电控技术设计要求及任务书.docx
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电控技术设计要求及任务书
1、继电-接触器控制电路基本环节分析题目
1．下图为一错误的正反转电路，试指出其中错误并加以改正。
2．试设计可以两地操作的对一台电动机实现连续运转和点动工作的电路。
3．分析下图工作原理。
4．下图所示的正反转控制电路（主电路略）中，想达到以下两条要求：
（1）能实现正反转；
（2）两个方向运转时能过载保护。
试分析线路图有何错误。
5．分析下图工作原理。
6．为了调整某加工工件的位置，需要对电动机实现正反转点动控制。
试画出其控制线路图（包括主电路），并说明工作原理。
7．有人设计出下图所示的具有过载保护的正转控制线路，试分析线路图的错误。
8．分析下图工作原理。
2继电器、接触器电气控制系统的设计
目前，一些简单设备的控制系统仍采用继电器-接触器控制，也称常规控制或传统控制。
尽管数控系统和可编程控制器控制越来越多，但是，一方面传统设备、没有改造的设备拥有量还较多，另一方面数控化有较长的发展过程，而且一些简单系统根本不需要微机控制。
因此，学习和掌握机械设备继电器、接触器电气控制系统的设计是极为重要的。
本章主要叙述电气控制设计的基本原则、基本内容、电力拖动方案和电动机的选择。
一、电气控制设计的基本原则、基本内容和设计程序：
设计工作的首要问题是必须树立正确的设计思想，树立工程实践的观点，这是高质量完成设计任务的根本保证。
（一）电气控制设计的基本原则：
在设计过程中，通常应遵循以下几个原则：
1.最大限度满足机械设备和工艺对电气控制系统的要求。
2.在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单、经济和实用，不宜盲目追求自动化和高指标。
3.把电气系统的安全性和可靠性放在首位，确保使用安全、可靠。
4.妥善处理机械与电气的关系，要从工艺要求、制造成本、机械电气结构的复杂性和使用维护等方面综合考虑。
（二）电气控制设计的基本内容：
电气控制设计包括原理设计与工艺设计两个基本部分。
1、原理设计内容：
①拟订电气控制设计任务书。
②选择拖动方案、控制方式和电动机。
③设计并绘制电气原理图和选择电器元件并制订元器件目录表。
④对原理图各连接点进行编号。
2、工艺设计内容：
①根据电气原理图（包括元器件表），绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。
②电器元件布置图的设计与绘制。
③电气组件和元件接线图的绘制。
④电气箱及非标准零件图的设计。
⑤各类元器件及材料清单的汇总。
⑥编写设计说明书和使用维护说明书。
（三）电气控制设计的一般程序:
设计程序一般是先进行原理设计再进行工艺设计，详细的设计程序同前述设计内容的排序相同。
除电气设计任务书以外，其余内容后面要详述。
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。
基本内容为：
①给出机械及传动结构简图、工艺过程、负载特性、动作要求、控制方式、调速要求及工作条件。
②给出电气保护、控制精度、生产效率、自动化程度、稳定性及抗干扰要求。
③给出设备布局、安装、照明、显示和报警方式等要求。
④目标成本与经费限额、验收标准及方式等。
二、电力拖动方案确定原则和电动机的选择：
（一）电力拖动方案确定原则：
交流电机特别是笼型异步电动机结构简单、运行可靠、价格低廉、维修方便、应用广泛，所以在选择电力拖动方案时，首先应尽量考虑笼型异步电动机，只有那些要求调速范围大和频繁起制动的机械设备，才考虑采用直流或交流无级调速系统。
因此，应依机械设备对调速的要求来考虑电力拖动方案。
1、对于一般无特殊调速指标要求的机械设备，应优先采用笼型异步电动机。
2、对于要求电气调速的机械设备，应根据调速技术要求，如调速范围、调速平滑性、调速级数和机械特性硬度来选择电力拖动方案。
①若调速D=2~3（其中D=nmax/nmin）,额定负载下，调速级数≤2~4，一般采用可变极数的双速或多速笼型异步电动机。
②若D=3~10，且要求平滑调速时，在容量不大的情况下，应采用带滑差电磁离合器的笼型异步电动机拖动方案。
③若调速D=10~100，可采用晶闸管直流或交流调速拖动方案。
电力拖动系统设计时，电动机的调速性质应与负载特性相适应
调速性质是指在整个调速范围内转矩和功率与转速的关系，有恒功率和恒转矩输出两种。
以车床为例，其主运动需要恒功率传动，进给运动则要求恒转矩传动。
若采用双速笼型异步电动机，当定子绕组由三角形改成双星形连接时，转速由低速升为高速，而功率却增加很少，适用于恒功率传动。
但当定子绕组由低速的星形连接改成双星形连接后，转速和功率都增加一倍，而电动机输出转矩却保持不变，适用于恒转矩传动。
（二）电动机的选择
机械设备的运动部分大多数由电动机驱动。
因此，正确地选择电动机具有重要的意义。
1．电动机结构形式的确定
一般来说，应采用通用系列的普通电动机，只有在特殊场合才采用某些特殊结构的电动机，以便于安装。
在通常的环境条件下，应尽量选用防护式（开启式）电动机。
对易产生悬浮飞扬的铁屑或废料、或者切消液、工业用水等有损于绝缘的介质能侵入电动机的场合，应采用封闭式为宜。
煤油冷却切削刀具或加工易燃合金的机械设备应选用防爆式电动机。
2．电动机容量的选择
正确地选择电动机容量具有重要意义。
电动机容量选得过大是浪费，且功率因数降低；选得过小，会使电动机因过载运行而降低使用寿命。
电动机容量选择的依据是机械设备的负载功率。
若机械设备总体设计中确定的机械传动功率为P1，则所需电动机的功率P为：
P=P1/
式中，为机械传动效率，一般取为0.6~0.85。
3．电动机转速的选择
笼型异步电动机的同步转速有3000、1500、750和600r/min等几种。
一般情况下选用同步转速为1500r/min的电动机。
因为这个转速下的电动机适应性强，而且功率因数和效率也较高。
对于一定容量，转速选得越低，则电动机的体积就越大，价格也越高，并且功率因数和效率也越低。
但选得太高，则增加了机械部分的复杂程度。
4．笼型异步电动机的系列
Y系列电动机是全国统一设计的新系列产品，它具有效率高、起动转矩大、噪声低、振动小、性能优良、外形美观等优点，功率等级和安装尺寸符合国际电工委员会标准。
一般电动机的铭牌上有名称、型号、功率、电压、电流、频率、接法、工作方式、绝缘等级、产品编号、重量、生产厂家和出厂日期等栏。
若电压写380V，接法写Δ联接，表示定子绕组的额定电压为380V，应接成Δ联接。
若电压写380V/220V，接法写Y/Δ联接，表明电源线电压为380V，应接成Y联接；电源线电压为220V，应接成Δ联接。
电流是指电动机绕组的输入电流。
如果写有两个电流值，表示定子绕组在两种接法时的输入电流。
三、电气控制线路的设计
机械设备电气原理图包括机械设备电气控制线路图和电气元器件目录表，它的设计是设备电气系统设计的中心环节，而电气控制线路的设计又是这一环节的核心内容。
在总体方案确定之后的具体设计是从电气原理图开始的,各项设计要求和指标主要是通过电气原理图来实现的，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方法
电气原理图的设计是在拖动方案及控制方式确定之后进行的。
在具体设计时，熟练掌握下面几种基本方法的应用是极为重要的。
1．经验设计
若控制系统较简单，可采用经验设计法，也就是利用前面学过的基本电路的知识，按照主电路→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。
2．逻辑设计
所谓逻辑设计是指：
参照在控制要求中由机械液压系统设计人员给出的执行元件及主令电器工作状态表，找出执行元件线圈同主令电器触点间的关系，将主令电器的触点作为逻辑自变量，执行元件线圈作为逻辑应变量，写出有关逻辑代数式；当无法写出全部逻辑式时，只能凭经验逐个增设中间继电器，将它们的触点也当作逻辑自变量，直到能写出全部逻辑式为止，另一方面，还要写出中间继电器自身的逻辑式；最后，根据逻辑式作出对应电路。
但是，一般当系统复杂时才采用逻辑设计法，而在当前条件下，较复杂的系统应采用可编程序控制器控制。
（二）电气原理图设计的注意点
有时候，设计出来的实际线路会出现不正确、不合理、不经济等现象，因此在设计过程中，应注意：
1．避免“临界竞争和冒险现象”的产生，图2-1为一个产生这种现象的典型电路。
图2-1电路的设计意图是：
按动SB2后，KM1、KT通电，电动机M1运转，延时到后，电动机M1停转M2运转。
正式运行时，会产生这样的奇特现象：
有时候可正常运行，有时候就不行。
原因在于图4-4电路设计不可靠，存在临界竞争和冒险现象。
KT延时到后，其延时常闭触点总是由于机械运动原因先断开而延时常开触点晚闭合，当延时常闭触点先断开后，KT线圈随即断电，由于磁场不能突变为零和衔铁复位需要时间，故有时候延时常开触点来得及闭合，但有时候因受到某些干扰而失控。
若将KT延时常闭触点换上KM2常闭触点以后，就绝对可靠了。
改进后的电路如图4-5所示。
2．尽量减少电器元件触点数量，图4-6为一个实例。
图4-6a不合理；图4-6b较合理，节省了一个KM1常开触点，通过两个线圈共用同个触点来实现。
3.合理安排电器元件触点位置。
4.尽量减少电气线路的电源种类，电源有交流和直流两大类，接触器和继电器等也有交直流两大类，要尽量采用同一类电源。
电压等级应符合标准等级，如交流一般为：
380V、220V、127V、110V、36V、24V、6.3V，直流为：
12V、24V和48V。
5．尽量减少电器元件的品种、规格、数量和触点。
同一用途的电器元件，尽可能选用同一型号规格。
实现同一控制功能的电路可以有多个，电器元件的触点用得最少的电路最优。
6．尽可能减少通电电器数量。
例如，时间继电器在完成延时控制功能以后就应断电，以利节能和延长寿命。
（三）原理图设计举例-CW6163型卧式车床电气原理图的设计
1．课题概述和设计要求
CW6163型卧式车床是性能优良应用广泛的普通小型车床，工件最大车削直径为630mm，工件最大长度为1500mm，其主轴运动的正反转依靠两组机械式摩擦片离合器完成，主轴的制动采用液压制动器，进给运动的纵向左右运动、横向前后运动以及快速移动都集中由一个手柄操作。
对电气控制的要求是：
①由于工件的最大长度较长，为了减少辅助时间，除了配备一台主轴运动电动机以外，还应配备一台刀架快速运动电动机，主轴运动的起、停要求两地操作。
②由于车削时会产生高温，故需配备一台普通冷却泵电动机。
③需要一套局部照明装置以及一定的工作状态指示灯。
2．电动机的选择
根据课题概述和设计要求，可知需配备三台电动机：
主轴电动机，设为M1；冷却泵电动机，设为M2；快速电动机，设为M3。
通常电动机的选择在机械设计时确定。
①主轴电动机M1选定为Y160M-4（11kW，380V，22.6A，1460r/min）。
②冷却泵电动机M2选定为JCB-22（0.125kW，380V，0.43A，2790r/min）。
③快速电动机M3选定为Y90S-4（1.1kW，380V，2.7A，1400r/min）。
3．电气控制线路图的设计
①主电路的设计
主轴电机M1。
M1的功率较大，超过10kW，但是由于车削是在起动以后进行，并且主轴的正反转通过机械式方式进行的，所以M1采用单向直接起动控制方式，用KM进行控制。
在设计时还应考虑到过载保护，并采用电流表PA监视车削量，就可得到控制M1的主电路如图4-7所示。
从图4-7中可看到M1未设置短路保护，它的短路保护可由机械设备的前一级配电箱中的熔断器担任。
冷却泵电动机M2和快速电动机M3。
由于电动机M2和M3的功率较小，额定电流分别为0.43A和2.7A，为了节省成本和缩小体积，可分别用交流中间继电器KA1和KA2替代接触器进行控制。
由于快速电动机M3短时运行，故不设过载保护，这样可得到控制M2和M3的主电路如图4-7所示。
②控制电源的设计
考虑到安全可靠和满足照明及指示灯的要求，采用控制变压器TC供电，其一次侧为交流380V，二次侧为交流127V、36V和6.3V，其中：
127V提供给KM和中间继电器KA1及KA2的线圈，36V交流安全电压提供给局部照明电路，6.3V提供给指示灯电路，具体接线情况如图4-7所示。
③控制电路的设计
主轴电动机M1的控制。
由于机械设备比较大，考虑到操作方便，主电机M1可在机床床头操作板上和刀架拖板上分别设置起动和停止按钮SB3及SB1和SB4及SB2进行操纵，实现两地控制，可得到M1的控制电路如图4-7所示。
冷却泵电动机M2和快速电动机M3。
M2采用单向起停控制方式，而M3采用点动控制方式，具体电路如图4-6所示。
④局部照明与信号指示电路的设计
设置照明灯EL、灯开关SA和照明回路熔断器FU3，具体电路如图4-7示。
可设三相电源接通指示灯HL2（绿色），在电源开关QS接通以后立即发光显示，表示机床电气线路已经处于供电状态。
另外，设置指示灯HL1（红色）表示主轴电动机是否运行。
此两指示灯HL1和HL2可分别由接触器KM的常开和常闭触点进行切换通电显示，电路如图4-7所示。
在操作板上设有交流电流表PA，它被串接在主轴电动机的主回路中，用以指示机床的工作电流。
这样可根据电动机工作情况调整切削量使主电机尽量满载运行，以提高生产效率，并能提高电动机的功率因数。
4.电气元件的选择
（1）电动机的选择：
实际上是在机电设计密切配合下并进行实际实验的情况下定型的。
现在我们来进行其它电气元件的选择。
（2）电源开关的选择：
电源开关QS的选择主要考虑电动机M1~M3的额定电流和起动电流，而在控制变压器TC二次侧的接触器及继电器线圈、照明灯和显示灯在TC一次侧产生的电流相对来说较小，因而可不作考虑。
已知M1、M2和M3的额定电流分别为22.6A、0.43A和2.7A，易算得电流之和为25.73A，由于只有功率较小的冷却泵电动机M2和快速移动电动机M3为满载起动，如果这两台电动机的额定电流之和放大5倍，也不过15.65A，而功率最大的主轴电动机M1为轻载起动，并且M3短时动作，因而电源开关的额定电流就选25A左右，具体选择QS为：
三极转换开关，HZ10-25/3型额定电流25A。
（3）热继电器的选择：
根据M1和M2的额定电流，FR1应选用JR0-40型热继电器。
热元件额定电流为25A，额定电流调节范围为16~25A，工作时调整为22.6A。
FR2应选用JR0-40型热继电器。
热元件额定电流为0.4A，额定电流调节范围为0.4~0.64A，工作时调整为0.43A。
（4）接触器的选择：
因主轴电动机M1的额定电流为22.6A，控制回路电源127V，需主触点三对，辅助点常开触点两对，辅助常闭触点KM应选用CJ10-40型接触器，主触点额定电流40A，线圈电压127V。
（5）中间继电器的选择：
冷却泵电动机M2和快速电动机M3的额定电流较小，分别为0.43A和2.7A,所以KA1和KA2都可以选用普通的JZ7-44型交流中间继电器代替接触器进行控制,每个中间继电器常开常闭触点各有4个,额定电流为5A,线圈电压为127V。
（6）熔断器的选择：
熔断器FU1对M2和M3进行短路保护，M2和M3的额定电流分别为0.43A和2.7A，根据多台电动机共用一个熔断器时熔体额定电流的计算公式：
Ifu（1.5~2.5）INmax+IN
若取系数为2.5,算得Ifu7.18A，因此可选用RL1-15型熔断器，配用10A熔体。
图4-7CW6163型卧式车床电气原理图
熔断器FU2和FU3的选择将同控制变压器的选择结合进行。
（7）按钮的选择：
三个起动按钮SB3、SB4和SB6可选择LA-18型按钮，黑色；三个停止按钮SB1、SB2和SB5也选择LA-18型按钮，颜色为红色；点动按钮SB7型号相同，颜色为绿色。
（8）照明灯及灯开关的选择：
照明灯EL和灯开关SA成套购置，EL可选用JC2型，交流36V，40W。
（9）指示灯的选择：
指示灯HL1和HL2，都选用ZSD-0型，6.3V，0.25A，分别为红色和绿色。
（10）电流表的选择：
电流表PA可选用62T2型，0~50A。
（11）控制变压器的选择：
控制变压器可实现高低压电路的隔离，使得控制电路中的电气元件，如按钮、行程开关和接触器及继电器线圈等同电网电压不直接相接，提高了安全性。
另外各种照明灯、指示灯和电磁阀等执行元件的供点电压有多种，有时也需要用控制变压器降压提供。
常用的控制变压器有BK-50、100、150、200、300、400和1000等型号，其中的数字为额定功率（VA），一次侧压一般为交流380V和220V，二次侧压一般为交流6.3、12、24、36和127V。
控制变压器具体选用时要考虑所需电压的种类和进行容量的计算。
控制变压器的容量P可以根据由它供电的最大负载所需要的功率来计算，并留有一定的余量，这样可得经验公式：
P=KPI
式中：
PI-电磁元件的吸持功率和灯负载等其它负载消耗的功率；
K为变压器的容量储备系数，一般取1.11.25。
虽然电磁线圈在起动吸合时消耗功率大，但变压器有短时过载能力，故式子中，对电磁器件仅考虑吸持功率。
对本实例而言，接触器KM的吸持功率为12W，中间继电器KA1和KA2的吸持功率都为12W，照明灯EL的功率为40W，指示灯HL1和HL2的功率都为1.575W，易算得总功率为79.15W，若取K为1.25，则算得P约等于99W，因此控制变压器TC可选用BK-100VA，380、220V/127、36、6.3V。
易算得KM、KA1和KA2线圈电流及HL1、HL2电流之和小于2A，EL的电流也小于2A，故熔断器FU2和FU3均选用RL1-15型，熔体2A。
四、电气控制系统的工艺设计
工艺设计的目的是为了满足电气控制设备的制造和使用要求。
工艺设计的依据是电气原理图及电气元件目录表。
工艺设计时，一般先进行电气设备总体配置设计，而后进行电气元件布置图、接线图、电气箱及非标准零件图的设计，再进行各类元器件及材料清单的汇总，最后还要编写设计说明书和使用说明书，从而形成一套完整的设计技术文件。
（一）电气设备总体配置设计
各种电动机及各类电器元件根据各自的作用，都有移动的装配位置，在构成一个完整的电气控制系统时，必须划分组件，同时要解决组件之间以及电气箱与被控制装置之间的接线问题。
通常可分成以下几种组件：
①设备电器组件。
拖动电动机与各种执行元件（电磁阀、电磁铁和电磁离合器等）以及各种检测元件（行程开关、速度和温度继电器等）必须安装在机械设备相应部位，它们构成了机械设备电器组件。
②电器板和电源板组件。
各种控制电器（接触器、中间继电器和时间继电器等）以及保护电器（熔断器、热继电器和过电流继电器等）安装在电气箱，构成一块或多块电器板（主板），而控制变压器及整流、滤波元件也安装电气箱内，构成电源板组件。
③控制面板组件。
各种控制开关、按钮、指示灯、指示仪表和需要经常调节的电位器等，必须安装在控制台面板上，构成控制面板组件。
各组件板和机械设备电器相互间的接线一般采用接线端子板，以便接拆。
总体配置设计是以电气系统的总装配图与总线接线图形式来表达的，图中应以示意形式反映出电气部件（如电气箱、电动机组、机械设备电器等）的位置及接线关系，以及走线方式和使用管线要求等。
（二）电气元件布置图的绘制
电气元件布置图是某些电器元件按一定原则的组合。
同一组件电器元件的布置应注意：
①需要经常维护、检修和调整的电器元件的位置不宜过高过低。
②体积大和较重的电器元件应安装在电器板的下面（一般电器板在电气箱内垂直安装，以便通风散热、接线和维修），而发热元件应安装在电器板的上面。
③电器元件布置不宜过密，对易产生分弧的接触器和自动开关尤其要注意。
若采用板前走线槽配线方式，应适当加大各排电器间距，以利布线和维护，同时还应考虑整齐、美观。
④原理图中靠近的电器元件，应尽量布置得近些，以缩短接线。
布置图是根据电器元件的外形绘制，并标出各元件间距尺寸。
每个电器元件的安装尺寸及公差范围，应严格按标准标出，作为底板加工依据，以保证各电器的顺利安装。
在电气布置图设计中，还要根据本组件进出线的数量和采用导线规格，选择进出线方式，并选用适当接线端子板或接插件，按一定顺序标上进出线的接线号。
（三）电气接线图的绘制
电气接线图是根据电气原理图及电气元件布置图绘制的，它一方面表示出各电气组件（电器板、电源板、控制面板和机械设备电器）之间的接线情况，另一方面表示出各电气组件板上电器之间接线情况。
因此，它是电气设备安装、进行电器元件配线和检修时查线的依据。
设备上的电器（电动机和行程开关等）可先接线到装在机械设备上的分线盒，再从分线盒接线到电气箱内电器板上的接线端子板上，也可不用分线盒直接接到电气箱。
电气箱上的各电器板、电源板和控制面板之间要通过接线端子板接线。
接线图的绘制还应注意以下几点：
1.电器元件按外形绘制，并与布置图一致，偏差不要太大。
与电气原理图不同，在接线图中同一电器元件的各个部分（线圈、触点等）必须画在一起。
2.所有电器元件及其引线应标注与电气原理图相一致的文字符号及接线回路标号。
3.电器元件之间的接线可直接连接，也可采用单线表示法绘制，实含几根线可从电器元件上标注的接线回路数看出来。
当电器元件数量较多和接线较复杂时，也可不画各元件间的连线，但是在各元件的各接线端子回路标号处应标注另一元件的文字符号，以便识别，方便接线。
电气组件之间的接线也可采用单线表示法绘制，含线数可从端子板上的回路标号数看出来。
4.接线图中应标出配线用的各种导线的型号、规格、截面积及颜色等。
规定交流或直流动力电路用黑线，交流辅助电路为红色，直流辅助电路为蓝色，地线为黄绿双色，与地线连接的电路导线以及电路中的中性线用白色线。
还应标出组件间连线的护套材料，如橡套或塑套、金属软管、铁管和塑料管等。
电气控制原理电路设计的方法与步骤
电气控制原理电路设计是原理设计的核心内容，各项设计指标通过它来实现，它又是工艺设计和各种技术资料的依据。
一、电气控制原理电路的基本设计方法
电气控制原理电路设计的方法主要有分析设计法和逻辑设计法两种。
1、分析设计法
分析设计法是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节（单元电路）或将比较成熟的电路按其联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整线路。
当没有现成的典型环节时，可根据控制要求边分析边设计。
分析设计法的优点是设计方法简单，无固定的设计程序，它是在熟练掌握各种电气控制电路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制电路能力的基础进行的，容易为初学者所掌握，对于具备一定工作经验的电气技术人员来说，能较快地完成设计任务，因此在电气设计中被普遍采用；其缺点是设计出的方案不一定是最佳方案，当经验不足或考虑不周全时会影响线路工作的可靠性。
为此，应反复审核电路工作情况，有条件时还应进行模拟试验，发现问题及时修改，直到电路动作准确无误，满足生产工艺要求为止。
2、逻辑设计法
逻辑设计法是利用逻辑代数来进行电路设计，从生产机械的拖动要求和工艺要求出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触点的闭合与断开，主令电器的接通与断开看成逻辑变量，根据控制要求将它们之间的关系用逻辑关系式来表达，然后再化简，做出相应的电路图。
逻辑设计法的优点是能获得理想、经济的方案，但这种方法设计难度较大，整个设计过程较复杂，还要涉及一些新概念，因此，在一般常规设计中，很少单独采用。
其具体设计过程可参阅专门论述资料，这里不再作进一步介绍。
二、电气原理图设计的基本步骤
电气原理图设计的基本步骤是：
（l）根据确定的拖动方案和控制方式设计系统的原理框图。
（2）设计出原
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