建筑电气控制技术课件-课题六 电气控制系统的设计.ppt

,目 录,【知识目标】1掌握电气控制线路的设计要求和方法；2掌握电气控制线路的安装要求；3掌握电气控制线路的调试步骤及方法；4掌握常见低压电器故障及检修方法。【能力目标】1能够进行简单电气控制线路的设计；2能够实现简单电气控制线路的安装；3能够进行电气控制线路的调试；4能够对常见低压电器进行故障检修与排除。,6.1 继电器接触器控制系统的电路设计方法6.1.1 电气控制设计概述 电气控制设计包括电气原理图设计和电气工艺设计两个方面。电气原理图设计是为满足生产机械及其工艺要求而进行的电气控制系统设计；电气工艺设计是为满足电气控制系统装置本身的制造、使用、运行以及维修的需要而进行的生产工艺设计，包括机箱(柜)体设计、布线工艺设计、保护环节设计、人体工学设计及操作、维修工艺设计等。电气原理图设计的质量决定着一台(套)设备的实用性、先进性和自动化程度的高低，是电气控制系统设计的核心。而电气工艺设计则决定着电气控制设备的制造、使用、维修等的可行性，直接影响电气原理图设计的性能目标及经济技术指标的实现。,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需的图纸、资料，包括总图、系统图、电气原理图、总装配图、部件装配图、电器元器件布置图、电气安装接线图、电气箱(柜)制造工艺图、控制面板及电器元件安装底板、非标准件加工图等，以及编制外购器件目录、单台材料消耗清单、设备使用维修说明书等资料。现代工业生产和生活中，所用的机电设备品种(类)繁多，其电气控制设备类型也是千变万化，但电气控制系统的设计规则和方法是有一定规律可循的，这些规则、方法和规律是人们通过长期的实践而总结和发展的。作为电气工程技术人员，必须掌握这些基本原,则、规则和方法，并通过工作实践取得较丰富的实践经验后才能做出满意的工程设计。一项电气控制系统的设计，应根据工程需要提出的技术要求、工艺要求，拟定总体技术方案，并与机械结构设计协调，才能开始进行设计工作。一项机电一体化设计的先进性和实用性是由机电设备的结构性能及其电气自动化程度共同决定的。任何生产工艺过程、机械功能的实现主要取决于电气控制系统的正常运行，电气控制系统的任一环节的正常运行都将保证生产工艺过程、机械功能的实现。相反，电气控制系统的非正常运行将会造成事故甚至重大的经济损失。任何一项工程设计的成功与否必须经过安装和运行才能证明，而设计者也只能从安装和,运行的结果来验证设计工作，一旦发生严重错误，必将付出代价。因此，保证电气控制系统的正常运行首先取决于严谨而正确的设计，总体设计方案和主要设备的选择应正确、可靠、安全及稳定，无安全隐患，这就要求设计者应正确理解设计任务、精通生产工艺要求、准确计算、合理选择产品的规格型号并进行校验。正确的设计思想和工程意识是高质量完成设计任务的基本保证。为了保证实现设计功能，设计者还应精心设计施工图样，并进行全面的核算，有时会在其中找到纰漏，只有这样才能保证设计质量和工程质量，保证电气控制系统的正常运行。,完整的设计程序一般包括初步设计、技术设计和施工图设计三个阶段。初步设计完成后经过技术审查、标准化审查、技术经济指标分析等工作后，才能进入技术设计和施工图设计阶段。但对于比较简单的设计，可以直接进入技术设计工作。本课题讨论的是各阶段的共性问题，不涉及各阶段的设计程序。实际上根据不同行业特点，设计程序是有差异的。,6.1.2 电气控制设计的一般原则及注意问题 在电气控制系统设计的过程中，通常应遵循以下几个原则：最大限度地满足机械或设备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，有调速要求的设备还应给出调速技术指标。其他如起动、转向、制动等控制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。在电气控制系统设计时，为满足同一控制要求，往往要设计几个方案，应选择简单、经济、可靠,和通用性强的方案，不要盲目追求自动化程度和高指标。(3)妥善处理机械与电气的关系。机械或设备与电力拖动已经紧密结合并融为一体，传动系统为了获得较大的调速比，可以采用机电结合的方法实现，但要从制造成本、技术要求和使用方便等具体条件去协调平衡。(4)要有完善的保护措施，防止发生人身事故和设备损坏事故。要预防可能出现的故障，采用必要的保护措施。例如短路、过载、失压和误操作等电气方面的保护功能和使设备正常运行所需要的其他方面的保护功能。,电气设计中应注意的问题：尽量减少控制电源种类。当控制系统需要若干电源种类时，应按国标电压等级选择。(2)尽量缩短连接导线的数量和长度。设计控制线路时，应考虑各个元件之间的实际接线。特别要注意控制柜、操作台和按钮、限位开关等元件之间的连接线，如按钮一般均安装在控制柜或操作台上，而接触器安装在控制柜内，这就需要经控制柜端子排与按钮连接，所以一般都先将起动按钮和停止按钮的一端直接连接，另一端再与控制柜端子排连接，这样就可以减少一次引出线。,(3)尽量减少电器元件的品种、规格与数量。同一用途的器件尽可能选用相同品牌、型号的产品。电气控制系统的先进性总是与电器元件的不断发展紧密联系在一起的，因此，设计人员必须密切关注相关技术的新发展，不断收集新产品资料，以便及时应用于设计中，使控制线路在技术指标、先进性、稳定性、可靠性等方面得到进一步提高。(4)使设计的电气控制系统在正常工作中尽可能减少通电电器的数量，以利节能，延长电器元件寿命以及减少故障。,(5)合理使用电器触头。在复杂的电气控制系统中，各类接触器、继电器数量较多，使用的触头也多，在设计中应注意尽可能减少触头使用数量，以简化线路。使用触头容量、断流容量应满足控制要求，避免使用不当而出现触头磨损、黏滞和释放不了等故障，以保证系统工作寿命和可靠性。此外应合理安排电器元件及触头位置。对一个串联回路，各电器元件或触头位置互换并不影响其工作原理，但从实际连线上有时会影响到安全、节省导线等方面的问题。如图6.1两种接法所示，两者工作原理相同，但是采用图6.1(a)的接法既不安全又浪费导线,因为限位开关SQ的常开、常闭触头靠得很近，在触头断开时，由于电弧可能造成电源短路，很不安全，,而且这种接法控制柜到现场要引出五根线，很不合理。采用图6.1(b)所示的接法只引出三根线即可，较合理。(6)正确连接电器的线圈。在交流控制电路中，电器元件的线圈不能串联接入，如图6.2所示。即使外加电压是两个线圈额定电压之和也是不允许的，因为每个线圈上所分配到的电压与线圈阻抗成正比，由于制造上的原因，两个电器总有差异，不可能同时吸合。假如交流接触器K2先吸合，由于K2的磁路闭合，线圈的电感显著增加，因而在该线圈上的电压降也相应增大，从而使另一个接触器K1的线圈电压达不到动作电压。因此，两个电器需要同时动作时其线圈应并联连接。,图6.1 触头的连接(a)不合理;(b)合理,图6.2 线圈的连接(a)不合理;(b)合理,(7)在控制线路中应避免出现寄生电路。在电气控制线路的动作过程中，意外接通的电路叫寄生电路。图6.3所示是一个具有指示灯和热继电器保护的正反向控制电路。在正常工作时，能完成正反向起动、停止和信号指示。但当热继电器FR动作时，线路就出现了寄生电路(图6.3中虚线所示)，使正向接触器K1不能释放，起不了保护作用。在设计电气控制线路时，严格按照“线圈、能耗元件右边接电源(零线)，左边接触头”的原则，就可降低产生寄生回路的可能性。另外，还应注意消除两个电路之间产生联系的可能性，否则应加以区分、联锁隔离或采用多触头开关分离。如将图6.3中指示灯分别用K1、K2的另外的常开触头直接连接到左边控制母线上，加以区分就可消除寄生。,图6.3 寄生电路,图6.4 触头的“竞争”与“冒险”,(8)避免发生触头“竞争”与“冒险”现象。在电气控制电路中，在某一控制信号作用下，电路从一个状态转换到另一个状态时，常常有几个电器的状态发生变化，由于电器元件总有一定的固有动作时间，往往会发生不按预定时序动作的情况，触头争先吸合，发生振荡，这种现象称为电路的“竞争”。另外，由于电器元件的固有释放延时作用，也会出现开关电器不按要求的逻辑功能转换状态的可能性，这种现象称为“冒险”。“竞争”与“冒险”现象都将造成控制回路不能按要求动作，引起控制失灵。如图6.4所示电路，当KM闭合时，K1、K2争先吸合，只有经过多次振荡吸合竞争后，才能稳定在一个状态上。同样，在KM断开时，K1、K2又会争先断开，产生振荡。,(9)电气联锁和机械联锁共用。在频繁操作的可逆线路、自动切换线路中，正、反向(或两只)接触器之间至少要有电气联锁，必要时要有机械联锁，以避免误操作可能带来的危害，特别是一些重要设备应仔细考虑每一控制程序之间必要的联锁，即使发生误操作也不会造成设备事故。重要场合应选用机械联锁接触器，再附加电气联锁电路。(10)设计的线路应能适应所在电网情况。在确定电动机的起动方式是直接起动还是降压起动时，应根据电网或配电变压器容量的大小、电压波动范围以及允许的冲击电流数值等因素全面考虑，必要时应进行详细计算，否则将影响设计质量甚至发生难以预测的事故。(11)应具有完善的保护环节，提高系统运行可靠性。电气控制系统的安全运行主要靠完善的保护环节，包,括过载、短路、过流、过压、失压等，有时还应设有工作状态、合闸、断开、事故等必要的指示信号。保护环节应工作可靠，满足负载的需要，做到动作准确。正常操作下不发生误动作，并按整定和调试的要求可靠工作，稳定运行，能适应环境条件，抵抗外来的干扰；事故情况下能准确可靠动作，切断事故回路。(12)线路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便。例如,设置必要的显示，随时反映系统的运行状态与关键参数;考虑到运动机构调整、修理,设置必要的单机点动;以及必要的易损触头及电器元件的备用等。,6.1.3 电气控制系统故障危害及保护的一些基本知识 电气控制系统对国民经济的发展和人民生活的影响都很大，因此，提高电气控制系统的可靠性和安全是从事电气工作人员的重要任务。为了提高电气控制系统运行的可靠性，在电气控制系统的设计与运行中，都必须考虑到系统有发生故障和不正常工作情况的可能性。因为发生这些情况时，会引起电流增大，电压和频率降低或升高，致使电气设备和电能用户的正常工作遭到破坏。,在三相交流电力系统中，最常见和最危险的故障是各种形式的短路，其中包括三相短路、两相短路、一相接地短路以及电机和变压器一相绕组上的匝间短路等。除此以外，配电线路、电机和变压器还可能发生一相或两相断线以及上述几种故障同时发生的复杂故障。电气系统故障可能引起下列严重后果：短路电流通过短路点燃引起电弧，使电气设备烧坏甚至烧毁，严重时会引发火灾。(2)短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或缩短使用寿命。,(3)造成电网电压下降，波及其他用户和设备，使正常工作和生产遭到破坏甚至使事故扩大，造成整个配电系统瘫痪。(4)最常见的不正常工作情况是过负荷。长时间过负荷会使载流设备和绝缘的温度升高，而使绝缘加速老化或设备遭受损坏，甚至引起故障。故障和不正常工作情况都可能在电气系统中引起事故，发生事故的原因是多种多样的，其中大多数是由于设备缺陷、设计错误和安装、检修质量不高以及运行维护不当等引起的。为此，只要正确地进行设计、制造与安装，加强设备维修，就有可能把事故消灭在发生之前，防患于未然。,电气系统各设备之间是电和磁的联系，当某一设备发生故障时，在极短的时间内就会影响到同一电气系统的非故障设备。为了防止电气系统事故的扩大，保证非故障部分仍然可靠运行，必须尽快切除故障，切除故障的时间有时甚至要求短到百分之几秒。在这样短促的时间内，由运行人员来发现故障设备并将故障设备切除是不可能的。要完成这样的任务，只有借助于安装在每一电气设备上的自动保护装置。电气系统建立初期，通常采用熔断器作为保护装置。随着电气设备容量的增大，以及电气系统愈来愈复杂，熔断器已不能满足要求，因而各种电气保护装置得到了应用和发展，这些电气保护装置是能反映电气系,统各电气设备故障或不正常工作情况，并作用于自动动作电器跳闸或发出信号的一种自动装置。由此可见，电气保护装置在电气系统中的作用是：借自动动作电器将故障设备与电气系统的非故障设备自动隔离，使系统的运行恢复正常。但对于某些不正常工作情况，例如小倍数过载，由于不会立即破坏电气系统的正常运行，在许多情况下，为了不影响设备工作的连续性，保护装置可只作用于信号。(2)反映电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行而会引起事故的电气设备予以切除。反映不正常,工作情况的保护装置一般带一定的延时动作。电气保护装置是电气系统自动化的重要组成部分，是保证电气系统安全可靠运行的主要措施之一。在现代电气系统中，如果没有专门的电气保护装置，要想维持系统正常工作是根本不可能的。因此，所有电气控制系统均应具有完善的保护环节，用以保护电网、电动机、电器以及其他电路元件等。电气系统发生短路和过电流等故障时，电气量将发生下述变化：电流增大，在短路点与电源间直接联系的电气设备上的电流会增大。(2)电压降低，系统故障的相电压或相间电压会下降，而且离故障点愈近，电压下降愈多，甚至降为零。,(3)电流电压间的相位角会发生变化。例如，正常运行时，同相的电流与电压间的相位角为负荷功率因数角，为20左右；三相短路时电流与电压间的相位角则为线路阻抗角，架空线路电流与电压的相位角为6085。利用短路时这些电气量的变化，可以构成各种作用原理的电气保护。例如，利用电流增大的特点可以构成过电流保护；利用电压降低的特点可以构成低电压保护；利用电流电压间相位角的变化特点可以构成断相保护、漏电保护等。常用的保护环节有过电流、短路、过载、过压、失压、断相保护等，有时还设有合闸、分闸、正常工作、事故等指示信号。下面从电气设计角度讨论电气故障的类型、产生原因及常用的电气保护方法，以供设计中参考。,6.1.3.1 电流型保护 在正常工作中，电气设备通过的电流一般不超过额定电流，若少量超过额定电流，在短时间内，只要温升不超过允许值也是允许的，这也是各种电器设备或元件应具有的过载能力。但当通过电器设备或元件的电流过大，将因发热而使温升超过绝缘材料的承受能力，就会造成事故，甚至烧毁电器设备。在散热条件一定的情况下，温升决定于发热量，而发热量不仅决定于电流大小，而且还与通电时间密切相关。电流型保护就是基于这一原理构成的，它是通过传感元件检测过电流信号，经过信号变换、放大后控制执行机构及被保护对象动作，切断故障电路。属于电流型保护的主要有短路、过电流、过载和断相保护等。,1短路保护 当电器或线路绝缘遭到损坏、负载短路或接线错误时将产生短路现象。短路时产生的瞬时故障电流可达到额定电流的十几倍到几十倍，使电气设备或配电线路因过流而产生电动力而损坏，甚至因电弧而引起火灾。短路保护要求具有瞬动特性，即要求在很短时间内切断电源。当电路发生短路时，短路电流引起电气设备绝缘损坏和产生强大的电动力，使电路中的各种电气设备产生机械性损坏。因此，当电路出现短路电流时，必须迅速、可靠地断开电源。,短路保护的常用方法是采用熔断器、低压断路器或专门的短路保护装置。在对主电路采用三相四线制或对变压器采用中性点接地的三相三线制的供电电路中，必须采用三相短路保护。若主电路容量较小，其电路中的熔断器可同时作为控制电路的短路保护；若主电路容量较大，则控制电路一定要单独设置短路保护熔断器。2过电流保护 过电流保护是区别于短路保护的一种电流型保护。所谓过电流，是指电动机或电器元件超过其额定电流的运行状态，不正确地起动和负载转矩过大也常常引,起电动机出现很大的过电流，由此引起的过电流一般比短路电流小，不超过6IN0，在过电流情况下，电器元件并不是马上损坏，只要在达到最大允许温升之前电流值能恢复正常还是允许的。较大的冲击负载将使电路产生很大的冲击电流，以致损坏电器设备，同时，过大的电流引起电路中的电动机转矩很大也会使机械的转动部件受到损坏，因此要瞬时切断电源。在电动机运行中产生这种过电流比发生短路的可能性要大，特别是在频繁起动和正反转、重复短时工作的电动机更是如此。通常，过电流保护可以采用低压断路器、热继电器、电动机保护器、过电流继电器等,如图6.5,所示。其中，过电流继电器是与接触器配合使用，即将过电流继电器线圈串联在被保护电路中，电路电流达到其整定值时，过电流继电器动作，其常闭触头串联在接触器控制回路中，由接触器去切断电源。这种控制方法既可用于保护，也可达到一定的自动控制目的。这种保护主要应用于绕线转子异步电动机控制电路中。3过载保护 过载保护是过电流保护的一种，也属于电流型保护。过载是指电动机的运行电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数更小些，通常在1.5IN0以内。引,起电动机过载的原因很多，如负载的突然增加、缺相运行以及电网电压降低等。若电动机长期过载运行，其绕组的温升将超过允许值而使绝缘老化、损坏。异步电动机过载保护应采用热继电器或电动机保护器作为保护元件。热继电器具有与电动机相似的反时限特性，但由于热惯性的关系，热继电器不会受短路电流的冲击而瞬时动作。当有6倍以上额定电流通过热继电器时，需经5 s后才动作，这样，在热继电器动作前就可能使热继电器的发热元件先烧坏，所以，在使用热继电器作过载保护时，还必须装有熔断器或低压断路器配合使用。由于过载保护特性与过电流保护不同，,故不能采用过电流保护方法来进行过载保护，因为引起过载保护的原因往往是一种暂时因素，例如负载的临时增加而引起过载，过一段时间又转入正常工作，对电动机来说，只要过载时间内绕组不超过允许温升是允许的。如果采用过电流保护，势必要影响生产机械的正常工作，生产效率及产品质量会受到影响。过载保护要求保护电器具有与电动机反时限特性相吻合的特性，即根据电流过载倍数的不同，其动作时间是不同的，它随着电流的增加而减小。图6.5是交流电动机常用保护类型示意图，具体选用时应有取舍。,图6.5 交流电动机常用保护类型示意图(a)方案1;(b)方案2,图6.5中采用低压断路器作为短路保护，热继电器用作过载保护。线路发生短路故障时，低压断路器动作切断故障；线路发生过载故障时，热继电器动作，事故处理完毕，热继电器可以自动复位或手动复位，使线路重新工作。当低压断路器的保护范围不能满足要求时，应采用熔断器作为短路主保护，而使低压断路器作为短路保护的后备保护。图6.5中电压继电器是用于低电压保护，过流继电器用作电动机工作时的过电流保护。当电动机工作过程中由某种原因而引起过电流时，过电流继电器动作，其动断触头断开，电动机便停止工作，起到保护,作用。当用过电流继电器保护电动机时，其线圈的动作电流可按下式计算：I=1.2 Ist式中:I电流继电器的动作电流；Ist电动机的起动电流。应当指出，过电流继电器不同于熔断器和低压断路器，它是一个测量元件，低压断路器是把测量元件和执行元件装在一起，熔断器的熔体本身就是测量和执行元件。过电流保护要通过执行元件接触器来完成，因此，为了能切断过电流，接触器触头容量应加大，但不能可靠地切断短路电流。为避免起动电流的,影响，通常将时间继电器与过电流继电器配合，起动时，时间继电器的动断触头闭合，动合触头尚未闭合时，过流继电器的线圈不接入电路，尽管电机的起动电流很大，而过流继电器不起作用。起动结束后，时间继电器延时结束，动断触头断开，动合触头闭合，过流继电器线圈得电，开始起保护作用。工作过程中，由某原因而引起过电流时，过电流继电器动作，其动断触头断开，电动机便停止工作，起到保护作用。4断相保护 异步电动机在正常运行中，由于电网故障或一相熔断器熔断引起对称三相电源缺少一相，电动机将在,缺相电源中低速运转或堵转，定子电流很大，是造成电动机绝缘及绕组烧损的常见故障之一。断相时，负载的大小及绕组的接法等因素引起相电流与线电流的变化差异较大，对于正常运行采用三角形连接的电动机(我国生产的三相笼型异步电动机在4.5 kW以上均采用三角形连接)，如负载在5367%之间发生断相故障，会出现故障相的线电流小于对称性负载保护电流动作值，但相绕组最大一相电流却已超过额定值。热继电器热元件是串接在三相电流进线中，其断相保护功能采用专门为断相运行而设计的断相保护机构构成的。图6.6是一种电子式电动机断相、过载、短路保护电路原理图。电路由断相取样、短路取样、电流取样、,图6.6 电子式异步电动机保护电路原理图,延时、射极耦合双稳态触发器、功率推动晶体管V3、继电器KM、直流稳压电源等部分组成。在正常运行时，接触器K工作，电机运转。触发器V1管的基极输入信号较小，V1截止，V2和V3导通，使继电器KM动作，KM的常开触头闭合，将起动自锁，维持K吸合。根据三相交流平衡时其零序电压为零的原理，用R1、R2、R3三个电阻形成一个零序点：相电压平衡时该点电位趋于零，当发生断相或三相严重不平衡时，UO升高，经V10，C2滤波后送至电位器RP2，在RP2上取出电压U3经二极管V11加到V1的基极，使V1导通，V2和V3截止，继电器KM释放，K断开，将电源切除，达到断相保护的目的。调节RP2使三相不平衡值小于某值，如5,时，U3不足以使V1导通。电流信号由三个电流变换器TA1、TA3取得，电流变换器的一次绕组串接在电动机定子三相电路里，三次绕组产生的交流电压经三相桥式整流、滤波后得到一直流电压U1。当电动机短路时，电枢电流很大，U1升高，由电位器RP1上引出的电压U2也随即升高，它经二极管V9加到V1基极，使V1导通，V2、V3截止，KM释放，K断开，以实现过载保护。RP1用以调整被保护电路的短路电流值，当电动机电流超过额定值时，增大的U1克服稳压管Vw1的稳压值，经电阻R3和电容C3组成的充电延时环节使UC3升高，它经二极管V8使V1导通，V2、V3截止，KM释放，K断开，达到短路保护的目的。其他部分请读者自行分析。,6.1.3.2 电压型保护 电动机或电器元件都是在一定的额定电压下才能正常工作，电压过高、过低或者工作过程中非人为因素的突然断电都可能造成生产机械的损坏或人身事故，因此,在电气控制线路中应根据要求设置失压保护、过电压保护及欠电压保护。1失压保护 电动机正常工作时，如果因为电源电压的消失而停转，那么在电源电压恢复时就可能起动，电动机的自行起动将造成人身事故或机械设备损坏。对电网来说，许多电动机同时起动也会引起不允许的过电流和过大的电压降。为防止恢复时电动机的自行起动或电,器元件自行投入工作而设置的保护，称为失压保护。采用接触器和按钮控制电动机的起、停就具有失压保护作用。因为，如果正常工作中电网电压消失，接触器就会自动释放而切断电动机电源，当电网恢复正常时，由于接触器自锁电路已断开，不会自行起动。但如果不是采用按钮而是用不能自动复位的手动开关、行程开关等控制接触器，必须采用专门的零压继电器。对于多位开关，要采用零位保护来实现失压保护，即电路控制必须先接通零压继电器。工作过程中一旦失电，零压继电器释放，其自锁也释放，当电网恢复正常时，就不会自行投入工作。,2欠电压保护 电动机或电器元件在有些应用场合下，当电网电压降到额定电压UN以下，如6080%时，就要求能自动切除电源而停止工作，这种保护称为欠电压保护，如图6.5所示。因为电动机在电网电压降低时，其转速、电磁转矩都将降低甚至堵转，在负载一定的情况下，电动机电流将增加，不仅影响产品加工质量，还会影响设备正常工作，使机械设备损坏，造成人身事故。另一方面，由于电网电压的降低，如降到UN的60，控制线路中的各类交流接触器、继电器既不释放又不能可靠吸合，处于抖动状态并产生很大噪声，线圈电流增大，甚至过热造成电器元件和电动机的烧毁。,除上述采用接触器及按钮控制方式时利用接触器本身的欠电压保护作用外，还可以采用低压断路器或专门的电磁式电压继电器来进行欠电压保护，其方法是将电压继电器线圈跨接在电源上，其常开触头串接在接触器控制回路中。当电网电压低于整定值时，电压继电器动作使接触器释放。3过电压保护 电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流电磁机构、直流继电器等在通断时会产生较高的感应电动势，易使工作线圈绝缘击穿而损坏，因此，必须采用适当的过电压保护措施。通常过电压保护的方法是在线圈两端并联一个电阻，电阻串电容或二极管串电阻等形式，以形成一个放电回路，如图6.7、图6.8、图6.9所示。,图6.7 与电感线圈并联二极管图,6.8 与触头并联阻容电路图,6.9 在直流线圈上并放电回路,6.1.3.3 位置控制与保护 一些生产机械运动部件的行程及相对位置往往要求限制在一定范围内，如直线运动切削机床、升降机械等需要有限位控制，有些生产机械工作台的自动往复运动需要有行程限位等，如起重设备的左右、上下及前后运动行程都必须有适当的位置保护，否则就可能损坏生产机械并造成人身事故，这类保护称为位置保护。位置保护、限位控制和行程限位在控制原理上是一致的，可以采用限位开关、干簧继电器、接近开关等电器元件构成控制电路，当运动部件到达设定位置时，开关动作，其常闭触点通常串联在接触器控制,电路中，因常闭触头打开而使接触器释放，于是运动部件停止运行。图6.10是一种自动往返循环控制线路，电路的原理可适用于各种控制进给运动到预定点后自动停止的限位控制保护等，其应用相当广泛。图示控制线路是采用行程开关来实现的，这种控制是将行程开关安装在事先安排好的地点，当装于生产机械运动部件上的撞块压合行程开关时，行程开关的触头动作，从而实现电路的切换，以达到控制的目的。也可以采用非接触式接近开关代替行程开关。限位开关SQ1放在左端需要反向的位置，而SQ2放在右端需要反向的位置，机械挡铁装在运动部件上。起动时，利用,正向或反向起动按钮，如按正转按钮SB2，接触器K1通电吸合并自锁，电动机作正向旋转带动机械运动部件左移，当运动部件移至左端并碰到SQ1时，将SQ1压下，其常闭触头断开，切断接触器K1线圈电路，同时其常开触头闭合，接通反转接触器K2线圈电路，此时电动机由正向旋转变为反向旋转，带动运动部件向右运动，直到压下SQ2限位开关，电动机由反转又变成正转。,图6.10 自动往返循环控制线路,6.1.4 电气原理图的设计 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。电气控制系统原理设计主要包括以下内容：(1)制订电气设计任务书(技术条件)设计任务书或技术建议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十分重要的，必须认真对待。在很多情况下，设计任务下达部门对本系统的功能要求、技术指标只能给出一个大致轮廓，设计应达到的各项具体的技术指标及其他各项要求实际是由技术部门、设备使用部门及设计部门共同协商，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任务的用途、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经济指标及要求：电气传动基本特性要求、自动化程度要求及控制精度。目标成本与经费限额。设备布局、安装要求、控制柜(箱)及操作台布置、照明、信号指示、报警方式等。工期、验收标准及验收方式。(2)选择电气传动方案与控制方式 电力拖动方案与控制方式的确定是设计的重要部,分，方案确定以后，就可以进一步选择电动机的类型、数量、结构形式以及容量等。电动机选择的基本原则是：电动机的机械特性应满足生产机械的要求，要与被拖动负载特性相适应，以保证运行稳定并具有良好的起动、制动性能，对有调速要求时，应合理选择调速方案。工作过程中电动机容量能得到充分利用，使其温升尽可能达到或接近额定温升值。电动机的结构形式应满足机械设计要求，选择恰当的使用类别和工作制，并能适应周围环境工作条件。,在满足设计要求的情况下，应优先采用结构简单、使用维护方便的笼型三相交流异步电动机。(3)确定电动机的类型及其技术参数。(4)设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟订各部分技术指标与要求。(5)设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数。(6)选择电器元件，制订元器件目录清单。(7)编写设计说明书。电气设计的重点在两个方面，一是拖动方案的制订，这部分属于电机与拖动的内容，在此不再赘述。二是控制线路的设计，常用继电接触控制或可编程控,制器(本书只涉及继电接触控制)，采用的方法有分析设计法和逻辑代数设计法，由于设计不是课程要求的重点，在此着重介绍继电接触控制线路的分析设计方法。6.1.4.1 继电接触控制线路的分析设计方法 分析设计法又称为经验设计法，特别适合不太复杂的控制线路设计。电气控制又称为继电器接触器逻辑控制，一般包括电源装置(或部分)、电动机控制线路及其辅助电路。电源装置可以独立存在，也可以是继电逻辑控制系统中的一部分。电气控制设计方法通常是以熟练掌握各种电气控制线路的基本环节和具备,一定的阅读分析电气控制线路的经验为基础，要求设计人员必须掌握和熟悉大量的典型控制线路、多种典型线路的设计资料，同时具有丰富的设计经验，也就是说，它主要靠经验设计，因此通常称为经验设计法。经验设计法的特点是无固定的设计程序和固定的设计模式，灵活性很大，但相对来说设计方法简单，容易被人们掌握，对于具有一定工作经验的电气人员来说，能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用。从另一个角度来说，高水平的设计人员除必须具备系统的基础理论、分析问题和解决问题的能力及很强的学习和接受新知识的能力外，还必须深入生产第一线，熟,悉现场，掌握生产过程工艺，了解生产机械的性能。用经验设计方法初步设计出来的控制线路可能有多种，需要加以比较分析并反复地修改简化，甚至要通过实验加以验证，才能使控制线路符合设计要求。采用经验设计方法设计，通常是先根据生产工艺的要求画出功能流程图，再用一些成熟的典型线路环节来实现某些基本要求，确定适当的基本控制环节，而后再根据生产工艺要求逐步完善其功能要求，并适当配置联锁和保护等环节，利用基本绘制原则把它们综合地组合成一个整体，成为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，,将主令信号经过适当的组合和变换，在一定的条件下得到执行元件所需要的工作信号，再套用典型控制电路完成设计。设计过程中要随时增减元器件和改变触头的组合方式，以满足被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。在进行具体线路设计时，一般先设计主电路，然后设计控制电路、信号电路、局部特殊电路等。初步设计完成后，应当仔细检查、反复验证，看线路是否符合设计要求，并进一步使之完善和简化，最后选择恰当的电器元件的规格型号，使其能充分实现设计功能。也可以用逻辑分析的方法进一步进行逻辑分析，以优化设计。,图6.11 皮带运输机示意图,下面通过皮带运输机的实例介绍经验设计方法。在建筑施工企业的沙石料场，普遍使用皮带运输机对沙和石料进行传送转运，图6.11是两级皮带运输机示意图，M1是第一级电动机，M2是第二级电动机。基本工作特点是：(1)两台电动机都存在重载起动的可能；(2)任何一级传送带停止工作时，其他传送带都必须停止工作；(3)控制线路有必要的保护环节；(4)有故障报警装置。1主线路设计,电动机采用三相鼠笼式异步电动机，接触器控制起动、停止，线路应有短路、过载、缺相、欠压保护，两台电动机控制方式一样。基本线路见图6.12。线路中采用了自动空气开关、熔断器、热继电器，可满足上述保护需要。2控制线路设计 直接起动的基本线路如图6.13所示，为操作方便，线路中设计了总停按钮SB5。考虑到皮带运输机随时都有重载起动的可能，为了防止在起动时热继电器动作，有两个解决办法，第一是把热继电器的整定电流调大，使之在起动时不动,图6.12 皮带运输机主电路,图6.13 皮带运输机控制电路,作，但这样必然降低了过载保护的可靠性；第二是起动时将热继电器的发热元件短接，起动结束后再将其接入，这就需要用时间继电器控制。如图6.14(a)所示，起动时按下SB1，接触器KM1、KM3和时间继电器KT1同时得电，KM3主触点闭合短接热继电器发热元件，经过一段时间电动机完成起动，时间继电器KT1常闭触点延时断开，KM3失电，主触点断开，热继电器发热元件接入，线路正常工作。此时主电路见图6.14(b)。,图6.14 皮带运输机的控制电路(a)主线路;(b)考虑重载起动,若遇故障，某级传送带停转，要求各级传送带都应停止工作，控制线路应能做到自动停车，同时发出相应警示。在发生故障停车时，皮带会因沙石自重而下沉，可以在皮带下方恰当位置安装限位开关SQ1(SQ2)，由它来完成停车控制和报警。控制线路见图6.15。主线路见图6.16，线路中增加了接触器KM和总起动按钮SB6，只有当SQ1、SQ2没有动作，常闭触点闭合时，按下SB6，得电，主电路和控制线路才有电。反之，当故障停车时，SQ1(SQ2)动作，KM失电，主电路和控制线路电源被切断。,图6.15 皮带运输机控制线路(考虑故障停车),图6.16 皮带运输机主线路(考虑故障停车后),如遇临时停电，由于有了SQ1、SQ2的保护作用，线路将无法再起动，因此SQ1、SQ2只能在电动机完成起动后才能投入，为此增加了时间继电器KT，见图6.17，利用常闭(延时断开)触点短接SQ1、SQ2，保证线路能顺利进行重载起动，起动结束后传送带正常运行，在时间继电器触点延时断开之前，SQ1、SQ2常闭触点已复位，线路正常工作。3设计线路的复验 设计最后完成主线路(图6.16)和控制线路(图6.17)，根据四项设计要求逐一验证。线路中采用了自动空气开关、熔断器、热继电器，可满足线路保护需要。,图6.17 皮带运输机控制线路(考虑停电再起动),(2)两台电动机重载起动措施：由KM3(KM4)在起动时切除热继电器发热元件，由时间继电器KT短接SQ1(SQ2)，保证KM得电，线路通电。(3)任何一级皮带输送机出现故障停止工作时，传送带受重下沉使SQ1(SQ2)动作，KM失电，主电路和控制线路同时断电。(4)故障指示灯HL1、HL2显示相应传送带故障。皮带运输机根据不同的使用场合有不同的控制线路，本例重点是从清楚层次，易于理解的角度讲述了经验设计法的运用，涉及设备元件的选型、计算等问题，在此不做要求。,6.1.4.2 电气控制线路的逻辑分析设计方法 逻辑分析设计方法又称逻辑设计法，是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数来分析、化简、设计线路的方法。这种设计方法能够确定实现一个开关量自动控制线路的逻辑功能所必需的、最少的中间记忆元件(中间继电器)的数目，然后有选择地设置中间记忆元件，以达到使逻辑电路最简单的目的。逻辑设计法比较科学，设计的线路比较简化、合理。但是，当设计的控制线路比较复杂时，这种方法显得十分繁琐，工作量也大，而且容易出错，所以一般适用于简单的系统设计。但是，将一个较大的、功能较为复杂的控制,系统分为若干个互相联系的控制单元，用逻辑设计的方法先完成每个单元控制线路的设计，然后再用经验设计法把这些单元组合起来，各取所长，也是一种简捷的设计方法，可以获得理想经济的方案，所用元件数量少，各元件能充分发挥作用，当给定条件变化时，容易找出电路相应变化的内在规律，在设计复杂控制线路时更能显示出它的优点。逻辑设计方法是利用逻辑代数这一数学工具来实现电路设计，即根据生产工艺要求，将执行元件需要的工作信号以及主令电器的接通断开看成逻辑变量，并根据控制要求将它们之间的控制关系用逻辑函数关,系式来表达，然后再运用逻辑函数基本公式和运算规律进行简化，使之成为需要的最简“与”、“或”关系式，根据最简式画出相应的电路结构图，最后进一步地检查和完善，即能获得需要的控制线路。任何控制线路、控制对象与控制条件之间都可以用逻辑函数式来表示，所以逻辑设计法不仅可以进行线路设计，也可以进行线路简化和分析。利用逻辑分析法读图的优点是各控制元件的关系能一目了然，不会读错和遗漏。(1)继电器接触器控制线路的逻辑函数 在继电器逻辑控制系统中，其控制线路中的开关,量符合逻辑规律，可用逻辑函数关系式来表示。在逻辑图6.18两种简单的电动机起、停、自锁电路