电气控制系统设计与装调实训指导书改.docx

电气控制系统设计与装调实训指导书改.docx

《电气控制系统设计与装调实训指导书改.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气控制系统设计与装调实训指导书改.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电气控制系统设计与装调实训指导书改

电气控制系统设计与装调实训指导书

主编：

王心宇

审核：

鲍方

2013/3/26

第一章常用控制电器

1.1手动电器

1.1.1手动主令电器

主令电器是用于发布控制指令的电器。

（1）按钮

按钮是一种结构简单、应用广泛的主令电器。

在低压控制电路中，用于发布手动控制指令。

控制按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成。

其外形、结构示意及文字符号如图1-1所示。

图1-1

目前使用较多的产品有LAl8、LAl9、LA20、LA25和LAY3等系列。

按钮不同的颜色代表不同的含义。

如图1-2

图1-2

一般用：

（1）红色表示停止和急停；

（2）绿色表示起动；

（3）黑色表示点动；

（4）蓝色表示复位，当复位按钮还有停止的作用时，则必须是红色。

（5）启动与停止交替按钮：

必须是黑色、白色或灰色，不得使用红色和绿色。

另外还有黄、白等颜色，供不同场合使用。

有的按钮需要插入插入钥匙才能操作，还有的按钮带指示灯。

如图1-3所示。

图1-3

随着计算机技术的不断发展，控制按钮又派生出用于计算机系统的弱电按钮新产品，如SJL系列弱电按钮，其具有体积小、操作灵敏等特点。

按钮的选用要考虑其使用场合，对于控制直流负载，因直流电弧熄灭较交流困难，故在同样的工作电压下，直流工作电流应小于交流工作电流。

（2）组合开关

组合开关又称转换开关，一般用于电气设备电源引入开关，也可用于非频繁地通断电路、换接电源和负载，测量三相电压以及控制小容量感应电机。

图1-4

（3）万能转换开关

万能转换开关是一种多档位、控制多回路的组合开关，用于控制电路发布控制指令或远距离控制，也可作为电压表、电流表的换相开关或作为小容量电动机的起动、调速和换向控制。

由于其换接电路多，用途广泛，故又称为万能转换开关。

目前常用的万能转换开关有LW5、LW6等系列。

LW6系列万能转换开关由操作机构、面板、手柄及触头座等主要部件组成，其操作位置有2~12个，触头底座有1~10层，其中每层底座均可装三对触头，并由底座中间的凸轮进行控制。

由于每层凸轮可做成不同的形状，因此，当手柄转动到不同位置时，通过凸轮作用，可使各对触头按所需要的规律接通和分断。

LW6系列万能转换开关还可装成双列型式，列与列之间用齿轮啮合，并由一个公共手柄进行操作，因此，这种转换开关装入的触头最多可达60对。

图1-4为LW6系列转换开关中某一层的结构原理示意图。

其文字符号为SA。

各档位电路通断状况表示有两种方法：

图形表示法：

用图1-4图形法表示电路通断状况。

5

6

在右位时仅2路接通，在左位时仅1路接通，在零位时1、3两路接通。

1.1.2低压隔离器

低压隔离器是指在断开位置能符合规定的隔离功能要求的低压机械开关电器，而隔离开关的含义是在断开位置能满足隔离器隔离要求的开关。

近十余年来，隔离开关和隔离器的发展非常迅速，常用产品除了HD11~HDl4及HS11~HS13（B）系列外，很多都是新开发或引国外技术生产的新产品，这些产品在结构及技术性能上都较好，代表相当的领先水平。

刀开关是结构最简单，应用最广泛的一种手动隔离开关电器。

在低压电路中作为不频繁接通和分断电路用，或用来将电路与电源隔离。

图1-6

1.1.3低压断路器

低压断路器又称作自动空气断路器，简称自动空气开关或自动开关。

允许切断短路电流，但允许操作的次数较低，不适宜频繁操作。

低压断路器按结构形式分为万能式和塑料外壳式两类。

图1-7

图1-8

图1-9

图1-10

如图1-10为断路器原理图。

正常工作时主触头1串联于主电路，处于闭合状态，此时锁键2由搭钩3勾住。

锁键2被扣住后，分断弹簧13被拉长，为开断作准备。

过电流脱扣器12的线圈串联于主电路，当电流为正常值时，衔铁吸力不够，处于打开位置。

当电路电流超过规定值时，电磁吸力增加，衔铁11吸合；电压过低（欠电压），衔铁7释放；过载时双金属片10向上弯曲；三者都通过杠杆5使搭扣3脱开，由主触头1切断电路。

1.2自动电器

1.2.1接触器

接触器是用利用电磁吸力的作用来使触头闭合或断开大电流电路（电动机或其他负载主电路）自动切换电器。

实现远距离的自动控制。

主要用于控制电机、电热设备、电焊机、电容器组等。

它具有低电压释放保护功能。

在电力拖动自动控制中被广泛应用。

通常分为交流接触器与直流接触器。

（1）交流接触器

图1-11

CJ10系列适用于机床电气控制设备，CJ12系列适用于冶金、轧钢及器重电气设备控制系统。

EB，EH系列交流接触器为ABB公司生产的新系列接触器，该系列接触器可与T系列热过负载继电器组成磁力起动器，供电动机控制及过负载，断相及失压保护用。

交流接触器组成：

电磁机构：

线圈、动铁心（衔铁）和静铁心

触头系统：

三对或四对主触头，通常有两对常开常闭辅助触头

灭弧装置：

容量在10A以上的都有灭弧装置

其他部件：

反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构等

（2）直流接触器

直流接触器是通用性很强的电器，除用于频繁控制电机外，还用于各种直流电磁系统中。

随控制对象及其运行方式不同，接触器的操作条件也有较大差别。

1.2.2继电器

继电器是一种根据特定形式的输入信号而动作的自动控制电器。

由承受、中间和执行机构三部分组成。

承受机构反映继电器的输入量，并传递给中间机构，将它与预定的量即整定值进行比较，当达到整定值时，中间机构就使执行机构产生输出量，用于控制电路的开、断。

继电器通常触头容量较小，接在控制电路中，主要用于反应控制信号，是电气控制系统中的信号检测元件；而接触器触头容量较大，直接用于开、断主电路，是电气控制系统中的执行元件。

（1）电流继电器

电流继电器的线圈与被测量电路串联，以反映电路电流的变化，其线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。

这样通过电流时的压降很小，不会影响负载电路的电流，而导线粗电流大仍可获得需要的磁势。

电流继电器又有欠电流和过电流继电器之分。

图1-12

（2）电压继电器

电压继电器的线圈与负载并联以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。

根据动作电压值不同，电压继电器有过电压、欠电压和零电压继电器之分。

图1-13

（3）中间继电器

中间继电器在结构上是一种电压继电器，是用来转换控制信号的中间元件。

输入的是线圈的通断电信号，输出信号为触头的动作。

其触头数量较多，各触头的额定电流相同额定电流5~10A，动作灵敏度高。

中间继电器通常用来放大信号，增加控制电路中控制信号的数量，以及作为信号传递、连锁、转换以及隔离用。

图1-14

（4）时间继电器

凡是在敏感元件获得信号后，执行元件要延迟一段时间才动作的电器叫做时间继电器，时间继电器是检测时间间隔的自动切换电器。

线圈动作后，触头经过延时才动作，这类触头称为延时触头。

此外，目前多数时间继电器附有瞬时触头。

时间继电器种类很多，按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和电子式。

按延时方式时有通电延时和断电延时型。

图1-15

空气阻尼式时间继电器是利用空气阻尼原理获得延时。

由直动式双E型铁心电磁机构、气囊式阻尼器延时机构和LX5型微动开关触头系统三部分组成。

通电延时型与断电延时型仅是电磁铁倒置1800安装的，它们工作原理相似。

（5）热继电器

利用电流的热效应原理实现电动机的过载保护的一种自动电器。

它能在电动机过载时自动切断电源，使电动机停车。

热继电器具有反时限保护特性，其保护特性如表1-1所示。

表1-1

图1-16

（6）速度继电器

用来反映转速和转向的自动电器。

常用于鼠笼式异步电动机反接制动电路。

又称为反接制动继电器。

图1-17

1.2.3行程开关

行程开关是根据运动部件的行程位置而切换电路的自动电器，它的功能是感测运动部件的机械位移并转换成电信号。

图1-18

1.2.4熔断器

熔断器是一种最简单有效而价廉的保护电器，是利用金属的溶化作用来切断电路的，通常串接在被保护的电路中，作为电路及用电设备的短路或严重过载的保护元件。

熔断器是由熔体和熔座组成，熔体（熔片或熔丝）用电阻率较高的易熔合金铅锡合金制成，也可用截面积甚小的良导体铜、银制成。

图1-19

第二章电气控制系统的基本环节

2.1异步电动机起动控制电路

三相异步电动机结构简单、运行可靠、维修方便。

与同容量的直流电机比较，具有体积小、重量轻、转动惯性小的特点。

因此得到广泛应用。

异步电动机有直接起动和降压起动两种方式。

在供电变压器容量足够大时，异步电机可直接起动，否则应采用降压起动方式。

2.1.1直接起动控制电路

（1）开关直接起动（图2-1）

起动电源接通

QS置“开”电动机得电起动

停止QS置“关”电动机失电自由停止

问题无过载保护；电机起动后，突然停电，来电后会自然起动，可能会造成危险。

对小型台钻、冷却泵、砂轮机等，可用开关直接起动。

（2）接触器直接起动

如图2-2所示。

对中小型普通车床的主电动机采用接触器直接起动。

起动：

合QS按SB2

KM线圈得电

辅助常开主触头KM

触头KM（6）（3）闭合

闭合自锁（保）

电机起动

SB2+KM通常称KM为自锁触头。

其作用是当松开SB2后，吸引线圈KM通过其辅助常开触头可以继续保持通电，此控制电路称为自（保）锁电路。

SB2+KM——零（欠）压保护。

FR——过载保护。

FU——短路保护。

停止：

按SB1KM↑电机停

（3）逻辑分析法

为了便于用逻辑代数描述电路，对电器元件状态的逻辑表示做如下规定：

用KA、KM、SQ、SB分别表示继电器、接触器、行程开关、按钮的常开（动合）触头；用

、

、

、

表示其相应的常闭（动断）触头。

电路中开关元件的受激状态（如继电器线圈得电，行程开关受压）为“1”状态；触头闭合状态为“1”状态，断开状态为“0”状态。

例图2-2的控制电路，写出其逻辑表达式：

由表达式可知：

只有在FR、SB1都闭合（未受激），并且SB2和KM有任一个闭合（动作）时，KM才得电。

（4）多地点控制

在较大的设备上，为方便操作，常要求能在设备的多个地点进行控制。

如图2-3所示为三地点控制。

图中SB1为急停按钮，用于紧急情况下停车操作。

图2-3

2.1.2降压起动控制电路

降压起动，就是起动时降低加在电机定子绕组上的电压，来限制起动电流，当电机起动到接近额定转速时，再将电压恢复到额定值。

对容量较大的异步电动机，一般都采用降压起动方式。

生产设备中最常见用星-三角形降压起动和定子串电阻降压起动。

（1）星-三角（Y-△）降压起动控制电路（图2-4）

这种起动方法仅适用于电机正常运行时绕组为△形联接的异步电动机，起动时接成Y形，起动完毕时再自动换接成△形运行。

图2-4

这种起动方法仅适用于电机正常运行时绕组为△形联接的异步电动机，起动时接成Y形，起动完毕时再自动换接成△形运行。

工作过程如下：

1）按下启动按钮SB2后，电源通过热继电器FR的动断接点、停止按钮SB1的动断接点、Δ形连接交流接触器KM2常闭辅助触头，接通时间继电器KT的线圈使其动作并延时开始。

此时时间继电器KT虽已动作，接点应断开，但其延时接点是瞬间闭合延时断开的（延时结束后断开），同时通过此KT延时接点去接通Y形连接的交流接触器KM3的线圈回路，则交流接触器KM3带电动作，其主触头去接通三相绕组，使电动机处于Y形连接的运行状态；KM3辅助常开触头闭合去接通主交流接触器KM1的线圈。

2）主交流接触器KM1带电启动后，其辅助触头进行自保持功能（自锁功能）；而KM1的主触头闭合去接通三相交流电源，此时电动机启动过程开始。

3）当时间继电器KT延时断开接点（动断接点）KT的时间达到（或延时到）电动机启动过程结束时间后，时间继电器KT接点随即断开。

4）时间继电器KT接点断开后，则交流接触器KM3失电。

KM3主触头切断电动机绕组的Y形连接回路；同时接触器KM3的常闭辅助触头闭合，去接通Δ形连接交流接触器KM2的线圈电源。

5）当交流接触器KM2动作后，其主触头闭合，使电动机正常运行于Δ形连接状态；而KM2的常闭辅助触头断开使时间继电器KT线圈失电，并对交流接触器KM3联锁。

电动机处于正常运行状态。

6）启动过程结束后，电动机按Δ形连接正常运行。

星-三角降压起动的优点在于星形起动电流是原来三角形接法的1/3，电路简单，价格便宜。

缺点是起动转矩也相应下降为原来三角形接法的1/3，转矩特性差，适用于空载或轻载状态下起动。

（2）定子串电阻降压起动控制（图2-5）

起动时在定子电路中串电阻，使绕组电压降低，起动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行。

这种起动方式不受电动机接线形式的限制，设备简单，因而在中小型生产机械中应用较广。

图2-5

工作过程如下：

1）按下启动按钮SB2后，交流继电器KM1，KM1（3）闭合，KM1（6）闭合，此时电动机M串联R开始转动。

时间继电器KT线圈得电,为随后的操作做好准备。

2）时间继电器KT因为通电延时时间继电器，所以经过一段时间延时后，KT（6）闭合，KM2线圈得电，KM2（3）闭合，使R短路，此时电动机为全压运行。

电机在正常运行期间，KM1、KT一直处于有电状态，这是不必要的，可改为图1-60（b）形式。

上述降压起动控制电路，都采用了时间继电器延时动作到全压运行的自动切换，这种控制方式称为“按时间原则”的自动控制。

2.2异步电动机正反转控制电路

生产机械工作部件常需要作两个相反方向的运动，大都靠电动机正反转来实现。

实现电动机正反转的原理很简单，只要将电动机的三相电源中的任意两相对调（改变相序）就可使电动机反向运转。

2.2.1电动机正反转的按钮控制

图2-6为正反转按钮控制的典型电路。

在主电路中，KM1、KM2触头接法不同，可改变电源的相序。

图2-6

图2-6（a）的工作原理：

按下正转按钮SB2，KM1线圈得电，KM1（3）主触点闭合，电机开始正转，同时KM1（7）辅助常闭点断开，与KM2互锁。

此图要使电机反转，必须先停止电机（按下停止按钮SB1），再按下反转按钮SB3，此时KM2线圈得电，KM2（4）主触点闭合，KM2（6）辅助常闭点断开，与KM1互锁，电机开始反转。

在生产实践中，为了减少辅助工时，要求直接实现正反转控制。

可采用（b）图形式，用复合按钮代替单触头按钮，并将复合按钮的常闭触头分别串接对方接触器控制电路中（互锁）。

即不使用停止按钮过渡而直接控制正反转。

但仅用于小容量电机，且拖动的机械装置转动惯量又较小的场合。

2.2.2电动机正反转行程控制

在生产实践中，有些生产机械的工作台需要自动往返运动，它是利用行程开关实现电动机自动正反转的，通常叫做“行程控制”原则。

图2-7为行程开关控制的正反转电路。

它与按钮控制正反转电路相似。

只是增加了行程开关的复合触头SQl、SQ2。

这种电路适用于铣床、龙门刨床、组合机床工作台的正反行程控制。

图2-7

在控制电路中，行程开关SQ3、SQ4用作极限位置保护；以防止SQl、SQ2可能失效而引起的事故。

2.3异步电动机制动控制电路

异步电动机从切除电源到停转要有一个过程，需要一段时间。

许多生产机械要求停车时精确定位或尽可能减少辅助时间，必须采取制动措施。

制动停车的方式有机械制动和电气制动两大类，机械制动是采用机械施闸来实现制动；

电气制动是使电动机产生一个与转子原来转动方向相反的力矩来实现制动，常用的电气制动方式有能耗制动和反接制动。

2.3.1能耗制动控制电路

能耗制动是指在异步电动机刚切除三相电源之后，在定子绕组中接入直流电源。

由于转子切割固定磁场产生制动力矩，使电机的动能转变为电能并消耗在转子的制动上，故称能耗制动。

当转于转速为零时，切除直流电源。

图2-8（a）、（b）分别是用复合按钮手动控制和用时间继电器自动控制的能耗制动电路。

图2-8

图（b）制动过程：

工作时KM1线圈失电，KM2线圈得电，KT线圈得电。

制动过程开始前，电机正常转动。

按下SB2后，KM1线圈失电，KM2线圈得电，KT线圈得电。

KM1（3）主触点和KM1（7）辅助常开触点断开，从而切断交流电源。

同时KM2（4）主触点闭合接通直流电源以及KT（9）线圈得电。

经过延时后，KT（8）常闭触点断开，KM2线圈失电，KM2（4）断开切断直流电源，制动结束。

2.3.2反接制动控制电路（图2-9）

工作时KM1线圈得电，KR运行，KM2线圈失电。

图2-9

制动过程开始前，电机正常转动。

按下SB1后，KM1线圈失电，KM1（3）主触点断开，切断正传电源。

同时KM2线圈得电，此时KM2（4）主触点闭合，KM2（9）辅助常开触点闭合，电动机反接制动开始。

当电机转速n≈0时，KR失电，KM2（4）失电。

KR与电机转子同轴连接，当转速达到120r/min以上时，其常开触头闭合，当制动到电动机转速小于100r/min时，触头断开，恢复原位。

反接制动时，转子与旋转磁场的相对转速接近转子转速的两倍，因此，制动力大，对设备冲击大，若速度继电器动作不可靠时，可能引起的反向再起动，因此，反接制动方法主要用于不频繁起动、制动并对停车位置无准确要求而且传动机构能承受较大冲击的设备中，如铣床、镗床、中型车床等机床。

为减小制动电流，在电动机主电路中串接限流电阻R，可防止制动时电动机绕组过热。

反接制动过程的结束由电动机转速来控制,这种由速度达到一定值而发出转换信号的控制方式称为“按速度原则”的自动控制。

2.4组成控制电路的基本规律

2.4.1按联锁控制的规律

（1）正反向接触器间的联锁控制

如果电路中有两个接触器KM1、KM2不能同时接通，就将的各自的常闭触头分别串在对方线圈控制电路中，KM1、KM2的常闭触头称为联锁或互锁触头，用复合按钮代替单触头按钮，并将复合按钮的常闭触头分别串接对方接触器控制电路中也可实现互锁，常用在电动机正反转控制中，以防电源短路。

如图2-10。

图2-10

（2）顺序起动控制电路

生产机械常要求各运动部件之间能够实现按顺序工作。

控制对象对控制系统提出了按顺序工作的联锁要求。

如图2-11是油泵电机先起动，主电机才能起动的控制电路。

图（a）是简化电路。

图2-11

（3）连续工作（长动）与点动控制电路

生产机械在工作时需要连续运转，即所谓长动。

但在试车调整及快速移动时，需要点动。

长动可用自锁电路实现，取消自锁触头或使自锁触头不起作用就可实现点动。

如图2-12所示

图2-12

（a）图为按钮联锁实现长动与点动的控制电路；此电路若接触器的释放时间较长，这一电路可能无法工作。

（b）为用开关SA实现长动与点动转换的控制电路；

（c）为用中间继电器实现长动与点动的控制电路。

第三章电气控制系统的设计

前两章掌握了一些典型单元控制电路和对典型生产机械电气控制系统进行了分析，在此基础上，本章讨论电气控制系统的设计过程。

电气控制系统设计要求具有较丰富的实践经验。

这里仅讨论设计中的一般共性问题。

讨论继电器-接触器控制电路的设计方法，同时为学习PLC控制系统打下良好的基础。

3.1电气控制设计的基本任务

电气控制系统设计的基本任务是根据生产机械对控制系统的要求，设计和编制出设备制造和使用维修过程中所必须的图纸、资料，包括电气原理图、电气元器件布置图、安装接线图等，编制外购元器件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等资料。

3.1.1电气控制系统设计的基本要求

由于系统从初步设计、技术设计到产品设计过程中的每一个环节都与产品质量和成本密切相关，因此设计工作首先要树立科学的设计思想，树立工程实践的观点。

正确的设计思想和工程观点是高质量完成设计任务的保证。

电气控制系统设计的基本要求是：

①熟悉所设计设备的总体技术要求及工作过程，取得电气设计的依据，最大限度地满足生产机械和工艺对电气控制系统的要求。

②优化设计方案，妥善处理机械与电气的关系，通过技术经济分析，选用性能价格比最佳的电气设计方案，在满足要求的前提下，设计简单合理、技术先进、工作可靠、维修方便的电路。

③正确合理地选用电器元件，尽可能减少元件的品种和规格。

④取得良好的MTBF（平均无故障时间）指标，确保使用的安全可靠。

⑤谨慎积极地采用新技术、新工艺。

⑥设计中贯彻最新的国家标准。

3.1.2电气控制系统设计的基本内容和设计步骤

以电力拖动控制系统设计为例，电气控制系统的设计包含原理设计与工艺设计两个基本部分，现分述如下：

一、电气控制系统的原理设计

电气控制系统原理设计内容主要包括：

（1）拟订电气控制设计任务书（技术条件）

设计任务书是整个系统设计的依据，又是今后设备竣工验收的依据，以技术协议形式予以确定。

电气控制设计任务书中，除简要说明所设计设备的型号、用途、工艺过程、动作要求，传动参数、工作条件外还应说明以下主要技术指标及要求：

①控制精度、生产效率要求；

②电气传动基本特性如运动部件数量、用途，动作顺序，负载特性、调速指标、起动、制动要求；

③自动化程度要求；

④稳定性及抗干扰要求；

⑤联锁条件及保护要求；

⑥电源种类、电压等级、频率及容量等要；

⑦目标成本与经费限额；

⑧验收标准及验收方式；

其它要求如设备布局、安装要求、操作台布置、照明、信号指示、报警方式等等。

（2）选择拖动方案与控制方式

所谓电力拖动方案是指根据生产机械的结构、生产工艺要求，确定电动机的类型、数量、传动方式等。

例如，在研制某些高效率专用加工机床时，可以采用交流拖动也可以采用直流拖动，可用集中拖动也可以采用分散拖动，要根据以上各方面因素综合考虑、比较作出选择。

拖动方案确定之后，采用什么方法去实现这些控制要求就是控制方式的选择问题。

随着电气技术、电子技术、计算机技术、检测技术以及自动控制理论的迅速发展和机械结构与工艺水平的不断提高，已使生产机械电力拖动的控制方式发生了深刻的变革。

从传统的继电-接触器控制向顺序控制、可编程逻辑控制、计算机联网控制等方面发展，各种新型的工业控制器及标准系列控制系统也不断出现，可供选择的控制方式较多，系统复杂程度差异也很大。

（3）确定电动机的类型、容量、转速，并选择具体型号

拖动方案决定以后，就可以进一步选择电动机的类型、数量、结构形及容量、额定电压与额定转速等要求。

电动机选择的基本原则是：

①电动机的机械特性应满足生产机械提出的要求，要与负载特性相适应，以保证加工中运行稳定并具有一定的调速范围与良好的起动、制动性能。

②工作过程中电动机容量能得到充分利用，即温升尽可能达到或接近额定温升值。

③电动机的结构形式应满足机械设计的安装要求，并能适应周围环境工作条件。

在满足设计要求情况下优先考虑采用结构简单，价格便宜，使用维护方便的交流异步电动机。

正确选定电动机容量是电动机选择中的关键问题。

电动机容量计算的基本步骤是：

首先根据生产机械提供的功率负载图p=f（t）或转矩负载图M=f（t），预选一台电动机，然后根据负载进行发热校验，将校验结果与预选电动机参数进行比较，若发现预选电动机的额定容量太大或太小，再重新选择，直到电动机容量得到充分利用（电动机的稳定温升接近其额定温升），最后再校验其过载能力与起动转矩是否满足拖动要求。

（4）设计电气