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动力配电柜设计论文
设计任务书
设计题目：
动力配电柜设计
设计要求：
主要是针对主电路的设计和控制电路的设计以及电器元气件布置的原则，和三相异步电动机的启动方法、保护环节、控制环节。
以及PLC原理的分析，以及它的优缺点，且包括对以及电气布置图及柜体的设计，以及各个元件的安排。
设计进度要求：
第5-6周去工厂参观，查阅、收集资料；
第7-9周方案论证；
第10-12周原理图设计、结构分析计算；
第13-14周元器件选择；
第15-16周接线图、接线表设计及电气布置图及柜体的设计；
第17周校核、修改并提交论文；
第18周论文答辩。
指导教师（签名）：
绪论
可编程序控制器简称PC，是70年代以来在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业自动控制装置，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，丢弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式，独具风格地形成一套以继电器体形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观，方便易学，且调试和查错都容易。
它不仅可以取代以继电、接触器为主的顺序控制器，而且广泛应用于大规模的生产过程控制。
它具有通用性强，程序可变，编程容易，可靠性高，使用维护方便等优点。
由于数控技术的发展和电子计算机的应用，电力拖动自动控制又发展到一个新的水平，向着生产过程自动化的方向发展，这是今后电力拖动自动控制的发展方向。
尽管如此，在当前的生产实践中，电力拖动断续和连续控制仍是大量的，常见的同时也是基本的。
在工矿企业中广泛使用的生产设备仍由断续和连续控制系统进行控制。
在电力拖动方式的演变过程中，电力拖动的控制方式也由手动控制逐步向自动控制方向发展。
手动控制是利用刀开关、控制器等手动控制电器，由人力操纵实现电动机启动、停止或正反转；自动控制是利用自动控制器来控制电动机，人在控制过程中只发出信号，监视生产机械的运转情况。
自动控制是在手动控制基础上发展起来的，最初的自动控制是用数量不多的继电器，接触器及保护元件组成的继电-接触器控制，通常简称继电器控制。
这种控制是有操作者通过主令电器接通继电器接触器电路，进而控制电动机，实现电动机的起动、制动、反向、调速与停机的控制。
这种控制方式简单，工作稳定，成本低，在一定范围内使用单机和生产自动线的需要，在工矿企业中仍广泛应用。
但次种控制具有使用的单一性，即一台控制装置只能针对某一种固定的设备，一旦程序有所改动，就得重新配线。
对控制要求比较复杂的设备或控制程序经常发生变化的设备不能采用此系统进行控制。
这种电器控制其输入和输出信号只有通和断两种状态，因而这种控制是断续的，不能连续反映信号的变化，故称为断续控制。
为了使控制系统获得更好的静态和动态特性，完成更复杂的控制任务，现在广泛地采用反馈控制系统。
反馈控制系统是由连续控制元件组成的，它不仅能反映信号的通或断，而且能反映信号的数值大小和变化，这种由连续控制元件组成的反馈控制系统，称为连续控制系统。
用作连续控制元件，以前普遍采用电机放大和磁放大器，随着半导体器件和晶体管元件的发展，越来越多地采用晶体管作为控制元件的晶体管控制系统。
电气控制技术是一门实用性很强的技术科学，用以实现生产过程中自动化的控制技术，它以各类电动机的传动装置和系统为对象。
已广泛应用于各个工业部门及凡是需要动力的场合中。
电器控制线路的实现，可以的继电器-接触器逻辑控制方法，可编程逻辑控制器控制方法及计算机控制方法等。
而继电器接触器逻辑控制方法仍然是基本的方法。
摘要
本次毕业设计主要是针对“动力配电柜设计”的要求，在满足各种参数要求的前提下，拿出一个具体实际可行的方案，因此我们从实际出发，认真的思考与筛选，经过两个多月的努力终于有了现在的收获。
按照设计的具体要求，我们把设计的重点放在电动机的启动方式、过载保护、短路保护、缺相保护等，并且能异地控制。
电器元件安装排列有序，导线及母线安排的布置符合各自的工艺要求。
还有柜体满足使用功能及工艺要求。
经过控制方案的分析确定了自耦变压器减压启动。
为了保证电力拖动控制系统中电动机、各种电器和控制电路的正常运行，消除可能出现的危险因素，并在出现电器故障时进可能的缩小故障范围，对电力拖动控制系统设置各种连锁和保护环节。
与对应的主电路要考虑到有关保护外，还要对主电路的电流大小应有指示。
根据控制要求和主电路的设计方案设计控制电路。
柜体的满足尺寸要求、功能要求和工艺要求。
从总体上选择元气件，导线等。
关键词：
可编程序控制器自耦变压器电气布置图配电柜
1控制方案分析
1.1启动方法的确定
对于两台40KW三相异步电动机，在经过负荷分析和电源允许的启动倍数的实际情况下，我们不能直接启动。
如果直接启动，启动电流将使电网电压发生较大的波动而影响其他电动机或电器的正常工作，所以我们这里需采用降压启动。
三相异步电动机常用的降压方法有：
定子电路串电阻（或电抗器）降压启动法；星形-三角形（Y—△）降压启动法；自耦变压器降压启动法等几种。
1.1.1降压启动：
降压启动的主要目的是为了限制启动电流，但问题是在限制启动电流的同时，启动转矩也受限制，因此它只使用于在轻载或空载情况下启动。
1）定子电路串电阻降压启动控制电路
电动机启动时在三相电路中串接电阻，使电动机定子绕组电压降低，启动结束后再将电阻短接，电动机在额定电压下正常运行，电动机定子串电阻降压由于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广泛。
机床中也常用这种串电阻降压方式来限制启动及制动电流。
但是，由于串电阻启动时，启动转矩较小，仅适用于对启动转矩要求不高的生产机械上。
另外，由于启动电阻一般采用电阻丝绕制的版式电阻或铸铁电阻，使控制柜体积增大，电能损耗增大，所以大容量电机往往采用定子绕组串接电抗器启动。
2）Y—△降压启动控制道路
凡是正常运行时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，常采用Y—△降压启动方法达到限制启动电流的目的。
Y—△换接启动只使用于锭子绕组为△形连接，且每组绕组都有两个引出端子的三相笼型异步电动机。
Y—△换接的降压原理是：
电动机在正常运行时（△连接），加在每相绕组的电压是线电压，而启动时为Y连接，则加在每相绕组的电压是相电压它为额定电压的根号三分之一，故为降压启动。
当启动完毕，把锭子三相绕组有换接（恢复）成△连接。
三相鼠笼式异步电动机采用Y—△降压启动时，定子绕组星形连接状态下起动电压为三角形连接直接起动的三倍。
起动转距与起动电压的平方成正比，因而起动转距为三角形直接起动转距的1／3，与其他降压起动相比，Y—△降压起动投资少、线路简单，操作方便，动作可靠，使用寿命长，但起动转距小。
这种起动方式只适用与空载和轻载状态下起动，且只适用于正常运转时定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机。
3）自耦变压器降压起动控制电路
在自耦变压器降压起动的控制电路中，电动机电流的限制，是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。
电动机起动的时候，定子绕组得到的电压是自耦变压器的二次电压，一旦起动结束，自耦变压器便被切除，额定电压通过接触器直接加于定子绕组，电动机进入全压的正常工作。
自耦变压器降压起动常适用于电机容量较大的场合，因无大容量的热继电器，故可采用电流互感器后使用小容量的热继电器来实现过载保护。
在本例中，因电动机的接线方式是Y形，所带负载又为重载，根据各种起动方法的特点，我们选择自耦变压器降压起动法起动。
1.2连接和保护环节
为了保证电力拖动控制系统中电动机、各种电器和控制电路能正常运行，消除可能出现的危险因素，并在出现电器故障时，尽可能缩小故障范围，保障人身和设备的安全，必须对电力拖动控制系统设置各种连锁和保护环节。
1）连锁环节
在控制电路中，常用的连锁有自锁环节、互锁环节、顺序动作环节和机械连锁等，以保证生产工艺要求的实现与电路安全可靠的工作。
2）电动机的保护环节
电动机常采用的保护环节有短路保护、过载保护、热保护、零电压和欠电压保护、弱磁保护及超速保护等。
①短路保护
电机电器及导线的绝缘损坏或线路发生故障时，都可能造成短路事故。
很大的短路电流和电动力可能致使电器设备损坏。
因此，在发生短路故障时，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断。
为扩大保护范围，在电路中熔断器应安装在靠近电源端，通常安装在电源开关下边。
②过载保护
当电动机负载过大，起动操作频繁或缺相运行时，会使电动机的工作电流长时间超过其额定电流，电动机绕组过热，温升超过其允许值，导致电动机的绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时会使电动机损坏，因此，当电动机过载时，保护电器应动作，切断电源，使电动机停转，避免电动机在过载下运行。
常用的过载保护元件的热继电器，由于热惯性的原因，热继电器不会受到电动机短时过载冲击电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器做过载保护的同时，还必须有短路保护，并且选为短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过4倍热继电器发热元件的额定电流。
③过流保护
如果在直流电动机和交流绕线式异步电动机起动或制动时，限流电阻被短接，将会造成很大的起动或制动电流。
另外，负载的加大也会导致电流的增加，过大的电流将会使电动机或机械设备损坏，因此。
对直流电动机或绕线式异步电动机常采用过流保护。
过流保护常用电磁式过电流继电器实现。
当电动机过流达到电流继电器的动作值时，继电器动作，使串接在控制电路中的常闭触头断开，切断控制电路，电动机随之脱离电源并停转，达到了过流保护的目的。
一般过电流的动作值为起动电流的1.2倍。
短路、过流、过载保护虽然都是电流保护，但由于故障电流、动作值及保护特性、保护要求和使用元件的不同，它们之间是不可能相互取代的。
④欠压保护
当电网电压降低时电动机便在欠压下运行，由于电动机的负荷没有改变，所以欠压电动机转速下降，定子绕组中的电流增加。
因为电流增加的幅度不足以使熔断器和热继电器动作，所以两种电器起不到保护作用。
如不采取保护措施，时间一长将会使电动机过热损坏。
另外，欠电压将引起一些电器释放，使电路不能正常工作。
因此，应避免电动机在欠压下运行。
实现欠压保护的电器是接触器和电磁式电压继电器。
在机床电器控制线路中，只有少数线路专门设了电磁式电压继电器。
而大多数控制线路，由于接触器已兼有欠压保护功能，所以不再加设欠压保护器，一般当电网降低到额定电压的85%以下时，接触器线圈的磁通则变的很弱，电磁吸力不足，动铁心在反作用弹簧的作用下释放，自锁触电断开，失去自锁，同时主触电也断开，电动机停转，得到了保护。
⑤零压保护（失压保护）
生产机械工作时，如果由于某种原因发生电网突然停电，那么在电源电压恢复时，电动机便会自行起动运转，导致人身和设备事故，并引起电网过电流和瞬时网络电压下降。
为了防止在此种情况下出现电动机自行起动而实施的保护叫做零压保护。
常用的失压保护电器是接触器和中间继电器。
当电网停电时，接触器和中间继电器触头复位，切断主电路和控制电源。
当电网恢复时，若不重新按下起动按钮，电动机就不会自行起动，实现失压保护。
电力拖动中，根据不同的工作情况，对电动机设置一种或几种保护措施。
该例中要求有过载、缺相、短路等保护，确定保护元件如下：
断路器、热继电器和熔断器。
1.3电机的控制原则
在电动机的起动、调速、反向与制动过程中，按不同参数的变化来实现自动控制，称为电力拖动自动控制原则。
各种控制原则及特点见表5—1。
选择控制原则时，应考虑电力控制系统提出的基本要求、安全可靠、操作维修等因素。
根据各种控制原则的特点，综合考虑选用时间原则进行控制。
2原理图设计
2.1主电路设计
在设计主电路时除要考虑有关保护外，对主电路中的电流大小还应有指示。
根据以上的方案分析以及设计要求，设计两台电动机控制线路的主电路，如图2-1所示。
图2-1两台40千瓦三相交流电动机线路的主电路
2.2控制电路设计
根据控制要求和主电路的设计方案设计控制电路。
设计时应注意：
①在起动过程中应保证KM3、KM6不能得电；②起动结束后应将自耦变压器T1、T2切除。
所设计得控制电路如图2-2所示。
图2-2两台40千瓦三相交流异步电动机线路的控制线路
2.3.控制电路原理分析
鉴于两台电动机控制电路原理相同，现选取其中一台电动机（M1）进行分析。
2.3.1电动机起动
按下SB3—＞KM1得自锁-----KM2得电-----HL5\HL6熄灭----KT1得电且延时----电动机启动----KT1延时时间到----KA1得电自锁----KM1,KM2失电----HL3,HL4熄灭----KM3得电----KT1,KT2失电----电动机正常运行----HL1,HL2亮.2#电动启动过程也如此.
2.3.2电动机停止
按下SB1或SB2后，KM3失电,电动机停止。
用PLC控制的电机中，按下PLC外围的操作按钮同样达到相同的操作目的。
2#电机的控制过程也如此。
2.3.3控制电路的互锁保护
KM1得电时，其串在KM3线圈支路上的常闭触头断开，保证了KM3不能得电；KM3得电的前提是KA1得电，KM1的常闭触头又会将KM1切断保护电动机在全压运行是，KM1，KM2线圈处于断电状态，因而将自耦变压器T1切除。
另外，该控制电路中，点划线框中的元件，设在异地控制箱内。
2.4PLC原理分析
2.4.1PLC控制特点
可编程控制器在继电器控制和计算机技术的基础上发展起来，它以微处理器为核心，集微电子技术，自动化技术，计算机技术，通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。
可编程控制器的主要特点：
1.可靠性
可靠性指的是可编程控制器平均无故障工作时间。
可靠性既反映了用户的要求，有是可编程控制器生产厂家追求的技术指标。
目前各生产厂家的PLC平均无故障安全运行时间都远大于国际电工委员会（IEC）规定的10万小时的标准。
2.控制功能强
可编程控制器不但具有对开关量和模拟的控制能力，还具有数值运算、PID调节、数据通信、中断处理的功能。
PLC具有扩展灵活的特点，还具有功能的可组性。
3.组成灵活
可编程控制器的品种很多。
小型PLC为整体结构，并可外接I/O扩展机箱构成PLC控制系统。
中大型PLC采用分体模块式结构，设有各种专用功能模块供选用和组合，由各种模块组成大小和要求不同的控制系统。
4.操作方便
PLC提供了多种面向用户的语言，如常用的梯形图LAD，指令语句STL，控制系统流程图CSF等。
PLC的最大优点之一就是采用易学易懂的梯形语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，直观易懂，极易被现场电气工程技术人员掌握。
2.4.2PLC程序执行过程分析
我们这里使用S7-200系列PLC，它支持SIMATIC和IEC1131-3两种基本类型的指令集，编程时可任意选择。
这里我们采用梯形图编辑器（LAD），建立与电器原理图相类似的程序，梯形图是PLC编程的最高语言，很容易被工作人员和技术人员所掌握。
程序执行按段扫描，清晰的短结构有利于程序的阅读和理解及运行调试。
LAD图形指令有三种基本的形式：
触电、指令盒、线圈。
触电表示输入条件。
线圈表示输出结果，指令盒表示负责的功能指令，例如定时器、计时器或数学运算指令。
我们现在列出PLC的电器原理图2-3所示。
图2-3两台40千瓦三相交流电动机PLC电器原理图
从上图中我们发现其控制电路简单，两台电机的控制原理相同，程序执行从开始到结束完成程序控制，且以后的循环扫描中其电路参数不再变化。
我们来分析一下其工作过程就会知道PLC的输出从Q0.0到Q0.4为1#电机的控制输出，它们连接到相应的接触器和指示灯上就完成电动机的启动运行和控制。
2#电动机的原理与此相同。
我们来看一下图2-4两台40千瓦三相交流电动机PLC流程图，从图中我们看出PLC对电动机的控制过程，先接入自耦变压器对1#电动机进行降压启动，2.5秒后启动完成，自耦变压器退出运行。
1#电动机启动成功，开始正常工作。
紧接着启动2#电机，控制过程如1#电机所述。
图2-4两台40千瓦三相交流电动机PLC流程图
以上的PLC流程图是根据所要完成的电机控制功能做出的，这里我们可以看出使用PLC控制的优点和可靠性，采用传统的继电器装置做出的控制电路需要很多的继电器及大量的接线，而我们是使用PLC控制可以省去这些，而大大提高可靠性。
传统的继电器做出的配电柜的功能单调，且不容易修改其功能设置。
以下是PLC的梯形图程序，如图2-5所示。
图2-5两台40千瓦三相交流电动机线路的PLC控制程序
3元器件选择
3.1导线、母线和接线端子的选择
导线主要分为两个部分：
连接主电路用导线和连接控制电路用导线。
电控装置中控制电路的导线截面，应按规定的截流量选择。
但考虑到机械强度的需要，对于低压电控设备的辅助线路，应选用截面不小于的单芯铜绝缘线，或不小于的多芯铜绝缘线。
导线的额定绝缘电压应于电路的额定工作电压相适应。
故选用绝缘电压为交流的铜芯塑料硬线作为控制电路的连接线，截面积为。
该线环境温度为时允许截流量为，考虑导线成捆或载行线槽中步线是按允许截流量作为实际截流量得计算、也达到实际负载电流。
主电路中导线一般截面较大，不考虑机械强度而只按允许截流量选择。
在这里主电路中电流按电动机达最大功率时满载电流来选择，选用绝缘电压为380V的BVR铜芯塑料软线作为主电路的连接线，截面面积为35m㎡.该线在环境温度为时允许载流量打134A，肯定满足要求。
对于主电路中电流表、回路的连接线，由于电允最大为5A，所以可选用截面为的BVR铜芯塑料绝缘软线作为连接线。
3.1.1母线的选择
母线的选择主要考虑一下几个方面：
母线的材料、截面形状、截面积、排列方式和支撑件的距离；母线在短路时的热稳定性和动稳定性。
母线的材料主要有铜和铝，一般用铜材料的较多。
母线截面形状的选择应考虑集肤效应、临近效应、电磁波渗透度等因素的影响，并要求散热良好、机械强度高、安装简单和连接方便。
成套开关设备用母线一般选用矩形，再根据母线的灾流量，通过查阅手册，选用截面积为30mm×3mm的铜排作为母线。
3.1.2.接线端子的选择
在设计配电柜时往往将整个控制系统分成几部分安装，各部分之间的连接线必须通过连接线端子连接，所以还需要选择接线端子。
接线端子分为主电路接线端子和控制电路接线端子。
由于主电路的导线截面较大、自耦变压器上自带接线柱，所以无须再选择接线端子。
对于主电路中电流表回路的接线，根据其连接导线的截面，选用JF5-2.5型端子。
同样，控制电路的接线端子，可选用JF5-1.5型，此端子连接导线的最大截面为1.5㎡。
3.2刀开关的选择
刀开关是低压配电器中结构最简单、应用最广泛的电器，主要用在低压成套配电装置中，作为不频繁地手动和分断交直流或隔离作用。
也可以用于不频繁地接通分断额定电流以下的负载。
刀开关按极数分为单级、双级和三级；操作方式分为直接手柄方式、杠杆操作机构式和电动操作机构式；按刀开关转换方向可以分为单投和双投等。
因电路电压为交流380V，电动机的工作电流为71.2A，在考虑控制电路中个电器线圈的工作电流（一般为几十毫安至几百毫安）。
可选额定电压为交流380V，额定电流为200A的HD13系列3极刀开关，型号为HD13BX—200/31。
3.3熔断器、指示灯和按钮的选择
熔断器是一种最简单有效的保护电器，在使用时，熔断器川接在所保护的电路中，作为电路及用电设备的短路和严重过载保护，熔断器主要作为控制电路的短路保护，选择时主要从额定电压、额定电流和和额定分断能力等三方面考虑。
1熔断器的额定电压必须不小于熔断器工作点的电压（380）
2熔断器的额定分断能力应大于线路中可能出现的最大短路电流（16KA）
3熔断器的额定电流应根据被保护的电路（支路）及设备的额定负载电流选择。
控制电路再工作时，最多有两个线圈同时吸合以及两个指示灯同时工作，估算其最大负载电流为10A，故所选熔断器应大于此值。
另外为方便安装，所选熔断器应能插在安装端子的导轨槽中，主义我们可以选用RT18-32型熔断器。
溶体的额定电流为16A。
该控制电路中共用了6只指示灯，选择指示灯，主要是根据其工作电压以及使用场合来确定其型号和颜色。
在此我们选用AD11型系列的指示灯，七型号为AD11-22/41-5G，额定电压为380V。
各指示灯的颜色，根据国家标准GB26681-81的规定，选定为：
HL1、HL2为绿色；HL3、HL4为黄色；HL5、HL6为红色。
按钮的选择
该控制电路中共用了4只按钮。
按钮选择的主要参数有按钮的类型、触头数量、额定电压与颜色等。
大部分按钮额定电流达到5A就能满足要求。
根据控制电路电压，按钮触头数，选定各按钮型号为LA18-22A（即有2对常开，2对常闭，形式为一般式，额定电压为交流380V）。
各按钮的颜色，根据国家标准GB26681-81的规定为：
停止按钮SB1、SB2为红色。
起动按钮SB3、SB4为绿色。
3.4热继电器的选择
热继电器是利用电流的热效应的原理工作的保护器，在电路中用做电动机的过载保护。
因电动机的实际的运行中，常遇到过载的情况，若过载不大，时间较短，绕组升温不超过允许范围；但过载时间较长，绕组升温超过了允许值，这将会加剧绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时会烧毁电动机的绕组，因此，凡是长期运行的电动机必须设置过载保护。
为保护电动机不会因缺相而烧坏，所选热继电器除具有过载保护作用外，还应具备缺相保护的功能。
所以我们可选用JR16系列的热继电器。
一般情况下，热继电器元件的整定电流I可按下式选取：
I=（0.95—1.05）Im
式中Im电动机额定电流，单位是A.
取上式系数为1.0，则热继电器元件的整定电流为71.2，再根据热元件等级，最后确定热元件额定电流为85A，所以确定选用JR16B-150/3D型热继电器，其额定电流为150A。
整定电流调节范围为53A-70A-85A.
3.5自耦变压器的选择
选择自耦变压器主要是选择其型号与功率。
对于起动用自耦变压器型号主要有QZB1和ZOB10两种，在此我们选用QZB1系列的自耦变压器；对于功率，原则上应于所控制的电动机的功率相同，但由于市场上并没有40KW这个功率等级的自耦变压器出售，所以我们选用40KW，即QZB1-40.其外形尺寸为380mm×297mm。
3.6接触器的选择
接触器是一种用来频率接通和断开交，直流主电路及大容量控制电路的自动切换器.它具有低压释放保护功能，可进行频繁操作，实现原距离控制，是电力拖动自动控制线路中使用最广泛的电器元件.因为不具备短路保护作用，常和熔断器、热继电器等保护电器配合使用。
交流接触器主要有触电系统、电磁机构和灭弧装置等组织。
3.6.1触电系统
触点是接触器的执行元件，用来接通和断开电路。
交流接触器一般采用双断点桥式触电，两个触电串联于同一电路中，同时接通或断开。
接触器的触电有主触点和辅助触点之分，主触点用以通电主电路，辅电路，用于通断控制电路。
3.6.2电磁机构
电磁机构的作用是将电磁能转换成机械能，操纵触点的闭合或断开。
交流接触器一般采用衔铁绕组转动的拍合式电磁机构和衔铁作直线运动的电磁机构。
3.6.3灭弧机构
交流接触器分断电流时，往往会在动、静触点之间产生很强的电弧。
电弧一方面会烧伤触电，另一方面会使电路切断时间延长，甚至会引起其他事故。
因此，灭弧是接触器的主要任务之一。
3.6.4其它部分
交流接触器的其它部分有底座、压力弹簧、缓冲弹簧、触点压力弹簧、转动机构和接线柱等。
CJ20系列交流接触器的主要技术参数
型号
额定工作电压（V）
额定工作电流
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