电气控制技术课程设计水冷系统自动投切控制的设计.docx
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电气控制技术课程设计水冷系统自动投切控制的设计
摘要
上个世纪之前国外的超频发烧友曾经用水冷甚至油冷来给CPU散热，并且有很不俗的成绩公布，并且是一种物质享受的追求和高端的象征。
水泵的性能可以从流速和扬程两个规格来看。
流速是指在没有东西制约水流的时候能够抽取的水量。
扬程是水泵向上喷水在垂直方向上能达到的高度。
扬程是最重要的数字，它体现了水泵克服水道和散热器阻力的能力。
现在大多数泵尾都带有专用的插头，可以直接与电源相连。
或其他小3PIN接口可直接插到主板上。
由此可知水泵的意义重大，为使系统能够正常运行，且可靠性增强，需要增补备用装置。
水冷系统用于大功率元器件如晶闸管的散热，其工作的可靠性非常重要。
一旦出现故障停止运行，需散热的大功率元器件将很快烧毁，对生产影响极大，一般采用两面三刀台水泵一台运行，另一台备用，实现自动投切，工作过程如下：
起动一台水泵电机，该水泵运行信号指示灯亮，另一台水泵备用信号指示灯亮，表示可以随时投入运行，当正在运转的水泵电机因过载、缺相、短路等原因停止运行时，备用水泵电机立即起动，自动投入运行（即自动投切）。
本文以两台7.5KW的三相笼型异步电动机为例，利用有关互锁作用对电机进行控制，从而达到一用一备，自动投切的控制。
关键词：
水冷；互锁；自动投切
目录
第1章绪论………………………………………………………2
1.1设计背景介绍…………………………………………………2
1.2项目——水冷系统自动投切控制的设计……………………4
1.3技术指标………………………………………………………5
1.4论文的主要内容………………………………………………6
第2章设计过程…………………………………………………7
2.1设计原理………………………………………………………7
2.2元器件选型……………………………………………………12
第3章操作说明…………………………………………………22
3.1自动投切控制电机的操作……………………………………22
3.2电路中部分接线的说明………………………………………24
结论…………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………26
第1章绪论
1.1设计背景介绍
1.1.1研究背景
近年来，随着我国国民经济的快速增长，电力、冶金、化工、家用电器等行业突飞猛进，特别是电脑的CPU、空调等必须要依靠散热系统进行散热。
上个世纪之前国外的超频发烧友曾经用水冷甚至油冷来给CPU散热，并且有很不俗的成绩公布，并且是一种物质享受的追求和高端的象征。
也正是这样的原因，中国还处于一种发展中的地区，所以，国内使用的还不是很多，这个和它的价格以及较为复杂的安装方式有关，并且发展不普及和大家的观念并没有改变之前，这些水冷产品还是属于一个宣传或者推广过程，并不是一个成熟过程。
其实，一套水冷散热系统是由散热器、水管及一个水泵组成。
配合不同的扣具，从586到酷睿、酷睿2、酷睿i5、酷睿i7等英特尔架构CPU都可以使用。
水冷散热器有一个进水口及出水口，散热器内部有多条水道，这样可以充分发挥水冷的优势，能带走更多的热量。
这就是水冷散热器的基本原理。
水冷散热与风冷散热其本质是相同的，只是液冷中利用循环液将CPU的热量从水冷块中搬运到换热器上再散发出去，由于换热器的散热面积和散热环境远远要好于一般的风冷散热器，所以液冷的降温效果非常明显。
1.1.2发展趋势
水冷作为高必能散热系统正变得越来越流行。
水冷真正的优势在于它处理CPU瓦数的能力比任何风冷散热器都要高得多，并且不受机箱内高温的影响。
如果用于低功率CPU，水冷散热器在CPU降温上并不比优良的风冷散热器强多少。
但当你使用产生大量热量的高端或极度超频CPU的时候，就算一个小小的DIY水冷系统都将让CPU温度保持在相当低的水平。
水冷是超频玩家对于大功率芯片理想的散热解决方案。
当用于非玩家CPU的时候，水冷不会较高端风冷散热有巨大的性能提升，但能够在获得低温的同时产生比任何风冷方案小得多的噪音。
说到CPU水冷那还要追溯到上个世纪，早在1998、1999年左右台湾就开始流行CPU水冷散热了，DIY利用自己的条件制作出各式各样的水冷系统，但大多以开放式结构为主，在DIY看来，当时的CPU就已经是“发热量巨大”的怪物了。
大陆水冷制作相对要晚些，也大多集中在个人的制作水平上，曾经出现像杭州中裕的CoolMax等数款个人制作并销售的水冷产品，其中CoolMax水冷已经具备像样的包装和配套件，在宣传上也曾经有过动作，但由于市场响应有限，这些产品犹如过眼云烟，没有多长时间就从市场上彻底消失了。
到2003年，水冷又开始在大陆市场上活跃起来，其中以正规厂家中的澳柯玛和个人制作中的水冷王为主流，从市场推广和论坛宣传两个方面展开了水冷制作的新篇章。
新一代水冷与旧水冷相比原理并没有变化，但制作工艺却大幅度提升，大多注重全密闭式的设计，而且内地与港台个人DIY作品间的差别也越来越少，这与互联网的推广不无关系，上个世纪的水冷主要集中在少数能上网的发烧友中，随着网络的普及，越来越多的能人义士纷纷出现，行业范围远远跨越了电脑及其相关行业，精通于金属加工的朋友不胜枚举，制作这种水冷散热器更加方便，而且更加美观、实用、可靠，此外，越来越多的喜欢水冷的朋友可以在各个论坛中各抒己见，这样也推动了水冷工艺的进步，显然是互联网促进了水冷产品的进步，同时也为产品的推广奠定了基础。
随着显卡技术的快速发展，显卡上的GPU已经能够发出与CPU相当的热量，因此水冷已经不再局限在CPU了，显卡、北桥、硬盘的水冷也不断涌出，彻底让大家进入水冷的新世界。
水泵让水在系统中流通循环，坚持不懈地把暖水换成冷的。
流过水道和散热器的水的体积是至关重要的，因为靠这个运动把热量一并带走，就像高速风扇可以更好的守成从常规散热片上带走热量的工作一样。
在市面上很容易找到不同功率和价位适合水冷的水泵。
用户在选择时优先考虑的应该是内嵌式水泵。
采用水箱一体化设计，输入输出两头配备软管，而不需要把整个东西再浸泡在蓄水池里。
蓄水池时代已经离我们越来越远了，且有溢出的风险。
水泵的性能可以从流速和扬程两个规格来看。
流速是指在没有东西制约水流的时候能够抽取的水量。
扬程是水泵向上喷水在垂直方向上能达到的高度。
扬程是最重要的数字，它体现了水泵克服水道和散热器阻力的能力。
现在大多数泵尾都带有专用的插头，可以直接与电源相连。
或其他小3PIN接口可直接插到主板上。
由此可知水泵的意义重大，为使系统能够正常运行，且可靠性增强，需要增补备用装置。
1.1.3研究意义
在通风、吸尘、水泵、油泵、气泵等设备中，一旦电动机出现故障停止运转，就会影响到生产、生活秩序的正常进行，因此，对这些设备采取备用电动机自动投入运行是十分必要的。
通过电气控制系统的设计实践，掌握电气控制系统的设计方法、电器元件和电气控制线路的安装过程、设计资料整理和电气绘图软件的使用方法。
在此过程中培养从事设计工作的整体观念，通过较为完整的工程实践基本训练，为综合素质全面提高及增强工作适应能力打下坚实的基础。
1.2项目——水冷系统自动投切控制的设计
水冷系统用于大功率元器件如晶闸管的散热，其工作的可靠性非常重要。
一旦出现故障停止运行，需散热的大功率元器件将很快烧毁，对生产影响极大，一般采用两面三刀台水泵一台运行，另一台备用，实现自动投切，工作过程如下：
起动一台水泵电机，该水泵运行信号指示灯亮，另一台水泵备用信号指示灯亮，表示可以随时投入运行，当正在运转的水泵电机因过载、缺相、短路等原因停止运行时，备用水泵电机立即起动，自动投入运行（即自动投切）。
1.3技术指标及技术难点
1.3.1设备技术指标
1、两台水泵电机型号为Y132m-4，额定功率为7.5kw；
2、两台电机均为全压起动，单方向旋转；
3、一台电机因过载、缺相、短路等原因停转时，另一台电机立即投入运行，两台电机任意互相备用；
4、运行的电机有运行指示灯显示，备用的电机有备用指示灯显示，有电源电压、电流指示；
5、有总停控制和必要的短路、过载保护。
1.3.2技术难点
由于设计过程中遇到的各种问题，综合考虑各方面因素，技术难点大致有以下几个方面：
1．控制电压按控制要求选择，符合标准等级。
在控制线路简单，不需经常操作，安全性要求不高时，可以直接采用电网电压，即交流380V或220V。
当考虑安全要求时，应采用控制变压器将控制电路与主电路电气上隔离开。
显示电路采用24V安全电压。
晶体管无触点开关一般需要直流24V电压。
基于此，要注重对电机、变压器的选取。
2．选择器件时，期间之间的兼容性，器件的规格、成本、维修、更换等都需要认真考虑。
3．正常情况下，如何做到尽可能减少通电电气数量，以利于节约能源，延长电气元件寿命，减少故障也成为技术难点。
4．合理使用电器触点。
接触器、时间继电器往往触点不够用，可以增加中间继电器来解决。
5．合理安排电器触点。
避免因电器动作时间有差别，造成“触点竞争”。
避免因操作不当，造成“误动作”。
避免因某个元器件损坏，造成“短路”。
避免出现“寄生回路”。
1.4论文的主要内容
论文研究主要是针对项目设计中所遇到的各项难点问题进行的，主要包括以下几方面内容：
1、自动投切控制装置的设计过程。
2、自动投切控制装置的操作说明。
第2章设计过程
2.1设计原理
2.1.1设计过程中应遵循的原则
在电气控制系统的设计过程中，通常应遵循以下几个原则：
1．最大限度满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求。
生产机械和生产工艺对电气控制系统的要求是电气设计的依据，这些要求常常以工作循环图、执行元件动作节拍表、检测元件状态表等形式提供。
对于有调速要求的场合，还应给出调速技术指标。
其他如起动、转向、制动、照明、保护等要求，应根据生产需要充分考虑。
2．在满足控制要求的前提下，设计方案应力求简单、经济合理，不要盲目追求高指标，造成不必要的高投资。
3．妥善处理机械与电气关系。
很多生产机械是采用机电结合控制方式来实现控制要求的，要从工艺要求、制造成本、结构复杂性、使用和维护等方面协调处理好二者关系。
4．正确合理地选用电器元件，以实用为原则。
选用新型号电器可以提高可靠性，减小体积，尽可能不要选用旧型号电器。
5．确保电气设备安全性、可靠性高，兼顾设备使用和维护方便。
2.1.2设计过程
1、通过接触器的作用达到电机接通的接通要求。
先把总电源开关低压断路器合上，对整个系统进行供电，给控制回路供电。
为了好分析、使思路更加清晰，先让两台电动机M1、M2可同时运行，且两台电机所处的接线位置完全相同。
给两台电动机各设一个起动按钮SB1、SB2，接触器KM1（含自锁）、KM2（含自锁）,分别于M1、M2串联，当按下SB1，接触器KM1线圈得电，电动机M1运行；再合上SB2，接触器KM2线圈得电，电动机M2运行，此时达到了两台电动机同时运行的效果。
如图2-1所示：
图2-1
2、通过电气互锁的作用，每次只有一台运行。
为使合上一台电动机运行，而另一台电动机不运行，可把KM1、KM2的常闭辅助触点分别与对方的接触器线圈串联起来，则任起动一个按钮，只有一台电动机运行，而另一台电动机处于断电状态。
如图2-2所示：
图2-2
3、借用中间继电器，达到一台运行，另一台备用的效果。
为使运行的电动机突然由于故障而失去作用，另一台通电运行，需要备用电机出的常闭辅助触点闭合时，立马通电，要达到这一点，需要借助中间继电器，中间继电器具有转换控制信号的作用，通过中间继电器，是备用电动机的起动按钮两侧具有电压。
此时，当运行电动机停止时，通过电气互锁以及中间继电器的作用，备用电动机开始运行。
如图2-3所示：
图2-3
4、防止电气互锁的失灵，添加机械互锁，确保系统的可靠性。
添加机械互锁，就是把起动按钮对应的常闭式按钮与对方的接触器线圈串联，，当电气互锁失效时，机械互锁起到了作用。
如图2-4所示：
图2-4
5、根据电机的运行情况以及互锁的作用进行指示灯的添加。
备用指示灯选黄色，运行指示灯选绿色。
6、总停按钮的添加。
待两台电机都不需要运行，进行检修时，按下总停按钮SB，控制回路断电，电机停止转动。
7、有事后为方便控制回路应急检修，需在控制回路加上一个组合开关SA，以对控制回路进行通断电的控制。
经过认真思考、推敲，最终一个完整的电路图（见图2-5）草图就绘制出来了。
然后再根据具体要求，进行相关元器件的选取。
a）主电路
b）控制回路
图2-5
2.2元器件选型
元器件的选择主要是对主电路及控制回路中必要的元器件进行选择，见下表：
表2-1主电路及控制电路所需的主要器件
2.2.1电动机
为了合理选择电动机的种类，应同时两个方面的问题：
一是电动机的性能，例如机械特性，起动性能和调速性能等；二是要知道生产工艺的特点，要使所选电动机的性能满足生产机械的工艺要求。
因此，根据具体要求，综合以上各因素，应选择Y系列小型三相笼型异步电动机，指标先进、噪声低、振动小、防护性能好、安全可靠、维护方便、外形美观、启动转矩大、机械特性硬，即选择Y132m-4型号的电动机两台。
表2-2Y132m-4电动机的相关参数
额定功率PN（KW）
额定电流IN（A）
额定电压UN（V）
额定转速nN（r/min）
堵转电流I堵（A）
堵转转矩T堵
7.5
15.4
380
1440
7.0
2.22Tmax
2.2.2电源开关
低压断路器（AutomaticCircuitBreaker）：
断路器，又称自动空气开关，除了断开电路的作用外，还具有电流过载、欠压、短路保护的作用。
断路器类型有：
框架式、塑料外壳式、限流式、手动操作式、电动操作式。
选择依据是：
极数、额定电流、电压类型、电压等级、分断能力、动作频繁程度等。
.
DZ20系列塑料外壳式断路器，其额定绝缘电压为交流500V，频率为50Hz或60Hz，额定工作电压为交流380V及以下或直流额定电压220V及以下，其额定电流至1250A。
一般作为配电用，额定电流为200A及以下。
根据脱扣器的额定电流等，通过认真选取，最终选择了型号为DZ20G-100P/3的低压断路器，其相关参数如表2-3及表2-4所示：
表2-3DZ20G-100P/3低压断路器的相关参数
壳架等级额定电流Imm（A）
AC100
额定绝缘电压
AC500
额定工作电压
AC380
额定极限短路分断能力Icu（kA）
100
额定运行短路分断能力Ics（kA）
50
脱扣器额定电流（A）
32
断路器额定电流In（A）
16~100
寿命
操作频率（次/小时）
120
电寿命（次）
4000
机械寿命（次）
4000
连接铜导线最大截面积（mm2）
35
2.2.3熔断器
熔断器（Fuse）主要用于短路保护。
熔断器结构上主要由熔断器座、熔断体（熔体）组成
熔断器分插入式、螺旋式、填料封闭管式等等。
选择依据是：
形式、熔体额定电流（IFU）。
对电流较为平稳的负载（如照明、信号、热电电路等），熔体额定电流就取线路的额定电流。
对具有冲击电流的负载（如电动机），熔体额定电流可按下式计取：
单台电机：
IFU=1.5~2.5Ie（2-1）
多台电机：
IFU=1.5~2.5INmax+∑Ie（2-2）
式中INmax——功率最大电机的额定电流
∑Ie——除去功率最大电机之外，其余电机额定电流之和
轻载、起动时间短取1.5；重载、起动时间长、起停频繁则取2.5。
由于控制回路电流较小，基本位于几安左右，且知道控制回路的中间继电器线圈的额定发热电流为5A，控制按钮的控制电流为2~8A，所以选择型号为RT0（NAT0）-30的熔断器，其熔体额定电流为30A，额定电压为380V。
其尺寸为A=106mm，F=26mm。
2.2.4热继电器
热继电器（Thermalover-loadRelay）主要用于电机过载保护。
热继电器分两相式、三相式、三相带缺相保护式三种形式
选择依据是：
形式、额定电流（IFR）。
热继电器热元件的整定电流可调，范围约为0.8~1.2IFR（热继电器的额定电流）
热继电器热元件的整定电流一般按0.95~1.05Ie（电动机的额定电流）选用，对过载能力较差的电机可选得更小些。
通过选取FR1、FR2，得型号为JRS4-18321d，其电流调整范围为12~18A，额定电压为380V，因为电动机的额定电流为15.4A，所以选择调整电流为18A的热继电器（整定电流中间幅值约为电动机额定电流），相关参数如表2-5所示：
表2-5JRS4-18321d热继电器的相关参数
额定电流IPR（A）
额定电压UN（V）
A（mm）
B（mm）
18
380
78
45.5
2.2.5接触器
接触器（Contactor）分直流接触器、交流接触器两大类
选择依据是：
主触头数、额定电流（IKM）、线圈控制电压的类型、等级等。
对于电动机负载，可按下面的经验公式计算接触器的额定电流：
IKM=Pe/（K×Ue）（2-3）
式中
Pe——电机的额定功率
Ue——电机的额定线电压
K——经验系数，取1~1.4
对于动作频繁的工作情况，为了防止主触点的烧坏/过早损坏，应将IKM降低1~2等级使用。
考虑到接触器与热继电器的配套使用，上述热继电器可插接的接触器为GSC1（CJX4-d）-18~32，选择型号为GSC1（CJX4-d）-18的接触器KM1、KM2，其额定工作电流为18A，额定电压为380V，相关参数如表2-6所示：
表2-6GSC1（CJX4-d）-18接触器的相关参数
额定工作电流IN（A）
额定电压UN（V）
A（mm）
B（mm）
18
380
76
73
2.2.6中间继电器
中间继电器（AuxiliaryRelay）：
在结构上是一个电压继电器，是用来转换控制信号的中间元件。
它输入的是线圈的通电断电信号，输入信号为触点的动作。
其触点数量较多，各触点的额定电流相同。
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。
KA1、KA2，功能为将信号传递给有关控制元件（中间转换作用），JZ7-41，触头额定发热电流为5A，相关参数如表2-7所示：
表2-7JZ7-41中间继电器的相关参数
额定电压UN（V）
触头额定发热电流A
A（mm）
B（mm）
380
5
90
50
2.2.7电流互感器及交流电压表
电流互感器选择型号为LMZ1-0.5，一次额定电流为150A，一次安匝150，相关参数如表2-8所示：
表2-8LMZ1-0.5电流互感器的相关参数
一次额定电流
一次安匝
穿孔尺寸（mm）
一次匝数
150A
150
φ30
50△（1匝）
H（mm）
b（mm）
φD（mm）
Φd（mm）
B（mm）
120
70
97
30
42
交流电流表：
1C2T-（10/5A-800/5A）,尺寸为160m×160m
交流电压表：
量程为5~600V，备注：
直接接通，1T1、1C2、1D1型电表尺寸：
160×160mm2
2.2.8控制按钮
控制按钮（Push-button）：
是一种结构简单，应用广泛的主令电器，在控制回路中用于远距离手动控制各种电磁机构，也可以用来转换各种信号线路与电气连锁线路等。
是一种用来短时接通/断开小电流控制电路的主令电器
选择依据是：
触点对数、动作要求、结构形式、颜色、是否自带指示灯等；
电压等级、通流能力（1~8A）。
.
一般启动按钮——绿色
停止按钮——红色
紧急操作——蘑菇式按钮
SA，HZZ-6005（转换开关，0档和1档，中间要拧60o），C防护式，尺寸为27×39mm2；
SB，总停开关，红色，LA19-A/D，单桥式，指示灯型，相关参数为：
Φ33mm，UN=380V，额定控制容量PN=300W；
SB1、SB2，Φ33mm，绿色，启动开关，LA19-A/D。
2.2.10指示灯
指示灯选择型号为XDJ3-22/40，额定工作电压24V，电容式圆球形，工作电流≦20mA，功耗0.36W，尺寸为Φ27mm。
两个黄色的，作备用指示；两个绿色的，作运行指示。
2.2.11变压器
主变压器容量ST应满足全部用电设备总计算负荷S30的需要，即ST≈SN.T≧S30
由需要系数法，查的Kd=0.8，cosφ=0.9，tanφ=0.8，
又Pe=4×P灯，（2-4）
算得，P30=KdPe（2-5）
S30=P30/cosφ=KdPe/cos（2-6）
=（0.8×4×0.36）/0.9=1.28V·A。
所以选择额定容量为40V·A的变压器。
其型号为JBK1-40，相关参数如表2-9所示：
表2-9JBK1-40变压器的相关参数
一次侧电压（V）
照明电压（V）
外型尺寸a（mm）
外型尺寸b（mm）
380
24
84（高）
92（宽）
2.2.12接线端子
控制回路的电压为380V，所以选择额定电压为380V的接线端子。
TZ1系列接线端子，适用于额定电压为380V的电力传动控制屏、台、柜、机床电气控制、信号和各种自动化装置中导线连接之用。
其结构特征为：
接线端子采用标准的32mmG高低槽基座，各种信号、各种规格的接线端子，可安装在同一基座上，组装后可以方便取下其中任何一节单独的接线端子，而不影响相邻的接线端子，具有装卸方便，安装稳固等优点。
查的型号为TZ1-20普通型接线端子的额定电压380V，额定工作电流20A，连接导线截面2.5mm2，较适合采用。
其尺寸为b=40mm，c=10mm。
第3章操作说明
3.1自动投切控制电动机的操作
对照图3-1，对控制电路以及主电路的操作运行如下：
1、闭合低压断路器（又叫自动空气开关），主电路供电；闭合SA，对控制回路供电。
2、如图所示，当按下SB1后，KM1线圈得电，进而KM1线圈自锁，电动机M1运行。
与此同时，KM1的辅助常闭触点断开，常开触点闭合，灯HL2亮，显示电动机M1正常运行。
进而中间继电器K2线圈得电，随后K2自锁，K2的常开触点闭合，与SB2并联的K2常开触点闭合后，SB1两端有了电压且灯HL3亮，以显示M2备用；
3、当电动机M1遇到过载、缺相、短路等故障停止运行时，KM1线圈断电，此时KM1的常闭触点闭合，常开触点断开，且KM2接通，并进行自锁，此时灯HL2、HL3熄灭，HL4灯亮，表示灯M2运行起来。
（注：
HL1、HL2分别表示M1的备用与运行，HL3、HL4分别表示M2的备用与运行。
）
图3-1
3.2电路中部分接线的说明
1、电动机的接地：
为了保证工作人员的安全，将电动机的金属外壳用导线接地，即保安接地。
2、电路中涉及的接地装置均接在PE线上，PE线是用来保障人身安全、防止发生触电事故用的接地线。
结论
本次课程设计为根据设计任务书中设备的工艺要求设计电气控制线路，计算并选择电器元件。
本文以两台Y132m-4电动机的组
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