现代电气控制技术任振辉第3章节电气控制电路的分析与设计

1、Ch3 电气控制电路分析与设计,卧式车床电气控制线路 电气控制系统设计基础 电气控制电路的经验设计 电气控制电路的逻辑设计,电气控制系统是机械设备的重要组成部分，了解电 气控制系统对于机械设备的正确安装、调整、维护与使用非常重要。 分析机床控制系统时应注意以下问题： 了解机床主要技术性能及机械传动、液压和气动工作原理。 弄清各电动机的安装部位、作用、规格和型号。 初步掌握各电器的安装部位、作用及各操纵手柄、开关、按钮的功能和操纵方法。 注意了解与机床的机械、液压发生直接联系的各种电器的安装部位及作用，如行程开关、电磁铁等。 分析时应结合说明书等技术资料将电路划分，逐一进行分析，如各电动机的起动、制动、保护和联锁等。 本章要求：对典型生产机械电气控制线路进行分析，掌握阅读电气原理图的方法，培养读图能力，通过分析典型生产机械的工作原理，为设计、安装、调试及维护打下基础。,3.1 卧式车床电气控制电路,一、CW6163B型万能卧式车床控制线路,分析主电路 分析控制电路 分析辅助电路 分析联锁与保护环节 总体检查,床身最大工件的回转半径为630mm，工件的最大长度为4000mm。,主电动机起停

2、指示灯,HL2,行程开关，作进给限位保护,SQ,电源指示灯,HL1,控制变压器,TC,冷却泵电动机起停 按钮,SB5SB6,快速电动机点动按钮,SB7,主电动机起停按钮,SB1 SB4,接触器，快速电动机起动、停止用,快速电动机,接触器，作冷却泵电动机起停用,冷却泵电动机,M2,接触器，作主电动机起动、停止用,KM1,主电动机,M1,热继电器，作冷却泵电动机过载保护用,FR2,熔断器，作短路保护,FU1 FU4,热继电器，作主电动机过载保护用,FR1,刀开关，电源引入,QS,名称及用途,符号,CW6163B型卧式车床电气元件目录表,符号,名称及用途,KM2,M3,KM3,二、C616卧式车床电气控制线路,应用极为广泛的金属切削机床。主要用于车削外圆、内圆、端面、螺纹和成形表面，也可用钻头、铰刀、镗刀等进行加工。 机床结构 主要由床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、溜板与刀架、尾座、光杠、丝杠等部分组成。 主运动：主轴的旋转运动，由主轴电动机通过皮带传到主轴箱带动旋转； 进给运动：刀架的直线移动，由溜板箱带动。主轴电动机经过主轴箱输出轴、挂轮箱、传给进给箱，再通过光杠将运动传入溜板箱，溜板

3、箱带动刀架作纵、横两个方向的进给运动。,C616卧式车床外形图,C616卧式车床电气原理图,三、C650卧式车床电气控制线路,监视主回路负载的电流表是通过电流互感器TA接入电路的。为防止电动机起动电流对电流表造成冲击，线路中采用了一个通电延时型时间继电器KT。当起动时，KT线圈通电，而KT的延时断开的动断触点尚未动作，电流互感器二次侧电流只流经该触点构成闭合回路，电流表中没有电流流过。延时时间到，KT延时断开的动断触点打开，此时电流流经电流表，能够反映出负载电流的大小。,3.2 电气控制系统设计基础,电气控制系统设计的基本任务：根据生产机械对控制系统的要求设计和编制设备的制造、使用和维修过程中所必须的图纸、资料，主要包括电气原理图、电气元件布置图、安装接线图等，编制外购元件目录、材料消耗清单，编写说明书等资料。 电气控制系统设计主要包括电气原理图设计和电气工艺设计两大部分内容。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路设计，决定了生产机械的实用性和先进性，是电气控制系统设计的核心；电气工艺设计是为电气控制装置的制造、使用、运行及维修的需要而进行的生产施工设计，如开关柜柜体设

4、计、布线工艺设计等。电气工艺设计必须在电气原理图设计完成后，根据工程现场实际要求，合理考虑。,1熟悉所设计机床（设备）的总体技术要求及工作过程，弄清其它系统对电气控制系统的技术要求。 2了解机床（设备）的现场工作条件，供电情况及测量仪表的种类。 3通过技术经济分析，选择性能价格比最佳的传动方案和控制方案。 4设计简单合理、技术先进、工作可靠、维修方便的电气控制电路。进行模拟试验，验证控制电路能否满足机床的工艺要求。 5保证使用的安全性，贯彻最新国家标准。,一、机床电气设计的基本要求,1拟定电气设计的技术条件（任务书）； 2确定电力传动方案和控制方案； 3确定电动机容量； 4设计电气控制原理图； 5选择电气元器件及装置；制定电气设备装置、元件、器件的清单及备件，易损件的清单； 6绘制电气安装图、位置图、互连图； 7设计电气柜、操作台、配电板及非标准器件与零件； 8编写设计计算说明书及使用说明书，包括顺序说明、维修说明及调整方法。 根据实际情况，对上述步骤可作适当的调整。,二、机床电气设计的内容及设计步骤,电气设计的技术条件通常以设计任务书的形式表达。它是整个电气设计的依据。在任务书中，除

5、了简要说明所设计的机床（设备）型号、用途、工艺过程、技术性能、传动参数及现场工作条件外，还必须说明： 1用户供电电网的种类、电压、频率及容量； 2有关电气传动的基本特性，如运动部件的数量和用途、负载特性、调速指标、电动机的起动、反向和制动要求等； 3有关电气控制的特性，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、电气保护及联锁条件等； 4有关操作方面的要求，如操作台的布置、测量显示、故障报警及照明等要求； 5机床主要电气设备（如电动机、执行电器和行程开关等）的参数及布置框图； 该技术任务书是依据所设计机床（设备）的总体技术方案拟定的。,三、电气设计的技术条件,四、机床电力传动方案的确定,1.确定机床传动的调速方式,生产机械从生产工艺和节能等方面考虑往往要求能够调速，不同的设备有不同的调速范围和精度要求，不同的调速性能应选用不同的调速方案。 机床传动的调速方式一般可分为机械调速和电气控制调速。前者是通过电动机驱动变速机构或液压装置，对机床的主运动和进给运动进行调速。后者是采用直流电动机或交流电动机以及步进电动机的调速系统，以达到机床无级和自动调速的目的。,对于一般中小型

6、生产机械，无特殊调速指标要求时，应优 先选用简单、经济、可靠的三相鼠笼式异步电动机，配以适当级数的齿轮变速箱或液压调速系统。若需进一步简化结构、提高传动效率、扩大调速范围，如调速范围D=23、调速级数4时，可采用双速或多速鼠笼式异步电动机。 对于大型、重型生产机械和精密机械，应尽可能采用电气 无级调速，一般采用晶闸管-直流电动机调速系统或交流电动机变频调速系统，直流电动机结构复杂、造价高、维护困难，变频调速技术已日益成熟。 变频电机采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式，使生产机械的自动化程度和生产效率大为提高，目前正取代传统的机械调速和直流调速方案。,2. 传动方式与其负载特性相适应,在确定机床电力传动方案时，必须对电力传动的调速性质和其负载特性进行分析，找出电动机在整个调速范围内转矩、功率与转速的关系T=f（n）；P=f（n）。确定负载需要恒功率传动，还是恒转矩传动 。,3.电动机的起制动和正反转的要求,在机床的传动控制中，采用电气控制电动机的起制动和正反转是较为简单的一种控制方式。对于一般较小容量的电动机，其容量不超过供电变压器容量的20%，一般可采用直接起动。,对于超

7、过电网允许压降的电动机起动或对机床运动部件产生过大的动态应力的电动机起动，必须采取限制起动电流或起动转矩的措施。常用的方法有：在定子电路中串入电阻或电抗，星三角起动和延边三角形起动，使用自耦变压器降压起动等。若在电网允许的压降内，为了提高电动机的起动转矩，有时可采取某些措施，例如，对绕线式异步电动机转子串接对称电阻的起动。 传动电动机是否需要制动，这要根据机床工作需要而定。若无特殊要求，一般采用反接制动，这样可使控制线路简化。若在制动过程中要求平稳、准确，而且不允许有反转情况发生，则必须采取其它可靠的制动措施，如能耗制动方式，电磁制动器，锥形转子电动机等。 对于其它一些要求起制动频繁、转速平稳、定位准确的精密机床设备，除必须采用限制电动机起制动电流以外，还需要采用反馈控制系统、高转差电动机、步进电动机系统或其它较复杂的控制方式，以满足机床的控制要求。,在确定控制方案时，需要综合考虑各方案的性能、成本、寿命、发展趋势等因素，主要遵循以下原则： 自动化程度要与国情相适应。尽可能选用最新科技成果，同时要与企业自身经济实力相适应。 控制方式应与设备通用化和专用化的程度相适应。对于工作程序固定，

8、无需经常改变程序的普通生产机械，可采用继电接触器控制系统，控制方法简单，价格便宜，能够控制的功率较大；对于要求较复杂的控制对象，或经常变换工序和加工对象的设备，可采用数字控制或可编程序控制器控制系统。 控制方式随控制过程的复杂程度而变化。根据控制要求及控制过程的复杂程度，可采用分散控制或集中控制，但单机的控制方式和基本控制环节应尽量保持一致，以简化设计和制造过程。,五、机床电气控制方案的确定,控制系统的工作方式，应在经济、安全的前提下，最大限度地满足工艺要求。控制方案选择，应考虑采用自动、半自动循环，并考虑手动调整、联锁、安全保护、故障诊断、信号指示、照明等。 控制电路的电源必须可靠。简单控制电路可直接用电网电源；较复杂电路的控制装置，可将电网电压隔离降压，以降低故障率；自动化程度较高的生产设备，可采用直流电源，有助于节省安装空间，方便与无触点元件连接，使元件动作平稳，操作维修也安全。,控制方式主要有时间控制、速度控制、电流控制及行程控制： 时间控制方式：利用时间继电器或可编程逻辑控制器的延时单元将感测系统接收到的输入信号经过一段时间的延时后再发出输出信号，从而实现电路的切换。 速度控

9、制方式：利用速度继电器或测速发电机，直接或间接的检测某机械部件的运动速度，按照速度原则实现电路的控制。 电流控制方式：借助于电流继电器，其动作反映了某一电路中电流的变化，从而实现按电流原则的控制。 行程控制方式：利用生产机械的运动部件与事先安排好位置的行程开关或接近开关进行配合，达到位置控制的作用。,六、控制方式的选择,电动机转速和结构型式的选择,电动机的转速愈低则体积愈大，价格也愈高，功率因数和效率也就低，因此电动机的转速要根据机械的要求和传动装置的具体情况加以选定。异步电动机的转速有3000r/min；1500r/min；1000r/min；750r/min；600r/min等几种，这是由于电动机的磁极对数的不同而定的。电动机转子转速由于存在着转差率，一般比同步转速约低2%5%。一般情况下，可选用同步转速为1500r/min的电动机，因为这个转速下的电动机适应性较强，而且功率因数和效率也高。若电动机的转速与该机械的转速不一致，可选取转速稍高的电动机通过机械变速装置使其一致。,选择电动机的原则:,先交流后直流, 先鼠笼后绕线。,从结构型式看：,立式、卧式; 封闭式 、防爆式,一般中小型机床电气传动控制系统并不复杂，大多数都是由继电器接触器系统来实现其控制的，因此在设计时，前面所讲述的机床电气设计的某些内容可以省略，其重点就是设计继电器接触器控制线路及选择电气元件。 当机床的控制方案确定后，可根据各电动机的控制任务不同，参照典型线路逐一分别设计局部线路，然后再根据各部分的相互关系综合而成完整的控制线路。 控制线路的设计在应满足机床电气控制系统具体要求的前提下，工作要可靠，力求操作、安装及维修方便。,1、原理图设计的一般原则,确定了传动方案及控制方案后，进一步设计控制电路原理图时，必须遵循以下几个原则：,（1）控制系统应满足生产机械的工艺要求； （2）力求控制电路安全可靠，简单经济； （3）合理选择各种电器元件； （4）符合人机关此，便于维修。,直流控制线路多用220V或110V供电。对于直流电磁铁、电磁离合器，常用24V直流电源供电。 电源选择具体如下表所示。,2主电路设计,对于三相鼠笼式异步电动机，要考虑的主要问题是：根据工艺要求，如何选择主电路电动机的起

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