第四章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

第一節(jié)電氣控制設(shè)計的原則、內(nèi)容和程序第二節(jié)電力拖動方案的確定和電動機的選擇第三節(jié)電氣原理圖設(shè)計的步驟與方法第四節(jié)常用控制電器的選擇第五節(jié)電氣控制工藝設(shè)計2/6/2023第一節(jié)電氣控制設(shè)計的原則、內(nèi)容和程序11.1.1電氣控制設(shè)計的一般原則1.最大限度地滿足生產(chǎn)機械和生產(chǎn)工藝對電氣控制的要求，這些生產(chǎn)工藝要求是電氣控制設(shè)計的依據(jù)。2.在滿足控制要求前提下，設(shè)計方案力求簡單、經(jīng)濟、合理，不要盲目追求自動化和高指標。2/6/20233.正確、合理地選用電器元件，確保控制系統(tǒng)安全可靠地工作。4.為適應(yīng)生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進，在選擇控制設(shè)備時，設(shè)備能力留有適當裕量。2/6/202311.1.2電氣控制設(shè)計的基本任務(wù)和內(nèi)容

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容是根據(jù)控制要求，設(shè)計和編制出電氣設(shè)備制造和使用維修中必備的圖樣和資料等。包括電氣原理圖設(shè)計和電氣工藝設(shè)計兩部分。2/6/2023為電氣控制裝置本身的制造、使用、運行及維修的需要而進行的生產(chǎn)工藝設(shè)計。電氣控制設(shè)計包括：1、電氣原理圖設(shè)計為滿足生產(chǎn)機械及其工藝要求而進行的電氣控制設(shè)計。2、電氣工藝設(shè)計2/6/2023（一）電氣原理圖設(shè)計內(nèi)容1.擬定電氣設(shè)計任務(wù)書2.選擇電氣拖動方案：確定電動機類型、型號、容量、轉(zhuǎn)速3.選擇控制方式：設(shè)計電氣控制原理框圖，擬訂各部分技術(shù)指標與要求。4.設(shè)計并繪制電氣控制原理圖，計算主要技術(shù)參數(shù)5.選擇電氣元件，制定元件目錄清單6.編寫設(shè)計說明書2/6/2023（二）電氣工藝設(shè)計內(nèi)容1.根據(jù)設(shè)計出的電氣原理圖及選定的電氣元件,設(shè)計電氣設(shè)備的總體配置,繪制電氣控制系統(tǒng)的總布置圖及總接線圖。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，列出各部件的元件目錄表。3.根據(jù)組件原理電路圖及選定的元件目錄表，設(shè)計組件電器裝配圖、接線圖，圖中應(yīng)反映元件的安裝方式和接線方式。2/6/20234.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。5.設(shè)計電氣箱。6.編寫使用維護說明書2/6/202311.1.3、電氣控制設(shè)計的一般程序以電力拖動電氣控制設(shè)計為例1．擬定設(shè)計任務(wù)書2．選擇拖動方案（交、直流）

3．電動機的選擇4．選擇控制方式5．設(shè)計電氣控制原理圖、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)試所必需的各種施工圖，并以此依據(jù)編制各種材料定額清單。7．編寫設(shè)計說明書和使用說明書。2/6/2023第二節(jié)電力拖動方案的確定和電動機的選擇11.2.1電力拖動方案的確定（三）電動機調(diào)速性質(zhì)應(yīng)與負載特性相適應(yīng)（一）拖動方式的選擇（二）調(diào)速方案的選擇2/6/202311.2.2拖動電動機的選擇（一）電動機選擇的基本原則1.電動機的機械特性應(yīng)滿足生產(chǎn)機械提出的要求，要與負載的負載特性相適應(yīng)。保證運行穩(wěn)定且具有良好的起動、制動性能。2.工作過程中電動機容量能得到充分利用，使其溫升盡可能達到或接近額定溫升值。2/6/20233.電動機結(jié)構(gòu)型式滿足機械設(shè)計提出的安裝要求，并能適應(yīng)周圍環(huán)境工作條件。4.在滿足設(shè)計要求前提下，應(yīng)優(yōu)先采用結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用維護方便的三相籠型異步電動機。2/6/2023(二）電動機的選擇1、電動機的種類、電壓、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)型式的選擇2/6/2023根據(jù)生產(chǎn)機械的負載性質(zhì)來選擇電動機的類型對于不要求調(diào)速、對啟動性能亦無過高要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)優(yōu)先考慮使用一般鼠籠式異步電動機(如YL型、JS型、Y系列等)。若要求啟動轉(zhuǎn)矩較大，則可選用高啟動轉(zhuǎn)矩的鼠籠式異步電動機(如JS2—1xx型，JQ2承JQO2系列等)對于要求經(jīng)常啟、制動，且負載轉(zhuǎn)矩較大、又有一定調(diào)速要求的生產(chǎn)機械，應(yīng)考慮選用線繞式異步電動機（如YR、YZR，JZR型等）；對于周期性波動負載的生產(chǎn)機械，為了削平尖陣負載，一般都采用電動機帶飛輪工作，這種清況下也應(yīng)選用線繞式異步電動機。2/6/2023對只需要幾種速度，而不要求無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，為了簡化變速機構(gòu)，可選用多速異步電動機(如YD系列小型多適異步電動機)。對要求恒速穩(wěn)定運行的生產(chǎn)機械，且需要補償電網(wǎng)功率因數(shù)，應(yīng)優(yōu)先考慮選用同步電動機(如TD型等)。對需要大的啟動轉(zhuǎn)矩，又要求恒功率調(diào)運的生產(chǎn)機械，常選用直流串勵或復(fù)勵電動機。2/6/2023對要求大范圍無級調(diào)速，且要求經(jīng)常啟動、制動、正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，則可選用帶調(diào)速裝置的直流電動機或電磁調(diào)速鼠籠式異步電動機。對要求調(diào)速范圍很寬的生產(chǎn)機械，最好從機械變速和電氣調(diào)速二者結(jié)合起來考慮，易于收到技術(shù)和經(jīng)濟指標較高的效果。2/6/2023電動機電壓等級的選擇低壓一般為380v，高壓一般為3kv或6kV。中等功率以下的交流電動機，額定電壓一般為380v，鼠籠式異步電動機的額定電壓有“兩種：220／380v，100kw以上大功率交流電動機額定電壓一般為3kv或6kv?！鳎痀接法；若采用降壓啟動，就必須Y/△選用380v，△接法的電動機。2/6/2023有時銘牌上標“電壓380/220，Y/Δ”表示：電壓=380V時，應(yīng)接成Y電壓=220V時，應(yīng)接成Δ2/6/2023直流電動機一般由單獨電源供電，直流電動機額定電壓一般為110v，220v和440v。最常用的電壓等級為220v。當交流電源為380v時；若采用無整流變壓器的三相半披可控整流電路供電，則直流電動機的額定電壓應(yīng)選為220v若采用無整流變壓器的單相整流電路供電，則可選用改型的Z3型、額定電壓為160v的直流電動機。采用無整流變壓器的三相橋式可控整流電路供電，則直流電動機的額定電壓應(yīng)選為440v；2/6/2023電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇在同樣的功率下，轉(zhuǎn)速較高的電動機轉(zhuǎn)矩較小，轉(zhuǎn)速高的電動機體積小、價格便宜，而且效率也高，還具有較好的功率因數(shù)，因此，選用高速電動機比較合適，如果生產(chǎn)機械的運行速度很低，而電動機轉(zhuǎn)速很高，就需增加減速裝置。2/6/2023對不需要調(diào)速的高、中轉(zhuǎn)速的機械，選相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的異步電動機或同步電動機，直接與機械相連接。對不需要調(diào)速的低速運轉(zhuǎn)的機械。選用適當轉(zhuǎn)速的電動機通過減速機構(gòu)傳動。需要調(diào)速的機械，電動機的最高轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)機械的最高轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。采用直接傳動或通過減速機構(gòu)傳動經(jīng)常啟動、制動和反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械．要著重考慮縮小過渡過程提高生產(chǎn)率。2/6/2023電動機結(jié)構(gòu)形式的選擇(1)開啟式。電動機定子上有很大的通風口，僅適用于干燥和清潔的工作環(huán)境。(2)防護式?？煞乐顾?、鐵屑等雜物落入電動機內(nèi)部，但不能防止灰塵和潮氣侵入，適用于干燥、灰塵多、無腐蝕性和爆炸性氣體的場所。(3)封閉式。適用于塵土、多潮濕、易引起火災(zāi)和腐蝕性氣體的地方，密閉式電動機可以防止一定壓力水柱的沖擊，如船用直流電功機與潛水異步電泵。適用于在液體中工作的生產(chǎn)機械。(4)防爆式，是在封閉式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上制成的隔爆型，適用于有易燃、易煤氣體的場所，如油庫、煤氣站及礦井等。2/6/20232、

電動機容量選擇的原則選擇電動機容量應(yīng)根據(jù)以下三項基本原則(1)發(fā)熱。(2)過載能力。(3)啟動能力。2/6/20232/6/2023根據(jù)負載圖按發(fā)熱的理論計算電動機容量的方法精確但復(fù)雜。常采用統(tǒng)計法。所謂統(tǒng)計法，就是對國內(nèi)外同類型先進機床的主拖動電動機進行統(tǒng)計和分析，結(jié)合我國的生產(chǎn)實際情況，找出電動機容量與機床主要參數(shù)的關(guān)系，并用數(shù)學式加以表達，作為設(shè)計新機床時選擇電動機容量的主要依據(jù)2/6/2023車床：D為工件的最大直徑(m)；具體介紹如下(公式中P均為主拖動電動機容量，P的單位為kW)立式車床：D為工件的最大直徑〔m)搖臂鉆床：D為最大的鉆孔直徑(mm)臥式鏜床：D為鏜桿直徑(mm)龍門銑床：B為工作臺寬度(mm)2/6/2023第三節(jié)電氣原理圖設(shè)計的步驟與方法11.3.1電氣控制原理圖設(shè)計的基本步驟

1、根據(jù)選定的拖動方案和控制方式設(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)。2/6/2023

3、繪制系統(tǒng)總原理圖。按系統(tǒng)框圖結(jié)構(gòu)將各部分電路聯(lián)成一個整體，完善輔助電路，繪成系統(tǒng)原理圖。

4、合理選擇電氣原理圖中每一電器元件，制訂出元器件目錄清單。

2、根據(jù)各部分的要求，設(shè)計出原理框圖中各個部分的具體電路。對于每一部分電路的設(shè)計都是按照主電路→控制電路→聯(lián)鎖與保護→總體檢查，反復(fù)修改與完善的步驟來進行。2/6/202311.3.2電氣控制原理圖的設(shè)計方法（一）分析設(shè)計法1、設(shè)計各控制單元環(huán)節(jié)中拖動電動機的起動、正反向運轉(zhuǎn)、制動、調(diào)速、停車等的主電路或執(zhí)行元件的電路。2、設(shè)計滿足各電動機的運轉(zhuǎn)功能和工作狀態(tài)相對應(yīng)的控制電路。2/6/20233、設(shè)計保護、聯(lián)鎖、檢測、信號和照明等環(huán)節(jié)控制電路。4、全面檢查所設(shè)計的電路。2/6/2023由于這種設(shè)計方法是以熱練掌促各種電氣控制線路的基本環(huán)節(jié)和具備一定的閱讀分析電氣控制線路的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，所以又稱為經(jīng)驗設(shè)計法。

特點是無固定的設(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)，因此在電氣設(shè)計中被普遍采用，缺點是設(shè)計方案不一定是最佳方案，當經(jīng)驗不足或考慮不用時會影響線路工作的可靠性。2/6/2023（二）邏輯設(shè)計法采用邏輯設(shè)計法設(shè)計電氣控制電路大體按五步進行：1、按工藝要求畫出工作循環(huán)圖2、決定執(zhí)行元件與檢測元件，作出執(zhí)行元件動作節(jié)拍表和檢測元件狀態(tài)表。3、根據(jù)檢測元件狀態(tài)表寫出各程序的特征碼，并確定相區(qū)分組，設(shè)置中間記憶元件，使各待相區(qū)分組所有程序皆可區(qū)分。2/6/20234、列寫中間記憶元件開關(guān)邏輯函數(shù)式及執(zhí)行元件動作邏輯函數(shù)式，進而畫出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)圖。5、對畫出的電路進行檢查、化簡和完善。2/6/2023三、電氣控制原理圖設(shè)計中的一般要求電氣控制原理圖設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：1．電氣控制電路滿足生產(chǎn)工藝要求2．盡量減少控制電路中電流、電壓的種類，控制電壓選擇標準電壓等級。2/6/2023常用控制電壓等級表整流器48、24、12直流電磁鐵及電磁離合器的控制電路整流器或直流發(fā)電機220、110直流直流電力傳動的控制電路采用控制電源變壓器48、24、6照明及信號指示電路采用控制電源變壓器110（127）、48交流電力傳動的控制電路較復(fù)雜不用控制電源變壓器380、220交流交流電力傳動的控制電路較簡單電源設(shè)備常用的電壓值/V控制電路類型2/6/20233．確保電氣控制電路工作的可靠性和安全性為保證電氣控制電路可靠的工作，應(yīng)考慮以下幾方面：1）盡量減少電器元件的品種、規(guī)格與數(shù)量。2）正常工作中，盡可能減少通電電器的數(shù)量。3）合理使用電器觸頭。

4）做到正確接線。2/6/2023●首先正確連接電器線圈。2/6/2023●第二要合理安排電器元件及觸頭的位置。a)不合理b）合理2/6/2023不宜采用二常開二常閉的復(fù)合式按鈕2/6/2023●第三要注意避免出現(xiàn)寄生電路。

存在寄生電路的控制電路2/6/20235）盡量減少連接導(dǎo)線的數(shù)量，縮短連接導(dǎo)線的長度。6）盡可能提高電路工作的可靠性、安全性。2/6/20232/6/20234．應(yīng)具有必要的保護5．電路設(shè)計要考慮操作、使用、調(diào)試與維修的方便。6．電路力求簡單經(jīng)濟。2/6/202311.3.3橫粱升降電氣控制原理線路的設(shè)計實例1.橫梁升降控制要求：橫梁升降由一臺2JH61·4型三相交流異步電動機拖動(13kw，380v／660v，27.6／16A，l330r／min)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，由一臺JD42—4型(2.8kW，220／380V，10.5／6.1A，l420r／min)三相交流異步電動機拖動2/6/2023橫梁升降控制要求：①采用短時工作的點動控制。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))放松到位置停止放松，橫粱自動上升(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))。放松位置開關(guān)復(fù)位，達到一定夾緊緊度，夾緊位置開關(guān)壓下，上升過程結(jié)束。2/6/2023③橫梁下降控制動作過程：按下降按鈕，橫梁放松(夾緊電動機反轉(zhuǎn))放松到位置停止放松，橫粱自動下降(升／降電動機反轉(zhuǎn))，到位放開下降按鈕，橫梁停止下降并自動短時回升(升／降電動機組時正轉(zhuǎn))，橫梁自動夾緊(夾緊電動機正轉(zhuǎn))。放松位置開關(guān)復(fù)位，達到一定夾緊緊度，夾緊位置開關(guān)壓下，下降過程結(jié)束。自動的短時回升動作，消除移動螺母上端面與絲杠的間隙，以防止加工過程中因棧梁傾斜造成的誤差。④橫梁升降動作應(yīng)設(shè)置上、下極限位置保護。2/6/20232.橫梁升降設(shè)計：

①根據(jù)拖動要求設(shè)計主電路橫梁夾緊，用過電流繼電器KI，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。2/6/2023②設(shè)計控制電路行程開關(guān)SQ1(檢測己放松)行程開關(guān)SQ2(檢測已夾緊）2/6/2023自動短時回升動作KM2輔助觸點超出不宜采用二常開二常閉的復(fù)合式按鈕2/6/2023采用一個中間繼電器KA來完善設(shè)計。其中R—M、L—M為工作臺驅(qū)動電動機M正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖觸點，即保證機床進人加工狀態(tài)，不允許橫梁移動。上、下極限位置保護SQ3，SQ42/6/2023第四節(jié)常用控制電器的選擇11.4.1常用控制電器元件選擇1、接觸器選用：1）根據(jù)接觸器所控制負載的工作任務(wù)來選擇相應(yīng)使用類別的接觸器。2）根據(jù)接觸器控制對象的工作參數(shù)來確定接觸器的容量等級。3）根據(jù)控制回路電壓決定接觸器線圈電壓。4）對于特殊環(huán)境條件下工作的接觸器選用派生型產(chǎn)品。2/6/20232/6/2023阻性負載:Ife≥I感性負載:Ife≥(1.5～2.5)IN(保護一臺電動機)Ife≥(1.5～2.5)INmax+∑IN(保護多臺電動機)電容性負載：取額定電流的1.6倍2、熔斷器的選用2/6/20233、熱繼電器的選用對于三角形接法電動機，應(yīng)選用帶斷相保護裝置的熱繼電器2/6/202311.4.2異步電動機有關(guān)起動、制動電阻計算1、三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機起動電阻計算式中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，即最先被短接的電阻，k為常數(shù)，為最后被短接的那一級電阻值。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子繞組接外加電阻。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)短波動就越小，但控制線路也就越復(fù)雜。2/6/2023S為電動機額定轉(zhuǎn)差率E2為正常工作中電動機轉(zhuǎn)子電壓(V)，I2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I2S為轉(zhuǎn)子起動電流(A)，取I2S=1.5I2；R為每相串聯(lián)電阻。2/6/20232、籠型異步電動機反接制動電阻的計算Uψ為電動機定子繞組相電壓(V)；IS為全壓起動電流(A)；k為系數(shù)，當要求最大反接制動電流Im＜IS時，