电气控制设计基础

1. 电气控制线路设计的基本内容

机电设备电气控制线路设计的基本步骤：

1.1 拟定技术条件（任务书）

简要说明所设计的机电设备的名称、型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数

• 用户供电电网的种类、电压、频率及容量；
• 有关电力拖动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速范围和平滑性，电动机的启动、反向和制动要求等；
• 有关电气控制的基本特性，如电气控制的基本方式、自动工作循环的组成、自动控制的动作顺序，电气保护要求及联锁条件等；
• 有关操作方面的要求，如操作台的样式及布置、操作按钮的设置和作用，测量仪表的种类以及显示、报警和照明要求等；
• 机电设备的主要原件（如电动机、执行电器和行程开关等）的布置草图。

1.2 选择传动形式与控制方案

1.2.1 电力拖动方式的确定

拖动方式：

• 单电机拖动
• 多电机拖动

1.2.2 调速方式的确定

选择调速方案时可考虑：

• 重型或大型设备：主运动及进给运动，应尽可能采用无级调速。
• 精密机械设备：采用电气无级调速。
• 一般中小型设备：在满足技术要求的情况下，选用较低的同步转速，以简化机械传动机构。

1.2.3 负载特性

电动机的调速特性与负载特性相适应

• 恒转矩型
• 恒功率型

1.2.4 起动、制动和反向要求

• 机电设备主运动传动系统的起动转矩一般比较小，原则上可采用任何一种起动方式。对于它的辅助运动，在起动时往往要克服较大的静转矩，所以在必要时可选用高起动转矩的电动机，或采用提高起动转矩的措施。
• 对于电网容量不大而起动电流较大的电动机，一定要采取限制起动电流的措施。
• 驱动电机是否需要制动，应视机电设备工作循环的长短而定。迅速制动可采用反接制动。若要求制动平稳、准确，采用能耗制动。

1.3 选择电动机

选择电动机的基本依据：
  在满足生产设备对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，力求电动机结构简单、运行可靠、维护方便、成本低廉。
  电动机是机电设备的主要动力器件，在选择时首先要选择合适的功率。

1.3.1电动机类型的选择

• 不需要调速且对起动性能也无过高要求的设备，应优先选择鼠笼式异步电动机。
• 经常起、制动，且负载转矩较大、又有一定调速要求的机电设备，应考虑选用绕线式异步电动机。
• 需要补偿电网功率因数及获得稳定的工作速度时，应优先选用同步电动机。
• 需要大起动转矩和恒定功率调速的生产设备，宜采用直流串励或复励电动机。
• 只需要几种速度，而不要求无级调速的生产设备，为了简化变速机构，可选用多速异步电动机。
• 要求大范围无级调速，且要求经常起、制动、正反转的生产设备，则可选用带调速装置的直流电动机或带变频调速装置的鼠笼式异步电动机。

1.3.2 电动机额定功率的选择

确定电动机的额定功率主要考虑两个因素：一是电动机的发热与温升；二是电动机的短时过载能力。此外对于鼠笼式异步电动机还要考虑其启动能能力。

• 确定电动机额定功率的方法：计算法、统计法、类比法

1.3.3 电动机额定转速的选择

额定功率相同时，额定转速高的电动机体积小、价格便宜，且效率和功率因数也高，因此选用高速电动机较为经济。但如果生产机械所需转速较低，而且电动机转速很高，就会使减速机构的结构复杂。因此应通过综合分析来确定电动机的额定转速。

1.3.4 电动机结构形式的选择

根据工作环境的不同，可以选用开启式、防护式、封闭式和防爆式等。

2. 电气控制线路设计的一般要求

• 应最大限度地满足机电设备对电气控制线路的要求，按照工艺要求能准确可靠地工作；
• 在满足生产要求的前提下，力求使控制线路简单经济，布局合理，电气元件选择正确并能得到充分的利用；
• 保证控制线路的安全、可靠，具有必要的保护装置和联锁环节，以至于误操作时不至于发生重大事故；
• 尽量便于操作和维修；

3. 电气控制线路的设计方法

电气控制线路的设计方法有两种：一种是经验设计法，另一种是逻辑设计法。
对于一个功能较复杂的控制系统，若能将其分成若干个互相联系的控制单元，用逻辑设计方法完成各单元的设计，然后再用经验设计方法把这些单元组合成一个整体，这种设计方法较为简介、切实可行。

3.1 逻辑设计方法

  **电路中的电气原件只有两种状态：即线圈的通电或断电，触点的闭合或断开。**而这两种下相互“对立”的状态，可以用逻辑值来表示，即用逻辑代数（或布尔代数）来描述这些电气元件在电路中所处的状态和连接方法。
  在逻辑代数中，用”1“和”0“表示两种对立的状态。通电为”1“状态，失电为”0“状态。
  元件的线圈及其常开触点的状态用统一字符来表示（如K）；而其常闭触点的状态则用该字符的”非“来表示（如$\overline{K}$)。
用逻辑设计方法设计具有反馈的回路，即具有记忆功能的逻辑时序网络，设计过程比较复杂。一般按照以下步骤进行：

• 根据工艺过程作出工作循环图；
• 根据工作循环图作执行元件和检测元件状态表；
• 由状态表增设必要的中间记忆元件（中间继电器）;
• 列出中间记忆元件逻辑函数关系式和执行元件的逻辑函数关系式；
• 根据逻辑函数关系式绘出相应的电气控制线路；
• 检查并完善所设计的控制线路。

4. 电气控制线路的设计规律

1. 常开触点串联：”与“逻辑
   当要求几个条件同时具备时，才能使电气线圈得电动作，可将几个常开触点与线圈串联实现。
2. 常开触点并联：”或“逻辑
   当几个条件中，只要具备其中任一条件时，所控制的电气线圈就能得电，这时将几个常开触点并联实现。
3. 常闭触点串联：
   当几个条件仅具备一个时，继电器线圈就断电，可用几个常闭触点和所控制的电气线圈串联的方法实现。
4. 常闭（动断）触点并联：
   当要求几个条件都具备时，继电器线圈才断电，可用几个常闭触点并联，再和所控制的电器线圈串联的方法实现。

5. 电气控制线路设计的一般问题

5.1 保证控制线路工作的安全和可靠

5.1.1 线圈的连接

• 在交流控制线圈路中，不能串联接入两个电器线圈，即使外加电压是两个线圈额定电压之和也不允许。
• 在设计控制电路时，电气线圈的一端应接在电源的同一端。继电器、接触起以及其它电器的线圈一端统一接在电源的同一侧，使所有电器的触点在电源的另一侧。这样当某一电器的触点发生短路时，不至于引起电源短路。同时也方便安装接线。

5.1.2 电器触头的连接

同一电器的常开触头和常闭触头位置靠得很近，不能分别接在电源的不同相上。以免在触头断开时很可能形成电弧，造成电源短路。

5.1.3

线路中应尽量减少多个电器元件一次动作后才能接通另一元件，提高工作的可靠性。

5.1.4

应考虑电器触头的接通和分断能力。若容量不够，可在线路中增加中间继电器，或增加线路中触头数目。增加接通能力用多触头并联连接；增加分段能力则用多触头串联连接。

5.1.5

在频繁操作的可逆线路中，正反向接触器之间不仅要有电气互锁，还要有机械互锁。

5.1.6

应考虑电器触头的”竞争“问题。同一继电器的常开触头和常闭触头有”先断后合“型和”先合后断“型。如果触头的动作先后发生”竞争“的话，电路工作则不可靠。

5.1.7

设计的电路要适应所在电网情况。

5.2 控制线路力求简单、经济

• 尽量减少触头数目
• 尽量减少连接导线