步电动机拖动
(13kw，380v／660v，27.6／16A，l 330r／min)
夹紧机构将横梁夹紧在立柱上。每次移动前要先放松夹 紧装置，由一台JD42—4型(2.8kW，220／380V，10.5／6.1A， l 420r／min)三相交流异步电动机拖动
自动的短时回升动作，消除移动螺母上端面与丝杠的间隙， 以防止加工过程中因栈梁倾斜造成的误差。
④横梁升降动作应设置上、下极限位置保护。
2.横梁升降设计：
①根据拖动要求设计主电路
3、绘制系统总原理图。按系统框图结构将各部分 电路联成一个整体，完善辅助电路，绘成系统原理 图。
4、合理选择电气原理图中每一电器元件，制订出 元器件目录清单。
11.3.2 电气控制原理图的设计方法 （一）分析设计法
1、设计各控制单元环节中拖动电动机的起动、正反向运 转、制动、调速、停车等的主电路或执行元件的电路。
➢对于要求经常启、制动，且负载转矩较大、又有一定调速 要求的生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机（如YR、 YZR，JZR型等）；对于周期性波动负载的生产机械，为了 削平尖阵负载，一般都采用电动机带飞轮工作，这种清况下 也应选用线绕式异步电动机。
➢对只需要几种速度，而不要求无级调速的生产机械， 为了简化变速机构，可选用多速异步电动机(如YD 系 列小型多适异步电动机)。
➢对要求调速范围很宽的生产机械，最好从机械变速和电 气调速二者结合起来考虑，易于收到技术和经济指标较高 的效果。
电动机电压等级的选择
低压一般为380v，高压一般为3kv或6kV。 中等功率以下的交流电动机，额定电压一般为380v， 100kw以上大功率交流电动机额定电压一般为3kv或6kv。
鼠笼式异步电动机的额定电压有“两种：220／380v， △ ／Y接法；若采用降压启动，就必须Y/△ 选用380v， △接法的电动机。