电气控制装置设计基础

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1、电气控制装置设计包括原理与工艺设计两个方面。 电气工程技术人员，必须掌握电气控制装置设计的基本原则、设计内容和一般设计方法，以便根据生产机械的拖动要求及工艺需要去设计各类图纸和必要的技术资料。 本章将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。,第九章 电气控制装置设计基础,第一节 电气控制装置设计的一般原则、基本内容和设计程序 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。 一、电气控制设计的一般原则 电气控制系统的设计过程中，应遵循以下几个原则： 1）最大限度满足生产机械和工艺对电气控制的要求. 2）在满足控制要求的前提下，设

2、计方案应力求简 单、经济、不宜盲目追求自动化和高指标。 3）妥善处理机械与电气关系。 4）正确合理的选用电器元件。 5）确保使用安全、可靠。 6）造型美观、使用维护方便。,二、电气控制设计的基本任务与内容 电气设计的基本任务是根据控制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样、资料，包括电气原理图、电气系统的组件划分与元器件布置图、安装接线图、电气箱图、控制面板及电器元件安装底板、非标准紧固件加工图等，编制外构元件目录、单台材料消耗清单、设备说明书等资料。 由此可见，电气控制设计包含原理设计与工艺设计两个基本部分，以电力拖动控制设备为例，二方面的设计内容分述如下：,（一）原理设计内容

3、 电气控制系统原理设计内容主要包括： 1）拟订电气设计任务书。 2）选择拖动方案与控制方式。 3）确定电动机的类型、容量、转速，并选择具体 型号。 4）设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关 系，拟订各部分技术要求。 5）设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数。 6）选择电气元件，制订元器件目录清单。 7）编写设计说明书。 电气原理图是整个设计的中心环节，因为它是工艺设计和制订其他技术资料的依据。,（二）工艺设计内容 工艺设计的主要目的是便于组织电气控制装置的 制造，实现原理设计要求的各项技术指标，为设备的 调试、维护、使用提供必要的图样资料。工艺设计主 要内容是： 1）根据设计的原理图及选

4、定的电器元件，设计 电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的 总装配图及总接线图。 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 分的元件目录表，并根据总图编号统计出各 组件的进出线号。,3）根据组件原理电路及选定的元件目录表， 设计组件装配图、接线图，图中应反映 各电器元件的安装方式与接线方式。 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，标明技术要求。 5）设计电气箱。 6）根据总原理图、总装配图及各组件原理图 等资料，进行汇总，分别列出外购件清 单，标准件清单以及主要材料消耗定额。 7）编写使用维护说明书。,三、电气控制设计的一般

5、程序 以电力拖动控制设计项目为例，通常电气系统的设计程序是按以下步骤进行的。 1.拟订设计任务书 设计任务书是整个系统设计的依据，同时又是今后设备竣工验收的依据。因此设计任务书的拟订是一个十分重要而且必须认真对待的问题。在很多情况下，设计任务下达部门对本系统的功能要求、技术指标只能描述一个粗略轮廓，涉及设备使用中应达到的各种具体的技术指标及其他各项基本要求实际是由技术领导部门、设备使用部门及承担机电设计任务部门等几方面共同协商，最后以技术协议形式予以确定的。,电气设计任务书中，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

6、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 求等。 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、频率及容量等要求。 7）目标成本与经费限额。 8）验收标准及验收方式。 9）其他要求如设备布局、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 电力拖动方案与控制方式的确定是设计的重要部分，因为只有在总体方案正确的前提下，才能保证生产设备各项技术指标实施的可能性。在电气设计主要技术指标确定并以任务书格式下达后，必须认真做好调查研究工作，列出几种

7、可能的方案，并根据自己的条件和工艺要求进行比较分析后作出决定。 所谓电力拖动方案是指根据零件加工精度、加工效率要求、生产机械的结构、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去确定电动机的类型、数量、传动方式以及拟订电动机起动、运行、调速、转向、制动等控制要求，作为电气控制原理图设计及电器元件选择的依据。,3.选择电动机 拖动方案决定以后，就可以进一步选择电动机 的类型、数量、结构形式以及容量、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，以保证加工过程中 运行稳定并具有一定的调速范围与良好的起 动、制

8、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提出的安装 要求，并能适应周围环境工作条件。 应该强调，在满足设计要求情况下优先考虑采 用结构简单，价格便宜，使用维护方便的三相交流 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 ML=f（t） 预选一台电动机，然后根据负载进行发 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，最后再校验其过

9、载能 力与起动转矩是否满足拖动要求。 由于分析计算过程较为复杂，在比较简单、无特 殊要求、生产数量又不多的电力拖动系统中，电动机 容量选择往往采用统计类比法，或者根据经验采用工 程估算的方法来选用。,4.选择控制方式 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，生产机械电力拖动的控制 方式已从传统的继电接触控制向顺序控制、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

10、异也很大。,5.设计电气控制原理线路图并合理 选用元器件，编制元器件目录清单。 6.设计电气设备制造、安装、调试 所必须的各种施工图样并以此为根据 编制各种材料定额清单。 7.编写说明书。,第二节 电气控制原理线路设计的方法与步骤 原理线路设计是原理设计的核心内 容。在总体方案确定之后具体设计是从电 气原理图开始，各项设计指标是通过控制 原理图来实现的，同时它又是工艺设计和 编制各种技术资料的依据。,一、电气原理图设计的基本步骤 原理线路设计的基本步骤是： 1）根据选定的拖动方案及控制方式设计系统 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）根据各部的要求，设计出原理框图中各

11、个 部分的具体电路。按主电路控制电路辅助 电路联锁与保护总体检查反复修改与完善 的步骤进行。 3）绘制总原理图。 4）正确选用原理线路中每一个电器元件，并 制订元器件目录清单。,对于比较简单的控制线路，可以省略 前两步直接进行原理图设计和选用电器元 件。但对于比较复杂的自动控制线路，就 必须按上述过程一步一步进行设计。只有 各个独立部分都达到技术要求，才能保证 总体技术要求的实现，保证总装调试的顺 利进行。,二、电气原理图的设计方法及设计实例 电气原理设计的主要方法：分析设计法、逻辑设计法 （一）分析设计法 根据生产工艺要求去选择适当的基本控制环节 （单元电路）或经过考验的成熟电路按各部分的联

12、锁 条件组合起来并加以补充和修改，综合成满足控制要 求的完整线路。当找不到现成的典型环节时，可根据 控制要求边分析边设计，将主令信号经过适当的组合 与变换，在一定条件下得到执行元件所需要的工作信 号。设计过程中，要随时增减元器件和改变触点的组 合方式，以满足拖动系统的工作条件和控制要求，经 过反复修改得到理想的控制线路。,特点：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。 缺点：设计方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周时会影响线路工作的可靠性。,下面通过C534JI立式车床横梁升降电气控制原理线路的设计实例，进一步说明分

13、析设计法的设计过程。 1.电力拖动方式及其控制要求 为适应不同高度工件加工时对刀的需要，要求安装有左、右立刀架的横梁能通过丝杠传动快速上升下降的调整运动。丝杠的正反转由一台三相交流异步电动机M1拖动，为了保证零件的加工精密，当横梁点动到需要的高度后应立即通过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，因此设置另一台三相交流异步电动机M2拖动夹紧放松机构，以实现横梁移动前的放松和到位后的夹紧动作。在夹紧、放松机构中设置两个行程开关SQ1与SQ2分别检测已放松与已夹紧信号。,横梁升降控制要求是： 1）采用短时工作的电动控制。 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

14、 转）压下放松位置开关停止放松横梁自 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）已放松位置开关松开，达到一定夹 紧紧度已夹紧位置开关压下上升过程结束。,3）横梁下降控制动作过程： 按下降按钮横梁放松压下已放松位置开关停止放松，横梁自动下降到位放开下降按钮横梁停止下降并自动短时回升（升/降电动机短时正转）横梁自动夹紧已放松位置开关松开，并夹紧至一定紧度已夹紧位置开关压下下降过程结束。 下降与上升控制的区别在于到位后多了一个自动的短时回升动作，其目的在于消除移动螺母上端面与丝杠的间隙，以防止加工过程中因横梁倾斜造成的误差，而上升过程中移动螺母上端面与丝

15、杠间不存在间隙。 4）横梁升降动作应设置上、下极限位置保护。,2.设计过程 1）根据拖动要求设计主电路 由于升、降电动机M1与夹紧放松电动机M2都要求正反转，所以采用KM1、KM2及KM3、KM4接触器主触头变换相序控制。 考虑到横梁夹紧时有一定的紧度要求，故在M2正转即KM3动作时，其中一相串过电流继电器KI检测电流信号，当M2处于堵转状态，电流增长至动作值时，过电流继电器KI动作，使夹紧动作结束，以保证每次夹紧紧度相同。由于M1、M2均为短时工作，因而不设置过载保护。据此便可设计出如图9-1所示的主电路。,图9-1 主电路与控制电路草图之一,2）设计控制电路草图 如果暂不考虑横梁下降控制的

16、短时回升，则上升与下降控制过程完全相同，当发出“上升”或“下降”指令时，首先是夹紧放松电动机M2反转（KM4吸合），由于平时横梁总是处于夹紧状态，行程开关SQ1（检测已放松信号）不受压，SQ2处于受压状态（检测已夹紧信号），将SQ1常开触点串在横梁升降控制回路中，常闭触点串于发出上升或下降指令时（SQ2常开触点串在立车工作台转动控制回路中，用于联锁控制），因此在发出上升或下降指令时（按SB1或SB2），必然时先放松（SQ2立即复位，夹紧解除），当放松动作完成SQ1受压，KM4释放，KM1（或KM2）自动吸合实现横梁自动上升（或下降）。上升（或下降）到位，放开SB1（或SB2）停止上升，由于此时SQ1受压，SQ2不受压，所以KM3自动吸合，夹紧动作自动发出直到 SQ2压下，再通过KI常闭触点与KM3的常开触点串联的自保回路继续夹紧至过电流继电器动作，控制过程自动结束。按此思路设计的草图如9-1所示。,3）完善设计草图 图9-1设计草图功能不完善，主要是未考虑下降的短时回升。下降到位的短时自动回升，是满足一定条件下的结果，此条件与上升指令是“或”的逻辑关系，因此它应与SB1并联，应该是下降动作结束即用KM2常闭触点与一个短时延时断开的时间继电器KT触点的串联组成，回升时间有时间继电器控制。于是便可设计出如图9-2所示的设计草图之二。,